掺铋光纤放大器

无论在超长距离的海底链路还是在接入网的短链路中,光放大器都有广泛的应用。在长距离的海底和陆地点对点链路中业务形态是相对稳定的,光放大器的输入功率电平变化不明显。然而要在这些链路上传送密集的多波长信道,放大器必须具备宽谱相应范围并且高度可靠。通常城域网和接入网中传送的波长较少,业务形态可能会突变,并且根据客户需求经常需要插入或取出波长,这就要求光放大器能够从输入功率快速变化中迅速恢复。光放大器可以分为半导体光放大器(Semiconductor optical amplifier, SOA)和光纤放大器(Fiber amplifier, FA)。拉曼光纤放大器(Ramman fiber amplifier, RFA)是利用光纤中的受激拉曼散射(Stimulated raman scattering, SRS)非线性效应实现信号光的放大。强光在光纤中传输时就会产生受激拉曼散射,如果信号光的波长位于拉曼增益谱内,弱的信号光就能得到放大。掺杂光纤放大器(Doped fiber amplifier,DFA)需要特定组份掺杂的光纤,拉曼放大器只需用标准的单模传输光纤。

SOA中的激活媒质由三和五主族元素(如磷、镓、铟、砷)形成的半导体合金构成。与半导体激光器结构类似,当外加偏置电流低于振荡阈值时,激光二极管能对输入的信号光实现放大作用。由于所有处于粒子数反转态下的半导体都具有光增益,所以理论上来说任何半导体激光器都可以用来作为光学放大器。SOA可分为谐振型的法布里-泊罗腔放大器和行波腔光放大器,两者都是折射率波导型激光二极管结构,其主要的差别在于端面反射率的大小不同(其中行波腔没有镜面反射,谐振腔存在镜面发射)。SOA有很多吸引人的地方,它们工作在0波段和C波段,易于与其他光设备和电路(如称合器、光隔离器及接收电路)集成在同一基片上。与掺杂光纤放大器相比,SOA优点是功耗低、组成器件少、结构紧凑和造价低廉。缺点是噪声系数大、输出功率小、对信道间的串扰和信号偏振态敏感,信道之间存在的串扰限制了它在WDM系统中的应用。SOA的小功率输出无法支持长距离光纤传输,其主要应用于集成放大器和应用性能要求不高的光纤链路中。

(1)掺杂光纤放大器

掺杂光纤放大器通常是掺杂稀土元素(如钕、铋或镨),光纤的基础材料可以是氟化物玻璃、标准的石英或碲酸盐玻璃。放大器的工作波长范围与基础材料和掺入元素有关。长途电信系统中最常用的光纤放大器是掺银光纤放大器,其掺杂少量银元素。DFA主要包括以下几个部分:泵浦光源、称合器、活性介质掺杂光纤、滤波器和光隔离器等。泵浦光通过光亲合器入射到掺杂光纤中,将大部分的基态离子泵浦到激发态,对于三能级系统处于激发态的离子会迅速无福射跃迁到亚稳态。离子的亚稳态寿命相对较长(达到毫秒量级)以至于亚稳态与基态之间的粒子数形成反转状态。如果信号光通过此掺杂光纤,在受激辐射作用下会产生大量与自身状态完全相同的光子,使得光信号的功率增大。WDM将泵浦光和信号光亲合进掺杂光纤,光隔离器可以保证光的单向传输,滤波器可以过滤掉放大器本身产生的自发福射以降低系统的引入的噪声。

(2)光纤拉曼放大器

拉曼散射是源于光与材料中的光学声子的相互作用,入射光子被散射产生另一个频率较低的输出光子(斯托克斯光子)或频率较高的光子(反斯托克斯光子),出射光子的传播方向与入射光子传播方向相同。光纤拉曼放大器是利用的光纤的非线性光学效应一受激拉曼散射效应产生的增益机制而对信号进行放大的。泵浦激光的强度大于某一阈值后,拉曼散射的斯托克斯光才会有明显的增益,其散射光的相干性、方向性和光强才有明显的提高。桂基拉曼光纤放大器中,泵浦光和信号光频率间的斯托克斯频移大概是15THZ。由于改变泉浦光中心频率,就会改变增益峰值波长,所以光纤拉曼放大器的放大波长范围是可调的。FRA的优点是亲合损耗小,是因为它的放大介质是f统的单模传输光纤,它的噪声比较低、增益稳定性也较好。缺点是需要很高的录浦光功率(约0.5~1W)、信道串扰大及造价昂贵。

