（材料科学与工程专业论文）铋掺杂硼酸盐和硅酸盐玻璃的红外宽带发光和光放大.pdf

浙江人学硕i ：学位论文 摘要 随着计算机和国际互联网络的发展，全球信息化的进程一日千里，整个世界已经进入 信息时代。信息化进程的加快要求不断提高光通讯网络的数据传输容量，而光纤放大器 的增益带宽直接决定着信道的数目，增益带宽愈大，信道数目就愈多，信息传输的容量 和速度也就越快。传统的光纤放大器主要由稀土离子( e ，t m 3 + 或p r 3 + ) 掺杂的发光材料作 为增益介质，由于这些发光材料位于近红外波段( 1 2 1 6 岬) 的发光主要基于稀土离子的 4 f 壳层电子间的禁戒跃迂，所以这些稀土离子激活的光纤放大器的工作带宽很难突破 1 0 0 l 】l l n ，严重的限制了波分复用系统的进一步发展虽然拉曼光纤放大器能够有效地克 服稀土离子掺杂的光纤放大器所固有的缺点，实现宽带放大，但是这种类型的放大器要 实现光放大需要具有多个不同的波长的泵浦源，需要泵浦源具有很高的泵浦功率，需要 较为复杂的设计结构，因此很少单独使用此类光放大器来实现通讯信号的放大在现有 的通信系统中，即使将所有的稀土离子掺杂的光纤放大器联合使用，也不能实现石英光 纤整个通讯窗口的同时放大。如果用一个超宽带光纤放大器能够实现位于1 2 一1 6 岬波 段的光信号的同时放大，这无疑将会给未来的数据传输系统带来一场新的革命。而要研 制这种新型的超宽带光放大器件，就应该首先开发位于1 2 1 6 岬波段的宽带发光材料。 铋掺杂玻璃在特定波长激发下会产生覆盖1 0 0 0 1 7 0 0 n m 波长范围的超宽带红外发 光，有着2 0 0 n l t l 以上的半高宽和数百微秒的荧光寿命，因此这种材料很有希望实现超宽 带光放大，并成为新一代的光纤放大器的核心在本论文中，我们主要制备了铋掺杂的 硼酸盐和硼硅酸盐玻璃，并对其发光机理进行了初步研究。这类铋离子激活的发光材料 室温下在8 0 8 n l 激光器的泵浦下能够产生位于1 3 0 0 姗的宽带和长寿命的荧光，并且能 够实现光放大。我们获得的主要成果如下： l 、在8 0 0 啪激光激发下，c a o b 2 0 3 玻璃系统观察到了位于1 3 0 0 肿处的红外宽带发光， 有1 8 0 n m 的半高宽和8 0 “s 的寿命。而空气气氛中烧制的s 幻b 2 0 3 和b a o b 2 0 3 玻璃 样品难以观察到红外发光，但是在还原气氛下制备的相应组成的玻璃均出现宽带红外 发光。这说明低价b i 离子是产生红外发光的原因。我们经过分析认为b i + 分布于玻璃 网络结构中，产生了红外宽带发光。 2 ，铋掺杂的硼硅酸盐玻璃在4 6 8 n m 激发下，随着玻璃硼含量的增加，我们观察到了位 于6 3 0 n m 处的二价铋离子的发光，这表明随着组成的变化玻璃中低价铋离子的数目 在增加，同时我们也发现了7 8 0 l 】m 的发光和位于1 3 0 0 舢处的红外发光，这两处发 光随玻璃组成变化先增强后减弱。 3 、利用8 0 8 n m l d 去激发硼硅酸盐玻璃发现了位于1 3 0 0 i l i l l 的红外发光，并且我们也发 现了随着玻璃组成中硼含量的增加，红外发光先增强后减弱。对比7 8 0 砌的发光的 变化也有同样规律，我们认为1 3 0 0 姗处的红外发光以及7 8 0n m 处的发光应该是来 源于相同的发光中心，即b i + 并且硼在玻璃中的配位结构对b i 的红外发光有重要的 影响 4 、通过优化硼硅酸盐玻璃组成，我们通过光放大实验观察到了红外光信号的放大，这表 明硼硅酸盐玻璃是一种很有希望的光放大材料 关键词：铋；宽带红外发光；光放大；光纤放大器 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o m l a t i o ns o c i e t yr e q u i r e st l l ec o n t i n u o u si m p r 0 v e m e n to f d a t at r 狮s p o n a t i o nc a p a c i t ) ，o fo p t i c a lc o m m u i l i c a t i o nh l t e m e t i ti sa na t n a c _ t i v ew a yt o i i l c r e 弱et h et r a n s f e 币n gc 印a c i t yb yi n c r e a l s i n gt h ec h 锄e ln u m b e ro ft h es y s t 锄s i n c et h e c h 锄e l 删【i n b e ri sd e t e n n i n e db yt h