（光学工程专业论文）高增益、宽带的集成光波导放大器的研究.pdf

摘要 本文首先在理论上分析了集成光波导放大器获得增益的原理，在波长 为9 8 0 n m 泵浦光作为泵浦源的条件下，通过解析速率方程和传输方程，对 集成光波导放大器的增益特性进行了分析，随后在此基础上提出了获得最 大增益的最佳波导长度、最佳波导截面面积、最佳泵浦功率等优化方案， 最后引出了e r 3 + y b 3 + 共掺光波导放大器，分析了其增益特性，指出了 e r 3 + y b 3 + 共掺技术是高增益集成光波导放大器的发展方向。 集成光波导放大器要广泛运用于通信系统，必要条件就是提供足够大 的增益带宽。本文首先以新型材料为基础，提出了几种可获得宽带特性的 光波导放大器基质；然后进行了采用长周期光栅( l p g ) 来实现宽带光波导 放大器的理论研究及实验模拟；最后类比现在已经较成熟的掺铒光纤放大 器，列举了若干适用于光波导放大器的宽带通信的实例。 光纤与波导的低损耗耦合是关系到光波导放大器成品增益特性的一 个重要方面，本文采用了优化的掩模工艺制作硅v 型槽；采用正装耦合、 紫外胶固化实现光纤与波导的固定；采用模场分析法讨论了获得最小耦合 损耗的条件；最后通过实验实现了光纤与波导的低损耗耦合。 采用了离子交换的方法在e r 3 + y b ”共掺磷酸盐玻璃基质上制作出了 平面波导，用光刻技术制作出了沟道波导；利用m 线技术得到了6 3 2 8 n m 波长的激光在离子交换平面光波导中传播的模折射率；得到了6 3 2 8 n m 波 长光通过离子交换沟道波导后的近场图。根据实验测得的模折射率，用反 w k b 方法求出了离子交换平面波导中折射率的横向分布。最后搭建了光 波导放大器实验测试台，测量了a g + 、k + 、n a + 离子交换( 交换时间为2 小 时，交换温度为3 7 0 ) e r 3 + y b ”共掺磷酸盐玻璃光波导放大器的增益特 性。 关键词：e r 3 + y b 3 + 共掺磷酸盐玻璃光波导长周期光栅光放大器 离子交换 a b s t r a c t ： i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r yo fi n t e g r a t e dw a v e g u i d ea m p l i f i e ri si n t r o d u c e da tf i r s t ，i t s g a i n c h a r a c t e r i s t i c sh a v e b e e n i n v e s t i g a t e db ys o l v i n g n u m e r i c a l l yp r o p a g a t i o n e q u a t i o n s a n dr a t e e q u a t i o n s a t p u m pw a v e l e n g t h 9 8 0 a m t h e ne r b i u m 。y t t e r b i u m c o d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r ( e y c d w a ) h a s b e e n d i s c u s s e d b ya n a l y z i n g t h e i m p r o v e dg a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe y c d w a ，s o m ei n s t r u c t i v e c o n c l u s i o n sh a v eb e e n o b t a i n e d t h ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ea m p l i f i e rm u s th a v eb r o a d b a n dt om e e tt h ep r o g r e s so f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m af e wo ff e a s i b l ep r o j e c t sh a v eb e e nb r i n gf o r w a r ds u c ha sn e w m a t e r i a l 、l o n gp e r i o dg r a t i n g ( l p g ) e t c c o m p a r i n gt of i b e ra m p l i f i e r , s e v e r a le x a m p l e s o fb r o a d b a n dw a v e g u i d ea m p l i f i e rh a v ea l s ob e e np a r t i c u l a r i z e d t h ec o u p l i n gb e t w e e nf i b e ra n dw a v e g u i d ei s