（光学工程专业论文）宽带掺er光波导放大器关键技术研究.pdf

摘要本文对宽带掺z r ( 含y b ) 磷酸盐玻璃光波导放大器的关键技术进行研究。主要研究了光波导放大器中光场分布的计算、光波导放大器物理特性( 如小大信号增益、噪声、量子效率、饱和吸收等) 、离子交换波导制作工艺、光波导放大器性能测试、带薄膜介质滤波器的宽带放大器结构以及多层薄膜介质滤波器的膜系设计等问题。主要内容与成果有：1 将交变隐式时域有限差分( a d i f d t d ) 方法应用于光波导计算，对光波导放大器中的光场分布进行数值计算，得到了平面光波导放大器中信号光和泵浦光的横向分布。a d i f d t d 方法具有隐式差分格式的稳定性和显示差分格式相对简单的优点，它比传统f d t d 更广泛的适应能力。2 ，将交变隐式一时域有限差分方法与重叠积分一r k 算法相结合，提出了一种基于a d i f d t d 的重叠积分r k 算法来对光波导放大器进行理论分析，该方法利用a d l f d t d 计算e r - y b 共掺磷酸盐波导中信号光和泵浦光的归一化本征场，并计算光场分布与e r 、y b 离子分布的重叠积分，然后利用重叠积分r k 方法计算信号光、泵浦光、自发辐射光功率沿光波导分布。该算法的优点在于避免了在r k 算法中每一步都要计算光场分布，节省了计算工作量。3 在忽略激发态吸收( e s a ) 的情况下，通过求解放大器的速率与功率传输方程，详细讨论了小信号下e r ”离子浓度、y b 3 + e ，+ 浓度的比率、泵浦光功率、放大器长度以及泵浦光和信号光的横向场分布对放大器增益特性、噪声特性的影响：大信号下e r ”离子浓度、y b 3 + e ，浓度的比率、泵浦光功率对放大器量子效率的影响以及光波导放大器的饱和吸收特性和提高放大器增益的有效途径。结果表明放大器的基质材料参数与波导参数大大影响放大器的物理特性。4 用离子交换技术制作出了e r - y b 共掺磷酸盐玻璃平面、沟道波导及掩埋波导。详细研究了a g + 曹n a + 、k + 铮n a 十、a r + k + 铮n a + 、a 一+ k 十+ n a + 营n a + 离子交换以及反交换等工艺。利用肌线技术，得到了波导中传播模式的模折射率。提出了一种确定离子交换平面波导折射率的新方法：预测校验法，该方法利用反w k b 方法分段插值所得到的值作为初值，然后利用拟合方法对其优化。其优点在于避免了传统做法所带来的误差( 由于实验测量有误差，而插值方法不能消除误差) 。介绍了一种确定掩埋沟道波导折射率分布方法一模场测试法，得到了有关沟道波导的近场图。5 测量三片e r - y b 共糁磷酸盐玻璃波导放大器酌小信号增益特往与噪声特性，得到了- - 2 1 d b c m ( 国产片、9 8 0 n m 、1 1 0 r o w 泵漓功率，售号光波长为1 5 5t lm ) 、o 9 5 d b c m ( 美国片，9 8 0 n m 、1 1 0 m w 泵浦功率，信号光波长1 5 2 8 4 3 n m )及0 。5 8 d b c m ( 美国片，9 8 0 r a n 、1 1 0 m w 泵潼麓率，镰号必波长1 5 5 2 8 8 n m ) 荤位长度上的增益。其中一片的噪声指数为5 1 3 d b 。6 提出了一种带薄膜滤波器的高增益宽带集成光波导放大器结构。利用多骚费袋貘戆滤波效疲，没诗迄了肇级秘多缀缀联增蕊平堡滤波爨，这耱缀联套质薄膜滤波器由具有不同中心波长与带宽的不同的滤波单元组成，每一个滤波攀元可对菜一特定波长处静峰值增益进行有效遗压缩。讨论了薄膜滤波器对 形和一s 形e r - y b 共掺磷酸盐玻璃波导放大器增益特性的影响，得到了其逑射函数。利阁遗传算法对介质薄膜滤波器的膜系进行优化设计。结果表明：在1 5 3 l n m至l5 6 6 n m 区域增益馕都 l o d b ，不平坦度 1 0 d bi so b t a i n e db e t w e e n1 5 3 1 r i ma n d1 5 6 6 n mw i t hg a i nd i f f e r e n c eo f 一y b 3 + 共掺毙纾放大爨、e ，+ 3 + 共掺巍波导数大器等，冀增益平墩带宽一般只霄1 7 - 2 0 n m ，遥满是不了市场对带宽的需求。因此研究燕增益、宽带宽游集成光液导放大糯自然就成为研究趋势翻闱。图卜1 为光波导放大器的结构简阙。宽带掺e r 光波导放大嚣关键技术研究图卜i 光波导放大器简图l 。2 光波导放大爨的因内终发麓状况首例掺稀土元素的有源光波导( 平面光波导) 器件是在1 9 7 2 年用溅射技术制作的掺钕激光器【踟。之艏约二十年内，这一领域内无多大进展。1 9 9 0 年掺稀士元素集成残波导放大嚣( 建其是掺毪r 必波导放大嚣秘激巍爨懿开发取褥了缓大的进展f 9 】，十多年来，遮一器件的研究有了很大发展。1 9 9 1 年，日本的k i t a g a w a 等人【10 j 首次在硅衬底上用火焰脱水沉积法制作出掺锤乎扳波嚣激光器；鸯鬟拿大懿h o n k a n e n 等久麓离予交换浚获褥了掺锈磷黢盐单模玻璃光波导放大器，在1 5 5 # n l 波长附近单位长度的增蒸为2 d b c m ；1 9 9 2 年7 月，美国( 贝尔实验室) 的s h m u l o v i c h 等人在硅基片上制成了1 5 5pm 波段豹掺镊光波导放大器，在2 4 c m 长的器件上获褥豹增豢正好替偿器 警豹损耗，观察到的净增益为0 。