掺稀土光纤放大器研究进展_常军

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 掺稀土光纤放大器研究进展 常 　军 ,王青圃 ,丁双红 ,张行愚 ,李 　平 (山东大学 信息科学与工程学院 ,山东 济南 　250100) 摘要 :掺稀土光纤放大器 ( RDFA) 的研究对拓展光纤通信系统的带宽有重要意义 ,文章介绍了掺 Er3 + 、Tm3 + 、Pr3 + 、Dy3 + 、 Ho3 + 、Nd3 + 等光纤放大器的工作原理、增益、噪声等特性 ,并综述了其最新研究进展情况。 关键词 :稀土掺杂 ;光纤放大器 ;带宽拓展 中图分类号 : TN722 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1005 - 8788 (2004) 06 - 0060 - 03 Rare2earth doped f iber amplif ier and its research progress CHANG Jun , WANG Qing2pu , DING Shuang2hong , ZHANG Xing2yu , L I Ping (School of Information Science and Technology , Shandong University , Jinan 250100 , China) Abstract :The study of rare2earth doped fiber amplifier is very important for broadening the bandwidth of fiber communication system. In this paper , the principle of rare2earth doped fiber amplifier including Er3 + 、Tm3 + 、Pr3 + 、Dy3 + 、Ho3 + 、Nd3 + is introduced , and the recent development in this field is also reviewed. Key words :rare2earth doped ; fiber amplifier ; bandwidth broadning 　　因特网等数据通信业务的迅猛发展激起了人们 对光纤通信带宽的巨大需求 , C 波段 ( 1 530 ～ 1 560 nm)掺 Er3 + 光纤放大器 ( EDFA) 成功应用于 密集波分复用 (DWDM) 光通信系统是光通信史上 的里程碑。随着光纤制造工艺的提高 ,信号传输用 的光纤在 1 200～1 700 nm区域成为低损耗 窗口 ,尤其在1 450～1 650 nm 区间 ,损耗小 于0. 25 dB/ km[1 ] 。研制新型掺稀土光纤放大 器以拓展带宽 ,提高增益平坦性已成为光通 信领域研究的热点之一。 掺稀土光纤放大器 ( RDFA) 的增益介质 是掺稀土光纤 (RDF) ,目前 ,有报道的稀土掺 杂离子为铒、铥、镨、镝、钕、钬等。本文重点 介绍了通过不同稀土元素的掺杂以及与其他 元素的共掺来拓展带宽、提高增益、降低噪声 的进展情况 ,给出了它们的吸收发射特性和 能级结构以及器件最佳化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的最新研究动 态。 1 　掺铒光纤放大器 ( EDFA) 铒离子的能级如图 1 所示 , 它的发射谱为 1 520～1 650 nm ,覆盖了 C 波段和 L 波段。C 波段 EDFA 已商用化 ,目前的研究集中在缩小器件体积、 改善内在增益平坦性方面。研究发现 ,在氟化物光 纤 ( FEDF ) 中共掺铯离子可以有效地消除激发 态吸收 ( ESA) 。由于 Ce3 + 的2 F5/ 2 →2 F7/ 2 与 Er3 + 的4 I11/ 2 →4 I13/ 2能级差大致相等 ,掺入铯大大加强了 Er3 +的4 I11/ 2 →4 I13/ 2跃迁 ,有效地消除了 ESA 现象。 在实验上有人采用仅 45 cm 的 FECDF 在 C 波段实 现了大于 20 dB 的小信号增益 ,噪声小于 4. 5 dB。 图 1 　EDFA 的能级及工作原理 L 波段 EDFA 包括增益位移掺铒光纤放大器 ( GS2EDFA)和掺铒碲化物光纤放大器 ( ED TFA) 。 