i m p o r t a n tt ot h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c s o fe d w a i nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l ea n df a b r i c a t i o no f s i - g r o o v eh a v eb e e ni n t r o d u c e d b yt h em e t h o do fp o s i t i v e - c o u p l i n ga n ds o l i d i f i e d w i t hu l t r a v i o l e t g l u e ，w eh a v e r e a l i z e dt h ec o u p l i n gw i t hl o wl o s s p l a n a ra n dc h a n n e l w a v e g u i d e s a r ef a b r i c a t e di n e r b i u m y t t e r b i u mc o d o p e d p h o s p h a t eg l a s ss u b s t r a t e t h em o d er e f r a c t i v e i n d e xo f6 3 2 8 n mw a v e l e n g t h ，w h i c h p r o p a g a t e si ni o n - e x c h a n g e dp l a n a rw a v e g u i d e s ，i so b t a i n e db ym l i n et e c h n o l o g y ；t h e n e a rf i g u r ef o rc h a n n e lw a v e g u i d ew i t h6 3 2 8 n mw a v e g u i d ei so b t a i n e d t h er e f r a c t i v e i n d e xp r o f i l eo fp l a n a rw a v e g u i d ei so b t a i n e dw i t hi n v e r s ew k bm e t h o db ym e a s u r e d m o d er e f r a c t i v ei n d e x f i n a l l y ，t h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe r 3 + y b ”c o d o p e dp h o s p h a t eg l a s sw a v e g u i d e a m p l i f i e r s f a b r i c a t e d b yi o n e x c h a n g e ( e x c h a n g e t i m e ：2 h o u r s 、e x c h a n g e t e m p e r a t u r e ：3 7 0 0 c ) h a v eb e e nm e a s u r e d k e yw o r d s ：e r 3 + y b ”c o d o p e dp h o s p h a t eg l a s s o p t i c a lw a v e g u i d e l o n g p e r i o dg r a t i n g o p t i c a la m p l i f i e r i o n - e x c h a n g e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 弘球炎 日期： 。o 。硅r ，d 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 粒球文导师签名：刮扣z 去 日期：o ) o d 丘r ，d 誊黔寿、铆向庭 妇垒文公布 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 随着数字通信业务量的持续增长，基于波导技术的集成光器件为迎接 这个挑战提供了良机。特别值得一提的是，波导放大器是适合于城域网应 用的新型集成光器件产品。掺稀土元素光波导放大器( r a r e e a r t hd o p e d w a v e g u i d ea m p l i f i e r s ) 是继半导体激光放大器、掺铒( e r 3 + ) 光纤放大器 ( e d f a ) 研制成功以来又一新型光放大器。由于掺e r ”光波导放大器 ( e d w a ) 的工作波长与1 5 5 ui l l 波段的光通信传输窗口相吻合以及对人眼 的安全性，十多年来一直是一个十分活跃的研究课题。较之e d f a ，它能 在同一衬底上提供无源的和有源的集成光路，具有损耗低、单位长度增益 高、体积小、低成本、低噪声系数、很小的极化相关性以及不存在通道问 的串扰等特点。