eg a i nb a n d w i d t h0 f 舶e r 锄叩l i f i e r 虹l ew i d e rn l eg a i n b a n d w i d t h ，t l l em o r em ec h 锄e ln 1 【l m b e r c o n s i d e r a b l ee f f o n sh a v eb e e nd e v o t e dt ot h e a c l l i e v 锄c 1 1 to f b r o a d b 锄d 锄p l i f i c a t i o nb yc h 0 0 s i n gr 锄汜e a 吡( e g p ，t m 3 + o re r 3 + ) d o p e d 硒e r 锄p l i f i e r s ( r e d f a ) u i 怕m m a t e l y ，t l l ea p p l i c a t i o nb 锄d w i d m so fr e d f a sa r eh a r d l y b e y o n d1o o i l l l lb e c a u s em e 甜t r 锄s i t i 伽so fr 盯ee 卸m li o ma r ec o n f i n e di nt l 嵋i n n 昏s h e l l ， w l l i c ha r ei n s e n s i t i v et 01 0 c a le r i r 0 珈【i l e n t a l f i b e rr a m 锄撒1 p l i f i e r sc 孤o v e r c o m et h e s e d r a 毗l a c k s 觚dr e a l i z em eb r o a d b a n d 锄p l 滔c a t i o n h o w e v t l l e yr e q u i r em u l t i - w a v e l 踟g t h p 啪p i n gs c h 锄e s ，h i 曲_ p o w e rc o n s u i i 】l p t i o n 锄dm o r ec 0 m p l i c a t e d 鼬r i i c t u r e s h lm ec u r r e n t s t a n 塔o fw d ms y s t 锄，t l l e r ea r es o m eo p t i c a lt e l e c 0 玎删c a t i o nw a v e b a i l di nm em g eo f 1 2 1 6 j i 正mw h i c ho p t i c a l 舭l p l i f i c a t i o nc 锄n o tb er e a l i z e db yr e d f a s i fo p t i c a l 锄p l i f i c a t i o n c 觚b er c a l i z e db yas i n 酉eb r o a d b 觚d 丘b e r 锄p l i f i e ri l la l lo p t i c a lt e l e c o n h n u i l i c a t i o n w a v e b 锄df 酗m1 2 坶nt 01 6 弘m ，an e wr e v o l u t i o nc a i ln od o l l b tb e 黼t i c i p a t e di nm ef h t u r e d a t a 仃a i l s p o r t a t i o ns y s t e m h lo r d e rt of a b r i c a t em en e ws 印e r _ b r o a d b 锄d0 p t i c a l 锄p l i f i c a l i o n d e v i c e s ，i ti se s s e n t i a lt 0e x p l o r et h el u m i n e s c e n c em a t 甜a l se s p e c i a l l yc o v e r i n g1 2 1 6 弘m r e 百o n w i t hs o m ec e r t a i ne x c i t a t i o n ，b i s m u m d o p e dg l a s s e ss h o wu l 昀七r o a d b a n dl 啪i i l e s c e i l c e c o v e r i n gl0 0 0 l7 0 0 姗w a v e l e i l 酏r e 西o n t h ef i l l lw i d t ha th a l fm a x i m u