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1、湖南大学 硕士学位论文 光纤放大器中宽带脉冲传输特性研究 姓名：王松柏 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：文双春 20070413 硕士学位论文 I 摘 要 光纤放大器由于其良好的耦合效率、高可靠性及结构紧密，在光脉冲放大中 得到了广泛的应用，成为大容量全光通信系统中最重要的器件之一。另外，光纤 放大提供了一种极具发展潜力的产生高功率飞秒激光脉冲的方法。最近大量的科 学技术的应用，如大容量长距离全光通信系统，和超快速激光器的研究，推动了 宽带脉冲放大的发展。本文研究了光纤放大器中宽带脉冲的传输特性，得到的主 要结果如下： 首先，从 Maxwell-Bloch 方程出发，建立了
2、描述光纤放大器中宽带脉冲放大 的广义 Ginzburg-Landau 方程。 此方程突破了传统 Ginzburg-Landau 方程所基于的 放大器的增益带宽要远大于信号脉冲带宽的假设，从而适用于超宽带脉冲的传输 和放大研究。 其次，基于光纤放大器中宽带脉冲传输的理论模型自主开发了能模拟脉冲线 性和非线性传输过程的计算机程序，并与文献报道的理论结果进行对比，考核了 程序计算结果的正确性。在此基础上，数值模拟研究了超短脉冲在正、反常色散 区的传输放大特性，重点分析了增益带宽对放大的影响。结果表明，在反常色散 区，窄的增益带宽延缓了脉冲的分裂，限制了脉冲的放大和压缩。在正常色散区， 窄的增益带宽减
3、缓了脉冲的放大和展宽。而不论在正常色散区还是反常色散区， 窄的增益带宽将会扭曲频谱形状， 降低频谱展宽的速率并减少频谱展宽的饱和值。 关键词：光纤放大器；光传输；光放大；宽带脉冲；增益带宽 光纤放大器中宽带脉冲传输特性研究 II Abstract The fiber amplifier is widely used for pulse amplification owing to its intrinsically robust, good coupling efficiency, high reliability and compactness. So it becomes one of t
4、he most important devices in high-capacity, all-optical communication systems. In addition, the fiber amplifier offers a promising approach to generate high-power femtosecond laser pulses. The desirability of many current scientific and technological applications, such as highcapacity, long-distance
5、, all-optical communication systems and ultrafast lasers, has motivated extensively studies of the ultrabroad bandwidth pulse amplification. In this thesis, we study the propagation properties of ultra-broad bandwidth pulse in fiber amplifiers. The main research results are listed below: Firstly, an
6、 extended version of the Ginzburg-Landau equation is derived based on the Maxwell-Blochs equations, which describes the amplification of ultra-broad band pulse in the fiber amplifier. This equation beyond the limit of the conventional Ginzburg-Landau equation which is based on the assumption that th
7、e amplifier gain bandwidth is significantly larger than the signals optical spectral bandwidth. So it can describes the amplification of ultra-broad band pulse in the fiber amplifier. Secondly, the computer program, which can simulate the process of linear and nonlinear propagation of optical pulses
8、, has been independently developed based on the physical model of ultra-broad band pulse propagation in the fiber amplifier. Compared with the experimental and theoretical results reported in literatures, the validity of the computation results of our program is confirmed. The properties of propagat