光波导放大器降低了1 5um 波段放大器的成本和尺寸， 便于集成化，可用作末端放大器、前景放大器、功率放大器、光纤到家 ( f t t h ) 和光纤到街区( f t t c ) 网络中的无损分路器等。e d w a 能够非 常简便地与任何损耗器件组合在一起，如：分离器( s p l i t t e r ) 、相位阵列 波导、分插复用器、调制器、光开关或者光交叉连接器等。它还有一些其 它功能，如在w d m 分插传输系统中用作可变衰减器或可变放大器来调整 信号电平，也可以代替光开关用作路由器件。可见光波导放大器是具有相 当发展需求和前景的新型通信无源器件。 掺铒光波导放大器主要由掺铒光波导( e d w ) 、泵浦光源、耦合器等 组成。泵浦光提供能量使铒离子由基极受激跃迁到高能级实现粒子数反 转；光耦合器的作用是将信号光与泵浦光耦合在一起，单向泵浦的e d w a 如图1 一l 所示。 s 鸯嘲i n p u t p h m p 脚h 图1 1 光波导放大器结构简图 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fe d w a i 垡髓越o u t p u t 电子科技大学硕士学位论文 1 1 国内外光波导放大器的发展概况 1 1 1 光波导放大器的发展史简介 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【l 】。之后约二十年内，这一领域内无多大进展。1 9 9 0 年掺稀土元素集成光波导放大器( 尤其是掺铒e r 3 + 光波导放大器) 和激光器 的开发取得了很大的进展1 2 】。1 9 9 1 年1 月，日本的k i t a g a w a 等人【剐首次在 硅衬底上用火焰脱水沉积法制作出掺铒平板波导激光器，同年1 i 月加拿 大的h o n k a n e n 等人【4 j 用离子交换法获得了掺铒磷酸盐单模玻璃光波导放 大器，在1 5 5 弘m 波长附近单位长度的增益为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 e h 等人【5 】在硅基片上制成了1 5 5um 波段的掺 铒光波导放大器，在2 4 c m 长的器件上获得了2 1 d b 的增益：1 9 9 3 年1 月， 日本的k i t a g a w a 等人1 6 1 制作了4 7 m m 长的掺铒( 含镱y b ) 光波导放大器， 其净增益为1 3 7 d b ；1 9 9 7 年，美籍华人c h e n g c h u nl i 等人【7 1 制作了1 7 c m 长的掺铒光波导放大器，其净增益为7 2 d b ；1 9 9 8 年，法国的b a r b i e r 等人 悼】制作了8 6 c m 长的掺e r y b 的玻璃光波导放大器净增益为2 7 d b ：2 0 0 0 年2 月，韩国的c h o i 等人【9 1 制作了掺e r 3 + a 1 3 + 的玻璃光波导放大器，在 2 0 m w 的泵浦( 泵浦波长9 8 0 n m ) 功率下获得了5 d b 的增益。在系统实验方 面，1 9 9 7 年2 月美国的d e l a v a u x 等人【l o 】完成了用于1 0 g b s 光纤传输系 统中的集成玻璃光波导放大器实验，结果很成功，其误码率小于1 0 2 ，2 0 0 1 年3 月，美国a t & t 公司的i a n n 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 等人1 1 1 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 1 实验，取得了十分满意的效果，并预言e d w a s 将在城域网中发挥巨大的 作用。 1 1 2 光波导放大器的产品研制情况 e d w a 不仅可以提供单波长而且可以提供多波长的光放大，并且可采 用双源双向泵浦的方式以提高各信道的增益：可在同一个基片上集成多个 e d w a ，形成阵列型的光放大器，大大缩小体积，并可方便地实现d w d m 系统中多波长增益的动态调节；在e r 波导中共掺y b 或e u 可提高增益性 能并提高增益谱的平坦性；根据实际应用需要，可将a w g 与e d w a 阵列 电子科技大学硕士学位论文 集成在一起，以实现光信道的动态增益均衡；波导型分路器与e d w a 集成 在一起可应用于接入网。由于技术门限较高，目前能推出商用化e d w a 产 品的主要还是集中在以下几家公司。 法国t e e m 光子公司于1 9 9 8 年末首先发布采用非刻蚀或沉积的离子交 换法，在玻璃薄片而不是在硅片上制作波导，具有非常低的偏振和损耗特 性。随后，美国n o r t h s t a r 光子公司及j d s u 也采用了此技术。t e e m 的e d w a 具有低功耗、高性能及低成本，适于接入网及城域网应用，尺寸为 8 l m m 3 5 r a m7 1 2 m m ，仅有半张信用卡大小。