mo ft 1 ：l i si n f 鲫e d l u m i n e s c e n c ei so v e r2 0 ) i l ma n dt h en u o r e s c e n c el i f e t i m ei sa b o u th u n d r e dm i c f o s e c o n d s t h e s ep r o p e r t i e si n d i c a t et h a tb i s m u t h d o p e dg l a s s e sm a yb eap r o m i s i n go p t i c a la m p l i f i c a t i o n g a i nm e d i u m i i lt h i st h e s i s ，w es y n t h e s i z eas o no fb i - d o p e db o r a t ea n db o r o s i l i c a t e9 1 a s s e s a i l dm ec o 玎e s p o n d i n gi n 仔a r e dl 啪i n e s c e n c ei s s t u d i e d u p o nt l l ee x c i t a t i o no f8 0 8 i l i i l l a s e r d i o d e ，m eb i s m u t ha c t i v a t e d 西a s ss a m p l e sc a ne m i tt h ef l u o r e s c e n c ep e a k i n ga tl3 0 嘶w i t h b o t hb r o a d b a n da n dl o n gl i f e t i m ef e a t u r e m a i na c h i e v c dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w ： 1 ， n o 印p a r e n ti n 行a r e d1 啪i n e s c e n c ei so b s e r v e di nt h es 而一b 2 0 3 鲫db a o b 2 0 3p r 印a r e di n a i r ，w h i l e g l a s s e sp r 印卸e d i n r e d u c i n ga t m o s p h e r ee x h i b i t ab r o a d b a n di n 行卸e d 1 u m i n e s c e i l c ep e a l ( i n ga tl3 0 0n mw i t l laf u l lw i d t ha th a l fm a x i n l u m ( f w h m ) o fa b o u t 2 0 0 i l mw h e i le x c i t e db y 锄8 0 8 m nl 髂e rd i o d e am e c h a n i s mw a sp r o p o s e dt oe x p l a i nm e 0 b s e 酣p h e n o m e n a t h ep r e s e n c eo fl o wv a l e n c eb i s m u t h ，p r o b a b l yb i + ，i sr e s p o n s i b l e f 0 rt h eb r o a d b a i l di n 仔a r e d 锄i s s i o n 2 、t h el u m i n e s c e n c ep e a l ( i n ga t7 8 0 i 】m 锄dl3 0 0 l 】mi so b s e n ，e di n b i d 叩e ds o d i u m b o r o s i l i c a t eg l a s s e sw i t h4 6 8 砌钹c i t a t i o n t h el u m i n e s c e n c en e n s i 哆a t7 8 ) n m 锄d 13 0 i s f i r s t l yi n c r e 舔i n gb u tl a t e rd e c r e 弱i n g 雒t h ec o m p o s i t i o no f 酉a s sc h a l l g e d 3 、w ea l s oo b s e e dt h ee r i l i s s i o na tl3 0 0 i 】mi nb i d o p e ds o d i 啪b o r o s i l i c a t eg l 