微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計及其稀土摻雜放大器研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)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(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生、提高泵浦光的耦合效率、實現(xiàn)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(yīng)用前景。 本學(xué)位論文的工作是大單模面積K9玻璃多孔微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計及其摻鉺放大器分析和瓣形微結(jié)構(gòu)光纖摻鉺與摻鐿放大器分析。詳細分析了多孔微結(jié)構(gòu)光纖和瓣形微結(jié)構(gòu)光纖的特

2、性，設(shè)計了幾種超大單模面積、低損耗的單模微結(jié)構(gòu)光纖，建立了摻雜微結(jié)構(gòu)光纖的放大模型，運用自主開發(fā)的摻雜微結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)光纖中本征模場歸一化功率密度分布相結(jié)合，并考慮摻雜粒子數(shù)分布，推導(dǎo)出適用于摻雜微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)準(zhǔn)二能級和三能級摻雜光纖放大器分析軟件，為摻雜微結(jié)構(gòu)放大器和激光器提供一種很好的計算模型。 2.結(jié)合K9玻璃光纖的易加工特性和高濃度摻雜特性，設(shè)計了一種芯徑為20um的多孔微結(jié)構(gòu)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(shù)，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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)的變化關(guān)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(jié)構(gòu)參數(shù)。在此瓣形微結(jié)構(gòu)光纖中摻入鉺離子，詳細分析了摻鉺瓣形微結(jié)構(gòu)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(shù)，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(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，且

5、噪聲系數(shù)滿足光纖放大器的要求。 4.分析了摻鐿瓣形微結(jié)構(gòu)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(shù)。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(chǎn)生非線性和光纖損傷的前提下單根摻鐿瓣形微結(jié)構(gòu)光纖可以支持很高的激光功率，并分析了摻鐿瓣形微結(jié)構(gòu)光纖在高功率激光器和放大器中的應(yīng)用前景。 本論文的主要創(chuàng)新點包括： 1.引入摻雜微結(jié)構(gòu)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(jié)合有限

6、元法和平面波展開法，設(shè)計開發(fā)了一個大尺寸摻雜微結(jié)構(gòu)光纖放大器的軟件，為摻雜微結(jié)構(gòu)光纖放大器和激光器提供了很好的計算。設(shè)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(shè)計了摻鉺和摻鐿瓣形微結(jié)構(gòu)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(shù)