微結構光纖設計及其稀土摻雜放大器研究.pdf

1、微結構光纖是近二十年發(fā)展起來的一種新型光纖，它具有許多獨特的特性，如無窮盡單模傳輸、超大單模尺寸、大模場面積、可控色散特性等，可以避免高功率時非線性光學效應的產生、提高泵浦光的耦合效率、實現低損耗單模傳輸。在光通訊、高功率傳輸以及高功率激光放大器和激光器中有著廣闊的應用前景。 本學位論文的工作是大單模面積K9玻璃多孔微結構光纖設計及其摻鉺放大器分析和瓣形微結構光纖摻鉺與摻鐿放大器分析。詳細分析了多孔微結構光纖和瓣形微結構光纖的特

2、性，設計了幾種超大單模面積、低損耗的單模微結構光纖，建立了摻雜微結構光纖的放大模型，運用自主開發(fā)的摻雜微結構光纖放大軟件，對其摻鉺和摻鐿的放大特性進行了詳細分析，并探討了其在高功率激光器和放大器中的潛在應用。 本論文的研究工作和主要成果如下： 1.將常規(guī)摻雜光纖能級速率方程與微結構光纖中本征模場歸一化功率密度分布相結合，并考慮摻雜粒子數分布，推導出適用于摻雜微結構光纖穩(wěn)態(tài)放大器的二能級和三能級速率方程和功率傳輸方程。開發(fā)

3、了微結構準二能級和三能級摻雜光纖放大器分析軟件，為摻雜微結構放大器和激光器提供一種很好的計算模型。 2.結合K9玻璃光纖的易加工特性和高濃度摻雜特性，設計了一種芯徑為20um的多孔微結構K9玻璃光纖，通過分析得到其模式折射率n<,c>(λ)=1.516、單模直徑D=21uxm、模式面積A<,eff>=345.8um<'2>等參數，同時得到了在單模前提下其加工時的小孔偏差容許橢圓度容差為94.7％，最內層小孔的最大偏移量為0-1u

4、m。 3.詳細分析了一種瓣形微結構光纖，討論了其等效折射率分布以及色散曲線隨光纖各參數的變化關系，找到一組單模尺寸大、基模損耗小、高階模損耗快的瓣形光纖結構參數。在此瓣形微結構光纖中摻入鉺離子，詳細分析了摻鉺瓣形微結構光纖的增益分布、閾值、泵浦分布和飽和功率等曲線，并計算了其噪聲系數，通過比對相同摻雜的常規(guī)光纖，證明了它相對于常規(guī)摻雜光纖的優(yōu)點：在比常規(guī)光纖模式面積大幾十倍到一百倍的情況下，也具有與常規(guī)摻雜光纖相當的放大倍數，且

5、噪聲系數滿足光纖放大器的要求。 4.分析了摻鐿瓣形微結構光纖增益分布、閾值、泵浦分布以及飽和功率等曲線，并計算了其噪聲系數。通過比較常規(guī)摻鐿光纖的單位面積非線性閾值，驗證了在不產生非線性和光纖損傷的前提下單根摻鐿瓣形微結構光纖可以支持很高的激光功率，并分析了摻鐿瓣形微結構光纖在高功率激光器和放大器中的應用前景。 本論文的主要創(chuàng)新點包括： 1.引入摻雜微結構光纖的二能級與三能級的能級速率方程和功率傳輸方程，結合有限

6、元法和平面波展開法，設計開發(fā)了一個大尺寸摻雜微結構光纖放大器的軟件，為摻雜微結構光纖放大器和激光器提供了很好的計算。設計了一種高摻鉺濃度的K9玻璃光子晶體光纖放大器，其單模芯徑為21.6 um，在泵浦功率為500 mW時，增益可達40 dB。 2.設計了摻鉺和摻鐿瓣形微結構光纖放大器，詳細分析其放大特性。這種光纖放大器比常規(guī)光纖的單模尺寸大幾十倍以上，能支持更高的激光功率。最高增益能達到37dB以上，最佳長度只有幾米，噪聲s系數