1 9 9 3 年1 月，日本的k i t a g a w a 等人制作了4 7 m m 长的掺铒( 含镱( y b ) )光波导鼓大器，在4 0 m w 功率泵清下，褥到1 3 。7 d b 净堰益；荧麓骢n y k o l a k 等人”4 在氧纯穗树底上制作魄掺锤薄膜光波导敖大器，在4 c m 妖的器件上获襻了1 5 d b 的增擞：1 9 9 6 年，l u c e n t 蛇r u b y 等人巷l 乍出了威傻功率菇8 - 1 0 r o w 、净增懿毙3 7 - 4 5 d b 的掺铒平瑟必波导放大器。1 9 9 7 年，美籍华人c h e n gc h u nl i 等人【1 7 】制作了1 7 c m 长的掺铒光波导放大器，其冷增益为7 。2 d b 1 9 9 8 年，法国的b a r b i e r 等人【8 1 镥8 作了8 6 c m 长的掺e r y b 的玻璃光波导放大器，净增髓为2 7 d b ：2电子科技大学博士学位论文2 0 0 0 年2 月，韩国的c h o i 等人【1 9 1 制作了掺e r a i 的玻璃光波导放大器，在2 0 m w 的泵浦( 泵浦波长9 8 0 r a n ) 功率下获得了5 d b 的增益。2 0 0 2 年，中国香港城市大学的s e w o n g 等人【2o j 用a 一一l i + 离子交换制作了铒镱共掺磷酸盐玻璃波导，用9 8 0 n m 光泵浦，在1 2 0 r o w 的泵浦光功率作用下，得到了3 3 d b c m 的小信号净增益。2 0 0 3 年，意大利的j o s e 等人1 2 l j 用离子交换方法在e r y b 共掺磷酸盐玻璃基质上制作出了光波导放大器和激光器，激光器的最大输出功率约1 7 r o w ，放大器的最大内增益约1 1 3 d b ，信号光波长为1 5 3 4 n m 。香港城市大学的l i u 等人【22 】用聚焦质子束辐射法在e r 3 + y b ”共掺磷酸盐玻璃上制作出掩埋波导，在9 0 m w泵浦功率下，在1 5 3 4um 波长处获得了1 3 d b c m 的小信号净增益。2 0 0 4 年，k i m m os o l e h m a i n e n 等人【2 3 j 在硅基上制作了掺铒a 1 2 0 3 波导，在3 9 c m 长的波导上面得到了6 d b 的增益。在系统实验方面，1 9 9 3 年，美国a t & tb e l l 实验室的n y k o l a k 等人l l4 j 对掺铒平面光波导放大器用于1 - g b s 传输系统的可行性进行了实验研究，结果表明：掺铒平面光波导放大器将在系统应用方面具有光明的前景；1 9 9 6 年和1 9 9 7 年美国的d e l a v a u x 等人 2 4 【2 5 分别报道了将集成玻璃光波导放大器用于1 0 一g b s 光纤传输系统的实验，其误码率小于1 0 1 2 ：2 0 0 1 年3 月，美国a t & t 公司的i a r m o n e等人和法国t e e mp h o t o n i c s 公司的b a r b i e r 领导的科研小组 2 6 11 2 7 进行了四节点1 6 0 k m w d m 环行网络级连e d w a s 系统( 4 x 2 5 g b s ) 实验，取得了十分满意的效果，光波公司的p a n 称这一实验标志着e d w a 已真正用于实际光网络【2 j 。在国内，1 9 9 9 年，天津南开大学的宋峰等人口8 j 利用k i g r e 公司提供的铒，镱共掺磷酸盐玻璃作为激光介质，在1 5 4 9 m 附近得到了1 0 2 m w 的激光输出；同年，北京理工大学的陈淑芬等人【29 】进行了有关掺铒铌酸锂光波导放大器的理论研究；2 0 0 0 年，中国科学院上海光学精密机械研究所的张龙等人【3o j 对磷酸盐e r 玻璃的荧光特性作了实验研究，实验表明磷酸盐e r 玻璃是理想的1 5 9 m 光波导放大器基质玻璃材料；2 0 0 1 年，大连理工大学的巢明p i j 等人在国家自然科学基金的资助下进行了有关掺铒a 1 2 0 3 光波导放大器的理论研究；同年，中国科学院上海光机所的柳祝平等人”2 1 进行了有关e r 3 + y b ”共掺磷酸盐玻璃材料方面的研究，成功制作出了适合于离子交换的e r 3 。一y b ”共掺磷酸盐玻璃材料：与此3宽带掺e r 光波导放大器若键技术i i f 究同时，中萤科学院长舂光学糖密机械与物理硪究所的牛春晖等人【3 3 l 对掺e r 磷酸盐玻璃中红外发光特性进行了实验研究，实验表明磷酸盐鼢玻璃是理想的1 5 p m光波导敖大器基袋玻璃孪芎辩；2 0 0 2 年，中爨科学浚上海巍辊辑麴擦褫平等入疆4 l进行了有关l d 泵浦的e r 3 + 一y b ”共掺磷酸黼玻璃材料激光性质方面的研究；中国科学院长春光学精密视械与物理研究所的郑杰等人箨5 】对离子交换锊掺杂磷酸盐玻璃波导特性进幸亍了石妊究，职用玻璃是美豳k i g r e 公司的，实验表明离子交换过程对材料的发光过程没有大的不良影响：2 0 0 3 年天津大学王颖、田贺斌等人f 3 6 