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掺铒光纤放大器(EDFA)的诞生给光通信带来了一场革命。由于其本身具有高增益、高输出功率、低噪声、带宽宽、与偏振无关等优点，在很多领域和场合，EDFA正逐步取代传统的光-电-光中继模式，省去光电/电光转换的昂贵成本，便于设备的运行维护，成为现代光纤通信系统中不可缺少的关键部件。随着WDM系统的升级及光传送网络的发展，增益控制掺铒光纤放大器(GC-EDFA)在输入功率和通道数目变化时维持放大器增益稳定方面，发挥着日益重要的作用。
基于以上背景，在天津市重点基金项目——智能型光纤放大器和光源的研究、天津市重点基金项目——(C+L)超宽带掺杂光纤放大器和南开-达尔泰(天津)项目——开发增益平坦的掺铒光纤放大器的支持下，本论文主要围绕新型GC-EDFA、EDFA性能的优化、增益控制用光源、多波长光纤激光器以及可调光衰减器等课题进行了理论和实验研究。主要工作如下：
1.设计了一种基于双折射光纤光栅的GC-EDFA，通过调整偏振控制器可以方便地选择单、双波长控制激光，信号光与控制光逆向传输，此种结构双波长GC-EDFA的平均增益和噪声系数为22.22dB和8.69dB，单、双波长控制下的增益平坦度分别为0.69dB和1.51dB。设计了一种两级L-bandEDFA并制成样机，它利用光纤环镜反射后向ASE作为增益控制激光，这种新颖结构的GC-EDFA信号变化范围达到27dB，3dB带宽为34.5dB，平均增益及平坦度分别为23.68dB和±0.8dB，噪声指数为7.47dB，为了优化样机，我们还分别尝试了另外3种不同结构的GC-EDFA以选择最佳的样机方案。
2.我们还提出了一种优化反射式EDFA噪声性能的方案，通过利用高双折射环镜代替普通光纤环镜来抑制铒纤的前向ASE，双通放大器在1580.84nm～1588.48nm范围内的平均噪声系数减少了3.7dB。利用前置放大器提高铒纤输入端的粒子数反转水平，实现了对反射式EDFA增益和噪声系数的优化，与普通结构的反射式放大器相比，该反射式EDFA在1568nm～1594nm范围内，增益增加了2.3dB～12.6dB，而噪声系数则降低了2.2dB～23.9dB。
3.光纤放大器与光纤激光器密不可分，激光器不仅为放大器提供优良的光源，而且还在放大器结构设计上提供了很多新的思路。因此，本文也对激光器进行了一定的研究。在多波长激光器方面，将光纤起偏器和双折射光纤结合使用构成Lyot滤波器，通过调节偏振控制器，实验得到了波长间隔分别为3.44nm和1.56nm的两组稳定的L-band双波长激光输出，这是利用腔内双折射增强偏振烧孔效应的结果，通过仔细调节偏振控制器，还得到了1599.28nm至1605.84nm的5个单波长的激光输出。我们又提出了另一种利用偏振烧孔效应的多波长激光器，将双折射光纤环镜和光纤起偏器结合使用，使铒纤中不同波长的光通过波长相关的偏振旋转而具有不同的偏振态，从而使偏振烧孔效应极大地增强，通过调节偏振控制器，可以得到4波长和5波长激光的稳定输出。在单波长激光器的研究方面，我们提出了一种线性腔掺镱光纤激光器，其输出波长在1058.2nm，功率为18.9mW，长时间工作稳定性好。
4.在研究增益控制EDFA的实验中会经常用到可调光衰减器，用于输入输出以及光纤回路中信号的衰减。因此我们设计并制作了一种利用光纤微弯损耗原理的可调光衰减器，从理论上模拟了单模光纤的弯曲损耗系数随波长的分布，并将其与不同弯曲程度下的实验结果进行了比较，发现二者在趋势上是一致的，但模拟得到的弯曲损耗系数要高于实验值，这与K.Nagano等人的理论预言相符。提出了一种基于电压调节的可调光衰减器，通过给压电陶瓷施加不同的直流电压，使双折射光纤环镜的透射谱发生移动，从而达到了衰减某一波长处光功率的目的。在压电陶瓷上加75.2V的直流电压时，环镜的透射谱恰好漂移了半个周期。我们还研究了该衰减器在电压传感方面的应用，环镜透射波长随电压线性地漂移，其线性拟合度达到了0.99878。
5.提出了一种利用C-bandASE提高泵浦效率的C+L超宽带ASE源，实验表明光纤环镜和C-bandASE使L-bandASE的强度有很大的增长，通过循环利用C-bandASE，产生L-bandASE所需的泵光功率大为减少。该C+L超宽带光源在76nm的波长范围内的功率波动不超过2.8dB，这种具有平坦输出谱和大工作波长范围的宽带光源有很好的应用前景。