《正反向泵浦下掺铒光纤放大器的增益与自发辐射特性的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正反向泵浦下掺铒光纤放大器的增益与自发辐射特性的研究（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第? ?卷第 ? 期 ? 年 ? 月 量子电子学 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?, ? 正反向泵浦下掺饵光纤放大器的增益 与自发辐射特性的研究 安浩哲庞勇吴铁蒋佩漩徐大雄 北京邮电学院无线电系光通信教研室 , 北京 , ? ? ? 摘要 本文论述了诊饵光纤放大器在正向泵浦 、 反向泵浦时 , 它的增益与自发辐射特性的不同 , 通过对 电于工业部第四十六研究所研制的诊饵光纤吸收谱的侧量 , 计算了正向泵浦 、 反向泵浦时 , 泵浦光 、 某一波长的荧光功? 、 荧光总功率及信号光功率随光纤长度的变化 , 分析了正反向泵浦时 , 揍饵光纤 放大器
2、的荧光谱与增益谱 , 并讨论了双 向泵浦情况下 , 放大器增益与光纤长度的关系 。 关祖词 ? 扮饵光纤 , 增益 , 泵浦 ? 理论 令、为饵离子的掺杂浓度 , 弓? ? 、 片? ? , 叼 、 玲? ? 分别为泵浦光 、 自发辐射光 、 信号 光功率 , ? 为沿接饵光纤的位移 , 其中的正负号分别表示与 ? 同向和反向传输 , 吓为泵浦光的 吸收截面 , 、 , 。 分别为荧光的吸收截面和辐射截面 , 二 为饵离子的荧光寿命 , ? 为光纤芯 径 , ? 。 为掺杂半径 , 人 、 ? , 是与弓 、 凡相对应的有效模场半径 , ? ? , 为信号光的功率半 径 , 巩 、 ? ?为泵
3、浦光和信号光的泵浦率及辐射率 , ?为泵浦光的吸收损耗 ? ? ? ? 加 , 、是一个光子在单模线宽的能量 , 它代表等效输入噪声功率 ? 片? ? , ?,? , ? , 从 ”代表 自发辐射谱所包含的频率 , 如果? ? 式中的? ? 用 ? ? 来代替 , 则 玲? ? , 、?是两种偏振模式 的自发辐射功率总和 ? 弓 “ 代表饵离子粒子数反转的泵浦功率阔值 ? ? ? ? ? ?一?、 一 , , ? ? ?刘? 一 是玻尔兹曼修正因子 , ? 是玻尔兹曼因子 , ? 是绝对温度 , 形 “ 是泵浦闽值 , ? ? ? ? , 叼 、 ? ? ? ? , 叼 分别是荧光的吸收系数和
4、辐射系数 , 刀 ,、 巧 分别是信号光和泵浦光在芯内传输的比率 , 则有 夕卜? ? ? 、 ? ? 、 ? ?产 ?勺自 ? ? 、了 ? ? 、 ?凡? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?一, ? ? ? ? ?凡? ? ? ? 、? ? ?牟? ? ? 、 ? 改了 、?了几? ? 了 ? ?、?了?、 ? 珍? ? ,。 ? ? 为? 习? ? ? ? ?,。? 珍? ? ,。? 几? 一 ? ? ? ? ,。?牟?,。? ? ? 吓 凡? ? ?弓 ? ? 收稿日期 ? 修改日期 ? ? ? ? ? ? ?一? ? ? ?一刀一? ? ? 量子 电 子学 ? ?卷 ? ,
5、? ? ? 刀 ? , 。【 ? ? , ? ? , ? ? ? ? ?一 ? ?, ? ? , ? ? ?名 诊 刀 ? ?导 乙 丫 ? ? ,主,? ? ?人 ? 、 ?,?、? 内?玛? ? ? ? ? , , ? ? ? ? ? ?, ? ?。? 、 , 二, 、 一? ? ?一 瓦石而下下落刀砌硕面不不 斥 飞, “? ?一 、“, 一 “ “ ? 玛 ? 弓? ? ?今, 蜡 吓饰 ? ? ? 玲? ? ? 形? ? ? 彻 ? 二?合 ? ? ? ? ,。 ?内, 。?,? 叮已刀? 一 ? ?, , ? 、 凡? ? ?弓 ? 、一? ? 厄不丽甲百万 俞? ? ,。 ? 一