】旧对掺键波导光放大爨逮毒亍了理论磅究；意开大学熬寒峰等久p 鄙奁强家整然科学基金的资助下对e r 3 + 一y b 3 十麸掺磷酸盐玻璃激光器进行了理论分析，盂凡臻等人渊进行了l d 泵清酌1 5 4 p me r ：y b 3 + 共掺磷酸麓玻璃连续固态激光器研究，获得了7 8 3 r o w 的最大输出功率；2 0 0 3 年，中国科学院上海光机所的陈宝玉等人1 4 棚对其制作的、可用于离子交换的e r 3 + 一y b 3 + 共掺磷酸盐玻璃材料进行了熟稳定方霭的磺究，实验结暴 常瀵意；2 0 0 4 年2 足上海交i 爨大学的慕檀等人1 4 l j 列用中国科学院上海光机所的e r 3 + y b ”共掺磷酸盐玻璃材料进行了离子交换波导裁 睾豹实验疆究；此外，电子瓣较大学先嚣在暴缡光通信公司帮相关颂嚣懿瓷助下对掺锑光波导放大器进行了理论与实验研究，并取得了一系列研究成果i 4 2 1 - f 4 6 一l 。3 光波等效大器的基覆材料用于光波导放大器的激活掺杂粒予一般是n d ( i 作波长戈1 0 6p 戳) 、e r 郛e r y b 联台掺杂( 工作波长为1 5 5pm ) 等。光波导放大器的基质一般是铌酸锂( l 戳豁0 3 ) 、石英一疆酸盐( s i l i c a t e ) 玻璃、磷酸鼗( p h o s p h a t e ) 玻璃、氧纯物薄貘( a 1 2 0 3 ) 以及有机聚合物等。1 、稀士元素掺杂铌酸锂基质材料1 4 7 】一【5 4 】在铌酸锂基旗材料中掺杂稀土元索制作成光波导放大器与激光器，其优点是可以将放大器、调制嚣与激光器方便地集成在一块芯片上。缺点是这类爨传的稀土元素掺杂浓度不能太高、荧光效率低、增益较小，并且对偏振很敏感。2 、稀士元素渗杂玻璃基袋枣季籽刚。【7 2 】在激竞羧大磺究矮域中，多数选撵玻璃作为掺杂熬密主基溪，主瑟起爨予4电子科技大学博士学饿论文高功率激光放大输出要求的驱使。目前，制作光波导放大器的玻璃材料主要是稀土元素掺杂的石英一硅酸盐玻璃与磷酸盐玻璃，掺杂的稀土元素主要是n d 、e r鞋及e r - y b 共掺。工作予l ；5 5 光逶售波段熬掺e r 以及e r + y b 共掺硅黢熬玻璃与磷酸盐玻璃倍受关注。和硅酸赫玻璃相比，嚣r 3 + 在磷酸簸玻璃中具有溶解度较高、受激发射截面大、荧光寿命长、不易发生荧光淬灭，上转换强度较弱等特点，尤其是与a l 、y b 共掺还可大大提高e r 3 + 在磷酸盐玻璃中的溶解度以及泵浦效率，使褥磷酸鏊粉玻璃是鞠俸高注能、怒麓长度光滚导敬大器懿蓄谯枣孝精。3 、e r , e r - y b 共杂氧化铝( a 1 2 0 3 ) 薄膜基质材料【7 3 】一【7 5 e r 在氧讫铝( a 1 2 0 3 ) 薄膜基骚材粒中其商较大致溶解痰，在磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃中常加入邋量的a 1 2 0 3 来提高e r 的溶解度。掺e f 氧化铝薄膜常用溅射或离予注入等方式猩s i 上获得，制作工艺复杂、设备昂贵，且增益很低以致有时观察u 不到，用y b 与之共掺所获得的增益也徽有限。4 、稀元素掺杂有机聚合物基质材料p 州7 锋用于光放大的稀土元素掺杂有机聚合物熬质材料的研究始于上个世纪9 0 年 弋初期，理论研究滚爨它是一耱缀有前景的枣孝辩，砖输损耗低、与光纤的耦合损耗墩，j 、。僵稀元素在梳聚合物中酶溶解发非常小且不熊壹接掺杂，使得这类器件的制作非常复杂，目前还未见实验报邋。此外还有掺n d 的y a g 激光玻璃材料8 0 1 。1 4 光波导放大器的稍俸技术自从1 9 9 1 年曰本的k i t a g a w a 等a t l 0 1 首次在硅衬底上用火焰脱水沉积法制作掺铒平扳波导激光嚣以来，十一年来开发出了多秘用于制髂掺稀土元素的光波导数大瓣按术。1 e 一离子注入法【8 5 】矮嚣r 3 + 裹予注入戆方法已农s i 0 2 、s i o n 戳毅a 1 2 0 3 基矮成功割臻避掺铒光渡导。但这一制作方法耗时多，需要昂贵的设备，它不能用来制作大尺寸的复杂器件。2 。r 譬溅越法雕2 心 【8 q 【s 霹，等穗子薅增强化学气耪沉积浚( p e c v d ) 8 9 9 q5宽带掺e r 光波导放大器关键技术研究r f 溅射法与等离子体增强化学气相沉积法用于制作掺e ，玻璃光波导。为了获得底损耗的波导，通常所用的衬底需加热或在高温下退火。这一方法的周期长。3 火焰水解涂覆法 1 0 】f 9 2 】一【9 4 】火焰水解涂覆法也用于掺e r 3 + 玻璃光波导制作。在制作过程中需维持较高温度。这类波导具有低的传播损耗。然而，其掺杂元素浓度低，波导相对较长。4 离子交换技术 1 1 【9 5 】【9 7 】近些年来，一个多世纪来生产彩色玻璃的离子交换技术引起人们极大关注。不仅是因为它提高了玻璃的表面机械特性，更重要的是能在玻璃中形成波导。离子交换具有简单、易制作，且能控制光波导的数值孔径和尺寸大小等优点而成为制作掺e 。”玻璃光波导的一种有效方法。然而，值得注意的是离子交换改变了衬底的组分，影响玻璃的光谱特性、也可能带来高的传输损耗。这两个问题可用选择适当的衬底和制作参数来加以克服。到目前为止，单位长度上的增益最高的光波导放大器是用离子交换制作的磷酸盐玻璃光波导放大器。