掺铒孔辅助导光光纤的特性研究与优化设计

郑  凯; 常德远; 傅永军; 魏  淮; 延凤平; 简  伟; 简水生

doi:10.7498/aps.56.958

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摘要
掺铒孔辅助导光光纤是由掺铒的高折射率纤芯、低折射率包层和少量的空气孔组成. 采用有限元法分析了掺铒孔辅助导光光纤的模式特性；给出了数值计算截止波长和模场直径的方法；提出了改进的平均粒子数反转度迭代算法来数值计算掺铒光纤放大器的增益和噪声系数. 研究空气孔对掺铒孔辅助导光光纤的截止波长、模场直径和放大器的增益系数的影响. 发现：减小相对孔芯距的值，可使截止波长向短波长移动，减小模场直径的值；当孔的相对大小较大时，截止波长、模场直径和增益的最大值基本上不随孔的相对大小的增大而改变. 最后，综合考虑掺铒光纤基模和二阶模的截止波长、与普通单模光纤的熔接损耗、放大器的增益和噪声系数等因素，优化设计了掺铒孔辅助导光光纤的四个结构参量——纤芯半径、纤芯与包层的折射率差、相对孔芯距和孔的相对大小.

关键词:
孔辅助导光光纤 /

掺铒光纤 /

光纤放大器 /

有限元法
Abstract
Erbium-doped hole-assisted lightguide fiber (EDHALF) is composed of a high-index core doped with erbium, a low index cladding and a small number of air holes surrounding the core. The finite element method is applied for solving the modal field of the EDHALF. The numerical calculation methods of the cutoff wavelength and mode field diameter are described in detail. The modified average population inversion iteration method is proposed for calculating the gain and noise figure of erbium-doped fiber amplifiers. The effects of the air holes on EDHALFs' cutoff wavelengths, mode field diameters and the gain coefficients of fiber amplifiers are studied. It's found that decreasing the relative hole-to-core spacing can make the cutoff wavelength move to shorter wavelength and decrease the mode field diameter. When the relative size of air holes is relatively large, further enlarging it only slightly changes the cutoff wavelength, mode field diameter and the maximum of the gain coefficient. Finally, four structural parameters, namely the EDHALF-core radius, the refractive index difference between the core and cladding, the relative hole-to-core spacing and the relative size of air holes are optimized in terms of the design criteria, which take into account the cutoff wavelengths of fundamental mode and the second order mode, the gain and noise figure of fiber amplifiers and the splice loss between the EDHALF and the conventional single-mode fiber.

Keywords:
hole-assisted lightguide fiber /

erbium-doped fiber /

fiber amplifier /

finite element method
作者及机构信息
郑凯,

常德远,

傅永军,

魏淮,

延凤平,

简伟,

简水生

1.
北京交通大学光波技术研究所,北京 100044

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863)(批准号：2002AA312190，2004AA31g200)资助的课题.
Authors and contacts
Zheng Kai,