该公司在o f c 2 0 0 2 上展出的 c 带功放e d w a 集成了一个9 8 0 r i m 的非制冷泵源，提供增益平坦性能， 输出功率可从1 0 到1 5 d b m ，可支持一到几个信道的d w d m 城域网系统。 丹麦n k t 集成公司推出的c 带( 1 5 2 8 一1 5 6 2 n m ) 2 0 d b 高增益e d w a ， 采用了9 8 0 n m 1 0 0 m w 泵源，噪声指数小于4 5 d b ，并可单片集成多个放 大器。美国m o l e c u l a r 光电子公司( m o e c ) 在o f c 2 0 0 2 上展出了其大功率 的w a v e d a e m o n t m 系列掺铒波导放大器增益模块。在l5 2 8 1 5 6 0 n m 范围 内，小信号增益大于1 3 d b ，最大饱和输出功率大于2 0 d b r n ，噪声指数小 于5 d b ，尺寸为3 7 m m 1 0 2 m m7 1 3 r a m 。 2 0 0 2 年9 月，t e e m 光子公司和n k t 集成公司同时发布采用p e c v d 制造技术，基于m u l t i s o u r o ea g r e e m e n t ( m s a ) 发展的4 端口全集成e d w a ， 尺寸为1 1 0 m m x 9 5 m m x l 2 m m ，4 端口的增益可分别控制，每端口可达 1 0 d b m 的输出。此外n k t 公司还可提供4 及8 端口可以分别控制的e d w a ， 且采用的是非致冷的9 8 0 n m 泵源，其可靠性测试通过了t e l c o r d i ag r 1 3 1 2 标准。 美国w a v e g u i d e 公司推出的1 5 2 8 1 5 6 5 n m 范围的e d w a ，在输入光功 率为- 3 0 d b m 时，也能获得1 2 d b 的增益，其偏振相关增益小于o 2 d b 。体 积大小为4 0 m m7 1 4 0 m m7 1 0 r a m 。 2 0 0 0 年底成立的美国i n p l a n e 光子公司在今年的o f c 2 0 0 3 上宣布推 出两种新的城域网e d w a 放大器产品。其中g e m 。a 2 0 0 0 产品采用泵浦光 共享的方式，集成了4 个e d w a ，每个放大器可以独立地控制光增益大小， 在9 x 2 5 m m 大小的p l c ( 平面光波回路) 芯片上集成了包括分路器、波分 复用器、可交光衰减器、泵浦光带阻滤波器及光监控抽头等3 2 种功能光 路。而另一种w a 一2 0 0 0 产品则采用了集成化的隔离器、w d m 耦合器、泵 电子科技大学硕士学位论文 浦光带阻滤波器，是目前全球体积最小的e d w a 产品，尺寸大小仅为 5 0 m m 1 0 m m 6 m m 。 此外，t e e m 光子公司在2 0 0 3 年发布的称为p mm e t r oe d w a - s c 的偏 振光保持e d w a ，尺寸极小( 8 1x 3 5 x 1 2 m m ) ，并采用非制冷泵源，可作为 城域网单信道功放和前放并可放置于相干光检测器前以改善信号质量。 在国内，大连理工大学的巢叫1 2 l 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，北京理工大学的陈淑芬等 人【1 3 l 进行了有关掺铒铌酸锂光波导放大器的理论研究，中国科学院上海光 机所的柳祝平等人【1 4 】进行了有关掺铒磷酸盐材料方面的研究，电子科技大 学昂纳光通信光电研发中心进行了掺铒和铒镱共掺磷酸盐光波导放大器 的理论【l 副1 ”1 与实验研究。 1 1 3 光波导放大器的应用和展望 ( 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 叭中报道了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0 1 5 d b c m ， 两端各o 2 d b 的光纤- 波导祸合损耗和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 。 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，先对所有波长的信号进行总放大，通过波分复用器解复用后再对每 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 来达到精确平坦的效果。事实上，已经有人将上述的功能集成在同一基片 上，这就是阵列型e r 3 + ：y b ”共掺玻璃波导放大器( e d w aa r r a y l 。 电子科技大学硕士学位论文 f 2 1 阵列型e r 3 + ：y b ”共掺玻璃波导放大器( e d w aa r r a y ) e d w aa n a v 将多个e d w a 集成在同一个基片上，这种集成度更高、 结构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a 典型的e d w aa r r a y 内含8 个e d w a ，封装尺寸仅为2 2 1 3 5 1 7 c m 3 ， 其中包括泵浦光信号光复用器、光电二极管输出检测耦合系统、p i n 激光 二极管等。 