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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