L 波段位于 Er3 + 4 的 I11/ 2 →4 I13/ 2跃迁辐射的带尾 , 发射、吸收系数较小 ,因此 GS2EDFA 中所需的 EDF 较长 ,在相同的掺杂浓度下约为常规EDFA的4～5 收稿日期 :2004205209 基金项目 :山东省自然科学基金资助项目 ( Y2003 G01) 作者简介 :常军 (1967 - ) ,男 ,山东聊城人 ,副研究员 ,博士 ,主要从事光通信器件研究。 06 2004 年　第 6 期 (总第 126 期) 　　　　　　　　　　 光 通 信 研 究 STUD Y ON OPTICAL COMMUNICATIONS 　　　　　　　　　　 2004 (Sum. No. 126) © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 倍 ,这增大了光纤的吸收损耗和后向 ASE 能量的积 累 ,降低了放大器的功率转换效率 ( PCE) ,增大了噪 声系数 (NF) 。目前 ,研究工作主要集中在改善 GS2 EDFA 的这两大性能上。 GS2EDFA 的泵浦波长多选用 980 nm 或 1 480 nm ,前者有小的 NF ,后者有大的 PCE ,有的 也采用混合泵浦。近来 , ASE 泵浦方式受到了重 视 ,由于 EDF 的 ASE 峰在 1 532 nm ,整个发射带都 可作为 GS2EDFA 的有效泵浦源 ,它可同时获得高 的 PCE 和低的 NF ,Buxens 等人最近的报道显示 , ASE 泵浦的 GS2EDFA 在小信号增益情况下 , PCE 接近 100 % ,NF 可小于 4 dB ,比作为泵源的 EDFA 还小1 dB [2 ] 。 碲化物玻璃具有高的稳定性、耐腐蚀性和稀土 离子可溶性 ,是制作掺稀土光纤的优良基质材料。 与石英玻璃相比 ,它具有较大的折射率 ,由于受激发 射截面与玻璃基质的折射率 n 有关 ,因此 Er3 + 在掺 铒碲化物玻璃光纤 ( ED TF) 中可在较大的带宽范围 内有较大的发射截面。尤其是在 1 600 nm 波长附 近 ,Er3 + 在 ED TF 中的发射截面是 EDF 和 EDFF 的 两倍 ,这样就减小了因受激发射截面减小而导致的 激发态对信号的吸收 ,进而使放大器在 1 600 nm 后 仍维持较低的噪声系数。研究证实 , ED TFA 增益 高于 20 dB 的带宽可达 80 nm ,低的噪声指数可维 持到 1 620 nm[3 ] 。因此 , ED TFA 是 L 波段、L + 波 段合适的选择。与 GS2EDFA 相比 , ED TFA 所需光 纤长度在相同掺杂浓度下大大减小 ,N TT 的 Mory 等人在相同的放大器结构和泵浦功率下 ,对所需的 光纤长度做了比较 , 1 120 ppm 的石英基 EDF 为 180 m ,而 1 000 ppm 的 ED TF 仅需 11 m , 而且 ED TF 光纤的 Er3 + 浓度可以达到 4 000 ppm 而不发 生浓度淬灭 ,长度可进一步减小到 1 m。 ED TF 的不足之处是它难与常规的石英光纤熔 接 ,不管是 V 形槽连接法还是“纤芯热扩散”法 ,插 损都大于 0. 4 dB , 远远高于熔接的损耗。另外 ED TF 具有较高的非线性系数 ,XPM 和 FWM 远高 于石英基质 EDF。 2 　掺铥光纤放大器 ( TDFA) 铥离子的能级系统属于 4 能级 ,图 2 是 Tm3 + 在氟化物基质中的能级及能级跃迁情况。Tm3 + 的 发射谱在 1 420～1 520 nm ,对应的能级跃迁为3 F4 →3 H4 ,由于3 F4 的寿命 (1. 5 ms)比3 H4 (6. 8 ms)短得 多 ,所以很难依靠直接泵浦的方式实现粒子数反转。 另外 , Tm3 + 在 800、2 300 nm 处也存在跃迁 ,跃迁几 率分别为 0. 893、0. 024 ,而在 1 470 nm 处的跃迁几 率只有 0. 083 ,800 nm 附近的自发辐射 (ASE) 会对 1 470 nm 波段的放大特性造成不利的影响。因此 TDFA 常采用图 2 所示的上转换泵浦方式 ,基态3 H6 的 Tm3 + 通过基态吸收被激发到3 H5 ,然后通过多声 子跃迁衰减到亚稳态3 H4 。这些粒子又通过激发态 吸收被激发到更高的激发态3 F2 ,再衰减到亚稳 态3 F4 ,这样随着3 F4 能级上粒子数的增加 ,在3 F4 和3 H4 两能级之间逐渐形成粒子数反转。