高增益的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃有源光纖的研制

蘇方寧
華南理工大學(xué)材料學(xué)院光通信材料研究所，廣州510640

摘要:通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)及其調(diào)試，我們?nèi)A南理工大學(xué)光通信材料研究所在廣東省自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目“摻稀土有源光纖”和廣東省科技攻關(guān)重大項(xiàng)目“全波放大器光纖研制”的資助下，在國(guó)內(nèi)率先研制出高濃度鉺、鐿共摻磷酸鹽光纖（纖芯直徑7μm、數(shù)值孔徑為0.2）。利用980nm半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)長(zhǎng)度為1.5cm磷酸鹽光纖，在1.5μm的通信窗口對(duì)小信號(hào)實(shí)現(xiàn)了3.8dB的凈增益，單位長(zhǎng)度增益2.5dB/cm，比目前商用石英放大器高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
關(guān)鍵詞：鉺鐿共摻光纖、高增益、磷酸鹽玻璃

1. 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和其它數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的飛速發(fā)展,長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)對(duì)通信容量和系統(tǒng)擴(kuò)展的需求日益膨脹,光纖接入網(wǎng)以其標(biāo)準(zhǔn)化、綜合化、寬帶化、數(shù)字化等先進(jìn)的特性,迅速在全國(guó)得到普及應(yīng)用, 未來(lái)的光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將聚會(huì)有源、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)的縱深方向發(fā)展[1]，具有體積小、效率高、增益高、頻帶寬、噪聲低、穩(wěn)定性好、連接耦合損耗低、價(jià)格低及其偏振不敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]的摻鉺有源玻璃光纖及其放大器在現(xiàn)代光纖通信中的作用日漸顯著[3]。而傳統(tǒng)的摻鉺石英光纖放大器由于其較小的增益帶寬（30ｎｍ）已不能滿足高速大容量信息傳輸?shù)囊�求。�?dāng)前,鎖模技術(shù)雖然也引起了很大重視,但這種系統(tǒng)的平均能量較低,而磷酸鹽體激光玻璃材料可以實(shí)現(xiàn)大的能量輸出,但其缺點(diǎn)是脈沖較長(zhǎng)[4] 。為了獲得帶寬寬,增益平坦的摻鉺光纖放大器,滿足波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的發(fā)展要求,各國(guó)研究者都在尋找新的摻鉺玻璃基質(zhì)材料。摻鉺碲酸鹽玻璃雖然具有較寬的熒光發(fā)射帶寬和較高的受激發(fā)射截面,但其較差的玻璃熱穩(wěn)定性、嚴(yán)重的上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象和昂貴的價(jià)格限制了它的廣泛應(yīng)用。磷酸鹽玻璃，特別是氟磷酸鹽玻璃，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、較低的聲子能量、較寬的紅外透過(guò)性能和大的非均勻展寬特性[5,6],使其成為很有前景的實(shí)現(xiàn)寬帶高增益放大摻鉺玻璃的理想介質(zhì)材料。在980 nm 抽運(yùn)條件下,由于Yb3 + 離子在980 nm 區(qū)域具有遠(yuǎn)大于Er3 + 離子的吸收截面,通過(guò)Yb3 + 的敏化作用可以大大提高抽運(yùn)效率[7]。所以近年來(lái)，鉺鐿共摻的磷酸鹽玻璃受到越來(lái)越多研究者的青睞。我們?nèi)A南理工大學(xué)光通信材料研究所審時(shí)度勢(shì)，在廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“摻稀土有源光纖”和廣東省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目“全波放大光纖研制”的資助下，著手鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃有源光纖的研制，以求有所建樹(shù)。