光纤布立渊放大器

布立渊散射是源于入射光与材料中的声学声子的相互作用,入射光子被散射产生另一个频率较低的输出光子(斯托克斯光子)或频率较高的光子(反斯托克斯光子),出射光子的传播方向与入射光子的传播方向相反。通常斯托克斯波的强度远大于反斯托克斯波,这两个波的频移量是由光纤材料中的声子特性决定的。

布立渊放大器与拉曼放大器类似,不同点是声光子在放大过程中起作用。布立渊散射的斯托克斯频移比较小,在硅基光纤中频移约为llGHz。布立渊放大器的缺点是噪声比较大,优点是单模光纤中的阈值功率很小仅为几个毫瓦。布立渊放大器的带宽仅为20MHz,适合做窄带信号放大器。

自1999年惨铋材料的近红外宽带光辖射特性被发现以来,研究人员对掺铋材料进行了大量的研究。人们通过研究不同组份的掺杂而制作玻璃,试图弄清楚其近红外宽带发光中心,但是由于发光中心随掺杂组份不同而变化较大,受外界环境影响非常严重,其发光机理依旧没有定论。掺铋玻璃的研究已有许多,因为其近红外宽带发光特性可用于光纤通信制作宽带光源或宽带光纤放大器,所以对掺铋光纤的研究也尤为重要。

Bi3+和Bi2+这两种离子掺杂的材料发光谱在紫外或可见光区域,其荧光寿命大致有几十个微秒。激发态的光谱特性和焚光寿命与铋掺杂材料的近红发光区别非常明显。因此,现在研究人员一致认为二价和三价铋离子不是近红外发光的起源。

(1)Bi5+为近红外发光中心

Fujimoto等人对掺铋石英玻璃进行了严谨etJ电子自旋共振实验[4],并得出结论Bi5+应该是近红外辐射中心。铋离子的基态是iSfl,位于300、500、700和800nm的吸收带分别归因于iSo和1D2、3Di、3D2和3D3之间的跃迁。随后为了验证Bi5+的存在,他们又进行了不同的实验例如扩展X射线吸收精细结构、X射线光电子能谱分析和核磁共振。通过上述实验Fujimoto等人认为检查过的掺铋石英玻璃中有Bi5+存在。Xia等人制作铋掺杂玻璃Ge02-Al203-Na20 (GANB)、GeOi-AlaOa-BaO (GABB)和 GeC^-AlzCVYzCb (GAYB)并对其进行实验发现铋相关的光吸收和近红外光辖射强度按照顺序GANB<GAYB<GABB依次增加,并把这种现象归因于Bi5+浓度的增加,认为Bi5+是近红外发光中心。

(2) Bi5+On2-分子内电荷转移(Intramolecular charge transfer, ICT)模型

Kustov等人提出了一个关于Bi04的ICT模型用来解释铋掺杂玻璃的光谱特性。这个模型是基于分子轨道理论和薛定谔方程的,考虑了自旋轨道交换、铋原子的S、P、d电子壳层与氧原子的S、P电子壳层场势能的相互作用。这种模型适用于同样有近红外发光的其它原子(例如In, Pb, Tl, Te等),这些原子的电子壳层结构与铋原子是相似的。

通常,在构建光链路时要进行功率预算,在线路损耗超过可用的功率极限时要接入中继器。传统的中继器放大光信号需要进行以下过程,光电转换、电放大、重定时、脉冲整形以及电光转换。尽管这个过程对于中等速率的单波长很适用,但对于高速多波长系统就会遇到电子转换速度受限瓶颈。中继器包括用来检测弱信号的光探测器,电子放大器,用于信号定时的定时电路和用来发射信号的激光器。这样的电中继器的性能受限于电子器件的转换速度,因此光纤系统虽然有很大的传输容量和带宽,但是依然受限于电中继器的转换速度。为了消除传输延时,人们花了很大的努力研制全光放大器,可以完全在光域对30nm或更宽的谱宽内的多路光波信号进行功率放大。光放大器是一种不需要经过光/电信号转换,而能直接放大光信号的一种器件。