这种放大器可以更方便地实现d w d m 系统中多波长增益的动态调 节，这样就会带来一系列的好处，如可以降低对多波长光交叉连接和全光 开关制作中光功率分配的控制精度的要求。 f 3 ) 基于e d w a 的1 n 合，分波集成放大器 为了适合光通信系统中的实际应用，有人将合分波器与e d w a 集成 在一起，制作出了基于e d w a 的1x 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耦合系统及1 n 合，分波器等部分组成， 其中l n 合分波器有功率型和波长型两种。典型的如1x 4 、1 8 型合分 波集成放大器，可分别将4 路或8 路信号光放大后，复用到单根光纤输出； 也可以先将单根光纤输入的信号光放大，解复用后祸合到多路光纤输出。 目前这种放大器是将两种不同功能的玻璃器件粘合在一起制成的，如 无源区( 1 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) 采用前述波导，使激光器增益最大。有文献报道，用这种 方法制作的1 8 型合分波集成放大器小信号( 1 5 d b m ) 增益达到1 0 d b ，0 d b 损耗带宽1 5 3 0 1 5 6 0 r i m ，噪声指数小于6 d b 。以分波输出为例，其在 1 5 3 0 1 5 6 0 n m 带宽上增益不均匀度小于0 5 d b ，输入0 d b m 信号时每个输 出功率最大可达4 d b m ( 1 4 0 m w9 8 0 n m l d 泵浦) 。 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最优效 果，如在1 5 5 0 n m c a t v 光纤传输线路中，先将广播信号通过1 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 电子科技大学硕士学位论文 向小型化、集成化发展的趋势。 1 2 光波导放大器的分类 ( 1 1 按掺杂粒子的不同分类 光波导放大器的掺杂粒子一般是n d ”、e r 3 + 和e r 3 + y b 3 + 联合掺杂等， 可分别称为掺钕光波导放大器：( n d w a ) ，其中心工作波长为1 0 6 um ；掺 铒光波导放大器，其中心工作波长为1 5 5 i tm ；e r ”y b ”共掺光波导放大 器( e y c d w a ) 等，其中心工作波长也为1 5 5 um 。由于光纤在1 5 5um 处 具有最小色散和较小的损耗，在以下的论述中，我们主要讨论工作在1 5 5 t lm 的掺铒光波导放大器。 ( 2 ) 按基质材料的不同分类 光波导放大器的基质一般是铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、硅酸盐( s i l i c a ) 玻璃、磷 酸j 盥( p h o s p h a t e ) 玻璃和氧化物薄膜( a 1 2 0 3 ) 等，故可分为铌酸锂光波导放大 器、硅酸盐光波导放大器、磷酸盐光波导放大器和氧化铝薄膜光波导放大 器等。硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃( 尤其磷酸放玻璃) 是铒的良好基质，可进 行高浓度铒掺杂。这有利于制作超短的光放大器件。 1 3 本论文的工作 本论文的工作是进行高增益光波导放大器的理论设计；结合宽带光纤 放大器理论进行光波导放大器的宽带设计；完成波导与光纤的低损耗耦合： 在e r 3 + y b ”共掺磷酸盐玻璃基质上用离子交换的方法制作出e r 3 + y b 3 + 共 掺磷酸盐玻璃光波导放大器；详细如下： 在忽略放大自发辐射( a s e ) $ f i 的情况下，采用四阶r u n g e k u t t a 法对光 波导放大器的速率方程和传输方程进行了数值分析，随后在此基础上提出 了获得最大增益的几种方案：即最佳波导横截面积、最佳波导长度、最佳 掺杂浓度等等 然后引出了e r 3 + y b 3 + 共掺磷酸盐玻璃光波导放大器，指出 了铒镱共掺技术对光波导放大器增益特性的显著改善，最后讨论了不同基 质材料对光波导放大器增益特性的影响。 进行了宽带光波导放大器的设计：从材料入手，探索具有宽带宽的波 导放大器基质材料；引入长周期光栅对增益谱进行拓展：类比光纤放大器， 分别采用粒子数强烈反转法、滤波法、衰减法、增益互补法、长周期光栅 6 电子科技大学硕士学位论文 均衡法等方法对光波导放大器的宽带特性进行研究。 通过对光波导和光纤模场分布的分析和研究，设计出最佳的耦合方 案，减小整个器件的插入损耗；在实验方面，经过多次实验确定了制作硅 v 型槽的最佳方案，采用了正装耦合、紫外固化胶法使耦合损耗降低到可 以接受的水平。 在e r 3 + y b ”共掺磷酸盐玻璃基片上分别用离子交换方法制作出了平 面、沟道光波导，并进行了折射率和模场分布的测试及光波导放大器的增 益特性测试。 