5 复合波导技术【9 8 】 1 0o 将一片掺e r 3 + 玻璃压在用离子交换制作的无源波导上，形成复合的掺e r 3 十波导，选择适当的波导和掺e r 3 + 玻璃的折射率，制作出的掺e r 3 + 玻璃光波导对光具有极好的导引作用。这一制作过程简单且成本低。但器件对所施加的压力极为敏感。这一问题可用在离子交换的波导上沉积掺e r 3 + 玻璃来解决，如用溶胶一凝胶( s o l - g e l ) 技术。6 s o l g e l 技术【1 0 1 】- 【1 0 8近几年，关于光波导放大器材料方面的研究渐渐转向玻璃膜，其特点是制作成本低、适合高浓度掺杂。s 0 1 g e l 是一种制作高质量玻璃膜的方便技术，所制作出的玻璃膜均匀性好、并可批量生产，它在制作低成本集成光学和光电子器件方面有巨大的潜力。用s o l g e l 技术制作光波导放大器通常分为两个过程：一是用s o l - g e l 技术在基质上制作掺杂玻璃膜，二是用传统方法在玻璃膜上制作波导。目前已在硅基、硅一钛基以及磷酸盐玻璃上成功制作出掺杂玻璃膜。由于用s o l - g e l技术制作光波导放大器还处于早期，效果并不理想，单位长度上所获得的最高6电子科技大学博士学位论文增益只有1 1 d b c m 。除了上述6 种常用方法外，还有热压法 i 0 9 】、聚焦质子束辐射法【2 2 1 、飞秒激光脉冲法【1 1 0 _ 【1 1 3 】以及表面等离子体化学气相沉积法4 】等。表1 1 给出了几种常见制作方法下的e d w a 特性参数表卜1 几种常见制作方法的e d w a 特性制作方法施主材料f 蠹急翟嘉r i m ) 损耗( 血c m )制作方法施主材料f ( i i 恐11 蔷；嚣。”损耗( d b c m )离子交换火焰水解涂覆法等离子体增强化学气湘沉积法磷酸盐玻璃4 1硅酸盐玻璃2 _ 3p 2 0 5 ：s 1 0 20 6 81 1 691 8 9o 1o 1 5o 1 5p 2 0 5 ：s i 0 20 6 72 50 17离子注入法a 1 2 0 30 7 5 3 ( 1 0 m w )o 3 5小结：过去多年里，市场上已建立了两种不同技术来制作平面波电路( p l c s ) ：即离子交换与各种沉积技术。在任何沉积过程( 如c v d ，p e c v d ，f h d ) 中，p l c器件是一层叠一层制作出来的，最后，我们获得了脊结构。这种产品生产中的每一步都需要精确处理。如果层与层之间有一个缺陷( 不均匀沉积、微裂、微腔等) ，就会发生致命的失败，因为这些不均匀层的机械应力将降低器件的可靠性。离子交换技术没有上述缺点，是制作磷酸盐e r 玻璃波导放大器的首选方法。1 5 光波导放大器的应用和展望【1 1 5 】一【幢4 】1 、e d w a 的多波长放大e r 3 + 在整个转换带宽上高增益、低噪声指数的特性使e d w a 适合作为光通信系统中的宽带放大器。o f c o l 中报道了d w d m 非循环传输系统中使用e d w a同时对8 个不同波长0 d b m 信号放大得到了+ 1 4 d b m 输出，其中每个波长承载3 5个6 m h z 、6 4 q a m ( 积分幅度调制) 信号，共传输了1 7 5 k m 。系统中e d w a 长9 6 c m ，采用前后两个1 2 5 m w9 8 0 n ml d 进行双向泵浦，整个放大系统无源时总损耗2 5 d b ，其中包括波导损耗1 4 d b c m ，两端各o 2 d b 的光纤波导耦合损耗和0 2 d b波分复用器损耗以及o 5 d b 的隔离器损耗：增益峰位于1 5 3 5 n m ，在1 5 3 0 1 5 6 0 n m波段增益均超过9 d b ，而噪声指数全部低于6 d b 。7塞堂查! ：鲞鎏量垫奎篓茎鳖茎查登塞e d w a 放大带宽较宽的特性使其适合作为d w d m 系统中的第一级放大器，先对所有波长豹信号进彳亍总放大，通过波分复用器解复用慝再对每个波长信号分别通过e d w a 放大，这样可以动态调节不同波长的放大效率来达到精确平坦麴效鬈。事实上，毫经蠢人将上述兹凌戆集成在嗣一基嚣上，遮就是阵列黧e r 3 + ：y b 3 + 共掺玻璃波导放大器( e d w a a r r a y ) 。2 、阵列型e ，：y b 共掺玻璃波释放大器e d w aa r r a y 将多个e d w a 集成衣溺一个基片上，这释集成度更高、结秘更加紧凑的放大器非常适合城域网接入网和c a t v 应用。媳型的e d w aa r r a y内含8 个e d w a ，封装尺寸仅为2 2 x 1 3 ，5 x l ，7 c m 3 ，其中爸括泵浦池，信号光复丽器、光逛二投管输感检测藕合系绞、p i n 激光二投管等。这霉孛放大器可以更方便地实现d w d m 系统中多波长增菔的动态调节，这样就会带来一系列的好处，如蜀醴簿低对多波长汽交叉连接秘全党器关懿律中煮凌率分黎靛撩裁精度羲要求。3 、基于e d w a 的l n 合分波集成放大器为了适合光通信系统中的实际应用，将合，分波嚣与e d w a 集成在一起，制作出了基于e d w a 的i n 合，分波集成放大器。这种放大器由泵浦激光器( 含t e c 制冷器) 、泵浦一信号光复用器、输出滤波器、光电二极管输出检测藕合系统及lx n 合份波嚣等部分组成，其中l n 合分波器有功率型和波长型题弛。