9、ion, especially the influence of gain bandwidth on propagation and amplification of ultra-short pulse, are investigated numerically. It is found that the narrow gain bandwidth delays the compression and dissociation of pulse, limits the efficiency of amplification in the anomalous dispersion regime,
10、 and in the normal dispersion regime it limits the stretching and amplification of pulse. In any dispersion domain, the narrow gain bandwidth deforms the pulse spectrum, slows down the spectral broadening, and decreases the saturation value of spectral broadening. Key Words: fiber amplifier; optical
11、 propagation; optical amplification; ultra-broad band pulse; gain bandwidth 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有
12、关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 I 第1章 绪论 1.1 研究目的和意义 光纤放大器（Optical Fiber Amplifier，OFA）是利用光纤的受激辐射效应或非 线性效应来实现光信号放大的一种全光放
13、大器。光纤放大器因为其高可靠性、低 损耗、结构简单，在光通信系统中得到了广泛的应用。1987 年，EDFA 的研究取 得突破性进展以来，在全世界引起了广泛的兴趣，掀起了光纤放大器的研究热潮。 这是因为 EDFA 的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合,而且具有高 增益、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关等许多优良特性；从而能实现高效 率、低损耗的光放大，目前，光纤放大器成为大容量全光通信系统中最重要的器 件之一。 光纤放大器的另外一个重大应用就是提供了一种新的产生高功率飞秒激光脉 冲的方法。在光纤放大器腔内加入恰当的反馈机制后，任何光纤放大器都可以转 化为激光器，这种激光器称为光纤激光器
14、1。与传统固体放大器相比，光纤激光 器具有多方面的优势：超宽的增益带宽能支持脉冲达到 30fs；巨大的饱和能量允 许产生毫焦级脉冲、很高的光学泵浦效率，通常大于 80；很好的散热性保证了 它能长时间，无需维护的稳定运行；它还有低噪声的特点，通过在光纤内插入滤 波器、光纤隔离器及光纤光栅等元件，可将噪声功率抑制在较低水平，这是连半 导体激光放大器也不具备的优点。目前的许多实验室报道他们的高功率飞秒脉冲 激光器是用光纤放大技术实现的。 密集波分复用系统（DWDM）和超快激光器的研究发展促经了宽带增益放大 的发展。其中 DWDM 极大地增加了光纤通信传输的信息容量并延长了光纤通信 的传输距离，从而使
15、光纤通信得到飞速的发展。有关专家预计：长距离光纤通信 的容量今后将以大约每两年翻一番的速度增长2。另外，高功率飞秒脉冲线性增 益放大中，非线性效应引起的光谱加宽是指数增长的，输出脉冲的光谱宽度甚至 会比增益带宽大很多。为满足这种日益增长需求，基于光波分复用技术提供尽可 能宽的宽带放大的光纤传输系统成为目前研究的重要课题。在实际应用中提出了 三种方案实现宽带增益3。一种方案是两个放大器级联。第二种方法是改变光纤 基制和掺杂成分。另外一种方案是将拉曼放大器与一个或两个 EDFA 结合起来。 传统的超短脉冲放大模型 Ginzburg-Landau(GL)方程具有双曲正割解， 然而它 有一个前提，那就
16、是放大器的增益带宽远大于信号脉冲的带宽。所以，对于宽带 脉冲的传播和放大，包括许多高功率飞秒脉冲的放大，传统的 GL 方程不再适用。 光纤放大器中宽带脉冲传输特性研究 2 我们同时注意到传统的超短脉冲放大理论模型中并没有考虑到放大器增益带宽的 影响，而实验表明，在超短脉冲放大中，脉冲谱宽超过增益带宽时将会引起非线 性的啁啾从而使脉冲形状和频谱失真扭曲，降低了脉冲质量。这表明当增益带宽 和脉冲频谱宽度相近的时候，增益带宽在脉冲放大中扮演着越来越重要的角色。 本文目的是研究了宽带脉冲在正、反常色散区的传输放大特性，重点分析增益带 宽对放大的影响。 1.2 光纤放大器概述 早期的光纤以现在的标准来看具有很高的损耗，典型值约为 1000dB/km，到 1970 年，石英光纤的损耗下降到了 20dB/km 的水平。随着光纤制造技术的进一步 发展，已将 1.55m 波长附近的损耗降低到约 0.2dB/km1。基于这个损耗水平， 如果光纤长度只有 lkm 甚至更短，我们就可以将光纤损耗忽略；但对于现