本论文工作的创新之处在于： 首次用分析光波导模场分布的方法来分析不同截面面积下光波导放 大器的增益特性，得出了使之具有最佳增益的波导截面面积范围，对光波 导放大器的制作具有指导性的意义； 借鉴了光纤放大器实现宽带的方法，首次引入了宽带光波导放大器的 理论设计，采用了l p g 增益滤波器对t e e d w a 作了实际增益平坦的模拟； 确定和优化了硅v 型槽的设计方案和制作，硅v 型槽的制作工艺基 本完善，并达到了较高的水平。 电子科技大学硕士学位论文 第二章高增益掺铒光波导放大器的理论设计 图2 1 给出了西“的能级结 构，在研a 等受主杂质中，毋“的 能级受到非晶态的影响，能级发 生展宽。e d w a 中受激光放大对 应于4 。，：到4 如，：之间的跃迁，在 泵浦方面，可以有5 2 0 、6 5 0 、8 0 0 、 9 8 0 、1 4 8 0 n m 等多种波长的泵浦 形式，在最初的掺铒光放大器实 验中采用了大功率的可见光激光 7 器( 例如氩离子激光器、y a g 激 光器、染料激光器等) 进行泵浦， 但由于9 8 0 n m 波长以下的泵浦存 在着较强的受激带吸收，所以泵 4 焉，2 匿圈0 6 5 a n 4 厶，z 图遨溺0 8 0 崩n 0 9 8 u n 1 5 3 a n 1 4 8 0 r i m 泵浦 图2 - 1e r “的能级结构 f i g 2 1 t h ee n e r g yl e v e lo fe r 3 + 浦效率很低，因而人们常采用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 两种泵浦方式，并且在这 两个波长已经实现了用作泵浦源的大功率半导体激光器。 泵浦光可以相对信号光以同向或逆向的形式泵浦，也可以同时采用同 向和逆向泵浦结合的方式。 2 1 掺铒光波导放大器的速率方程分析 相对于1 4 8 0 n m 的泵浦光，9 8 0 n m1 泵浦光受激跃迁几率r 。= 0 ，故其泵 浦效率更高，有利于获得更高的信号 增益，这样我们通常采用波长为 9 8 0 n m 的泵浦光进行泵浦。9 8 0 n m 泵 浦时，在忽略放大自发辐射( a s e ) 的 条件下，掺铒光波导放大器物理模型 可用三能级系统描述，其能级图如图 2 - 2 所示。稳态条件下，其速率方程 可表示为： 图2 - 2 铒离子三能级简图 f i g 2 - 2 t h ed i a g r a mo fe r 3 + t h r e ee n e r g yl e v e lt r a n s i t i o n 4 2 4 l i s l 皇至型垫盔堂堡主堂垡堡苎 一 笺 ：_ k 2 ，2 1 一日3 玛+ 4 。他+ l 心+ c p n 2 2 = o ( 2 1 ) ：l = 形2 n 1 一a 2 1 ，z 2 一1 挖2 + 4 2 n 3 2 c 0 珂2 2 = o ( 2 - 2 ) n l + n2+n3 = n 。 ( 2 - 3 ) 式中； z 、控，、投分别代表e r 3 + 能级4 1 1 5 ，2 、4 1 1 3 小4 i t l l 2 上的粒子数浓度：n 。 为总的e r 3 + 浓度；a 2 l 为自发辐射跃迁几率：a 2 l = 1 7 2 1 ；a 3 2 为非辐射跃迁 几率：a 3 2 = 1 r3 2 l ；c 。，表示与浓度有关的上转换系数，矾2 、1 分别为信 号光的受激吸收和受激发射跃迁几率；r 1 3 为泵浦光的受激吸收跃迁几率。 啊：= 瓦o o s 小杀只( 咖小川 ( 2 - 4 ) ，= 吾扣斋驰虮( w ) ( 2 - 5 ) = 等铲篙脚如 ( 2 _ 6 ) 其中o 。，7 ，o 。，分别是铒离子对信号光的吸收和发射截面；oa p e 是铒离子 对泵浦光的吸收截面：厶，厶分别是信号光和泵浦光的强度，和和 唯、h v ， 分别表示泵浦光和信号光光子的能量，p 。、虮为归化泵浦光和信号光的 模场分布，昂、只分别为泵浦光功率和信号光功率，a 为波导截面面积。则 e d w a 的传输方程可描述为 1 d p o 厂( z ) = 一。( z ) 少，( w ) e r 螂一易。岛( z ) ( 2 7 ) ! ! 笔堕：e o ) f 眈( 五y ) 【”他一o a s “n 1 d x a y t 。只q ) ( 2 - 8 ) 式中z 。“、j 。”为泵浦光和信号光的损耗系数。 将式( 2 4 ) ( 2 6 ) 的解代入稳态方程( 2 - 1 ) ( 2 3 ) ，然后再将求得的各能级 粒子数代入功率传输方程( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ，就可以得到泵浦光和信号光沿波导 方向上的功率分布了。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 。2 掺铒光波导放大器的增益特性分析 式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 为耦合常微分方程组，一般情况下无法得到它的解析 解，这里我们采用了四阶r u n g e k u t t a 法对其式进行数值求解，计算中光 波导参数所用的数值均采用典型值如表2 - 1 所示。 