典型的如1x 4 、1x 8 型含，分波集成放大器，可分别将4 路溅8 路信号光放大后，复用到单根光纾输出；也可以先将单根光纤竣入的信号巍放大，瓣复蠲嚣耦含型多鼹毙纾羧窭。目前这弛放大器是将鹾神不问功能的玻璃器件糙合在起制成的，如无源区( 1 x n 合，分波器部分) 采用硅酸盐玻璃制作，使损耗最小：有源放大区( e d w a部分礴甥兹逐波导，使激炎爨增麓最大。用这秘方法铡终黔l x 8 型会，：波集残放大器小信号( 一1 5 d b m ) 增蓣达到1 0 d b ，0 d b 损耗带宽1 5 3 0 1 5 6 0 n m ，噪声指数小予6 d b 。鼓分波输穗为镶，其在1 5 3 0 - 1 5 6 0 n m 鬻宽上增益不均匀度小予o 5 d b ，输入0 d b m 信号时每个输出功率凝大可达。4 d b m ( 1 4 0 m w9 8 0 n m l d 泵消) 。在实际实用中，以上几种形式的e d w a 可以混合使用以达到嫩优效果，如s电子科技大学博士学位论文在15 5 0 n mc a t v 光纤传输线路中，先将广播信号通过1x n 合分波集成放大器进行第一级放大并分波后，再通过e d w a a r r a y 单独对每一个信号放大后输出，这样可以得到更高的输出功率和更低的噪声指数。从以上可以看出，e d w a 的应用非常灵活，把特定场合所需的功能集成在一起就可以得到另一种新型实用化的有源放大元件，这顺应了光通信向小型化、集成化发展的趋势。图卜2 为e r - y b 共掺光波导放大器用于波长路由光传输网络的原理图【4 】。# l春4且m潮燃墒ase静waveguidesedfan o t c he d f an o t c h鹾edfa隶峨例捆懈謦佯u hu图1 2 两个w r n s 间的系统传输简图1 6 本论文完成的主要工作本论文研究宽带掺e r 光波导放大器中的关键技术，主要有光波导设计、放大器设计与制作、宽带放大器结构设计、增益平坦滤波器设计以及波导一光纤耦合技术等。以宽带e r - y b 共掺磷酸盐玻璃波导放大器的理论分析和工艺实验为目标，将计算机仿真和具体实验相结合，对e r y b 共掺磷酸盐玻璃波导放大器增益特性、噪声特性、带宽特性、滤波器的滤波特性及带宽等性能指标进行了详细分析。其研究的主要内容如下：1 、首先用交变隐式。时域有限差分( a d i f d t d ) 方法对光波导放大器中的光场分布进行数值计算，得到了平面光波导放大器中信号光和泵浦光的横向分布。a d i f d t d 具有隐式差分格式的稳定性和显示差分格式相对简单的优点，它比传统的时域有限差分( f d t d ) 法有更广泛的适应能力。2 、在忽略激发态吸收( e s a ) 的情况下，利用基于交变隐式一时域有限差分( a d i f d t d ) 方法的重叠积分一r k 算法对e r - y b 共掺磷酸盐玻璃波导放大器进行了优化设计。详细讨论了小信号下e r 3 + 离子浓度、y b 3 + e r 3 + 浓度的比率、泵浦光功率、放大器长度以及泵浦光和信号光的横向场分布对放大器增益特性、噪声9宽带掺e 光波导放大器燕键技术研究特性的影响；大信号下e r 3 + 离子浓度、y b 3 + 腿r 3 + 浓度的比率、泵浦光功率对放大器爨子效率酶影响，讨论了簸大器静瓷帮壤收特性与稳离放大器增蕊漪途径。3 、用离子交换技术制作出了e r y b 共掺磷酸盐玻璃平面、沟道波导。利用m线技术，得到了波导中传播模式的摸折射帮，利用基予反w k b 的分段插值一拟合方法( 称预溅。校验法) 褥翻了平垂波导中辑瓣率静分布，鼠实验上洋细磅究- r , n 作工艺对波导折射率分布的影响，得刹有关沟道波导的近场图。测量放大器的增益特性与噪声特性。4 、疆蠢一耱赛帮宽e r - y b 焚掺磷酸整装瓣波导敖大嚣结梅。逶过殴交光波导结构，使得在器件长度一定的情况下，光波导的有效长度增加，从而使得放大器的增益增加；在放大器的输出端镀上多层介质薄膜滤波器，以提简放大器的增鼗平坦豢宽。稳纯滤波器遮瓣谱疆溃是不瓣增蓥豢宽鹣嚣要。5 、用遗传算法，对薄膜滤波器的膜系谶行优化设计。设计目标：程所优化的波长范围内，放大器的增益警坦度 1 0 d b 。l + 7 本论文的举节安捧第一章简述宽光波导放大嚣研究的意义，回顾了光波导放大器的发展动态，描述了光波导放大器的应赐现状及磅究的趣瑟。最后溺鹅了本文鲍未甏工 乍及各举节安排。第二章介绍光波导放大器的结构与原理。第三章在阉遴e r - y b 共掺辚教盐玻璃审鏊尹、y b 3 十亵予走谱特戆瓣基魑上，利用基于交交隐式时域有限麓分方法对光波导放大器中的光场分布进行数值计算，得到平面光波导放大器中信号光和泵浦光的横向分布。在忽略激发态吸收的情提下，利髑基子交变戆式。时域有限差分方法的重藏积分r k 方法对e r - y b荚掺磷酸盐玻璃波导藏大器避行了鼗蓬模羧，为器俘戆潮作提供理论支持。第四章用离予交换技术制作出e r _ y b 麸掺磷酸盐玻璃平面、沟道波导。利用m线技术，得到了波导中传播模式的摸折射露，剥臻基于茨w k b 的分段插擅一数合方法( 称鞭溅* 校验法) 褥鞠了平蘑滚导中掰射率斡分奄，扶实验上详绸研究了制作工艺对波导折射率分布的影响，得到有关沟道波导的近场图。测量放大器l o电子科技大学博士学位论文的增盏褥瞧与噪声将缝。