鹊s e se ) 【c i t e d b y8 0 8 姗l d b a s e d0 nt h e0 b s e r y a t i o nt h a tt h e r ca r es i m i l a ry 撕e t yo fl u m i n e s c 曲c e 缸e l l s 时a t7 8 0 姗a n d1 3 0 0 衄，h e l lm ec o n t e n to fb 2 0 3i n c r e 勰伪，w ec 锄d 瑚ya c o n c l u s i o nt h a tt h el 硼【1 i n e s c e i l c ec e n t e 璐o f7 8 0 n ma n dl3 0 0 i 】ma 聆t h es a m e ，n 锄e i y ，b i 十 4 、w e o p t i m i z et l l ec o m p o s i t i o no fb i d o p e ds o d i u mb o r a t es i l i c a c e 舀勰s 锄dt h ec h a i l g ei n o p t i c a ls i 印a 1w a u sm e 勰u r e dw i m8 0 8 姗l de x c i t a i i o n a na s es p e c t r u mv 嘶f i e st h a tt h e 哲嬲ss a i 】叩l er e a l i z e st h eo p t i c a l 卸叩1 i f i c a t i o n b r o a d b a r l da i i l p l i f i c a t i o ni n d i c a t e st l l a tm c b i d o p e ds o d i 啪b o r a t es i l i c a t e 酉硒sh 弱p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nb r o a d b 锄do p t i c a l 肋e r 锄p l i f i e r sa n dt u n a b l el a s e r s k e yw o r d s ：b i s m u t h b r o a d b a i l dl u m i n e s c 锄c e ；o p t i c a la m p i i f i c a t i o n ；f i b e r a m p l i f i e r s 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他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。 学位论文作者签名：多睦=签字日期：洲驴年_ l 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆基堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字r 期：力眇驴年乡月7 口同 签字同期：乞胪留年f 月f 。日 浙江人学硕i j 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 通信是伴随着人类相互交流的需要而诞生的，将带有信息的信号通过某种系统由发 送者传递给接收者，这种信息的传输过程就是通信通信的媒介包括纸张，电磁波，电 压，光等等。最早的光通讯方式就是烽火台通信，古希腊人也利用火炬的位置来表示字 母传送信息，不过那时的光通讯所承载的信息量很少1 9 世纪初，莫尔斯发明了电报， 贝尔发明了电话，使得人们开始利用电信号传递消息。2 0 世纪初发明的无线电通讯，给 人类的通信带来了一场革命。从此，电信号的信息传输方式得到了广泛的应用和发展 2 0 世纪里，通信系统不断更新换代，系统的容量也在不断增加综观整个电信技术的发 展过程，通信网的发展已经历了二个阶段，现正向第三阶段发展。 最早的通信网是经典网或称第一代通信网，用电缆作连接线路传送信息，节点为由 纯电子器件构成的设备，完成信息的收、发、中继和交换等功能，各项信号处理部在电 域完成，是纯粹的电通信网。通信网发展的第二阶段是用光纤代替铜线，由于光纤极宽 的带宽和极小的损耗，使得通信系统的容量达到了一个前所未有的高度。光纤通信又叫 光缆通信，是以光纤作为传输介质，光波作为信患载体进行的通信这种通信系统的工 作原理如图1 1 所示系统主要包括三大部分，即光发送设备，光接收设备，和光传输 设备。光发送设备主要有驱动器和光源，其作用是把电端机输入的信号对光源进行调制， 使光源产生与电信号像对应的观信号进入光纤。