这种上转 换可以用单波长或双波长泵浦来实现。 图 2 　TDFA 的能级及工作原理 单波长泵浦一般采用 1 064 nm 或 1 047 nm 两 种波长。日本超光子器件实验室采用 1 047 nm 的 LD 泵浦 Nd∶YL F 激光器双向泵浦 TDF ,在 1 453～ 1 483 nm 带宽范围内获得了大于 20 dB 的增益和小 于 6 dB 的噪声系数 ,在总泵浦 300 mW 的情况下 , PCE 为 12 %。而 Alcatel 公司的研究人员发现 ,采 用 1 064 nm 的泵浦光比 1 047 nm 效率高 ,这是因 为基态吸收3 H6 →3 H4 在 1 064 nm 优于 1. 047 nm , 他们在同样的泵浦条件下 ,采用 1 047 nm 的 PCE 是 16 % ,1 064 nm 则达到了 20 %。 双波长泵浦是为了提高 PCE 和增加带宽 ,目前 有 1 047 nm/ 1 550 nm、1 064 nm/ 1 117 nm、 1 400 nm/ 1 560 nm、1 240 nm/ 1 400 nm。日本 N EC 公司在 1 064 nm 泵浦的基础上采用 1 550 nm 的辅助泵源以提高3 H6 →3 F4 的泵浦效率 ,在1 475～ 1 510 nm带宽范围内取得了25 dB的小信号增益 , 5 dB的噪声系数。Alcatel 公司在 1 064 nm 的泵浦 基础上采用 15 %的 1 117 nm 辅助泵源使带宽增加 了5 nm。1 400 nm/ 1 560 nm 是首次用 LD 双波长泵 浦 TDF ,采用两级放大器结构 , TDF 的掺杂浓度为 0. 2 % ,第 1 段和第 2 段长度分别为 13. 7 与40 m ,使 用 67 mW 1 400 nm 和 24 mW 1 560 nm 对第 1 级 TDF 前向泵浦。第 2 级 TDF 的前向泵浦采用 16 常　军 等 : 　掺稀土光纤放大器研究进展 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 143 mW 1 400 nm 和 43 mW 的 1 560 nm ,后向泵浦 采用 32 mW 的 1 400 nm 与 16 mW 的 1 560 nm。 获得了 1 475～1 502 nm 波段内大于 25 dB 的增益 , NF 低于 7 dB。泵浦总功率 492 nm 时获得了 17. 1 dB的信号输出 ,PCE 为 10. 3 %。 为了 进 一 步 提 高 PCE , Alcatel 公 司 采 用 1 240 nm和 1 400 nm 泵浦。波长 1 117 nm 的 Yb 双包层光纤激光器泵浦由 5 段 Bragg 光栅级联组成 的拉曼谐振腔 ,将最终输出波长移到 1 400 nm 附 近 ,在输出端将 1 400 nm 和 1 238 nm 混合泵浦光 一分为二 ,对 TDF 进行前向和后向泵浦 ,信号光功 率为 - 1 dBm/ ch , 8 信道 , 波长范围为 1 470 ～ 1 500 nm ,PCE 达到了 48 %[4 ] 。 3 　掺镨光纤放大器 ( PDFA) Pr3 +能级结构如图 3 所示 ,它是一种准 4 能级 系统。泵浦光子的基态吸收 ( GSA) 发生在3 H4 能级 和1 G4 能级之间 ,同时泵浦光子在1 G4 →3 P0 能级间 及1 G4 →1D2 间产生激发态吸收 ( ESA) 。信号光子 图 3 　PDFA 的能级及工作原理 被1 G4 →3 H5 产 生的 1 310 nm 的受激辐射光放 大。但是 ,在1 G4 能级的 Pr3 + 离 子会因为多声子 迟豫而非常容易 跃迁到3 F4 能级 , 导致它的量子效率很低 ,在 ZBLAN 基质的 PDF 中 只有 3 %～4 %。目前的研究热点是寻找低声子能 量材料做基质以尽量减少1 G4 →3 F4 的非辐射跃迁。 近年来 ,研究人员发现硫系玻璃具有非常低的 声子能量、高的折射率 ,因而无辐射跃迁速率低 ,激 发态的寿命长 ,量子效率高 ,受激发射截面大。如在 Pr3 +掺杂的 Ge GaS 系玻璃中已取得了 70 %以上的 量子效率 ,是 ZBLAN 玻璃的近 20 倍。但硫系玻璃 存在着流变性能差、热稳定性不好、难以拉制光纤等 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。