Chang De-Yuan,

Fu Yong-Jun,

Wei Huai,

Yan Feng-Ping,

Jian Wei,

Jian Shui-Sheng

1.
北京交通大学光波技术研究所,北京 100044
参考文献

施引文献

[1]	林贤峰, 张志伦, 邢颍滨, 陈瑰, 廖雷, 彭景刚, 李海清, 戴能利, 李进延. 基于M型掺镱光纤的近单模2 kW光纤放大器. 物理学报, 2022, 71(3): 034205. doi: 10.7498/aps.71.20211751
[2]	何乐, 褚应波, 戴能利, 李进延. 石英基L波段扩展掺铒光纤及其放大性能. 物理学报, 2022, 71(15): 154204. doi: 10.7498/aps.71.20220503
[3]	林贤峰, 张志伦, 邢颍滨, 陈瑰, 廖雷, 彭景刚, 李海清, 戴能利, 李进延. 基于M型掺镱光纤的近单模2 kW光纤放大器. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211751
[4]	刘雅坤, 王小林, 粟荣涛, 马鹏飞, 张汉伟, 周朴, 司磊. 相位调制信号对窄线宽光纤放大器线宽特性和受激布里渊散射阈值的影响. 物理学报, 2017, 66(23): 234203. doi: 10.7498/aps.66.234203
[5]	王甫, 王智, 吴重庆, 刘国栋, 毛雅亚, 孙振超, 李强. 掺铒光纤中方波信号高次谐波的快慢光特性. 物理学报, 2015, 64(24): 244205. doi: 10.7498/aps.64.244205
[6]	董繁龙, 葛廷武, 张雪霞, 谭祺瑞, 王智勇. 300 W侧面分布式抽运掺Yb全光纤放大器. 物理学报, 2015, 64(8): 084205. doi: 10.7498/aps.64.084205
[7]	窦志远, 田金荣, 李克轩, 于振华, 胡梦婷, 霍明超, 宋晏蓉. 高重复频率全光纤被动锁模掺铒光纤激光器. 物理学报, 2015, 64(6): 064206. doi: 10.7498/aps.64.064206
[8]	董信征, 于振华, 田金荣, 李彦林, 窦志远, 胡梦婷, 宋晏蓉. 147 fs碳纳米管倏逝场锁模全光纤掺铒光纤激光器. 物理学报, 2014, 63(3): 034202. doi: 10.7498/aps.63.034202
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[12]	肖虎, 冷进勇, 吴武明, 王小林, 马阎星, 周朴, 许晓军, 赵国民. 同带抽运高效率光纤放大器. 物理学报, 2011, 60(12): 124207. doi: 10.7498/aps.60.124207
[13]	杨薇, 刘迎, 肖立峰, 杨兆祥, 潘建旋. 声光可调谐环形腔掺铒光纤激光器. 物理学报, 2010, 59(2): 1030-1034. doi: 10.7498/aps.59.1030
[14]	杨若夫, 杨平, 沈锋. 基于能动分块反射镜的两路光纤放大器相位探测及其相干合成实验研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8297-8301. doi: 10.7498/aps.58.8297
[15]	王静, 郑凯, 李坚, 刘利松, 陈根祥, 简水生. 基于高双折射Sagnac环的可调环形腔掺铒光纤激光器理论与实验研究. 物理学报, 2009, 58(11): 7695-7701. doi: 10.7498/aps.58.7695
[16]	任广军, 魏臻, 张强, 姚建铨. 掺钕保偏光纤放大器的研究. 物理学报, 2009, 58(6): 3897-3902. doi: 10.7498/aps.58.3897
[17]	常德远, 郑凯, 卫延, 李彬, 傅永军, 魏淮, 简水生. 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. 物理学报, 2008, 57(1): 556-560. doi: 10.7498/aps.57.556
[18]	赵振宇, 段开椋, 王建明, 赵卫, 王屹山. 高功率光子晶体光纤放大器实验研究. 物理学报, 2008, 57(10): 6335-6339. doi: 10.7498/aps.57.6335
[19]	王春灿, 张帆, 童治, 宁提纲, 简水生. 大功率单频多芯光纤放大器中抑制受激布里渊散射的分析. 物理学报, 2008, 57(8): 5035-5044. doi: 10.7498/aps.57.5035
[20]	程成, 张航. 半导体纳米晶体PbSe量子点光纤放大器. 物理学报, 2006, 55(8): 4139-4144. doi: 10.7498/aps.55.4139

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掺铒孔辅助导光光纤的特性研究与优化设计

1. 北京交通大学光波技术研究所,北京 100044

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863)(批准号：2002AA312190，2004AA31g200)资助的课题.

收稿日期: 2006-04-30

修回日期: 2006-06-19

刊出日期: 2007-01-05

摘要: 掺铒孔辅助导光光纤是由掺铒的高折射率纤芯、低折射率包层和少量的空气孔组成. 采用有限元法分析了掺铒孔辅助导光光纤的模式特性；给出了数值计算截止波长和模场直径的方法；提出了改进的平均粒子数反转度迭代算法来数值计算掺铒光纤放大器的增益和噪声系数. 研究空气孔对掺铒孔辅助导光光纤的截止波长、模场直径和放大器的增益系数的影响. 发现：减小相对孔芯距的值，可使截止波长向短波长移动，减小模场直径的值；当孔的相对大小较大时，截止波长、模场直径和增益的最大值基本上不随孔的相对大小的增大而改变. 最后，综合考虑掺铒光纤基模和二阶模的截止波长、与普通单模光纤的熔接损耗、放大器的增益和噪声系数等因素，优化设计了掺铒孔辅助导光光纤的四个结构参量——纤芯半径、纤芯与包层的折射率差、相对孔芯距和孔的相对大小.

关键词:

Erbium-doped hole-assisted lightguide fiber: structural study and optimization

1.
北京交通大学光波技术研究所,北京 100044

Received Date: 30 April 2006

Accepted Date: 19 June 2006

Published Online: 05 January 2007

Abstract: Erbium-doped hole-assisted lightguide fiber (EDHALF) is composed of a high-index core doped with erbium, a low index cladding and a small number of air holes surrounding the core. The finite element method is applied for solving the modal field of the EDHALF. The numerical calculation methods of the cutoff wavelength and mode field diameter are described in detail. The modified average population inversion iteration method is proposed for calculating the gain and noise figure of erbium-doped fiber amplifiers. The effects of the air holes on EDHALFs' cutoff wavelengths, mode field diameters and the gain coefficients of fiber amplifiers are studied. It's found that decreasing the relative hole-to-core spacing can make the cutoff wavelength move to shorter wavelength and decrease the mode field diameter. When the relative size of air holes is relatively large, further enlarging it only slightly changes the cutoff wavelength, mode field diameter and the maximum of the gain coefficient. Finally, four structural parameters, namely the EDHALF-core radius, the refractive index difference between the core and cladding, the relative hole-to-core spacing and the relative size of air holes are optimized in terms of the design criteria, which take into account the cutoff wavelengths of fundamental mode and the second order mode, the gain and noise figure of fiber amplifiers and the splice loss between the EDHALF and the conventional single-mode fiber.

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