光接收设备主要有光检测器和放大器， 当光信号通过光纤到达光接收设备时，光检测器把光信号转换为电信号，经放大后进入 电端机在没有中继器的短距离通信系统中，传输设备是指光缆，在远距离的通信系统 中，为了补偿光纤的损耗，并且消除信号失真与噪音的影响，光缆经过一定距离需要加 装中继器。其作用是将光信号放大并送入下一段光纤中。 到2 0 世纪8 0 年代初期至现在，光纤通信已经被大规模推广应用。这种通信方式实 现宽带低误码信息传输，这是日前广泛应用的一类通信网，其典型代表是光纤分布式数 字接口( f d d i ) ，分布式排队双总线( d q d b ) 和循环多接入双总线( c r m a d b ) 等。f d d i 基本上是一种大型1 0 0 m b s 局域网( l 舢町，是一种稍加变形的令牌环网，d q d b 和 c l 蝴a d b 都是双总线城域网( m a n ) 。 浙江人学颂l ：学位论义 光 光缆 光 电发 n 中 端送 电信号 机设 光信垮 继 器 备 光信号 光 光缆光 审 o 接电 l 收 j 山 师 继 光信号 设机 器 备 图l 光纤通信的基本组成 几乎所有第二代通信网在拓扑结构和技术都是在其相对应的电通信网的基础上作某 些改进，在中继站和节点将光信号接收后在电域作处理，再转发或进行交换，这类通信 网虽然速率提高了，误码降低了，但基本上是用光纤代替铜线作为传输媒质，而其他方 面却末见有多少改进，中继站和节点的电子瓶颈限制依然存在，仍只能提供电线网所能 完成的业务功能。 在整个光纤通信的发展过程中，可将光纤通信发展大致归结为以下四代【1 1 ： 第一代光纤通信的工作波长h 一8 5 0 姗；属于短波长波段，传输光纤用多模光纤。光 源使用砷化铝镓半导体激光器，光电检测器为硅材料的半导体p 玳光电二极管或半导体 雪崩光电二极管。这一代光通信以1 9 7 7 年美国亚特兰大进行的码速率为4 4 7 3 6 m b i t ，s 的 现场实验为标志 第二代光纤通信的工作波长= 1 3 l o 啪，传输用多模光纤。该波段属于长波段，是 石英光纤的第二个低损耗窗口，有较低的损耗且有最低的色散。相应的光源是长波长 h l g a a s p h l p 半导体激光器，光电探测器采用g e 材料 1 9 8 4 年实现了波长h = 1 3 l o n m 单模光纤通信系统，这是第三代光纤通信。单模光纤 较多模光纤色散低得多，损耗也更少。这一代光纤通信广泛应用于长途干线和跨洋通信。 8 0 年代中后期又实现了波长= 1 5 5 0 m n 单模光纤通信系统，这是第四代光纤通信。 1 5 5 0 n m 是石英光纤的最低损耗窗口，并且开始使用铒光纤放大器( e d f a ) 和波分复用 ( w d m ) 等新器件。9 0 年代中期至今，属于第五代光纤通信系统，主要特征是：采用 d w d m 密波分复用技术组建大容量传送平台，单波长信道传输速率已达到l o g b s 甚至 更高，另外将语音，数栅和图像等业务融合在统一平台上传送，如多业务传输平台m s t p 等。 浙江人学顾上学位论义 从2 0 世纪8 0 年代至今，通信网正朝着第三代发展。光放大器的问世为通信网的发 展提供了新的技术基础，光放大器在通信网中的应用分为两类：一类是用光放大器对现 有通信网进行改建，以提高现有通信网的性能，属经典应用；另一类是利用光放大器构造 新颖光信号处理功能器件，建立全光传送网【2 ，3 1 。 8 0 年代末至9 0 年代初研制成功的掺铒光纤放大器( e d f a ) ，己广泛应用于1 5 5 m m 频段的光纤通信系统，大大推动了光纤通信向全光传输方向发展，目前e d f a 已成为非 常成熟的技术；e d f a 光纤放大器摒弃了传统的光电光数据传输模式，直接对光信号进 行放大在此之前，由于不能直接放大光信号，所有的光纤通信都只能采用光电光 ( q e o ) 的中继方式，即先将光信号变为电信号，在电域里面放大，再生处理以后，在 变成光信号在光纤中传输光纤放大器可以直接放大光信号，这就使得通信系统由光电 光中继变为全光中继，从而有效地克服了原来的传输模式中的电子瓶颈问题，这种光放 大器同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声低损耗的全光放大功能，是新一 代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速 率与距离的限制，更重要的是它开创了1 5 5 0 玎m 频段的波分复用技术( 图1 2 ) ，从而将 使超高速、超大容量超长距离的波分复用、密集波分复用、全光传输、光孤子传输等 成为现实，可以说是光纤通信发展史上的一个里程碑。