哈爾濱工程大學碩士學位論文ASE光源、EDFA和光纖激光器的理論與實驗研究姓名：****請學位級別：碩士專業：光學工程指導教師：**波哈爾濱工程人學碩士學位論文進了測試研究，并對實驗結果作了詳細分析。環形腔摻鉺光纖激光器在泵浦光功率為３２．０４ｒｏｗ時，出纖光功率為Ｏ．３７９８ｍＷ，中心波長為１５４７ｎｍ，線寬Ｏ．８ｒｉｍ，轉換效率為３．８７％，與理論值基本吻合。實驗過程中，發現了一些有趣的現象，對其進行了簡要說明和討論，并對今后的進一步研究作了一些設想。關鍵詞：ＡＳＥ；ＥＤＦＡ；摻鉺光纖激光器；環形腔光纖激光器哈爾濱工程大學碩士學位論文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｔｕｒｅｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｎｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓａｎｄＥＤＦＡｓ（Ｅｒｂｉｕｍ—ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）．ＡｓｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＥｒｂｉｕｍｉｏｎｓｃｏｖｅｒｓ１５５０ｎｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｌｏｗｌｏｓｓｗｉｎｄｏｗｉｎｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔｕｄｙＥＤＦＡａｎｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｉｓｃｒｕｃｉａｌｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎＥＤＦＡ半導體激光器理論基礎，ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎ）ｌｉｇｈｔＳｏｕｒｃｃａｎｄＥｒｂｉｕｍ—ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒｒｉｎｇｌａｓｅｒａｒｅｍａｄｅ．Ａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｙｇａｉｎａｎｄｎｏｉｓｅｏｆＥＤＦＡａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＡｎｄｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｒｂｉｕｍｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒａｎｄｌａｓｅｒｄｉｏｄｅａｔｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ９８０ｎｍｕｓｅｄｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．ＴｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｇａｉｎｏｆＥＤＦＡａｒｅａｎａｌｙｚｅｄＳＯｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．ＴｈｅｎｔｈｅＥＤＦＡｄｅｓｉｇｎｅｄｉｓｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎＥＤＦＡｏｆｇａｉｎ３５ｄＢｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｄｅｖｉａｔｅｓａｌｉＲｌｅｆｒｏｍｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｏｎｅ．Ａｎｄｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｃａｕｓｅｄｔｈｅｄｅｖｉａｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔｍｌ．ＤｕｅｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆＡＳＥｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｉｓｅｉｎＥＤＦＡ，ｔｈａｔｉｓｔｏｓａｙｅｖｅｎｔｈｅｍｉｓｒｉｏｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌ，ｗｅｃａｎｇｅｔｏｕｔｐｕｔｓｐｅｃｔｒｕｍ哈爾濱工程大學碩士學位論文ｔｅｒｍｉｎａｌ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｏｆＡＳＥｃｏｖｅｔｉｎｇｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｂａｎｄａｎｄＬｏｎｇｂａｎｄａｒｅｔｅｓｔｅｄ．