掺铒光纤自发辐射特性研究

本文对掺铒光纤的自发辐射特性进行了研究,分析了掺杂铒离子光纤的吸收截面、辐射截面、自发辐射谱、净增益系数等的特性,以及在掺铒光纤中,泵浦功率、自发辐射功率、光纤长度、自发辐射谱之间的关系,并用单色仪和波长为1.48um的InGaAsP半导体激光器测试了国产掺铒光纤的吸收谱和它的自发辐射谱。     

基于铋基和硅基掺铒光纤联合的超宽带ASE光源

提出了并实验演示了利用247 cm新型铋基掺铒光纤和10 m传统硅基掺铒光纤联合作为增益介质、采用双向泵浦结构的超宽带放大自发辐射光源.分析了其物理机理,并与其它不同形式的结构,包括已报道的类似结构,做了实验比较和理论分析.在低于240 mW的总泵浦功率和没有使用任何外部谱平坦滤波器的情况下,通过优化传统硅基掺铒光纤长度和两泵浦源的功率,获得了96 nm（1 522 nm～1 618 nm）的波长范围（大于－20dBm/2nm功率密度时）和超过11dBm的总输出功率,该ASE光源的－10dB带宽超过了87nm,其谱的峰值功率密度达到了－2.5 dBm/2 nm.     

铋基掺铒光纤放大器中放大自发辐射处理研究

分别设计了一个带光隔离器和一个带光环形器的复合型宽带铋基掺铒光纤放大器(Bi-EDFA),理论上研究了Bi-EDFA中对于后向传输放大自发辐射(ASE)的处理对放大器性能的影响。研究表明,在C+L波段多波长信号同时输入情形下,通过在铋基掺铒光纤中插入一个光隔离器抑制后向传输的ASE,可以提高放大器各波长信号增益,降低噪声系数。利用一个光环形器引导后向传输的ASE去泵浦一段未抽运的低掺杂铋基掺铒光纤,可以显著地提高放大器长波段信号增益,而噪声系数只是略有增加,理论研究与报道的实验结果达到了比较好的一致。研究结果对于新型宽带Bi-EDFA的设计和应用具有一定实际指导意义。     

铋镓共掺的高浓度掺铒石英基光纤中铒离子团簇率的实验研究

使用MCVD法结合溶液掺杂技术制作了铒铋镓共掺的石英基光纤.根据光纤吸收谱，得出其中铒离子浓度是5.24×10²⁵/m³.然后提出了一种新的利用透射率测定掺铒光纤的团簇率的实验方法，该方法相比于以前的方法更简单有效.利用该方法，测得了自制铒铋镓共掺光纤中团簇率.通过与前人的结果相比较，充分说明铋和镓的掺入大大提高了铒离子在石英基光纤中的溶解度，抑制了铒离子形成团簇.     

铋镓共掺的高浓度掺铒石英基光纤中铒离子团簇率的实验研究

使用MCVD法结合溶液掺杂技术制作了铒铋镓共掺的石英基光纤.根据光纤吸收谱,得出其中铒离子浓度是5.24×10²⁵/m³.然后提出了一种新的利用透射率测定掺铒光纤的团簇率的实验方法,该方法相比于以前的方法更简单有效.利用该方法,测得了自制铒铋镓共掺光纤中团簇率.通过与前人的结果相比较,充分说明铋和镓的掺入大大提高了铒离子在石英基光纤中的溶解度,抑制了铒离子形成团簇. 关键词： 掺铒光纤 石英基光纤 团簇 高浓度     

掺铒光纤激光器输出特性的研究

根据掺铒光纤激光器的速率方程,对线性腔连续掺铒光纤激光器的输出特性进行了详细的理论分析,得到了980 nm泵浦的掺铒光纤激光器在稳态条件下的解析表达式.利用数值模拟结果对光纤激光器的上下能级粒子数和泵浦功率沿光纤长度分布以及泵浦阈值、斜率效率等进行了分析和讨论,并进行了980 nm泵浦的掺铒光纤激光器的实验,实验证明:光纤激光器的阈值与理论计算基本一致.     