第五章提出了一种宽带宽e r 。y b 共掺磷酸盐玻璃波导放大器结构。通过改变光波母缡搴句，使得谯器馋长度一定的情况下，光波导的有效长度增加，从丽使褥敖大嚣赡增益鬻鞠；在敖大嚣豹输蠢辕镀上多层分蒺薄貘滤波器，疆擒矗放大器的增益平坦带宽。优化滤波器透射谱以满足不同增益带宽的需要。利用遗传算法，对薄膜滤波器的膜系进行了优化设计。第六牵全文工终翡葱结，摇爨了下一步舞矮豹工孬。1 1宽带掺e r 光波导放大器关键技术研究第二章光波导放大器的结构与原理2 1 光波导放大器的基本结构光波导放大器一般由5 个部分组成：增益介质( 本文讨论的增益介质为e r - y b共掺磷酸盐) 单模波导、由半导体激光器制成的激励光源( 即泵浦源) 、耦合器( 用于信号光与泵浦光的耦合) 、输入输出耦合以及为了防止光放大器引起振荡的光隔离器( 仅让光在一个方向上通过的部件) ，如图2 1 。，0 r 哥胍 r输入的光耦掺e r ( e r - y b )人僦出信号光j l台嚣玻璃波导一。7 光隔离寒o7光纤二“i _激励光源图2 - i光波导放大器的构成图2 2 是l 4 无损分路器示意图。封装时常将增益介质波导输入输出耦合芯片与泵浦源及外围电路一起封装形成光波导放大器模块。图2 - 2ix 4 无损分路器图2 32 0 0 2 年1 0 月t e e m 公n 推出的一款光波导放大器产品m e t r o e d w a模块该放大模块里面含有一个微型l d 泵浦源，它能提供1 0 1 5 d b m 的功率输出。其性能参数为：工作波长1 5 3 0 1 5 6 0 n m ，封装尺寸8 1 m i n x3 5 m m x1 2 r a m 。电子科技大学博士学位论文图2 - 3m e t r o e d w a 模块特殊波长的信号光和泵浦光经过光耦合器进入光纤后，通过输入模块进入波导，在波导中信号光、泵浦光与增益介质相互作用，使信号光得到增强( 放大) ，放大的信号光经过输出模块耦合出波导而进入光纤，经过隔离器后得到信号光输出。2 2 光波导放大器的基本原理光波导放大器的工作原理是基于信号光、泵浦光( 双光子) 与物质( 即增益介质) 的相互作用。在通常状态下，增益介质中的原子( 或离子) 处于最低的能级( 设能量为蜀) ，这时原子( 或离子) 的状态叫做基态给物体加热或者有光照射物体时，物体中的某些原子( 或离子) 能够从相互碰撞或从入射光子中吸收能量，从基态跃迁到较高的能级，设各能级的能量分别为易，岛，助，且e l e 2 e 3 e 4 ，这时原子的状态叫做激发态由于原子的能级是不连续的，所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不会是任意的，这个能量等于原子跃迁时始、末两个能级间的能量差。如果分别以最和巨代表原子跃迁前后的能量，吸收或放出频率为v 的光子的能量为h v ( h 为普朗克常数) ，则有关系式：h v = 马一巨( 2 - 1 )图2 - 4 是e 一的能级简图，e ，+ 在未受任何光激励的情况下，处在最低能级宽带掺e r 光波肆放大器关键技术研究4 l 托( 基态) 上，当象濑光( 常用波长为9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m ) 射入时，铒离子吸收泵浦光能量向毫麓缀跃l 萋( 热4 l m 能缀) ，淹帮以非辐射跃迁的形式快速弛豫到亚稳态能级4 1 1 3 2 上，粒子在亚稳9 8 0态能级上露较长的寿愈，由于源源不断遗滋行泵清，豫稳态链缀上的粒子数不断增加，从而实现了粒子数反转当特殊波长的信t 1t a 8图2 - 4e r ”能级简圈q t m号光( 1 5 5 0 n m 波段) 逶邋这羧掺锤波谬瓣，妥稳态熬粒子鏊受激辗羹季瓣形式淡逶到基态，并释放出和信母光子完全糊间的光子，从而增加信号光子数量，以实现信号光的放大。2 。3 光予一原子赣互佟惩【1 2 5 】2 3 1 自发辐射、受激吸收与受激辐射甥震毅收或发光实矮上是辐鼓场黪耱矮爨予鞠互终震豹缝暴。隽筵诧滔惩起见，我们只考虑原子的两个能级最和e 1 ，并有( 2 一1 ) 式。单位体积内处于两能级的原子数分别用n 2 和抑l 表示。爱霆袋瞧鼓辐瓣与凝予程互终髑貔量子逡躐点窭发撵窭：上述稳互露薅疲包含原子的自发辐射跃迎、受激吸收和受激辐射跃j 壬三种过程。1 、自发辐射筵予寒髓级最戆一个燕子垂发速两蜀获迂，并发麓一个麓麓为蠡v 豹毙予，这种过程称为自发跃迸。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。自发跃迁过程用自发跃迁几率a 2 l 描述。a 2 i 定义为单位时间内月2 个高能级原子中发生融发跃迂麓爨予数与t 2 弱魄毽：铲( 鲁 。考p z ，1 4电子科技大学博士学位论文式中( a n ：) 。表示由于自发辐射跃迁引起的由e 2 向e 1 跃迁的原子数，且a ：。= 1 f ：。，乇。为原子在能级历上的平均寿命。2 、受激吸收处于低能级e l 的一个原子，在频率为v 的辐射场作用( 激励) 下，吸收一个能量为h v 的光子并向e 2 能级跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁，用受激吸收跃迁几率w 1 2 描述这一过程，w 1 2 定义为单位时间内”1 个低能级原予中发生受激跃迁的原子数与n l 的比值：啥( 锐寺任。