自掺铋材料的超宽带近红外发光现象被发现以来,各国研究人员都相继投入到掺铋材料的研究工作当中。1999年,Fujimoto等首次发现掺铋硅酸盐玻璃在峰值波长1150 nm处有宽带荧光福射,半高全宽为150nm。随后,在2001年Fujimoto等又报道了铋掺杂铝硅酸盐玻璃在500 nm光波激发下产生超宽带福射1000-1600 nm,峰值1140 nm处的能级寿命为630μs,半高全宽达到220 nm。2003年,他们又在掺铋石英玻璃中观察到了 1.3μm光信号的放大现象。随后在一系列掺铋玻璃中都观察到近红外宽带发光。2005年,Dianov等首次利用改进型化学气相沉积(Modified chemical vapor deposition, MCVD)技术制作出掺铋光纤,其发光谱半高全宽为200 nm,发射截面高达6 x 10 cm。随后在掺铋桂酸盐光纤中观察到了 1300-1500 nm范围内的光放大和激射现象。我国一些科研机构也对掺铋增益材料进行了系统研究。J. Ren等人在掺铋锗酸盐玻璃中研究了1272 - 1348 nm连续波长范围内的光放大现象,因此掺铋光纤在未来超宽带光放大器件中有望扮演重要的角色。

作为一种新型的有源放大介质材料,其可以用来制作激光器。2005年,Dianov等成功研制出1150-1215nm的连续波掺铋激光器。随后,他们又报道了输出功率高达15W的连续波掺铋激光器,并且首次报道了锁模掺铋激光器。在2008年,Bufetov等和Dvoyrin等分别报道了工作在1300-1470nni的掺铋光纤激光器和1443-1459nm范围的掺铋光纤激光激射现象。而在2009年,Dianov等首次报道了掺铋光纤在1470-1550nm范围的激射现象, Samuli Kivisto等人报道了 1.9ps脉冲锁模铋掺杂全光纤激光器, Firstov等报道工作波长在1280nm、1330nm、1480nm和1550nm的掺铋光纤激光器,最高输出功率达2W,转换效率为14-25%。2010年,Dvoyrin等实现了工作波长为1179nm、转换效率为28%的全光纤激光器。2011年,Bufetov等在只掺铋的石英光纤中首次观察到增益激射现象,A.-P. Luo等人基于非线性偏振旋转技术实现了可调谐和可开关的双波长锁模惨铋全光纤环形激光器。2012年,A.V.Shubin等首次报道了最高输出功率高达20W、转换效率为50%、输出波长约为M60nm的铋锗共掺光纤激光器,同时实现了 1389-1538nm波长范围的激光激射。2013年,ReginaGumenyuk报道了工作在正常色散和反常色散机制下的1.32μm锁模掺铋光纤激光器。

V. V. Dvoyrin等人第一次利用掺铋光纤在1430-1495 nm范围内实现了信号的净增益大于0,光纤芯组成成分比例为4.5Al203-95.5Si02,铋的浓度不超过0.02 at.%。福射带峰值位于1430 nm,其光谱半宽为100 nm。Young-Seok Seo等人利用810nm泉浦光激发掺铋石英光纤,在1308 nm波长处获得了放大现象,增益系数达到了 0.038dB/mW,实验用的掺铋光纤组份为92.0Si02- 7AI2O3 -1.0Bi2O3(mol%). J. Ren等人利用掺铋锗酸盐玻璃在1272-1348 nm波段内实现了光信号的放大,玻璃组份为80Geo2-10MgO-10Al203-1.0Bi203 (mol%)。所用的泵浦光波长是808nm,在泵浦功率为800mW时,1298nm波长处的增益为3.69dB。Young-Seok Seo等人利用5.0 cm长掺铋光纤,在1310 nm波长实现了 9.6dB的增益。泵浦光源为808 nm激光器,功率为100 mW。此实验也在第二通信窗口观察到两个波长的同时放大现象。Psaila N等人利用超快激光在掺铋玻璃上雕刻波导,基底玻璃组份为92.0Si02- 7AI2O3 -1.0Bi2O3(mol%) 。波导长度为5mm,980nm泵浦源的功率为600rnW, 1250-1520nm范围内实验观察到放大现象。本项目组在可调谐掺银光纤激光器和掺铋光纤研制、近红外宽带福射特性及光放大方面,己开展了大量的理论和实验研究。2012年Y. Luo用52cni掺铋光纤和830imi泵浦激光器,实现了 1350-1470nm范围的光放大,其开关增益系数可达4dB/m。Y. Luo利用新的MCVD车床和拉丝塔,成功拉制了铋铒共掺杂的石英光纤,当用532nm、808nm和980nm半导体激光器泵浦时,产生了 1000-1570mn的超宽荧光谱;而且利用一个830nm半导体泵浦激光器,在自制的掺铋光纤中观察到1030-1560nm的超宽光福射。