6、 。 。? 一?。 卜二 ? ? 一?“ ?毗,兀面补 石 嵘 “?议君 肠 , 吓 ? 叭 ? ?一? ? ? ? 一矛? 毗 ? 场 ? ? ?吓?今? 一? ?, ? ? 砂 ? ? ? 、? ? , ? ? ? ? ?了? ?一? ?一? ? ?六 ? 已知掺饵光纤的各参量值为 ? ? ? 拼? , ? ? ? ? ? 、 ? ? ? ?扩 , 二? ? ? ? ? , 掺杂半径比为? ? ? ? 根 据? ? ? 式 , 可得泵浦闹值功率形 “二 ? ? 。 令泵浦功率为几 二 ? ? ? , 信号功率为凡 ? ?拼? , 本文规定信号光传输方向为正方向 ? 由式? ? 可以计算出同
7、向和反向泵浦时 , 泵浦光功率随掺饵 光纤长度的变化 , 如图 ? 所示 , 对于一定功率的泵浦光 , 应该合理地截取掺饵光纤 的长度 , 使得 在整个掺饵光纤上 , 自发辐射的净增益系数? ? ? ,。? ? ? ? ? ,。?一 ? ? ? ,。? 大于零 。 否则 , 在光纤 的出端处泵浦功率小于闭值 , 荧光的吸收大于辐射 , 对信号光无放大作用 。 句泵后向泵 ? 色 铃称 臼 ? ? ? 目 巴 铃称侣联 光纤长度? ? ?叻吕 ? ? ? 光纤长度?间 ? ? ? ? 波长 ? ?资尹? ? ? ? 。岁 岁 图 ? 泵浦功率在掺饵光纤各点处的值 。 凡 ? ? ? 图 ? 正反
8、向泵浦下波长为 ? ? ? ?拜? 的荧光功 率随诊杂光纤长度的变化 ? 凡 二? ? 图 ? 为波长 ? ? ? ? 拼? 正向传输的自发辐射光功率? ? ? 在正反向泵浦时随雄杂光纤长度 ? 期安浩哲等 正反向泵浦下揍饵光纤放大器的增益与 自发辐射特性的研究 的变化 , 泵浦功率凡 二 ? ? ? , 当掺饵长度 ? ? ? ? ? ? ?时 , 正 向泵浦的 ? ? 功率大于反 向泵 浦值 , 当 ? ? ? ? ? ? ?时 , 反向泵浦的 ? ? ? 功率大于正向泵浦值 。 对于正向泵浦来说 , 由图 ?可 看出 , 泵浦功率凡? ? ?随?的增加而下降 , 从? ? 、 ?两式知
9、, ? ? , ?将变小而? ? ? ,。 ?将 变大 , 自发辐射光的净增益系数? ? ? ,” ? ? ? ? , ?一 ? ? ? ? ,”? 将下降 , ? 人 ,” ? ,? ?入,”? 几G e(z人,” ) = 0 (1 6) 自发辐射功率趋于饱和 , (本文中AsE + 饱和长度矛 “= 1 2 . 3m )饱和功率为 P, .a. = 2二 3 w . z . 。 ; h , ”、/, 了 (17) 其中 , 句为掺杂光纤的折射率 , ”。 为自发带宽 。 对于反向泵浦 , 由图1可看出 , 凡(z ) 随z的增加而增大 , G e ( z , )也将增大而 G a ( z
10、,” )将 减小 , 净增益系数倒: , 叼随z的增加而变大 , 故在反向泵浦情况下 , A s E + 无饱和现象 , 在掺 杂光纤末端取最大值 , 且比正向泵浦时的 A sE + 大 . 光光奸长度:.加() ) ) 声水水 沐沐沐 ( a v ) 扭双 . 奥 . 与 寒毅留 v 波长(脚) 彼长扭川 图3 正反向泵浦下不同长度处的自发辐射谱 。 弓 =40mw (a)L=9.6m(b)L=12.9m 前 向泵浦 功率:叨恤W 的 吕 | 闰。翻 口 目 吕 |甸。.1 前向sE 李 你赞 目s砖 4812 光纤长度(间 图4正 向泵浦下自发辐射总功率随掺饵光纤长度的变化.凡=4 0mw
