（材料科学与工程专业论文）镍铬共掺透明微晶玻璃光学特性的研究.pdf

摘要 随着计算机网络和通讯技术的发展，超大容量信息、传输和超快实时信启、处理 已经成为光纤通讯研究的两个重要内容。目前，光纤制备技术的改进已经使光纤 通讯的窗口覆盖了1 2 到1 7g m 的近红外波段。传统的稀土离子掺杂光纤放大器由 于稀土离子发光峰窄的本征特点，表现出两个突出问题是：( 1 ) 有些波段处未 有合适的光纤放大器；( 2 ) 利用一根光纤一个泵浦源不能实现整个光通讯波段 的光放大。如果能够设计和制备新型的红外增益材料，通过该材料制备的一根光 纤就可实现多个波段甚至是整个光通讯波段的光放大，势必会给光通讯技术的发 展带来很大的推动作用。最近，过渡金属n i 掺杂透明微晶玻璃受到了人们的广泛 关注。这种新型n i 2 + 激活光学材料在近红外区域具有较长寿命和能够覆盖整个光 通信窗口的宽带发光，是一种很有应用潜力的宽带光放大材料。 但是，我们还发现，n i 2 + 离子在透明微晶玻璃中的掺杂浓度都比较低( 一般 0 1 m o l 左右) ，低的掺杂浓度必然导致低的泵浦光吸收效率，这不利于其在光 纤放大器和激光增益基质方面的应用。我们根据敏化发光原理，提出了在一些 n i 2 十掺杂透明微晶玻璃体系中共掺敏化离子通过能量转移来提高泵浦效率的方 法，使n i 2 + 离子的宽带近红外发光性质大大提高，并研究它们之间的能量转移机 制。通过活性离子之间的能量传递可以增加受体的固体激光泵浦效率。研究表明 可以通过c r 3 + 的掺入来有效敏化稀土离子的发光，例如c r 3 + 的掺入使n d 3 + 离子的 激发范围扩展到红绿宽光谱段，因为c r 3 + 掺杂的材料在可见光范围有强和宽的吸 收，与常用高功率氙灯泵浦源的发射波长有很好的重叠。近来，微晶玻璃中，镍 铬之间的能量传递使得n i 2 + 的近红外光谱性能得到很大改善。镍铬共掺的微晶玻 璃在超宽带光放大和可调谐激光方面具有很好的应用前景。 本论文主要制各了两个镍铬共掺体系的微晶玻璃，观察到了镍铬之间的能量 传递引起的宽带近红外发光。其内容如下： 1 制备了镍铬共掺的m g a l z 0 4 微晶玻璃，并且测试了它的发光性能。吸收 光谱表明c r 3 + 和n i 2 + 均进入了微晶玻璃中析出的m g a l 2 0 4 纳米晶并居于八面体 六配位位置。在5 3 2 n m 的激发下，c r 3 + 的掺入使n i 2 + 离子的近红外发射有效增强。 这表明c r 3 + 和n i 2 + 之间的能量传递可以提高n i 2 + 掺杂离子的微晶玻璃的发光性 能。 2 制备了镍铬共掺的1 3 - - g a 2 0 3 微晶玻璃。通过测试4 6 8 n r n 激发下的发射光 谱，时间分辨光谱，寿命衰减曲线来表征c r 3 + 对n i 2 + 的能量传递。激发光谱表明， 通过共掺c r 3 + ，n i 2 + 离子的近红外发射可以在3 5 0 n m 到7 5 0 n m 波段激发下得到。 a b s t r a c t w i t ht h e s p e e d yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dt e l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw i t hh i g hs p e e da n dh i g hc a p a c i t yi s d e m a n d e d r e c e n t l y ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e di nt h eo he l i m i n a t i o no fs i l i c a f i b e r s ，a n da sar e s u l t ，t h et e l e c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nh a sb e e ne x t e n d e dt ot h e r a n g ef r o m1 2 t o1 7 肛m t h e r e f o r e ，c o n s i d e r a b l ee f f o r th a sb e e nd e v o t e dt ot h e d e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r sw h i c hc a nb eu s e dt op r o d u c eo p t i c a lg a i n sa t d i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nb a n d s f o re x a m p l e s ，e r b i u m ( e r ) 一d o p e df i b e ra m p l i f i e r s p r o v i d eg a i ni nt h ecb a n d ( 1 5 3 0 1 5 6 5n m ) ，lb a n d ( 1 5 7 0 1 6 0 5n m ) a n dsb a n d ( 14 5 0 15 2 0n r n ) s o m eo t h e rt y p e so ft h ea m p l i f i e r ss u c ha st h u l i u m ( t m ) 一d o p e d a m p l i f i e ri nt h esb a n d ( 14 5 0 15 2 0n m ) a n dp r a s e o d y m i u m ( p r ) 一d o p e da m p l i f i e ri n t h eob a n d ( 1 2 6 0 1 3 6 0n l n ) w e r ea l s od e v e l o p e d i fw ew a n tt or e a l i z e o p t i c a l a m p l i f i c a t i o ni nt h ew h o l et e l e c o m m u n i c a t i o nw i n d o wb yu s i n gr a r e - e a r t h - - i o n s - d o p e d a m p l i f i e r s ，t h eo n l yw a yi st oc o m b i n ed i f f e r e n tt y p e so fe x i s t e da m p l i f i e r s s ot