ＳｏｔｈａｔｗｅｏｂｔａｉｎａｌｌＡＳＥｌｉｇｈｔｓｏＢｒｃｅｏｆｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ０．８２２８ｍＷｗｈｅｎｉｔｉｓｐｕｍｐｅｄｂｙ３０ｍＷ，ａｎｄｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｓｐｅｃｔｒｕｍ４３ｎｍ，ｔｈｅｔｉｐｐｌｅＯ．０８ｄＢ．Ｉｎｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇ．ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＥｒｂｉｕｍ—ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒｒｉｎｇｌａｓｅｒｉｓｃａｒｄｅｄｏｕｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｉｔｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｉｓｔｅｓｔｅｄ．ＩｔｅｍｉｔｓＯ．３７９８ｍＷｐｏｗｅｒｗｈｅｎｐｕｍｐｅｄｂｙ３２．０４ｍＷａｎｄｔｈｅｃｅｎｔｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ１５４７ｎｍ，ｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍＯ．８ｎｍａｎｄｉｔｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ３．８７％，ｗｈｉｃｈｉｓａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔ．Ｄｕｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｍ，ｓｏｍｅｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｆｏｕｎｄ，ｔｈｅｎａｂｒｉｅｆｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎａｎｄｓｏｍｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙａｌｅｍａｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＡＳＥ；ＥＤＦＡ；Ｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ；ｆｉｂｅｒｒｉｎｇｌａｓｅｒ哈爾濱工程大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導下，由作者本人獨立完成的。
有關觀點、方法、數據和文獻的引用已在文中指出，并與參考文獻相對應。除文中已注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經公開發表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。作者（簽字）：耍盟哈爾濱工程大學碩士學位論文第１章緒論１．１概述近二十年來，信息時代賦予了光纖通信全新的歷史使命。自１９６６年華裔科學家高錕（ＣｈａｒｌｅｓＫ．Ｋａｏ）博士和他的同事發表的從理論上證明石英光纖可實現光信號傳輸與通訊的可能性一文開始，光纖通信就注定會興旺發展。其后由于光纖制造工藝、半導體激光器和光電管生產技術的突破，使得光纖通信成為可能。恰逢其時，由計算機快速革新造成了互聯網的飛速擴張，以及電信和有線電視業務的迅猛發展對信息傳輸提出了新的要求，迫切需要更大容量、更加高速的通信系統。從此，信息時代的信息需求和光纖通信技術的發展兩者緊緊地聯系在一起。到目前光纖通信的應用已遍及長途干線、海底通信、局域網、有線電視等領域。其發展速度之快，應用范圍之廣，規模之大，涉及學科之多（光、電、化學、物理、材料等），是以前任何一項新技術不能與之相比的。
現在光通信的新技術仍在不斷涌現，顯示出了強大的生命力和廣闊的應用前景。它將成為信息高速公路的主要傳輸手段，是將來信息社會的支柱。光纖通信的新技術主要有：光器件技術、光放大技術、光接入技術、光同步數字傳輸技術、光ＷＤＭ技術、相干光通信技術、全光通信技術等。２０世紀９０年代初，波長１５５０ｎｍ的摻鉺光纖放大器ＥＤＦＡ（ＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）宣告研制成功并實際推廣使用。它能直接放大光信號，無需轉換成電信號，對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信 傳輸系統更加簡單和靈活?？梢哉fＥＤＦＡ的出現是光纖通信發展史上的一個 里程碑…。隨后密集波分復用技術（ＤＷＤＭ）也應運而生。目前，ＤＷＤＭ技術 己成為通信網絡帶寬高速增長的最佳解決方案。今后無論是廣域網、城域網 哈爾濱工程大學碩士學位論文 還是接入網，都將以ＤｗＤＭ為傳輸平臺114移動站，基于ＤＷＤＭ的光傳送網將構成整 個通信網的基礎物理層。因此，與ＤＷＤＭ技術相關的系統和器件的研究便 成為各國政府、機構和科研人員的重中之重，同時各種ＤＷＤＭ技術解決方 案使得通信網的傳輸效率得到很大的提高。 如果說ＤＷＤＭ是面向現在的，那么全光網絡則是面向未來的。