波分复用技术是在一根光纤上传 输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效扩展光纤通信方式。 i牝。兮；羊 i 兀及达卜 后 光纤 后 光纤 后 光发送 i 光发送卜 复置 o 置 o 。 置复 叫光发送 用 光光光 用 器 放放放器 大大大 i 光发送 7人 光发送 图1 2w d m 系统图 现在光通信领域中实用的光放大器是光纤放大器，包括在纤芯中掺杂微量稀土离子 的光纤放大器，也包括利用光纤基体玻璃本身具有的诱导拉曼散射现象的拉曼光纤放大 器3 ，6 1 。在此简要回顾光放大器的发展历史，介绍一下不同类型的光放大器，并比较一下 其优缺点，展望宽带光放大器今后发展方向。 浙江人学硕i j 学位论义 1 2 光放大器的历史 在电子学的发展过程中，利用荷电粒子的运动实现了电磁波的放大，当设置适当的 反馈机构后，获得了单色的相干电磁辐射。在近一个世纪中，人们利用这种相干电磁波 发展了电子工业，在工业经济与科技现代化过程中发挥了巨大的作用。激光的问世及其 发展将现代社会从电子时代推向了光子时代产生激光的先导和基础是相干光的放大。 当1 9 5 4 年第一台n h 3 分子微波量子放大器研制成功时，人们发现，可通过原子或分子中 的受激放大来获得单色的相干电磁波，称为脉塞( m a s 盱m i c r 洲a v e 知n p l i f i c a t i o nb y s t i m u l a t c de m i s s i o no f i 己a d i a t i o n ) 1 9 5 8 年肖洛( s c h a w l o w ) 和汤斯( t 0 w n e s ) 将m 鹊e r 原理推 广到光频波段，1 9 6 0 年梅曼( m 锄a i n ) 利用红宝石介质的受激放大原理研制成第一台红宝 石激光器，称为莱塞( l 嬲e 卜- i ，j g b t n p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f i t a d i a t i o n ) 或 称激光不管是m 硒e r 还是h e r ，其产生相干电磁波辐射的机理都是基于电磁波的受激 放大自1 9 6 0 年第一台宝石激光器研制成功以来，激光器件飞速发展，并迅速应用于各 个领域，如医疗，通讯，测距，机械加工等，然而作为激光器先导的光放大的发展却比 较迟缓，直到8 0 年代，在光纤通信飞速发展的不断推动下，才开始引起足够的重视。9 0 年代，光纤放大器的问世引起了光纤通信技术翻天覆地得变革。下面我们将详细介绍一 下各种不同种类的光放大器件，并在此基础上分析各自的优缺点 1 3 光放大器的原理与类型 、八 n h l p u to p t i c a is i 黟脚 图1 3 光放大器的结构示意图 一般来说，光放大器均具有增益介质、泵浦源、光输入输出耦合结构。在一些高增益 状态下，光放大器对来自连接器，熔接点，滤波器等的反射光非常敏感，并可能导致性 能恶化，为阻止反射光，在一些光放大器中常另加光隔离器。光隔离器是一种只允许单 向光通过的无源光器件，能够有效的防止由于光反射形成的光振荡，以及反馈光引起的 4 浙江人学硕i ：学位论文 信号激光器工作状态不稳定。图1 3 为光放大器的基本结构示意图。 根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器，一类采用活性介质，如半导体材 料和三价稀土离子激活( n d ，s m ，h o ，e r ，p r ，t m 和y b ) 的光纤，利用受激辐射机制实 现光的直接放大；另一类基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大， 如光纤拉曼放大器和光纤布里渊放大器。下面对各种光放大器分述于下： 1 3 1 半导体光放大器 半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制，实现相干光放大，其原 理和结构与半导体激光器相似，结构示意图如图1 - 4 当偏置电流低于振荡阈值时，激 光二极管对输入的相干光具有线性放大作用当偏置电流高于振荡阈值时，通过注入锁 定，激光二极管可以作为非线性放大器线性放大器可分为两类：发布里一玻罗( f - _ p ) 光放大器和行波( t 聊光放大器，两者的区别在于两个端面的反射率不同，卜_ p 光放大器 端面反射率高，光在两端面间来回反射，产生共振放大。t w 光放大器端面反射率很低， 光在沿介质行进过程中被放大，然后出输出端面输出，而不产生反射 = = = 输入光信号 图1 4 半导体光放大器结构示意图 = 输出光信号 在6 0 年代半导体激光二极管尚未成熟，但已在7 7 k 下，首先进行了g a a s 同质结行 波半导体放大器的研究，开创了半导体光放大器研究的先河，确立了半导体光放大器的 基本理论。