h e b r o a d b a n da m p l i f i c a t i o ni nt h ew h o l e13 0 0 16 0 0n n q tr e g i o nb yu s i n go n l yaf i b e r w o u l db e e x p e c t e d t o s i m p l i f y t h e c o n f i g u r a t i o no fo p t i c a la m p l i f i e r s a n d r e v o l u t i o n i z et h ep r e s e n tt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r e c e n t l y ，t r a n s i t i o nm e t a ln i d o p e dt r a n s p a r e n tg l a s sc e r a m i c s ( g c s ) h a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nf o rt h e i rl o n g l i f e t i m ea n db r o a d b a n dn e a r - i n f r a r e dl u m i n e s c e n c ec o v e t i n gt h ew h o l eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o nw i n d o w s ，w h i c hh a v ep 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 a n do p t i c a l a m p l i f i c a t i o nm a t e r i a l s h o w e v e r ，i ti sa l s of o u n dt h a tt h ec o n c e r n t r a t i o no fn i 2 + i o n sd o p e di ng c si s a l w a y sr e l e t i v e l yl o wf g e n e r a l l ya b o u t0 1m 0 1 ) s u c hl o wd o p i n gc o n c e r n t r a t i o n o b v i o u s l yr e s u l t si nl o ws t i m u l a t e da b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o nf o rp u m pl i g h t w h i c hi s u n f a v o r a b l ef o r t h ea p p l i c a t i o n so fo p t i c a lf i b e ra m p l i f i e ra n dl a s e rg a i nm e d i a a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs e n s i t i z e dl u m i n e s c e n c e ，w eu s es e n d i f i z e r sc o d o p e dw i t h n i 2 + i o n si nt r a n s p a r e n tg c st oi n c r e a s et h ep u m pe f f i c i e n c ya n di m p r o v et h e b r o a d b a n dn e a ri n f r a r e dl u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e so fn i 2 十i o n st h r o u g ht h ee n e r g y t r a n s f e r w ei n v e s t i g a t et h ee n e r g yt r a n s f e rm a c h a n i s ma sw e l l i i i e n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s e sb e t w e e no p t i c a l l ya c t i v ei o n sh a v eb e e nt r a d i t i o n a l l y u s e dt oc r e a t e p u m pc h a n n e l s i ns o l i d - s t a t el a s e r s a sa l le x a m p l e ，p r e v i o u s s p e c t r o s c o p i cs t u d i e sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a ti ti sp o s s i b l et oe x t e n dt h er a n g eo f e x c i t a t i o nw a v e l e n g t h so fn d + i o n st or e d g r e e ns p e c t r a lr a n g et h r o u g he f f i c i e n t s e n s i t i z a t i o no ft h en d 3 + l u m i n e s c e n c eb ym e a n so fc r 3 + c o d o p i n g s i n c ec r 3 + i o n s d o p e dm a t e r i a l sh a v eb r o a da n ds t r o n ga b s o r p t i o ni nt h ev i s i b l er e g i o na n dt h e i r a b s o r p t i o ns p e c t r ao v e r l a pw i t ht h ee m i s s i o ns p e c t r ao fx ef l a s h l a m pa n ds o l a rl i g h t c o n s i d e r a b l ee f f i c ie n te n e r g yt r a n s f e rb