光纤放大原理及器件优化设计PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2光纤通信的发展 2

1.2.1光纤通信发展简介 2

1.2.2全光网 3

1.3光纤放大器 5

1.3.1光放大器的分类 5

1.3.2掺铒光纤放大器 5

1.3.3掺铥光纤放大器 7

1.3.4掺镨光纤放大器和掺钕光纤放大器（NDFA） 8

1.3.5量子点光纤放大器（QDFA）的提出 8

1.3.6非线性光放大器 10

1.3.7半导体光放大器 12

1.3.8几种光放大器的比较 13

1.3.9光纤放大器的增益平坦技术 15

1.4光纤放大器的市场和发展 16

1.4.1光纤放大器的市场 16

1.4.2光纤放大器技术的发展 17

参考文献 17

第2章 稀土离子简介 18

2.1稀土元素原子物理 18

2.1.1 4f电子壳层 18

2.1.2 4f电子光谱 20

2.1.3半经验的原子和晶体场的哈密顿函数 22

2.1.4能级适配 25

2.2稀土离子光谱 25

2.2.1 4fN跃迁的特征 25

2.2.2单光子跃迁强度——Judd-Ofelt理论 25

2.3基本光学性质 28

2.3.1跃迁截面 28

2.3.2能级寿命 34

2.3.3线型和谱线加宽 36

2.4 Er3+离子光谱 41

2.4.1能级结构和光谱 41

2.4.2能级寿命 42

2.4.3截面和谱线宽 44

2.5 Er3+-Er3+的相互作用 48

参考文献 51

第3章 掺铒光纤放大器 53

3.1三能级系统 53

3.1.1三能级模型 53

3.1.2三能级速率方程 54

3.1.3小信号增益 56

3.1.4增益饱和 58

3.1.5光纤的最佳长度 59

3.1.6重叠因子 60

3.2二能级模型 63

3.2.1二能级近似 63

3.2.2一般情况下的速率方程 64

3.3放大的自发辐射 65

3.3.1噪声功率和噪声带宽 66

3.3.2噪声系数（NF） 66

3.3.3噪声功率方程 68

3.4二能级系统的解析法 68

3.5包含放大自发辐射的建模 70

3.5.1速率方程 71

3.5.2平均反转和均匀展宽 72

3.5.3非均匀展宽 73

3.6高浓度掺铒的能级上转换 74

3.6.1引言 74

3.6.2能级跃迁和速率方程 75

3.6.3实验结果及讨论 78

3.7径向效应 83

3.8激发态能级的吸收 87

3.8.1速率方程 87

3.8.2 ESA存在时模拟计算的结果 88

参考文献 90

第4章 掺铥光纤放大器 91

4.1掺铥光纤放大器的提出 91

4.2基本原理 92

4.2.1概述 92

4.2.2单波长泵浦 94

4.2.3双波长泵浦 95

4.3速率方程 96

4.3.1能级 96

4.3.2 1050/1560nm双波长泵浦 97

4.3.3 1400/1560nm双波长泵浦 99

4.3.4数值计算 99

4.4掺铥光纤放大器的放大特性 101

4.4.1 1050/1560nm双波长泵浦 101

4.4.2 1050/1560nm双波长泵浦的增益位移 103

4.4.3 1405/1560nm双波长LD泵浦 105

4.4.4 1405/1560nm双波长泵浦的增益位移 106

4.4.5 10501560nm和14051560nm双波长泵浦的比较 107

4.4.6 1560nm泵浦的增益平坦和增益控制 108

4.4.7小结 108

4.5参量对掺铥放大器性能的影响 109

4.5.1光纤参量的影响 109

4.5.2泵浦光功率的影响 112

4.6掺铥光纤放大器的应用与扩展 113

4.6.1应用 113

4.6.2与拉曼放大器联合 113

4.6.3 C-L-S三波段联合 114

参考文献 115

第5章 量子点简介 116

5.1量子点概述 116

5.1.1基本概念 116

5.1.2量子点的特殊性质 117

5.1.3量子点的表征手段 119

5.1.4量子点的发展简史 121

5.2量子点的理论模型 121

5.2.1“球中的粒子”模型 121

5.2.2有效质量近似 123

5.2.3经验赝势法 124

5.2.4紧束缚法 124

5.3量子点的光学特性 124

5.3.1量子点的结构 124

5.3.2量子点的发光模式 127

5.3.3量子点的吸收和辐射特性 128

5.3.4吸收截面的估算 132

5.3.5 PbSe、PbS和CdSe、 CdS量子点的比较 134

