【摘 要】
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本文对SiO<,2>/Si基掺Er及Yb-Er共掺Al<,2>O<,3>光波导放大器(EDAWA和YEDAWA)进行了系统的理论分析、数值模拟和实验研究.考虑了合作上转换、交叉弛豫、激发态吸收等上转换机制,分别建立了针对三种泵浦波长的Er<3+>跃迁的速率方程.分析了掺ErAl<,2>O<,3>样品的1.53μm荧光强度与反转粒子数随泵浦波长、泵浦强度及掺Er浓度的关系.结果表明0.98 μm波长泵浦时,荧光强,反转度高.三种泵浦波长按泵浦效率排序是0.98 μm、1.48 μm、0.82 μm,我们选择
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本文对SiO<,2>/Si基掺Er及Yb-Er共掺Al<,2>O<,3>光波导放大器(EDAWA和YEDAWA)进行了系统的理论分析、数值模拟和实验研究.考虑了合作上转换、交叉弛豫、激发态吸收等上转换机制,分别建立了针对三种泵浦波长的Er<3+>跃迁的速率方程.分析了掺ErAl<,2>O<,3>样品的1.53μm荧光强度与反转粒子数随泵浦波长、泵浦强度及掺Er浓度的关系.结果表明0.98 μm波长泵浦时,荧光强,反转度高.三种泵浦波长按泵浦效率排序是0.98 μm、1.48 μm、0.82 μm,我们选择0.98μm作为掺Er Al<,2>O<,3>波导放大器的最佳泵浦波长.通过分析镱铒离子的能量转换机制及各种上转换效应,建立了一套目前考虑最全面的0.98 μm泵浦Yb-Er共掺系统的速率方程.利用Yb-Er共掺Al<,2>O<,3>薄膜的相关数据进行模拟计算,结果显示Yb的掺杂可提高Er<3+>的荧光强度和反转粒子数,并使实现粒子数反转的阈值泵浦强度最大可降低一个数量级.通常的掺铒浓度下,确定优化的镱铒浓度比为1~2.5.利用Ansys软件中高频电磁模块,建立了二维波导的有限元模型,成功地求解了开放介质波导中场的传输模式和各模式的场分布.得到了3μm宽矩形截面脊波导的色散曲线,确定了信号光单模传输的最佳脊高为0.8 μm.采用阶跃折射率光纤的Bessel场激发波导模式,得到各模式的激发系数及信号光和泵浦光的归一化光强.详细分析了光纤芯径和偏移对光纤-波导耦合效率的影响.利用速率方程、有限元场分布、传输方程,考虑正反方向的自发辐射噪声的影响,采用Runge-Kutta迭代技术求解了EDAWA和YEDAWA增益.该综合理论模型的计算结果表明YEDAWA的泵浦效率高于EDAWA,并分析了两种放大器的偏振特性,噪声特性以及耦合对增益的影响.这些结果均是国内外未见报道的.本模拟计算中建立的更为先进的参数优化方案,实现了放大器掺杂浓度、泵浦功率、波导长度和增益的同步优化,得到最佳长度下的最大增益,绘制出具有实用和指导价值的优化设计曲线.分析比较了梯形、矩形和倒梯形截面脊波导的模场、对场功率的约束以及放大器的增益,确定了最佳波导结构.这项研究结果可为波导放大器的刻蚀提供理论指导.实验研究了YEDAWA的增益特性,70mW泵浦下获得了8.44dB的净增益,阈值泵浦功率18mW,并与理论结果作了对比,二者符合较好.
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