至1 9 7 0 年，双异质结结构( d h ) 激光器问世后，又实现了t w 半导体光放大器 的室温连续工作。在1 9 7 3 年至1 9 7 5 年问，开始从光纤通信应用需求出发，研究双异质 结结构t w 和光放大器的特性并取得重要进展。8 0 年代初采用消除反射光的光 隔离器和精确的光频率调谐技术，深入研究了a l g a a s 卜p 光放大器的增益、带宽、饱 和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开始研究半导体放大器的注入 锁定现象、机理、设计和放大特性。随着光纤通信技术的发展，8 0 年代中期开始研究适 用于1 3 p m 和1 5 岬波长的i n g a a s p 半导体光放大器。 s 浙江人学顺i j 学位论文 半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太 大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集 成和光电集成电路结合使用。由于半导体光放大器的工作原理决定了其放大增益不是很 高，因此半导体放大器在现代光通信系统中作为纯粹功率放大应用较少，它更多的是被 用作高速通信网中光开关、光复用解复用器和波长变换器等光信号处理模块。 1 3 2 光纤拉曼放大器( f r a ) 随着通信业务需求的飞速增长，对光纤传输系统的容量和无中继传输距离的要求越 来越高密集波分复用( d w d m ) 通信系统的速率和带宽不断提升，以1 0 g b i t ，s 甚至更 高速率为基础的密集波分复用系统必然成为主流的光传输系统。掺铒光纤放大器( e d f a ) 由于其增益平坦及噪声等局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求而相对于 掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器具有更大的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性 好以及放大器自发辐射噪声低等优点，光纤拉曼放大器是唯一能在1 2 9 2 1 6 6 0 眦的光 谱上进行放大的器件。并且，拉曼散射效应在所有类型的光纤上都存在，与各类光纤系 统具有良好的兼容性，包括已铺设和新建的各种光纤链路。光纤拉曼放大器与新型大有 效面积传输光纤、高光谱效率调制码型和向前纠错技术被称为现代大容量、长距离光纤 传输的四大关键技术 1 3 2 1 光纤拉曼放大器的工作原理和性能 1 3 2 1 1 光纤拉曼放大器工作原理 e 3 e 2 e l 图l - 5 斯托克斯光子的严生过程 光纤拉曼放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应( s r s ：s t i m u l a t e d r a m 锄s c a n e r i n g ) 。受激拉曼散射过程可以看作是物质中分子对光子的散射过程，或者说 光子与分子谐振子的相互作用过程。s r s 的基本过程如图1 5 所示。当激光束进入介质 以后，光子被介质吸收，使介质分子由基态能级e l 激发到高能级e 3 = e 1 + h ( i ) p ，其中h - w 2 兀， h 为普朗克常数，为入射光的角频率。居于高能级的分子不稳定，它将很快跃迁至一 6 浙江大学硕i j 学位论文 个较低亚稳态能级e 2 并发射一个散射光子，其角频率为( i 。 7 d ，然后驰豫到基态，并产 生一个能量为h q 的光学声子。光学声子的角频率由分子的谐振频率决定。这个非弹性散 射过程前后总的能量是守恒的，即h d - h 。+ l l q 。散射光称为斯托克斯( s t o k e s ) 光1 3 ，6 1 。 实际还可能存在另外一个散射过程，如果少数分子在吸收光子能量以前已经处在激 发态e 2 ，则它吸收光子能量以后将被激发到一个更高的能级e 4 = e l + h 上，这个分 子从能级e 4 直接跃迁回基态能级e ，将发射一个反斯托克斯光子反斯托克斯光子的角 频率( i ，硒= ( 1 ，d + q ，具体过程如图l 一6 所示【3 ，6 1 。 图l 正反斯托克斯光子的产生过程 e 4 e 2 e l 在热平衡下，基态能级e i 上的分子数n l 和激发态e 2 上的分子数n 2 之比由费米分布 决定，即 2l + e x p 【警】2一后。丁。 m l 坳 警】 式中e f 是分子的费米能级，l ( o 是玻尔兹曼常数，t 为绝对温度。