高浓度掺铒光纤的研制

论文摘要

掺铒光纤在光通信、传感、材料加工和军事等领域有着广泛而重要的应用。本论文在国家高技术研究发展计划（863）项目“稀土掺杂光纤”和“新型特种光纤”的支持下,在导师的指导和全体科研小组的团队协作下,对采用MCVD结合溶液掺杂法制作低团簇高浓度的掺铒光纤、高浓度掺铒光纤中的铒离子团簇率的分析以及高浓度掺铒双结构光纤的设计进行了深入系统的研究,获得以下创新性成果:1.研究了采用MCVD结合溶液掺杂法实现低团簇的高浓度掺铒光纤的关键问题,包括疏松层的形貌以及共掺物的选取。首先利用电子探针微束分析（EPMA）对不同温度下沉积的疏松层形貌进行了观察,分析了疏松层沉积温度对疏松层的厚度、孔隙影响,指出了疏松层孔隙的形貌是影响铒离子浓度和团簇的重要因素。观察不同条件下制作的掺铒光纤预制棒形貌,分析了共掺不同组分的疏松层对预制棒形貌以及铒离子浓度和团簇的影响。通过实验对比,分析说明了增加溶液中的Bi3+、Al3+浓度可以提高光纤中的掺铒浓度,并认为这种作用应归因于浸泡溶液时的化学吸附作用,并采用分子动力学方法仿真说明了共掺Al3+有助于削弱铒离子团簇的趋势。最后,制作了多种高浓度掺铒光纤,包括高浓度掺铒光敏光纤、仅共掺铝的高浓度掺铒光纤、多组分疏松层制作的高浓度掺铒光纤、多金属元素共掺铒高浓度掺铒光纤,光纤中的掺铒浓度均超过了0.1mol%,最高达到了1mol%。2.提出了一种简单的测试铒离子团簇率的方法,利用该方法测试了自制的高浓度掺铒光纤的团簇率,并通过对光纤放大性能的数值拟合与实验测试结果的对比,验证了此方法的正确与可行。自制高浓度掺铒光纤中铒离子团簇率的测定结果表明,除了掺入高浓度GeO2的掺铒光敏光纤外其余光纤的团簇率都小于0.1。通过对测定结果的分析,说明共掺Al3+可以很好的消除Er3+的团簇;过高浓度的掺入GeO2则会导致较大的铒离子团簇率,这归因于共掺GeO2的疏松层孔隙较大且分布不均匀,验证说明了消除铒离子团簇的关键是共掺物的选取和疏松层的沉积。3.基于掺铒光纤团簇模型,分析了团簇率对EDFA放大性能的影响,认为铒离子的团簇将损害放大器的增益性能,恶化其噪声指数,并降低量子转换效率;并通过求解高浓度掺铒光纤模型,分析了光纤的纤芯参数对于掺铒光纤放大性能的影响,认为提高纤芯的折射率和缩小芯径有利于提高掺铒光纤的增益性能;同时发现缩小掺铒区域在纤芯中所占的比例,可以使掺铒光纤放大性能对4.纤芯芯径和折射率的变化不敏感。测试了自制掺铒光纤的ASE谱和增益谱,说明只需1m～2m的自制高浓度掺铒光纤即可实现30dB的小信号增益,从而可以缩短放大器中掺铒光纤的使用长度。根据掺铒光纤的放大性能说明了Al3+通过影响光纤中铒离子的Stark能级结构,可以有效的使掺铒光纤放大器的增益谱平坦化。5.建立了考虑铒离子团簇的双包层高浓度掺铒光纤的放大器模型,并分析了铒离子团簇对于双包层光纤放大器性能的影响,认为与纤芯单模泵浦时的情况相比,在包层泵浦的情况下,团簇率对放大器的增益性能影响明显减弱,说明包层泵浦有利于削弱铒离子团簇的影响。并利用束传播法（BPM）分析比较了多种形状内包层的泵浦吸收情况,认为截断圆形等严重破坏圆对称性的形状可以使双包层光纤对泵浦的吸收系数基本保持定值;分析认为缩小内包层面积可以提高双包层光纤放大器的增益性能,但必须以提高内包层的数值孔径为代价,否则将会降低泵浦的耦合效率;也分析了纤芯参数对于双包层光纤放大器的影响,发现与纤芯单模泵浦时的情况相反,提高双包层光纤的纤芯芯径和降低纤芯折射率有利于提高放大性能。对引入空气孔的双包层微结构光纤也进行了全面分析,总结分析了外包层引入空气孔以提高内包层数值孔径的方法,对内包层引入空气孔的情况也进行了分类讨论,认为空气孔大小、数目、距离的合理选择对于提高泵浦的吸收至关重要;最后分析了双包层掺铒光子晶体光纤内包层空气孔相对大小对于放大性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高浓度掺铒光纤的研究进展和掺铒机理研究