5.4量子点掺杂对本底折射率的影响 136

5.4.1本底溶剂的折射率 136

5.4.2量子点胶体的折射率 137

5.4.3量子点对本底折射率的影响 137

5.5量子点和量子点光纤的实验室制备 138

5.5.1概述 138

5.5.2熔融法制备PbSe量子点玻璃 140

5.5.3脉冲激光沉积法制备锗纳米薄膜 147

5.5.4溶胶-凝胶法制备基于SiO2光纤的单分散CdS量子点 155

5.5.5实验室量子点光纤制备简介 159

5.6 CdSe/ZnS量子点的热稳定性研究 164

5.6.1概述 164

5.6.2实验和结果 164

5.6.3实验和理论的比较与讨论 167

5.6.4小结 170

参考文献 171

第6章 量子点光纤及光纤放大器 176

6.1引言 176

6.2低浓度掺杂CdSe/ZnS量子点光纤荧光光谱特性 177

6.2.1概述 177

6.2.2实验制备和测量 178

6.2.3实验结果与讨论 179

6.3较高掺杂浓度CdSe/ZnS量子点光纤荧光光谱 185

6.3.1概述 185

6.3.2实验 186

6.3.3结果和讨论 187

6.3.4结论 192

6.4单掺杂PbSe量子点光纤放大器 193

6.4.1基本工作原理 193

6.4.2速率方程 195

6.4.3结果和讨论 199

6.4.4结论和展望 202

6.5多粒度掺杂PbSe量子点光纤放大器 203

6.5.1引言 203

6.5.2能级和叠加谱 203

6.5.3结果和讨论 205

6.5.4结论 208

6.6量子点光纤激光器 208

6.6.1概述 208

6.6.2几个问题 209

6.6.3谐振腔 212

6.6.4红外量子点光纤激光器的数值模拟 213

6.7结语与展望 217

6.7.1拟进一步开展的研究内容 217

6.7.2量子点浓度、粒度和掺杂数 217

6.7.3溶胶-凝胶体系 218

6.7.4展望 219

参考文献 219

第7章 优化设计 222

7.1遗传算法简介 222

7.1.1概述 222

7.1.2遗传算法的运算过程 224

7.1.3遗传算法的特点 225

7.1.4遗传算法的应用 226

7.2遗传算法的程序设计 228

7.3掺铒光纤放大器的优化设计 233

7.3.1引言 233

7.3.2设计方法 234

7.3.3结果和讨论 237

7.3.4结论 239

7.4径向分布掺铒光纤放大器的优化设计 239

7.4.1引言 239

7.4.2速率方程 240

7.4.3径向分布函数 240

7.4.4目标函数与算法 241

7.4.5结果和讨论 243

7.4.6结论 245

7.5双泵浦掺铒光纤放大器的优化设计 245

7.5.1引言 245

7.5.2方程和目标函数 246

7.5.3结果和讨论 247

7.5.4结论 249

7.6理想的量子点光纤放大器 250

7.6.1引言 250

7.6.2目标函数 250

7.6.3结语和展望 253

参考文献 254

第8章 器件与集成 256

8.1概述 256

8.2光纤连接器 257

8.3光纤熔接 260

8.4泵浦光和信号光的复合 261

8.5隔离器 262

8.6环形器 264

8.7滤波器 264

8.8光纤光栅 265

8.8.1概述 265

8.8.2布拉格光栅的应用 267

8.8.3长周期光栅 268

8.9信号多路复用/分离器 268

8.10信号分插组件 270

8.11色散补偿元件 270

8.12器件集成 272

8.13泵浦激光器 272

8.13.1 1480nm和980nm二极管激光器 272

8.13.2主振荡功率放大器 276

8.13.3光纤激光器 277

参考文献 280

第9章 光纤通信系统中的光放大器 282

9.1光放大器在系统中的组成方式 282

9.2器件的光学噪声 283

9.2.1光放大器中的噪声的推导 283

9.2.2光放大器的输出噪声 285

9.2.3信号-自发辐射拍频噪声 286

9.2.4自发辐射-自发辐射拍频噪声 286

9.3系统的光学噪声 288

9.3.1接收器 288

9.3.2光纤前置放大器的噪声系数及灵敏度 289

9.3.3单一在线中继放大器的信噪比 293

9.3.4在线中继放大器在放大器链路中的位置选择 293

9.3.5级联放大器链的信噪比 295

9.3.6在线中继放大器链的噪声系数 298

9.3.7光功率放大器的噪声 299

参考文献 300

附录 本书主要物理量符号对照表 301