11、 由以上 的分析同样可得 , 正反 向泵浦的自发辐射谱依赖于掺饵光纤的长度 , 在掺杂光纤某 段长度 内 (本文中约为1 2 . 2 4m ) , 正 向辐射各波长荧光功率大于反 向辐射光的值 , 而超过此长度 量子 电 子学 n 卷 后 , 反 向辐射各波长的荧光功率大于正 向辐射光 的值 。 图3为泵浦功率凡 = 4 0mw时 , 正反 向 泵浦时不 同长度的掺杂光纤的自发辐射谱 , 图 ( a ) 的掺杂光纤长度L=9.6m 。 图 (b)的掺杂光纤 长度 L二1 2 . g m 。 当 L=9 . 6m 时 , 正 向泵浦的各波长的荧光功率大于反 向泵浦值;当L=1 2 . 9 m 时
12、 , 反向泵浦的各波长的荧光功率大于正向泵浦值 。 图4为正向泵浦(弓 = 4 0mw )时 , 正向传输和反向传输的自发辐射总功率随掺杂光纤长度 的变化 。 反向泵浦时 , 正 、 反 向传输的自发辐射总功率随掺饵光纤长度变化图与图 4 互为反演 。 不论正向泵浦还是反向泵浦 , 与泵浦方向反方向传输的自发辐射光的总功率的最大值较大 。 图5为正向泵浦 、 反向泵浦和 双向泵 浦时 , 信号光的增益随光纤长度的变化 , 信 号光的波长 人 : = 1.5 5 5拜m , 入纤功率 凡 = 1如w , 泵浦功率凡 = 4 0 mw 。 由图可以 看出 , 在正向泵浦时 , 最佳光纤长度 L粼
13、范围内 (L毒 , = 1 0 . 8 m ) , 正向泵浦的信号光 增益大于 反向泵浦时的增益 , 但当光纤 长 度在大于 L毒 , 的某一范围内 (本文中约为 1.2m ) , 反向泵浦的信号光增益大于正向泵 浦值且反向泵浦的最大信号增益大于正 向 泵浦时的最大增益 。 由 (2) 、 ( 5 ) 、 ( 6 ) 、 ( 7 ) 、 (s )式可看出 , 入纤信号光的增益取 决于 7 , ( z ) , 而 7 , ( : )又取决于N 2(z) , N 2 ( z )萝萝萝 乌 绷脚中攀 光纤长度(m ) 图5 正反及双向泵浦下增益随掺杂光纤长度的变化 取决于叽( z) 、 从( z),
14、 由 (6) 式 , N 2( z )随 巩( z) 的增大而增大 。 当 叽( z) , a / ( 二, 。 )时 , 从( z )随袱( z )的增大而减小 , 当 玛( z ) /二 巴 )时 , 随w,(z ) 的增大而增大 。 当凡( z ) = P o几/ 几(l + , 。 / , 。 ) 时 , 乍.二。 , 信号增益达到最大值 。 正向泵浦时 , 入纤处的弓最大 , 但此时 的从 二 p。= 0 (即不存在饵离子) , 7 . = 0 , 所以信号增益为零 。 随着 z 的增大弓将减小 , 从 ( :)也 随之减小 , 当 凡减小到使、 =。时 , 信号光不再被放大 , 达
15、到饱和状态 , 饱和功率为 凡a , = l+ , 。 / , 。【 凡(o) ”, / (几、)+ h 。,二A 矛 /( , , 二 ) 1 ( 1 8) 反向泵浦时 , 凡( z )随 : 的增 加而增大 , 故 玛( z ) 也随着 : 的增加而增大 , 所以 , 对于入纤 信号光来讲 , 没有饱和现象发生 , 并且 , 反向泵浦时信号光的最大增益大于正向泵浦的饱和功 率 。 但是 , 如 同正泵浦时掺杂光纤长度不可取得太长 , 反向泵浦时掺杂光纤的长度同样不能取得 太长 , 否则 , 由于掺杂光纤取得过长 , 信号光输入端处的泵浦功率非常小 , 使得 加 。 / 。 凡(0) ;二于舟污于 1- f - 吓。/J 。 几 ., 一 ( 1 9 ) 此时 , 7 , (0 ) : 范 围内对P a( : ) 第 3 期安浩哲等:正反向泵浦下掺饵光纤放大器的增益与自发辐射特性的研究 的放大倍数较大 , 但对于 几(0 ) 来说并不是很大 , 所以掺杂光纤的长度不可能取得太长 , 否则 , 体现不出逆向泵浦的优越性 . 从图中可得 , 在凡 = 4 0 mw , 几 = 1 0 拜w 时 , 扩=L 4m 。 乌 绷. . 侧 翁 有号故长伽.) . . . . .
