掺铒光纤光源及其光谱平坦技术的研究

论文摘要

本论文主要研究了以掺铒光纤为增益介质的光纤超荧光光源及其光谱的增益平坦技术。设计研制的高平坦度C+L波段掺铒光纤超荧光光源适用于分布式光纤光栅传感系统、长距离光纤通信系统以及光纤陀螺和光纤无源器件测试等领域。本文的分析研究对高平坦度的ASE光源的设计和制作具有一定的指导意义。首先对研制掺铒光源所用的掺铒光纤、泵浦激光二极管以及主要光电器件的工作原理和特性作了详细的介绍。对掺铒光纤超荧光光源的特性、基本原理、结构和数学模型作了系统地描述。在介绍C波段和L波段ASE光源的基础上,对C+L波段ASE光源进行了深入的研究。通过对单级单程、单级双程和双级双程结构的C+L波段ASE光源的实验研究和分析,设计了三级双泵浦结构的C+L波段ASE光源。此光源与前面几种结构的C+L波段ASE光源相比,具有更优的性能指标,尤其是输出光谱的平坦度,在不加任何滤波器的情况下,60nm（1543～1603nm）波段范围内光谱的不平坦度<±1.3dB,由于1532nm波长附近的波峰存在,在80nm（1523～1603nm）波段范围内光谱的不平坦度>±3dB。然后,针对ASE光源输出光谱的不平坦性,介绍了几种典型的光谱平坦技术方法,其中重点介绍了外部均衡法,即使用增益均衡滤波器实现光谱的高平坦度。研究的滤波器包括：马赫-曾德尔干涉仪型滤波器、长周期光栅（LPFG）以及基于光纤环形镜结构的增益平坦滤波器。对各个滤波器进行了详尽的理论与实验研究,然后总结各自的优缺点。其中,根据设计的光源输出光谱的特点,通过理论计算,利用特制的长周期光栅实现了在80nm（1525～1605nm）波段范围内,输出的C+L波段光谱平坦度<±0.66dB,输出功率较加入LPG之前减小了1.05dB,是较为理想的一种平坦方法。结合实验室承担的科研项目,分析了分布式光纤光栅传感检测系统对掺铒光纤超荧光光源性能的要求。将优化设计的光源应用于分布式光纤光栅传感系统中,通过实验证明：使用高平坦度的ASE光源不但可以增加分布式光纤光栅传感系统中的传感器数量,而且有利于FBG传感信号的远距离传输和解调。最后,结合论文中的研究情况指出了论文的不足之处,并根据现在国内外的研究现状对掺杂光纤光源相关领域的未来研究方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 掺铒光纤超荧光光源简介
• 1.2.1 掺铒光纤超荧光光源的研究背景
• 1.2.2 掺铒光纤超荧光光源的特点与应用
• 1.2.3 掺铒光纤超荧光光源的平坦
• 1.3 课题的来源及背景
• 1.4 本论文主要工作
• 第二章 掺铒光纤及主要光器件的原理与应用
• 2.1 掺铒光纤
• 2.1.1 掺铒光纤的主要参数
• 2.1.2 铒离子的能级结构
• 2.1.3 掺铒光纤的切割与熔接
• 2.2 泵浦激光器
• 2.3 主要的光纤无源器件
• 2.3.1 光纤连接器
• 2.3.2 光纤耦合器和熔锥型波分复用器
• 2.3.3 光纤隔离器和光纤环行器
• 2.3.4 光纤偏振控制器
• 2.3.5 光纤环形镜
• 2.4 本章小结
• 第三章 C+L波段掺铒光纤光源的优化设计与实验研究
• 3.1 掺铒光纤超荧光光源的相关理论研究
• 3.1.1 超荧光产生的基本原理
• 3.1.2 掺铒光纤超荧光光源的基本结构
• 3.1.3 掺铒光纤光源理论模型
• 3.1.4 掺铒光纤光源的主要参数
• 3.2 C波段和L波段掺铒光纤超荧光光源的研究
• 3.2.1 C波段掺铒光纤超荧光光源的研究
• 3.2.2 L波段掺铒光纤超荧光光源的研究
• 3.3 C+L波段掺铒光纤超荧光光源的优化设计和实验研究
• 3.3.1 几种C+L波段掺铒光纤超荧光光源的分析研究
• 3.3.2 三级双泵浦C+L波段掺铒光纤超荧光光源的实验研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 掺铒光纤超荧光光源平坦技术的研究
• 4.1 掺铒光纤超荧光光源的平坦
• 4.1.1 平坦的目的与意义
• 4.1.2 平坦的主要技术方法
• 4.2 利用特种光纤实现光源平坦
• 4.3 优化光源结构和系统参数
• 4.4 加入光滤波器实现光源平坦
• 4.4.1 利用马赫曾德尔干涉仪型滤波器实现光源平坦化的研究
• 4.4.2 利用长周期光栅（LPFG）实现光源平坦化的研究
• 4.4.3 基于光纤环形镜的光源平坦化研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 优化设计的ASE光源在分布式光纤光栅传感系统中的应用
• 5.1 分布式光纤光栅传感系统简介
• 5.2 分布式光纤光栅传感系统对光源的性能要求
• 5.3 优化后的光源在分布式FBG传感系统中的应用
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 详细摘要