• 1.2.1 高浓度掺铒光纤研究进展
• 1.2.2 MCVD结合溶液掺杂法掺铒机制研究进展
• 1.3 掺铒光纤中掺杂离子分布的微观研究
• 1.3.1 实验分析
• 1.3.2 理论分析
• 1.4 双包层掺铒光纤的研究进展
• 1.4.1 双包层EDFA的实验与仿真研究
• 1.4.2 双包层光纤内包层的优化设计
• 1.5 本论文的主要工作
• 参考文献
• 2 高浓度石英基掺铒光纤的制作和掺铒机制研究
• 2.1 引言
• 3+团簇的原因'>2.2 高浓度掺铒光纤中Er³⁺团簇的原因
• 2.3 疏松层的表征与影响
• 2.4 溶液浸泡的影响
• 2.4.1 杂质离子的避免
• 2.4.2 溶液中各种离子对光纤掺铒浓度的影响
• 2.4.2.1 铒离子浓度的估算与测定
• 2.4.2.2 溶液中的离子浓度对光纤中掺铒浓度的影响
• 2.4.3 铝共掺对铒离子分布的仿真研究
• 2.4.3.1 分子动力学方法
• 2.4.3.2 模拟的过程与方法
• 2.5 浸泡后处理的影响
• 2.5.1 对光纤背景损耗的影响
• 2.5.2 对光纤中掺杂离子含量的影响
• 2.6 高浓度掺铒光纤的制备结果及分析
• 2.6.1 具有光敏特性的高浓度掺铒光纤
• 2.6.2 铝共掺的高浓度掺铒光纤
• 2.6.3 铝、磷、锗共掺的高浓度掺铒光纤
• 2.6.4 铝、铋、镓共掺的高浓度掺铒光纤
• 2.7 MCVD结合溶液掺杂法与其他制作方法的比较
• 2.8 小结
• 参考文献
• 3 高浓度掺铒光纤中铒离子的团簇及其微观近邻结构
• 3.1 引言
• 3.2 高浓度掺铒光纤的团簇模型
• 3.2.2 考虑团簇效应的掺铒光纤放大模型
• 3.2.3 团簇率的影响
• 1 增益和ASE谱
• 2 噪声指数
• 3 量子转换效率
• 3.3 高浓度掺铒光纤中铒离子团簇率的测定与分析
• 3.3.1 测试原理和步骤
• 3.3.2 测试系统的改进
• 3.3.3 自制系列掺铒光纤团簇率的测定结果及分析
• 3.4 高浓度掺铒光纤的放大性能理论与实验分析
• 3.4.1 光纤波导结构参数对放大性能的影响
• 3.4.2 ASE谱和小信号增益的测试方法
• 3.4.3 团簇测试方法的验证
• 3.4.4 自制掺铒光纤的放大性能
• 3.5 小结
• 参考文献
• 4 双包层高浓度掺铒光纤结构的研究和设计
• 4.1 引言
• 4.2 双包层高浓度掺铒光纤的数值模型
• 4.3 包层泵浦的高浓度掺铒光纤放大器性能
• 4.4 双包层掺铒光纤的优化设计
• 4.4.1 内包层的优化
• 4.4.2 纤芯的优化
• 4.5 微结构双包层结构的掺铒光纤
• 4.5.1 有限元法计算双包层光纤的纤芯模场分布
• 4.5.2 高浓度掺铒双包层微结构光纤放大器
• 4.5.3 微结构双包层光纤的包层设计
• 4.5.4 微结构双包层光纤放大器的设计
• 4.6 小结
• 参考文献
• 5.结束语
• 5.1 本论文的主要研究成果
• 5.2 下一步拟进行的研究
• 致谢
• 作者简历