J . Wang 等发现在 GL S 玻璃中适当地引入 LaCl3、LaBr3 、LaI3 可以提高其热稳定性 ,增强在紫 外、可见光区域的透光性 ,并测得 As2 S3 中引入 1. 7 %的 I 后 ,1 G4 的寿命增加了 10 % ,1 300 nm 的 发光强度也显著增加。 器件方面 ,M. Yamada 采用 1 017 nm LD 泵浦 获得了 30 dB 的增益。Itoh 也报道了 GaNaS 玻璃 光纤中得到了 30 dB 增益 , 增益系数达到了 0. 81 dB/ mW。 4 　掺镝光纤材料 Dy3 +的荧光中心波长为 1 320 nm ,跃迁能级 为6 F11/ 2 、6 H7/ 2 →6 H15/ 2 , 受激发射截面为 4. 35 × 10 - 20 cm2 ,大约是 Pr3 + 的 4 倍 ,它的荧光分支比超 过了 90 % ,吸收带在 800 nm 附近 ,可以方便地使用 LD 泵浦。它的最大缺陷是激发态 (6 F11/ 2 、6 H7/ 2) 能 级寿命太短 ,在硫系玻璃中只有 38μs ,导致量子效 率太低 ,大约为 17 %。 提高6 F11/ 2 、6 H7/ 2的能级寿命是在 DDF 中实现 光放大的必要条件。Yong Beom Shin 等人发现在 硫系 玻 璃 中 加 入 卤 族 元 素 可 以 有 效 地 增 加6 F11/ 2 、6 H7/ 2的能级寿命 ,改善 1 310 nm 的发光强 度 ,抑制无用的 1 750 nm的发射。在 Ge0. 25 Ga0. 1 S0. 65～0. 1CsBr 玻璃基质中掺入0. 1at %6 F11/ 2 、6 H7/ 2 的 Dy3 + ,能级寿命达到了1 320μs ,量子效率也接近 100 % ,显示了它作为 1 300 nm 放大器掺杂材料的 巨大潜力。 5 　掺钬光纤材料 Ho3 + 在 1 370 nm 附近对应的能级跃迁 为5S2 、5 F4 →5 I4 ,使用 Ar3 + 激光器泵浦在氟化物光 纤中已实现了 1 380 nm 的激光输出。由于石英光 纤在 1 370 nm 处存在较强的 OH - 吸收峰 ,因此 Ho3 +作为光纤放大器的掺杂材料一直未被重视。 随着光纤制作技术的不断进步 ,越来越多的无 OH - 吸收的光纤被制作出来 ,掺 Ho3 +光纤作为 1 370 nm 放大器的介质已引起了人们的普遍关注。 要得到光放大 ,首先要选择合适的基质材料。 石英由于较高的声子能量 ,其5S2 、5 F4 能级寿命太 短 ,显然不合适。Ho3 + 在一些基质材料中的5S2 、5 F4 能级寿命为 :重金属氟化物 310μs ,硫系玻璃 40μs , 碲化物 10μs ,硒化物中小于 10μs。显然重金属氟 化物最适合做基质。重金属氟化物玻璃中已测得荧 光半宽度为 60 nm (1 340～1 400 nm) ,峰值发射截 面为 2. 8 ×10 - 21 cm2 ,荧光分支比为 2 %。 6 　掺钕光纤放大器 掺钕光纤的放大波长在 1 300 nm 附近。对应 的能级跃迁为4 F3/ 2 →4 I13/ 2 ,由于它受到著名的4 F3/ 2 (下转第 66 页) 　　 26 光通信研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004 年　第 6 期　总第 126 期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表 3 　暗电流测试系统与 Keithley485 测量数据比较 探测器所加反压/ V 暗电流测试系统 Keithley 485 0 21 pA 16～23 pA 5 112 pA 106～113 pA 10 218 pA 210～218 pA 15 356 pA 349～352 pA 20 1. 68 nA 1. 64 nA 25 86 nA 83 nA 30 1. 69μA 1. 74μA 35 16. 4μA 16. 8μA 40 102μA 104μA 注 : Keithley 485 测小数值暗电流时显示数值波动太大 ,故以 实际观测到的波动范围表示 ,我们认为数据有差异的主要原 因来源于 : (1) 探测器的暗电流随反压施加的时间延长会发 生一定漂移 ; (2) 探测器暗电流对遮光情况异常敏感. 致谢 :上位机参考了本公司罗勇同志的部分源程序 , 在此表示感谢. 参考文献 : [1 ] 　徐爱钧 ,彭秀华. 