在常温下，总有n 2 n l 、一、 l b l a ( r ) 3 l j l w 1 2、2 1 a ( r ) 2 ， ：a ( ： 1 r1r 1r 泵浦能级3 介稳态能级2 基态能级l 图i 8 ( a ) 是铒离子的能级。通过实现粒子反转分布，实现源于第一激发态4 1 1 3 尼能级到 基态4 i l 影2 跃迁的1 5 5 岬附近的光放大那么如何实现粒子数反转呢? 通过一些简单的 模型，就可以很好的理解光放大器如何泵浦，它们的粒子数密度如何反转在实际使用 的放大过程中，泵浦与激光过程通常都涉及很多能级，在这些能级中发生很复杂的激励 和串级驰豫过程。要恰当的描述激光材料的工作，只有利用多能级图。不过通过常见的 三能级或四能级简图也能理解其主要特性，我们先以三能级简图加以说明。图1 9 为三 能级激光系统的能级示意图，其中能级1 为基态；能级2 为亚稳态，其寿命t 较长，这就 为电子在该能级充分聚集提供了先决条件；能级3 为泵浦能级，此能级的寿命较短。能 级l ，2 间产生粒子数反转分布，相应的激光跃迁发生在两者之间。 从能级l 到能级3 的泵浦率为r 1 3 能级l 与能级3 间的受激辐射率为r 3 l ，对激发 态能级3 ，有两种可能的衰减方式，其一为自发辐射跃迁，其一为非辐射跃迁，两者的跃 迁速率分别为a ( r ) 3 _ a ( r ) 3 1 + a ( r ) 3 2 和a ( m u 3 2 能级1 ，2 间的受激吸收率为w 1 2 ，受激 辐射率为w 2 l ，激发态能级2 的自发辐射和非辐射衰减率之和为a 2 _ a ( r ) 2 l + a ( n r ) 2 l ，其 中a ( r ) 2 1 = l 一假设n 。为总的粒子数，即n 。_ n l + n 2 + n 3 。由图4 ，可写出相应的速率方 程，分别为： 鱼兰：一( r 1 3 十w 】2 ) n 1 + 【w 2 l + a ( r ) 2 l + a ( n r ) 2 l 】n 2 + 【r 3 l + a ( r ) 3 1 】n 3 d f 鱼：w 1 2 n 1 【w 2 l + a ( r ) 2 l + a ( n r ) 2 i 】n 2 + 【a ( n r ) 3 2 + a ( r ) 3 2 p ：n 3 d f 鱼：r 1 3 n l _ 【r 3 l + a ( n r ) 3 2 + a ( r ) 3 2 + a ( r ) 3 l 】n 3 d t 1 2 ( 2 ) ( 3 ) 浙江人学硕f j 学位论文 当速率方程处于稳态近似下，即粒子数处于动态平衡下，辈= o ( i = 1 ，2 ，3 ) 。令 d f a _ i 之3 l 斗a ( n r ) 3 2 + a ( r ) 3 2 + a ( r ) 3 l ，b = w 2 l + a ( r ) 2 l 斗_ a ( n r ) 2 l ，c = r 3 1 + i a ( r ) 3 l ，( 1 = a ( n r ) 3 2 + a ( r ) 3 2 ， 则从方程( 2 ) ，( 3 ) 得， w 1 2 n 1 b n 2 + d n 3 = o( 4 ) r 1 3 x n i a n 3 = 0( 5 ) 由方程( 4 ) ( 5 ) ，解得， n 3 - 墅l ( 6 ) n 2 ：华l ( 7 ) 将n 3 ，n 2 代入n t = n l + n 2 + n 3 ，解得， n l = ，：_ 二_ 等；蕊 ( 8 ) 口( 6 + 形2 ) + r 1 3 ( d + 6 ) 、7 n 2 ：，i 罢譬熙 ( 9 ) 盘( 6 + 暇2 ) + 灭1 3 ( d + 易) 、 n 3 = f i ；坚蕊 ( 1 0 ) 。 口( 6 + 彤2 ) + 尺1 3 ( d + 6 ) 、7 如果来自能级3 的非辐射衰减远大于辐射衰减，即a 3 2 a ( r ) 3 2 + a ( r ) 3 l ；激发态能 级2 的自发辐射率远大于非辐射衰减率，即a ( r ) 2 i a | n r ) 2 l ，此时a = _ r 3 l + a ( n r ) 3 2 ， b = w 2 l + a ( 】对2 1 ，c = r 3 l 斗a ( r ) 3 l d = a d 浓) 3 2 代入方程( 8 ) ( 9 ) ，整理得， n 1 _ ， ( 1 + ) ( 1 + 击) 1 + 删z + 】( 1 + 盘) + 志( 1 + 彤：) 塌， 。，凡什( 1 + 击) 叫而磊瓦蓊霉商【1 竹( 彤：+ 吲】( 1 + 恭赫) + 茄蒜( 1 + 媚：) + 始 ( 1 2 ) 浙江人学倾i j 学位论文 胁，而苗器瓦 m ， n l ：，_ 毒