铋基掺铒光纤放大器宽带放大特性的理论研究

研制了铋酸盐基质掺铒玻璃43Bi2O3-30B2O3-27SiO2,测试分析了玻璃中Er3+离子的光谱性质。结合获得的Er3+离子光谱参数,建立了一个以该铋基掺铒玻璃作为放大器增益介质时Er3+离子跃迁的三能级理论模型,研究了铋基掺铒玻璃光纤放大器(Bi-EDFA)的信号放大特性。研究显示,单波长输入情形下,Bi-EDFA具有大于40dB的信号增益和75nm的3dB波长带宽。同时,相比于硅基掺铒光纤放大器(Si-EDFA),Bi-EDFA具有优异的多波长信号宽带放大和低噪声特性,低噪声系数(~5.5dB)可维持至1610nm波长之外。结果表明,铋基掺铒玻璃光纤放大器是一种单位长度增益极高和宽带放大能力的小型化掺铒光纤放大器,适合于WDM系统的集成化需求。     

基于掺铒光子晶体光纤超荧光光源的实验研究

为了改进传统掺铒光纤超荧光光源的输出稳定性,提出基于掺铒光子晶体光纤的超荧光光源。构建了单程后向结构掺铒光子晶体光纤超荧光光源,研究了这种新型光源的输出特性。分析了掺铒光子晶平均波长体光纤长度和抽运功率对光源输出功率、光谱谱宽和平均波长的影响。结果表明,通过优化选取光纤长度28m和抽运功率220mW,获得了单程后向结构超荧光光源输出如下:输出功率45.74mW、光-光转换效率20.79%、谱宽31.5nm和平均波长1548.003nm。该实验结果为进一步研究掺铒光子晶体光纤超荧光光源在不同环境下的稳定性奠定了基础。     

基于长周期光纤光栅滤波器的掺铒光纤放大器理论和实验研究

从理论和实验上研究了带有高频二氧化碳激光写入的低成本长周期光纤光栅（LPFG）掺铒光纤放大器（EDFA）.结果表明,单波长和多波长EDFA的性能都可以通过在掺铒光纤（EDF）中插入长周期光纤光栅用作自发辐射噪声（ASE）滤波器或增益平坦器来提高性能.优化设计了带LPFG噪声滤波器的线放EDFA,与没有LPFG噪声滤波器相比,线放的噪声和小信号增益分别被减小和提高了约0.5 dB和7 dB。通过在多波长EDFA的EDF中插入一个LPFG增益平坦滤波器的方法,获得了1.5 dB的增益平坦度,与没有LPFG平坦器相比,EDFA的噪声被减小了0.1 dB,增益被提高了1 dB.     

掺铒光纤中的双稳态现象的研究

在以掺铒光纤为增益介质的环形光纤激光器中观察到了光学双稳态现象,定性分析了双稳态形成的机理,即掺铒光纤不同位置分别存在增益饱和和吸收饱和,而且吸收饱和有着更低的饱和阈值。通过理论衍生的公式对增益特性曲线进行了拟合,并结合增益特性曲线对光双稳态的产生给出了定量的解释。     

自调Q、自锁模铒/镱共掺光纤激光器

研究了结构新颖的环形腔铒/镱（Er/Yb）共掺双包层光纤激光器.为了获得高功率激光输出,使用6个激光二极管（LD）同时抽运Er/Yb共掺光纤,采用光纤光栅（FBG）Sagnac环作为波长选择器,得到了中心波长为1548.11 nm、谱线宽度为0.06 nm的窄线宽激光输出;并利用增益光纤作为可饱和吸收体,实现了自调Q、自锁模脉冲输出.当抽运功率为719 mW时,激光器输出自调Q脉冲,脉冲周期为20μs,脉冲宽度为2.8μs,脉冲的平均功率为38.4mW,峰值功率为274.3mW;当抽运功率为3.6 W时,激光器输出自锁模脉冲,脉冲宽度为4ns,平均功率为319 mW,脉冲峰值功率大于10 W,重复频率为7.937 MHz.     