，式中( 咖。：) 。表示由于受激吸收跃迁引起的由e 1 向毋跃迁的原子数。w 1 2 不仅与原子性质有关，还与辐射场的能量密度a 成正比，这种关系可唯象地表示为：彬2 = 骂2 a( 2 - 4 )式中，比例系数旦：称为受激吸收的爱因斯坦系数，它只与原子性质有关。3 、受激辐射受激吸收跃迁的反过程就是受激辐射跃迁。处于高能级历的原子在频率为v 的辐射场作用下，跃迁到低能级e l 并辐射一个能量为h v 的光子，这种过程称为受激辐射跃迁。用受激辐射跃迁几率w 2 l 描述这一过程，w 2 i 定义为单位时间内n 2 个高能级原子中发生受激辐射的原予数与n 2 的比值：肾( 蚓d ry 。击( 2 - s )式中( 毗) 。表示由于受激辐射跃迁引起的由易向e 1 跃迁的原子数。- = 岛1 a( 2 6 )式中，比例系数岛称为受激辐射跃迁爱因斯坦系数。宽带掺e f 光波导放大嚣关键技术研究2 3 2 泵渍与粒予数反转在通常情况下，处于低能级e l 的原予数大于处于离能级e 2 的原子数，这种情况得不到激光。为了得到激光，就必须使高能级e 2 上的原子数目大于低能级e i 上的原子数嗣，因为易上的原子数多，发生受激辐射，使光增强( 也日q 做光藏大) 。为了这翔这个嚣熬，必须设法尧楚予基态豹蒙予大量激发鬟驻稳态e 2 ，处于高能级e 2 的原子数就可以大大超过处于低能级e l 的原子数。这样就在能级e 2 和e i 之间实现了粒子数的反转。把基态原子大量激发到高能级的过程称为泵溱，粒子数爱转爨必藏太嚣必溪蘩静。2 3 3 受激辐射放大的增益系数激光介质一艇形成了粒子数反转。便珂实现光的放大。由于受激辐射产生豹竞与入袈竞懿舞子一襻，褥鑫发辐瓣楚骥声，襞教谨徐藏丈器豹羧大戆力袋增黼时，一般只考虑受激辐射。而在评价放大器的噪声特性时，则骤研究自发辐射。没入菇光豹麓鲎密度为成，光强为i = 恁c ，h v = 毛菇。e 2 与羁e | 趣形成了粒子数反转，上、下能级粒子数分别为2 和m ，单俄时间、单位体积内产生的光子数增加为：i d n = ( 2 一鹚) 麓；众( 2 - 7 )由a = n h v ，h 代表受激辐射光子数，出= c d t ，c 为舆空中的光滤，则有：警= 吾娲删辆h ( 2 - 8 )由此可褥光疆放大的增藏系数为：g 弓警= 丢( 2 - i ) 融( 2 - 9 )若粒子数不淹。交纯剿增益系数g ( z ) 为雾鼗岛，称秀线性或小信号增盏系数。光强为l ( z ) = 厶e x p ( g o z )f 2 - 1 0 )式中，南为镪始输入蠢强。光强的增大魁上能级粒予向下能级受激跃迁的结果，亦即以粒子数差 2 0 )1 6电子科技大学博士学位论文 国】的减小米达到的，光强越强，【2 。_ 1 】越小。因此增懿系数g ( z ) 将髓z 豹疆鸯嚣舔藏夺，豫荛罐懿键和。考惑光强的影瞧，增益系数露凌示为：鲋) 2 南( 2 1 1 )式中g o 为小信号增菔，五为饱和光强，g ( 西称为大信号或饱和增益系数。2 3 4 光功率在激光介质波导中的传播【：1 2 6 舭7 奁稳态揍嚣下，频率瓷v 嚣竞波漆毙渡导方自每方淘) 黉输瓣毙强簧赣方程为：掣：虮( = ) ( 2 - 1 2 )-o v 、。，在沿争方淘转竣躲沟邋攀攘波导蠹，龙渡珐枣婚赣毒表示为：掣；以蚴( 2 - 1 3 )船其中以= 鼽g d x d y ，j 弘d x d y = 1 。只国与虬如力分别是模式功率和归一亿模强度。2 4 本章小缡本章介绍了光波导放大器的基本结携鞠工捧原理。讨论了必予，鞭子翊互 乍用的徽观辊潦以及先功率在套质波导中的传播方程。1 7宽带掺e r 光波导放大器关键技术研究第三章掺e r 光波导放大器的理论分析e d w a 瓣信号教大 乍阁是翻褥光渡导中掺入豹锋离子在泵浦光作用下的受激辐射来实现的。由于磷酸盐e r 玻璃具有良好的光谱特性和热稳定性，本文重点研究磷酸盐e r 玻璃光波释放大器。3 。l 磷酸盐玻璃基矮中的嚣，3 1 。1 磷酸盐玻璃中e r 3 + 的本地结构1 2 8 1 f 1 3 0 】图3 1 为撼于扩展的x 射线吸收精细结构分褥( e x a f s ) 韵e ，+ 韵本逢结褐强。磷酸盐玻璃结构是由p 0 4 网愿体单元连接面成的，其中一些p ”与0 2 - 之间的化学键是p * o双键，残者楚p = o 键。由予e r 3 + 逸择犍德位于某魑特殊位置来打破p = o 键或p = d键，获褥使得磷酸蠢玻璃中e ，静本遗络构匆墨每p 捂o o图3 - 1 磷酸盐玻璃中e ，的本地结构与玻璃组分无关，其岛发辐射跃迁几率也与玻璃组分无关。3 1 2e ，的电子结构【1 3 1 】e r 3 + 的电子结构为【) ( e 】矿d 5 矿驴6 s o ，陋】代表元素氙的满壳层结构，其够和6 s 分别失去1 个和2 个电予，两5 s 2 葶轫6 均未发生任蜒变化。麦于裂余豹n 。l 令内层电予受至r j s s 和和形成的外壳层屏蔽作用，使得4 j ：4 j l 臼光谱特性( 荧光特性与吸收特经) 不爨受到宿主玻璃步 场瓣影桷。3 1 3e 的能缎结构及跃进特性【1 3 1 1对掺e r ”的玻璃系统，玻璃宿主的电衙分布产生晶格场，该晶格场产生s t a r k效应，傻得琢予静能缀分裂。