表2 - 1e d w a 的典型参数值【2 甜盯 吒： 4 i ：4 1 i3 mf 5 2 1 i f e t i m e si l f e t i m e sl i f e t i r i l e s 6 6 5 72 0 1 0 x 1 1 1 5x 1 0 - 2 5 m 21 0 2 5 m 21 0 - 2 5 m 21 0 9s1 0 3s1 0 3 s i n l a u ti n p u t w a v e g u i d e s i g n a lp u m p l ：rt ：r 1 5 3 2 n m9 8 0 r i m 0 1 0 1 50 15 o 2 52 2u m 2 d b e md b c m 图2 3 为e d w a 在波导方向上的增益特性图，从图中可以看出光波导 的增益随着波导长度的增加而逐 渐到达饱和，通常我们将具有最 大增益处的波导长度称作最佳波 导长度，对于实际应用的波导， 一般长度都在1 0 c m 以下，所以； 只要泵浦光足够大，e d w a 通常 。 都具有线性的增益特性。在如表 2 1 所示的典型值情况下我们可 以看出e d w a 的增益大约仅能达 到1 5 d b c m ，这往往还不能达到 实际应用中通信系统的要求，为 此我们应考虑改变相关参数，使 得e d w a 的增益特性得到改善。 1 0 图2 - 3e d w a 在波导方向上的增益 f i g 2 3 s i g n a lg a i n v e r s u s w a v e g u i d e l e n g t hf o re d w a 电子科技大学硕士学位论文 2 3 影响掺铒光波导放大器增益的几个因素 2 3 1 铒离子浓度对增益特性的影响 也许有人认为，只要掺铒的浓度足够大，在足够的泵浦光条件下，就 将有更多基能级粒子受激跃迁到激发态，从而使得受激辐射也更加剧烈， 单位长度上波导将会得到更大的增益。在掺铒浓度不大情况下上述结论是 正确的，从光纤放大器( e d f a ) 发展：至u ( e d w a ) ，掺杂浓度从1 0 2 4 i o r m 3 量 级提升到了1 0 2 6 i o n s 晰3 量级，光波导在更短的长度上获得了更大的增益， 但是想通过掺入更高浓度的铒离子使之获得更大的增益却行不通了。对于 掺e ，+ 波导放大来说，存在一个最佳的掺杂浓度，浓度过高或过低均不利 于形成激光放大。若掺杂过低，在掺杂离子总有效数少于入射光子的部分， 激发态有可能被耗尽，所以光信号的放大受限于可被利用的有限的离子数 目。反之，若掺杂过多，则会出现两种情况：其一是出现所谓浓度扼制的 问题，即高掺杂时相邻稀土离子之间会出现一种非辐射交叉弛豫过程，该 过程将使激光上能级的有效粒子数减少；另一个问题是，高掺杂将会导致 玻璃基质中产生结晶现象，这对激光的形成也是不利的。显然，可掺入玻 璃基质内而不致引起结晶的稀土离子浓度与玻璃系有关，这是有待于进一 步研究的问题。另外因为铒离子浓度增加导致的上转换现象对波导增益特 性有了很大的影响。 给另一个离子使其跃迁到 4 1 9 加自己却回到基态f 即上 转换现象) ，见图2 - 4 。它消 图2 - 4 两个铒离子之间的能量转换 f i g 2 4 t h ee n e r g yt r a n s f o r mb e t w e e n t w oe r b i u mi o n s 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c ”表示与浓度有关的上转换系数，由偶极子相互作用假设，c 。可 表示为1 2 2 1 皇至型堇奎堂堡主堂堡堡苎一 c ，= 了4 ，r 磊r 0 6 ( 2 - 9 ) 式中r 脚为均匀分布的e r 3 + 离子间的平均距离，r o 是临介作用距离。 表2 - 2 上转换系数( c 。1 随掺铒浓度的变化【2 3 j ln ，( 1 0 ”i d m ，m )4 4 57 61 02 0 2 4 lc q ( 1 0 “m 3 5 )3 54 81 0 51 5 。9 3 8 54 7 6 上转系数c 。的大小对增益阔值的影响较大。表2 - 2 和图2 - 5 给出了 上转换系数c ，与掺铒浓度的关系。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 和4 1 1 3 ，2 到4 1 9 ，2 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 这一光谱重迭。 ，1 0 ， 此外，降低e r 3 + 浓度也可以减小上转换系数。 图2 - 5 上转换系数c 。随掺杂浓度 。