在国内,中国科学院上海光学精密机械研究所、华中科技大学、华南理工大学、昆明理工大学、上海大学、华南师范大学、浙江大学、宁波大学、同济大学等高校和科研机构也开展了铋掺杂玻璃和铋掺杂光纤的相关研究,制备出了各种组分的铋掺杂玻璃,获得了 附近的超宽带荧光谱,分析了铋掺杂玻璃的光学特性;并试制单包层、双包层掺铋光纤,对其光谱特性进行研究,开发基于掺铋光纤的光纤放大器和光纤激光器国内外学者进行的可调谐光纤激光器的相关研究大多数采用Er3+掺杂的石英光纤作为增益介质,工作在C波段和L波段。虽然最近关于掺铋光纤取得的研究成果为开发工作波长位于1100-1600nm波段范围的新型宽带光纤放大器和激光其提供了基础,其前景广阔,但是在这些光纤激光器被实际应用之前,仍有许多基础的科学问题和关键的技术问题函待解决,比如:铋元素近红外福射中心的本质仍有争议,掺铋光纤的光谱特性、光增益及激光激射基本机理了解的还很少。如何进一步提高掺铋光纤器件的性能,特别是如何实现1100-1600nm全波段的光放大和激光激射等等,仍需开展大量的研究。

20 世纪 80 年代中期，光通信迅猛发展、光纤制造工艺以及半导体激光器生产技术日益成熟。特别是在 S.B.Poole 等人用改进的化学汽相沉积法制成了低损耗的掺铒光纤后，掺杂光纤放大器和激光进入了一个快速发展的阶段。与其他掺杂光纤相比，掺镱光纤能级结构简单，不存在对泵浦光或信号光的激发态吸收，转换效率高，不存在浓度淬灭;且有较宽的吸收光谱和辐射光谱。因此掺镱光纤放大器/激光器具有独特的优势。但当时采用的掺杂稀土光纤是由纤芯和单一包层构成，要求泵浦光必须直接耦合进直径仅仅为几微米的单模纤芯中，所以对泵浦源的激光模式要求很高，且耦合效率很低。所以传统的掺稀土元素的光纤激光器与放大器被认为只能是一种低功率的光子器件。

80 年代末，美国宝丽来提出了以双包层光纤为基础的包层泵浦技术，改变了光纤放大器只能作为一种小功率光子器件的历史，为瓦级甚至更高功率的光纤放大器的实现提供了坚实的基础。双包层光纤的研制成功以及包层泵浦技术的运用打破了光纤激光器/放大器输出功率低的"瓶颈"，成为制作高功率光纤激光器与放大器的首选。

1999 年 Lew Goldberg 等人采用"V"形槽耦合泵浦技术在 1060nm 处将100mW 的种子光放大到 4W 输出;放大系统小信号增益为 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技术获得了单模以及近线偏的 150W 激光输出。德国 Jena 大学 A. Liem 等人，以纤芯直径 23μm 的大模场面积双包层掺镱光纤为增益光纤，利用注入种子光的功率放大结构，实现了波长 1064nm、线宽 1kHz、功率 118W 的激光输出，相对注入抽运光功率的斜率效率达 70%。2005 年 Adrian Carter 等人利用与 20/400 双包层大模面积(LMA)掺镱光纤相匹配的(6+1)*1 合束器实现了 200W 单频放大输出的全光纤化。2006 年南开大学郭占城等人利用 Nufern 生产的长度约为11m 的大模面积(LMA)掺镱双包层光纤(其芯径 20μm ,数值孔径为 0.06)，将 16mW 的种子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 线宽为 0.027nm，保持了输入信号光的优良光谱特性。实验中为了消除端面的菲涅尔反射，LMA 光纤的两端磨制了约 13°的倾角。

2006 年 Albert seifert 报道了一种波长为 1014.8nm 的窄线宽，毫瓦级的双包层掺镱光纤放大器。种子源经过一个隔离器和二向色镱后，有65mw的功率被耦合到6.2米的掺镱双包层光纤。D 型内包层的数值孔径随温度变化，室温下为 0.35，液氮中为 0.22。光纤端面抛8 度角，第一级放大器输出经过一个窄的带通滤波器以减小 ASE，然后耦合到第二级的冷却的镱纤。第一级的最大输出功率为 2.8W,且信噪比达到 30dB。为达到更高的输出功率，将第一级功率为 1.7W 的输出作第二级放大，得到了 5W 的输出功率，且仍有很高的信噪比。

