少模掺铒光纤放大器增益均衡的研究

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1、少模掺铒光纤放大器增益均衡的研究ResearchinGainEqualizationofFewModeErbiumDopedFiberAmplifier学科专业：光学工程研究生：赵清华指导教师：李小英教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十二月摘要目前通信系统的网络流量正呈指数型地快速增长，但现有的单模光纤传输系统已经接近容量极限，无法满足光纤通信系统日益增长的容量需求。模分复用作为空分复用的一种新型传输方式，利用新的空间维度(光纤模式)，可以突破单模传输容量极限，极大地提高光纤通信容量。掺铒光纤放大器(EDFA)作为光传输系统的中继，在长距离

2、光通信传输中发挥着重要的作用。现有的掺铒光纤放大器一般以单模掺铒光纤作为增益介质，仅能放大单个模式，无法满足模分复用系统的需求。在模分复用系统中，若存在较大的模间增益差，则会导致系统容量的下降和中断概率的升高。因此，研制少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)、实现不同信号模式的增益均衡成为近几年光通信领域的热点。本文为了实现FM-EDFA的增益均衡，首先介绍光通信的发展历史和趋势，分析总结了国内外关于FM-EDFA的研究现状。以电磁波的麦克斯韦方程组为基础，分别用“标量法”和“矢量法”两种方法推导出光纤的标量模式和矢量模式，并分析了两种模式的截止条件和远

3、离截止条件。随后，本文在FM-EDFA理论模型的基础之上，给出了FM-EDFA理论模型的主要分析方法，并分别通过调控功率配比、旋转角度和环相位三种方法，实现两信号模式的增益均衡，通过遗传算法优化设计铒离子分布，实现四信号模式群组的增益均衡。最后，本文初步搭建了少模光纤传输放大系统的实验装置，进行掺铒光纤的增益分析，观察少模掺铒光纤中不同信号模式随泵浦功率改变时的增益特性，并测量了滤除放大自发辐射后的增益情况。关键词：光通信模分复用少模掺铒光纤放大器增益均衡ABSTRACTAtpresent,thenetworktrafficcommunications

4、ystemexponentiallygrowrapidly.However,theexistingsingle-modeopticalfibertransmissionsystemhasbeenclosetocapacitylimits,unabletomeetthegrowingcapacitydemandforopticalfibercommunicationsystem.Asanewwayofspacedivisionmultiplexing,modedivisionmultiplexingtransmissionwiththenewspatia

5、ldimensions(fibermode),canbreakthroughthesingle-modetransmissioncapacitylimit,whichgreatlyimprovesthecapacityofopticalfibercommunication.Asarepeaterofopticaltransmissionsystem,erbium-dopedfiberamplifier(EDFA)playsanimportantroleinlong-distanceopticalcommunicationtransmission.Con

6、ventionalerbium-dopedfiberamplifiersgenerallytakesingle-modeerbium-dopedfiberasthegainmediumandcanonlyamplifyasinglemode,unabletomeetthemode-divisionmultiplexingsystems.Inthemodedivisionmultiplexingsystem,ifthereisalargerdifferentmodegain,itwilldecreasethesystemcapacityandincrea

7、seoutageprobability.Therefore,theresearchinFew-modeerbium-dopedfiberamplifier(FM-EDFA)andrealizinggainequalizationofdifferentmodeshavebecomeahotfieldofopticalcommunicationinrecentyears.Inthispaper,inordertoachievethegainequalizationofFM-EDFA,wefirstlyintroducethehistoryandtrends

8、ofopticalcommunications,analyzeandsummarizethec