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低噪声、高增益、高平坦度掺铒光纤放大器的分析与实验研究

强则煊  
【摘要】: 掺铒光纤放大器(EDFA)是光纤通信系统中的关键器件,它和密集波分复用(DWDM)技术的紧密结合是当前通信技术的发展主流。随着光纤通信向全光高速网络系统的深入发展,传统的C-band EDFA的增益带宽已经不能满足DWDM系统的要求,而且这种以均匀展宽为主的EDFA会随网络的动态重构引起进入EDFA的信道的增益不断变化从而影响系统的工作稳定性。开发新的L-band EDFA是十分必要的,然而传统的L-band EDFA由于工作在铒光纤增益谱的尾部,其存在增益低、工作转换效率低、噪声大等缺点,因此,分析和设计符合DWDM系统发展要求的具有优良性能(高增益、低噪声、动态增益均衡)的L-band EDFA是十分有意义的。 本论文本着科技创新、服务于生产实践的精神,以设计价格低廉,性能优越、结构合理简单的L-band EDFA为目标,依托浙江省科技厅重大科学基金资助项目(001101027)和浙江大学振兴教育计划资助的全光网络的搭建—《光通信技术》课程实验建设项目,展开了如下工作: 首先,介绍了掺铒光纤放大器的工作原理,归纳总结了基于速率方程基础的EDFA的各种理论模型,分析比较了各个模型的特点和适用场合,最终选择完善的Giles理论模型作为本论文分析设计EDFA的理论基础;针对实际实验条件提出了修正的EDFA模型的数值计算方法;创新地提出了增益—噪声系数全局分析法,直观有效地分析了EDFA的增益和噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率的依赖关系,并对各种EDFA的性能作了全面的比较; 第二,介绍了掺铒光纤放大器特性参数的定义与测量方法,重点介绍了噪声系数和增益系数的测量方法及实验装置;介绍了组成掺铒光纤放大器各组件的特性测量方法,重点介绍了测量掺铒光纤(EDF)参数的方法和实验装置; 第三,针对WDM系统对L-band EDFA谱平坦、低噪声、高增益的要求,我们创新地提出了四种不同的L-band EDFA结构,按设计思路可以分为两大类:一类是基于单抽运二级泵浦法,这一类包括(a)在未泵浦掺铒光纤的输入端插入一根布拉格光纤光栅的两段L-band的EDFA的新结构;(b)基于前向ASE光作为二级泵浦源推动下一级EDF工作的泵浦分配、两段级联L-band的EDFA的新结构;(c)基于单根光纤光栅、泵浦分配、两段级联的EDFA;另一类则是基于同时应用前后向C-band ASE作二级泵浦源的双抽运法,如(d)基于前后向ASE光作为二级泵浦源的三段级联L-band的EDFA的新结构。文中从理论上系统分析设计了结构参数对各种EDFA性能的影响,最后通过实验验证; 第四,针对波分复用系统要求EDFA必须具备增益锁定功能,提出采用单根光纤光栅的方法来箝制L-band EDFA的增益。基于考虑自发辐射噪声(ASE)的Giles模型,建 浙江大学博士学位论文 立了这种EDFA的全光增益箱制理论模型;理论和实验分析了四种可能的光路结构、泵 浦波长、光纤光栅反射波长和反射率、泵浦功率以及掺饵光纤长度等参t对其箱制特性 的影响。最后给出一组使EDFA在箱制增益的同时可以保持增益谱平坦的最佳结构和放 大器参量; 最后,初步介绍了光纤的非线性效应的产生机理及其对光通信系统的影响;实验研 究了应用EDFA测t布里渊散射阐值的实验装置与方法。 总之,本论文围绕光纤通信领域的国际热点问题,从理论和实验上研究了高增益、 低噪声、谱平坦的掺饵光纤放大器的实现,关于EDFA的特性的研究成果,我们相信能 对科研生产起一定的指导作用。


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