光纤通信网络、自由空间激光通信、激光雷达、医疗、科研、军工等领域，对高功率 1.5μm 波段光纤放大器和激光器的需求不断增加。传统掺铒光纤放大器(EDFA)，虽然工作在这个波段，但受到纤芯直径小和掺杂离子浓度低的限制，单个 EDFA 的输出功率较低。Er/Yb 共掺技术和双包层泵浦技术的出现，为高功率输出提供了可能。 Er/Yb 共掺双包层光纤也已经出现，并得到了广泛研究。可以说，这种光纤出现的推动力，就是对更高功率的需求。很有必要对这种光纤放大器所能达到的功率水平、连续光和脉冲光放大时的典型特点:斜率效率、噪声指数、增益曲线、ASE 功率分布、功率转化效率等进行分析，考察其功率进一步提升的限制因素，为更好地进行以其为基础的高功率光纤放大器的设计提供理论基础。

Er/Yb 共掺双包层光纤，由纤芯、内包层、外包层构成，其折射率从内到外是依次减小的。纤芯直径与单模光纤直径相吻合，信号光在纤芯中传输，保证其单模传输。掺杂离子在纤芯中，通常 Yb 离子的掺杂浓度要高于 Er 离子，形成一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围的局面，从而阻断了在 Er 离子浓度提高时，Er 离子互相过于靠近而形成离子对的情况，允许 Er 离子掺杂浓度可以远远大于普通 EDFA 的掺杂浓度，这就意味着光纤储能的增大和输出功率的增大。内包层直径通常在 100μm-200μm 之间，为20泵浦光传输波导层，这是双包层光纤区别于普通光纤的典型特点:泵浦光进入横截面积是纤芯几十到几百倍的内包层中，允许采用大功率，多模泵浦光，且增加了泵浦光耦合效率、降低了耦合损耗和耦合难度。泵浦光进入内包层后，在外包层和内包层的边界处产生全内反射，可以往返不断地经过纤芯，激活纤芯掺杂离子，形成粒子数反转，对纤芯中经过的信号光产生受激放大。理论和实际都证明，内包层形状如果仍采用传统光纤中的圆形，会产生很多围绕着光纤轴向传输的弧形光，导致大量泵浦光无法经过纤芯而浪费掉，当今的双包层光纤，内包层通常做成 D 形或者六边形，可以保证泵浦光充分通过纤芯，有利于纤芯掺杂离子对其进行有效地吸收利用。

Er/Yb 共掺系统中的能级结构包括了 Er 离子和 Yb 离子两个能级系统，Yb 离子为简单的二能级结构，在 Er/Yb 共掺系统中，因为一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围，所以 Er 离子直接吸收泵浦光被激活的几率很小，主要吸收泵浦光能量的是 Yb 离子，且 Yb 离子作为主要能量吸收离子，吸收谱线非常宽(800nm-1100nm)，在主要的几个泵浦激光器工作波长:915nm 和980nm 处都有很高的吸收峰，这使得对泵浦激光器的谱宽要求大大降低，可以采用已经商用的、成本较低的多模大功率泵浦激光器模块，满足高功率信号光输出要求。Yb 离子在泵浦光作用下产生受激吸收，而跃迁到上能级2F5/2，Yb 离子在这个能级的寿命为 1.5ms，接下来通过敏化作用，处于上能级的 Yb 离子将能量传递给基态(4I15/2)Er 离子，使其产生受激吸收而跃迁至高能态4I11/2，Er 离子在这个能级的寿命非常短，仅为 1ns，所以迅速通过无辐射跃迁到亚稳态4I13/2，Er离子在亚稳态的寿命很长，为 10ms，可以形成足够的粒子数反转，当信号光通过时，即可产生受激辐射光放大。Er 离子4I 13/2能级上存在着能量上转换过程，21 部分激活离子跃迁到4I9/2能级，再经过两次无辐射跃迁过程回到亚稳态。Yb 离子将能量传递给 Er 离子的同时，失去能量回落到基态。这里要注意两点，一是因为 Yb 离子首先被激活，在其两能级间也会存在一定的粒子数反转形成 Yb 波段(1.06μm)的自发辐射光，后文可以看到，在高功率泵浦时，这个波段的自发辐射光会对放大器的输出功率产生比较严重的限制。另一点，因为 Er离子在亚稳态寿命较长，存在着能量向 Yb 离子的反向回传，这个机制也会造成储能的一部分浪费，所以在考虑放大器设计时，应该合理的选择输入信号光能量，以便尽可能多的消耗 Er 离子的上能级粒子数，减小能量回传。