单片机高级语言 C51 应用程序设计 [ M ] . 北京 :电子工业出版社 ,1998. [2 ] 　徐新华. C + + Builder 3 编程指南 [ M ] . 北京 :人民邮 电出版社 ,1998. (上接第 62 页) →4 I11/ 2 　1 064 nm 跃迁的竞争 ,加上存在着较强 的4 F3/ 2 →4 G7/ 2 ESA ,所以很难获得较高的增益系 数。在 1 300 nm 附近放大器的研究逐步转向了 Pr3 + 。 7 　混合放大器 随着人们对通信带宽需求的增长以及经济型高 功率泵浦源的出现 ,拉曼光纤放大器 ( RFA) 以低噪 声、增益区间可调重新受到人们的重视 ,尤其是与 RDFA 混合使用以获得宽带、低噪声、大输出功率的 放大器。如 EDFA 与 FRA 组合可获得 82. 8 nm 带 宽 ,TDFA 与 RFA 可获得 76 nm 带宽。不同类型 RDFA 组合实验也在进行 ,如 EDFA 与 TDFA 组合 获得了 80 nm 的带宽 , TDFFA 与 EDFA 获得了 1 458～1 540 nm 波段间 25 dB 增益 ,NF 小于9 dB[5 ] 。 研究人员还尝试将多种稀土离子共掺以获得更 宽的增益波段 , 提高泵浦效率 , 如 Er3 + 、Yb3 + 、 Tm3 +在碲酸盐玻璃中共掺 ,则在 1 450～1 700 nm 区间能实现更宽波段的荧光谱线。 8 　结束语 EDFA 的成熟商用 ,震撼了光通信界。Tm3 + 、 Pr3 + 、Dy3 + 、Ho3 + 、Nd3 + 作为掺杂元素越来越受到 人们的重视 ,碲酸盐玻璃、氟化物玻璃、磷酸盐玻璃、 铋酸盐玻璃、硫系玻璃等非石英基质材料以低声子 能量、高折射率、良好的稀土离子溶解性倍受人们的 关注。新型泵浦用 LD 不断涌现 ,器件的最佳化研 究不断深入 ,这大大加速了 RDFA 的研究、开发、商 用化进程。最近 ,日本 N TT 公司在 S + C + L 波段 已成功地实现了 1 000 信道的传输实验 ,采用了 TDFA + EDFA + ED TFA 放大方式 ,对应的信道数 分别为 320、320、360 , 整个系统的传输速率为 1 000 ×12. 5 Gbit/ s = 12. 5 Tbit/ s ,增益和平坦度分 别为 20 和 1. 5 dB。我们完全有理由相信 ,一个宽 带、大容量的光通信时代正在来临。 参考文献 [1 ] 　Thomas G A , Boris I , Slwaiman , et al . Towards the clarity limit in optical fiber [J ]。2000 ,404 :2622264. [2 ] 　Buxens A. Gain flattened L2band EDFA based on up2 graded C2band EDFA using forward ASE pumping in an EDF section [J ] . Electron. , 2000 ,36 (9) :8212823. [3 ] 　Ohishi Y. Gain characteristics of tellurite2based fiber am2 plifier for 1. 5μm broadband amplification [J ] . Optics Lett . , 1998 , 23 (4) :2742276. [4 ] 　Roy F. 48 % power conversion efficiency in single pump gain2shifted thulium fiber amplifier [J ] . Electron Lett . , 2001 ,37 (15) :9432945. [5 ] 　Sakamoto T. High2gain hybrid amplifier consisting of cascade fluoride2based TDFA and silica2based EDFA in 1 45821 540 nm wavelength region [J ] . Electron Lett . , 2003 ,39 (7) :5972599. 66 光通信研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004 年　第 6 期　总第 126 期