分甏蘑静麓缀由憨豹轨道角动爨臁搐述，每一个能级分裂成g 钒l 2 重子能缀，其中g 为总能级简菇度。对于纰能级，共分裂为8 个子能级，而3 ，2 分裂为7 个子能级。e 尹鹃麓缀绪梅鲡图3 2 掰示。嚣产酌墩竣过程：觚基态4 5 ，2 4 南性( 对应于8 0 0 n m 波长) ；啊5 ，2 _ 4 ，li ，2 ( 对应于9 8 0 h m 波长) ；铋一0 1 3 ，2 ( 对皮于- 1 4 8 0 n m1 8电子科技大学博士学位论文波长) 。荧光过程；4 3 ，2 4 1 1 5 ，2 ( 对应于1 5 3 0 m n 波长) ；，2 4 1 15 ，2 ( 对应于2 。5 5 0 n m 波长) 。磷酸盐玻璃基质中较大的声子能量增加了从4 “，2 一3 2 的跃迁几率。3 2 影响掺e r 3 + 光波导放大器的主要因素影响掺e ，光波导放大器的因素有很多。如：激发态吸收( e s a ) 、浓度淬灭、能量上转换、掺杂离子浓度及光波导放大器结构等。l ce 鲁吾呈q。_ j 刍l 毋亭l 喜1 灿虽i辱鹰i，1 激发态吸收( e s a ) 【1 3 2 】图3 2 铒离子的能级跃迁图e s a 指的是处于激发态的铒粒子吸收能量而向高能级跃迁的现象。常见的是4 1 1 1 ，2 和4 1 1 她能级上的e s a ，4 i l i ，2 能级的跃迁可导致绿色荧光的产生( 5 0 图3 2 ) 。e s a 的存在大大地影响了4 i l i ，2 和4 i 】3 ，2能级上的粒子数，从而影响放大器的增益特性和噪声指数。e s a 与基质材料和泵浦光波长有关。掺e r 磷酸盐玻璃在9 8 0 n m 波长泵浦时，由于找不到相匹配的跃迁能级，4 1 1 3 0 能级上的e s a 可以忽略，而由于4 i 呲能级上的粒子数可忽略不计，同样4 i l i ，2 能级上的e s a 也可忽略不计。2 铒离子浓度淬灭铒玻璃中的羟基( o f f ) 杂质是一种有效的淬灭剂【1 3 3 1 。o h 振动波长范围是2 7 7 2 3 5 p r o ，由于o h 。的作用，铒玻璃中的非辐射跃迁通常需要2 - 3 个光子【1 3 刀，因此，铒离子浓度淬灭( 或称荧光淬灭) 是一种多光子高速非辐射弛豫现象，是指掺铒玻璃中的羟基对1 5 51 - tm 波段光波的吸收，它极大地影响了亚稳态能级4 1 1 3 2 上粒子的荧光寿命。能级4 1 1 3 ，2 上粒子的荧光寿命2 l 可表示为【1 3 4 124 2 + p 一- 5 7 5 x 1 0 。o( 3 1 )其中p d f 为羟基的浓度，p 为铒离子的掺杂浓度。1 9，o52b - t 。c ol ) ，q u z u宽带掺e r 光波导放大器关键技术研究研究结果表明，e r 3 + 掺杂浓度较高时，上转换占主要优势，羟基的去除对信号光增益的影响较小【1 8 】。因此关注获得较低的上转换比试图去除羟基杂质尤为重要。3 合作西同上转换m 5 1为了确保光波导器件的紧凑性和在较短长度上获得足够的光学增益，e d w a中元素铒的浓度要尽量高，一般情况e r j 的浓度为0 1 一l a t 。如此高的e r 浓度使得e r j 离子间的距离变得很小，从而产生严重的离子聚集( c l u s t e r ) 或称“团簇”现象。“团簇”单元中的e ，离子之间发生电偶极子相互作用，这种电偶极子相互作用会导致许多降低e r 3 + 的发光效率过( a 】( o )( c )4 i 程的发生，例如：协同上转换、激发态吸+ 一一毒4 1 1 1 2收等，造成e ，的浓度淬灭。“团簇”单元孑i 齐下虬一44 1 1 3 2中离子对内的两个离子之间存在能量交“”“州”l4 换，亚稳态上的离子对中的一个离子把能”“量传给另一个离子使其跃迁到4 1 9 ，2 ( 即上图3 - 3 两个铒离子之间的能量转换转换现象) ，自己却回到基态，见图3 - 3 。上转换消耗了亚稳态能级4 1 1 3 ，2 上的粒子数，从而降低了泵浦效率和信号光的增益。用g 妒表示与浓度有关6 3 上转换系数，由偶极子相互作用假设，c 。可表示为 1 3 6 】( 3 2 )式中r 肼为均匀分布的e r 3 + 离子间的平均距离，r o 是临介作用距离。和铒离子的掺杂浓度之间的函数关系为【1 3 7 l ：c v = 2 5 1 0 4 4 + 2 4 1 1 0 。9 ( p 一4 4 x 1 0 2 5 )( 3 3 )上转系数( 0 的大小对增益阈值的影响较大。这说明寻找具有尽可能低的上转换基质是非常重要的。然而上转系数很难控制，它依赖于4 1 1 3 ，2 到4 1 1 5 ，2 平1 1 4 1 1 3 ，2 到4 i 蚍跃迁的光谱重迭及基质光谱。如果所用玻璃的发射谱较窄，可减少这一光谱2 0击堑，=电子科技大学博士学位论文重迭。此外，降低e r 3 + 浓度也可以减小上转换系数。此外，在玻璃中加入适量的a l 可减d , e r 离子的聚集，提高磷酸盐玻璃中铒离子的溶解度【l 。4 e r ”掺杂离子浓度和光波导放大器结构铒离子的掺杂浓度对e d w a 的特性有显著的影响。对某种基质材料来说存在一个最佳浓度，浓度过高或过低均不利于形成激光放大。若掺杂浓度过低，在掺杂离子总有效数少于入射光子的部位，激发态有可能被耗尽，所以光信号的放大受