目前，全 光網絡方興未艾，人們對其寄予厚望。所謂全光網絡，就是網絡中直到用戶 端節點之間的信號通道仍然保持著光的形式，即端到端的完全的光路，鏈路 的中間沒有光電轉換。因為全光網絡有著傳統的電信網無法比擬的優勢。全 光網絡能夠提供更為巨大的通信容量半導體激光器理論基礎，可咀同時支持各種業務的網絡，實現 通信網、計算機網、有線電視網“三網合一，可使通信網具備更強的可管理 性、靈活性、透明性，并且具有更高效的保護和恢復能力。光源是全光網絡 的關鍵光器件之一，它不僅能產生連續激光輸出，而且能夠實現ｐｓ—ｆｓ超短光 脈沖的產生，在ＤＷＤＭ（密集波分復用）系統中有巨大的潛在應用。光纖激光 器用于通信系統，使之支持更高的傳輸速度，是未來高碼率ＤＷＤＭ系統和相 關光通信的基礎。 為滿足增大通信容量的需求，目前人們主要采用時分復用技術（ＴＤＭ） 來增加單信道碼率，采用波分復用技術（ＷＤＭ）來增加原有光纖系統的通 信信道。其中，以摻雜光纖為基質的光纖激光器不僅能夠產生連續激光輸 出，而且能夠實現皮秒（ｐｓ）甚至飛秒（ｆｓ）超短光脈沖的產生。光纖激光器在降 低閾值、振蕩波長范圍、波長可調諧性等方面已取得了長足進步，是目前光 通信領域中的新興技術。
它可以利用現有的通信系統支持更高的傳輸速率 和帶寬，是未來高碼率密集波分復用系統和相干光通信的基礎，并在未來 通信領域中起著不可替代的作用【２Ｊ。 因此對ＥＤＦＡ和摻鉺光纖激光器的研究對推動光纖通信技術的迅速發 展起著舉足輕重的作用。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 １．２課題研究的目的和意義 自２０世紀８０年代末至９０年代初，研制成摻鉺光纖放大器（ＥＤＦＡ），并開 始用于１．５５１．ｔｍ波段的光纖通信以來，光放大技術得到了迅猛發展。由于摻 鉺光纖放大器能直接放大光信號，無需轉換成電信號，對信號的格式和速率 具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統更加簡單和靈活。給光纖通 信技術帶來了一場新的革命。為此，本文又設計了由高摻雜濃度的摻鉺光纖 構成的摻鉺光纖放大器114，對ＥＤＦＡ在小信號情況下的增益及噪聲特性進行了 理論和實驗研究。由于放大自發輻射效應的存在使ＥＤＦＡ在無信號輸入時， 仍有光譜輸出，該光譜具有較寬的范圍和較高的功率，是一種性能優良的寬 譜光源。因此，本文在實驗基礎上對ＡＳＥ（放大的自發輻射）光源，進行了 分析研究。 隨著光纖通訊技術的發展，光纖材料特別是摻稀土元素光纖材料和新的激 光泵浦技術的發展以及光纖光柵的研制成功，促進了光纖激光技術研究的發 展。
由于光纖光柵具有體積小、插入損耗低、與光纖兼容性好以及獨特的波 長選擇特性等優點，可與鉺光纖直接熔接，減小插入損耗ASE光源、EDFA和光纖激光器的理論與實驗研究.pdf，使激光器全光纖 化得以實現。從２０世紀８０年代末期開始，摻稀土元素光纖激光技術研究受 到世界各國的普遍重視，得到了很大的發展，目前已經成為國際激光研究領 域一個十分活躍的前沿研究方向。光纖激光器與其他氣體、固體激光器相比 具有一些明顯的優點，如可采用半導體激光泵浦、高效率、低閾值（幾十毫瓦 量級）、小型化、易與傳輸光纖耦合等。 光纖激光器是激光領域人們關注的熱點之一，特別是應用到光纖通信窗口 的１．５５１．ｕｎ波長的光纖激光器以及應用于軍事和工業加工的高功率光纖激光 器的發展更為迅猛。常規激光器的調Ｑ、鎖模等技術也都引入到了光纖激光 器中，這不僅拓寬了光纖激光器的研究領域，而且也推動了激光技術的發展。 因此，本文重點對摻鉺光纖放大器（ＥＤＦＡ）和環形腔摻鉺光纖激光器從 哈爾濱工程大學碩士學位論文 理論和實驗兩方面進行了研究討論。并設計了一種由高摻雜濃度的摻鉺光纖 構成的ＥＤＦＡ和光纖激光器。希望通過本課題的探討，能為今后ＡＳＥ光源、 ＥＤＦＡ和光纖激光器的進一步研究提供一定的參考。
１．３國內外的研究狀況 摻鉺光纖放大器的研究在２０世紀末已基本趨于成熟，現已形成了商品化。 在此我們不再做過多的討論。在光纖激光器的開發與研制中，國外起步較早， 且其光纖制造工藝先進，半導體激光器技術成熟，因而取得了較大成果，并 己實現商品化。尤其以英國的南安普敦大學和通訊研究室、德國漢堡技術大 學、美國的Ｐ０１ａｒｏｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｂｅｌｌ實驗室、日本的ＮＴＴ、Ｈｏｙｓ以及俄羅 斯的ＩＲＥＰｏｌｕｓ公司成果顯著。２０世紀８０年代后期美國的Ｐｏｌａｒｏｉｄ公司和英 國南安普敦大學研制成包層泵浦光纖激光器，即高功率二極管產生泵浦光耦
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