的变化 f i g 2 5 ，t h ec c o e f f i c i e n tv e r s u s e r b i u mc o n c e n t r a t i o n 图2 - 6e d w a 小信号增益随 掺杂浓度的变化 f i g 2 - 6 s i g n a lg a i nv e r s u se r b i u m c o n c e n t r a t i o nf o re d w a 图2 6 给出了e d w a 增益随掺杂铒离子浓度的变化情况，从图中我 们可以看到铒离子浓度过小，则e d w a 在较短的长度内不能得到较高的增 益，而过高的铒离子浓度又将导致非常严重的上转换现象，从而使得 e d w a 的增益反而下降，所以取最佳的铒离子掺杂浓度是至关重要的。不 同基质材料的最佳掺铒浓度也有区别，相比之下，磷酸盐玻璃具有较高的 1 2 皇主型丝查堂堡主兰垡笙苎 一一 最佳掺铒浓度，是制作e d w a 的良好基质。 2 3 2 波导截面面积对增益特性的影响 在( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 式中，涉及到对粒子数浓度n l 、1 1 2 以及光强分布在波导 截面面积上的积分，为简化计算，我们试把魄写成： ( x ，y ，z ) = n ( x ，y ) n ，( z ) ( i = l ，2 ) ( 2 - 1 0 ) 我们再引入铒离子掺杂与光强分布间的重迭积分因子叩。，仉 r = j j y 一( 五y ) a k a y ( f - 1 ，2 ) ( 2 1 1 ) 这样，( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 式可简化为： _ d p p f ( z ) ：一0 ( ：) r l p c r a p n l ( z ) 一，0 ( z ) ( 2 - 1 2 ) d e ：a z ) ：只( 2 ) ，7 ， 。t e s t i 2 ( z ) - - o a s t i i ( z ) 一l 只( z ) ( 2 13 ) 我们首先讨论r 。，在均匀掺杂条件下，n 。( x ，) ，) = l ，式( 2 一1 1 ) 贝t l 退化为光强 在波导中的约束比。些文献中将信号光重迭因子r 。作相同处理，但笔者 认为在处理信号光的传输方程中，我们还必须考虑到信号光与泵浦光光强 间的重迭积分问题，也就是说，铒离子浓度在均匀掺杂条件下虽是常数， 但受泵浦光的影响反转粒子数在横平面上则不再是个常量，而与泵浦光光 强一样有一个在波导截面内的分布，因此信号光重迭因子，7 。可这样表示 玩=7r；(2-14) 其中班为信号光的光强约束比，y 为信号光与反转粒子分布，也就是与泵 浦光分布的重迭因子。 分析( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 式可知，重迭因子_ 。和仉对光波导放大器的增益具 有显著的影响，而叩。和仉又与波导截面面积、波导存在模式数有着紧密而 复杂的关系。在这里我们利用折射率均匀分布、截面为方形的掩埋波导对 波导内的光场分布进行了数值分析24 1 。表2 3 为波导截面面积与重迭因子 的关系表，图2 7 给出了当信号光和泵浦光分别为单模和多模时波导内光 场的分布情况。计算中采用的折射率为波导层n 。= 1 5 5 ，衬底层r 。= 1 5 4 。 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 3 波导截面面积与重迭因子的关系 波导截面 叩。磋，仉 信号光模泵浦光模 ( 朋2 , t o n ) 式情况式情况 1 l0 5 50 5 6o 6 3o 3 5单模单模 2 20 4 70 4 40 5 6o 2 5 单模单模 3 30 6 70 6 60 5 5o 3 6 单模单模 4 4o 7 20 7 l0 5 3 0 3 8 单模单模 4 3 4 30 5 90 7 lo 2 40 1 7 单模多模 5 50 5 50 5 70 5 00 2 9 多模多模 6 x 60 5 60 4 7 o 5 3o 2 5多模 多模 图2 - 7 波导内泵浦光、信号光及它们的重迭分布 f i g - 2 - 7 i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n s ( 2 d ) o fp u m p 、s i g n a la n dt h e i ro v e r l a p 由表2 3 可看出，随着光波导截面面积的增大，重迭因子r 。和7 7 。都呈 现出复杂的变化：当泵浦光和信号关均为单模传输时，重迭因子随着波导 截面面积的增大而增大，这是由于波导截面面积的增大使得更多的信号光 和泵浦光被约束在波导中，但波导截面的进一步增加会使得信号光和泵浦 关激励起高阶模式，这时随着截面面积的增加重迭因子反而会下降。另外， 叩，和仉仅仅是截面面积对波导增益的影响的一个方面，分析( 2 4 ) ( 2 6 ) 式 我们还可知截面面积a 将通过受激跃迁几率彬：、和蜀，进而影响光波 1 4 电子科技大学硕士学位论文 导的增益。所以说波导截面面积对波导增益的影响是多方面的，波导的最终 增益决定于波导截面面积a 在多方面的影响，该影响是复杂的非线性的影 响。理论上我们可以这样分析：一方面，当光波导横截面积a 变大时，必 然导致更多的基态能级粒子跃迁到高能级，即反转粒子数