铒离子与其它稀土离子共掺杂特性研究

掺铒光纤放大器设计应用于多波段放大,铒离子与其它稀土离子共掺杂所特有的宽吸收谱特性,使其在高功率放大器和高功率激光器的应用中得天独厚。为得到更宽放大带宽,最主要的是改变掺杂光纤的光谱性能。本文涉及的铒与镱、铥以及镧共掺杂光纤是采用MCVD工艺制备的,主要研究了离子浓度和掺杂比例对光纤光谱性能的影响。发现EDF的吸收与铒离子掺杂浓度以及铒离子与其它稀土离子的掺杂比例有关,同时通过加入其它稀土离子可以加宽EDF的吸收带。     

任意波形输入脉冲光纤背向瑞利散射的研究

背向瑞利散射是光纤中一种重要的物理过程,利用该物理现象实现的光时域反射计是一种重要且常见的光纤测量设备.本文理论研究了任意波形的输入脉冲在光纤中的背向瑞利散射过程,导出了将瑞利散射看作为一种线性系统的冲激响应函数,讨论了方波与有振荡拖尾的注入脉冲的背向散射输出波形.对于方波注入,利用商用光时域反射仪表对理论进行了验证;对于有拖尾的脉冲,进行了实验研究,结果表明仿真与实验结果一致.     

任意波形输入脉冲光纤背向瑞利散射的研究

背向瑞利散射是光纤中一种重要的物理过程,利用该物理现象实现的光时域反射计是一种重要且常见的光纤测量设备.本文理论研究了任意波形的输入脉冲在光纤中的背向瑞利散射过程,导出了将瑞利散射看作为一种线性系统的冲激响应函数,讨论了方波与有振荡拖尾的注入脉冲的背向散射输出波形.对于方波注入,利用商用光时域反射仪表对理论进行了验证;对于有拖尾的脉冲,进行了实验研究,结果表明仿真与实验结果一致.     

Effect of Launching Condition on Modal Power Characteristics of Multi-Mode Step-Index Optical Fiber: A Theoretical and Experimental Investigation

Abstract

This article investigates optical power transmission characteristics with varying launching conditions concentrating on weakly guiding, step-index highly multi-moded optical fibers. A single analytical expression for the fractional power transmitted per mode in a highly multi-moded fiber is obtained. This expression is used to numerically obtain the fractional power per mode, power per modal order, and finally, the total power carried by the fiber. Experiments are carried out to investigate the effect of launching conditions on the total power carried by the fiber and to establish a possible correlation with the theoretical results. Reasons for the observed experimental discrepancies are also discussed.

     

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的温度修正

结合基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理及温度解调过程,研究和分析了温度测量产生误差的主要原因.采用拟合修正的方法来解决斯托克斯光和反斯托克斯光传输损耗差异以及光纤弯曲、应力等附加损耗对系统的影响;采集光纤起始端同一位置3个不同温度的信号值求解非线性方程组,实现了对探测器暗电流引起的测量误差的修正.实验结果表明:经过修正的传感器在900m位置的温度测量误差平均值从8.0℃降到0.37℃,整条光纤的温度测量误差平均值≤±0.6℃.     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47％,与仿真结果45％非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20％,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

单轴晶体包层抛物型渐变光纤中基模功率分析

研究了以单轴晶体为包层,纤芯为各向同性非均匀材料光纤的功率传输特性.在纤芯满足弱渐变条件的假定下,按矢量场法进行了分析.针对基模讨论了包层的轴向与横向的介电常量比τ对光纤截面上功率分布的影响.结果表明,τ对低频情况影响显著,而对高频情况则影响很小.当此种结构的光纤用做单模光纤时,选用τ较大的包层材料有利于提高传输效率.     

PMMA光纤辐照特性研究

分析了聚合物光纤在辐照环境下的物理化学变化,实验研究了聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）光纤在不同剂量的γ射线辐照下的辐照损伤和恢复特性,测量了PMMA光纤在可见光波段的辐照光谱和恢复光谱以及在638 nm的辐照前后透过率及辐照损伤.测量结果表明,光纤的辐照损伤和恢复都有波长相关性,辐照剂量低于5 kGy,PMMA光纤在整个可见光波段的辐照损伤情况差别不大,辐照剂量超过5 kGy,PMMA光纤在400 nm~550 nm波段的辐照损伤比600 nm~800 nm的辐照损伤要严重.     

基于超长环形激光器泵浦的94 km布里渊分布式传感系统

首次将超长光纤环形激光器的光放大应用于布里渊光时域分析(BOTDA)传感系统,以延伸传感距离。 通过对布里渊泵浦消耗、 拉曼泵浦相对强度噪声(RIN)转移的抑制及拉曼泵浦功率分布的优化,基于对布里渊增益谱分析的原理在94 km的传感距离上实现了3 m空间分辨率,以及全程28 με/1.4 ℃应变/温度精度。