2. 鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃的光學(xué)特性

圖1為共摻Er:Yb玻璃的能級(jí)圖及其躍遷示意圖，從圖上我們可以看到，鉺的4I11/2→4I15/2和鐿的2F5/2→2F7/2躍遷能量剛好對(duì)應(yīng)著980 nm的LD光源光子,鐿對(duì)980 nm光子具有較強(qiáng)烈的吸收，而且鉺鐿之間的能量傳遞2F5/2（Yb）+4I15/2（Er）→2F7/2（Er）+4I11/2（Yb）作用明顯，鉺再?gòu)?I11/2能級(jí)無(wú)輻射躍遷到壽命較長(zhǎng)的4I13/2能級(jí)，當(dāng)鉺從4I13/2躍遷回基態(tài)4I15/2時(shí)，就發(fā)出光通信所用的1530 nm的信道光，正是由于鉺鐿的能量傳遞使得1530 nm光的得到大大加強(qiáng)，而這就是鉺鐿共摻光纖放大器的的光學(xué)解釋。表1給出了鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃的主要參數(shù)，作為對(duì)比同時(shí)列出摻釹的磷酸鹽玻璃的參數(shù)。從表可以看出，鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖的優(yōu)勢(shì)就是熒光壽命長(zhǎng)和熒光線寬寬。

 3. 鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖的研究重點(diǎn)及其難點(diǎn)

目前，鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖及其放大器主要解決如下的幾個(gè)問(wèn)題，就能推進(jìn)其商品化及其應(yīng)用。
1. 鉺離子的濃度淬滅及其熱淬滅引起的放大器增益下降；
2. 鉺鐿的能量反向傳遞及其能量上轉(zhuǎn)換造成的鉺1530 nm信道光的削減；
3. 泵浦耦合方式及其連接損耗造就的效率低；
4. 鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖的研制及其實(shí)驗(yàn)

針對(duì)上述的研究重點(diǎn)，我們研究所主要做了如下的工作：
1. 基質(zhì)材料的鉺鐿濃度及Er/Yb 濃度比對(duì)材料1530 nm 熒光強(qiáng)度及其熒光線寬的影響，通過(guò)正交對(duì)比設(shè)計(jì)，尋求最佳的鉺鐿濃度及Er/Yb 濃度比；
2. 通過(guò)考察鉺鐿之間的能量傳遞及其能量上轉(zhuǎn)換的影響因素，設(shè)計(jì)合理的組分；
3. 選擇合理的雙包層光纖參數(shù)（如芯、內(nèi)包層折射率及其直徑的配合確定數(shù)值孔徑，內(nèi)包層形狀設(shè)計(jì)等等）；
4. 研究泵浦方式（前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦及其復(fù)合泵浦）、光纖耦合及其長(zhǎng)度、泵浦功率、反射腔反射率、輸出耦合比等等對(duì)光纖放大系統(tǒng)的閾值功率、增益色散及其增益飽和效應(yīng)的影響，尋找合適的上述參數(shù)。
通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)及其調(diào)試，我們?nèi)A南理工大學(xué)光通信材料研究所在廣東省自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目“摻稀土有源光纖”和廣東省科技攻關(guān)重大項(xiàng)目“全波放大器光纖研制”的資助下，在國(guó)內(nèi)率先研制出高濃度鉺、鐿共摻磷酸鹽光纖（纖芯直徑7μm、數(shù)值孔徑為0.2）。利用980nm半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)長(zhǎng)度為1.5cm磷酸鹽光纖，在1.5μm的通信窗口對(duì)小信號(hào)實(shí)現(xiàn)了3.8dB的凈增益，單位長(zhǎng)度增益2.5dB/cm，比目前商用石英放大器高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，廣東省及其廣州市的主管科技局處正組織相關(guān)專家組前來(lái)評(píng)估。

4. 后記
成績(jī)只能說(shuō)明過(guò)去，特別是對(duì)于我們?nèi)A南理工大學(xué)光通信材料研究所這樣一個(gè)剛起步的初生的科研院所，面對(duì)日新月異的光通信及其器件發(fā)展，要趕超國(guó)內(nèi)眾多光通信器件及其材料科研單位，要應(yīng)對(duì)國(guó)外突飛猛進(jìn)的科技創(chuàng)新，要走出自己的特色，我們的任務(wù)還很重、所要走的路還很長(zhǎng)，所以我們我們?nèi)A南理工大學(xué)光通信材料研究所全體同仁還需更多的努力。

5. 致謝

我們真心感謝廣東省自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目“摻稀土有源光纖”和廣東省科技攻關(guān)重大項(xiàng)目“全波放大器光纖研制”的資助。

參考文獻(xiàn)：

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