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宽带掺Er光波导放大器关键技术研究

陈海燕  
【摘要】:本文对宽带掺Er(含Yb)磷酸盐玻璃光波导放大器的关键技术进行研究。主要研究了光波导放大器中光场分布的计算、光波导放大器物理特性(如小/大信号增益、噪声、量子效率、饱和吸收等)、离子交换波导制作工艺、光波导放大器性能测试、带薄膜介质滤波器的宽带放大器结构以及多层薄膜介质滤波器的膜系设计等问题。主要内容与成果有: 1.将交变隐式-时域有限差分(ADI-FDTD)方法应用于光波导计算,对光波导放大器中的光场分布进行数值计算,得到了平面光波导放大器中信号光和泵浦光的横向分布。ADI-FDTD方法具有隐式差分格式的稳定性和显示差分格式相对简单的优点,它比传统FDTD更广泛的适应能力。 2.将交变隐式-时域有限差分方法与重叠积分-RK算法相结合,提出了一种基于ADI-FDTD的重叠积分-RK算法来对光波导放大器进行理论分析,该方法利用ADI-FDTD计算Er-Yb共掺磷酸盐波导中信号光和泵浦光的归一化本征场,并计算光场分布与Er、Yb离子分布的重叠积分,然后利用重叠积分-RK方法计算信号光、泵浦光、自发辐射光功率沿光波导分布。该算法的优点在于避免了在RK算法中每一步都要计算光场分布,节省了计算工作量。 3.在忽略激发态吸收(ESA)的情况下,通过求解放大器的速率与功率传输方程,详细讨论了小信号下Er~(3+)离子浓度、Yb~(3+)/Er~(3+)浓度的比率、泵浦光功率、放大器长度以及泵浦光和信号光的横向场分布对放大器增益特性、噪声特性的影响;大信号下Er~(3+)离子浓度、Yb~(3+)/Er~(3+)浓度的比率、泵浦光功率对放大器量子效率的影响以及光波导放大器的饱和吸收特性和提高放大器增益的有效途径。结果表明放大器的基质材料参数与波导参数大大影响放大器的物理特性。 4.用离子交换技术制作出了Er-Yb共掺磷酸盐玻璃平面、沟道波导及掩埋波导。详细研究了Ag~+(?)Na~+、K~+(?)Na~+、Ag~++K~+(?)Na+、Ag~++K~++Na~+(?)Na~+离子交换以及反交换等工艺。利用m线技术,得到了波导中传播模式的模折射率。提出了一种确定离子交换平面波导折射率的新方法:预测-校验法,该方法利用反WKB方法分段插值所得到的值作为初值,然后利用拟合方法对其优化。其优点在于避免了传统做法所带来的误差(由于实验测量有误差,而插值方法不能消除误差)。介绍了一种确定掩埋沟道波导折射率分布方法-模场测试


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