e t w e e nc r 3 + a n dr a r ee a r t hi o n sh a v eb e e n r e p o r t e d r e c e n t l y , e n e r g yt r a n s f e rf r o mc d + t on i 2 + i nc o d o p e dg c sh a v eb e e no f s p e c i a li n t e r e s tf o rt h ed e v e l o p m e n to fb r o a d b a n do p t i c a la m p l i f i e r sa n dt u n a b l el a s e r s p u m p e db yt h ev i s i b l el i g h tr e s o u r c e s i nt h i st h e s i s ，n o v e ln i 2 + - d o p e dt r a n s p a r e n tg c sw e r es y n t h e s i z e d ，f r o mw h i c h b r o a d b a n dn e a r i n f r a r e dl u m i n e s c e n c eo fn i 2 + d u et ot h ee n e r g yt r a n s f e rb e t w e e nc r 3 十 a n dn i 2 + w a so b s e r v e d m a i na c l l i e v e dr e s u i t sa r el i s t e da sf o i l o w s ： 1 w ep r e p a r e dc r 3 + n i 2 + c o d o p e dt r a n s p a r e n tm a g n e s i u ma l u m i n o s i l i c a t eg c s t h el u m i n e s c e n t p r o p e r t i e s o ft h eg c sw e r e i n v e s t i g a t e d ，a n d t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tc o d o p i n go fc r 3 + e n h a n c e dt h ei n f r a r e dl u m i n e s c e n c eo fn i ： o b v i o u s l y i ti se x p e c t e dt h a tt h ec o - d o p i n go fc r + m a yb ea l le f f e c t i v ew a yt o i m p r o v et h el u m i n e s c e n c ep e r f o r m a n c eo f n i 2 + d o p e dm a t e r i a l s 2 w es t u d i e dt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fc r 3 + n i 2 + c o d o p e dg c s c o n t a i n i n gg a 2 0 3 n a n o c r y s t a l s e m i s s i o ns p e c t r au n d e rc r j + e x c i t a t i o n t i m e - r e s o l v e de m i s s i o ns p e c t r a a n df l u o r e s c e n c ed e c a yt i m e so fc r i o n sh a v e b e e nm e a s u r e dt oc l a r i f ye n e r g ) ， t r a n s f e rf r o mc r 3 + t on i 2 + t h ee x c i t a t i o ns p e c t r ai n d i c a t et h a tt h eb r o a d b a n di n f r a r e d e m i s s i o no fn i 2 + i o n sc a r lb eo b t a i n e du n d e re x c i t a t i o nw i t hw i d ew a v e l e n g t hr a n g e f r o m35 0 n mt o7 5 0 n m 1 、 第一章绪论 1 1 光纤通讯发展历程 简单回顾一下光纤通讯的历史。现代光纤通讯的原型t 玎以追溯到i8 7 0 年著名 的t y n d a l t 实验。圈li 是该实验的示意图。在重力作用下水从高的容器中流 入位_ 藩! 低的窖器过程中形成了| 水柱t y n d a l l 将一束太阳光引入水柱，令他感到 有意思的是该光束沿着永柱吼“z ”字形传播。将该原理应用f 传输光信号的是 b e l l ，他于1 8 8 0 年演示了一套命名为p h o t o p h o n e 的光声传播系统，基于该系统 而建立的 f r e e s p a c eo p t i c a ll i n k s ”目自f 仍得到广泛的应用。但是该研究到2 0 世纪 初都进展不太其原因主要有两点：一是采用的光为非相干光源：二是没有理想 的光传输介质。 w 岫艮珥o m 甜b 托4 m lij o h n t y n d a l l 实验 图l2 光学纤维 到7 2 0 世纪中期，a m e r i c a no p t i c a lc o m p a n y 的o b r i e n 矛n m p e r i a lc o l l e g eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 的k a p a n y 质 时提出了利用全玻璃光纤传输光信号。其原 理( 如图1 2 所示) 就是基于t v n d a l l 实验【l 】。但是由于早期的玻璃光纤损耗很大， 其实际应用受到了很大的限制，主要被制备成光学纤维在医学上用于传输镜像。 同一时期，c o l u m b i a 大学的g o u l d 提出利用激光作为信号的载体。这一想法在当 时引起了b e l l 实验室t o w n e s 和s c h a w l o w 的注意并不久之后就得到了他们的实验 证明。此时，光通讯的瓶颈问题在于寻找合适的光信号传输介质。1 8 8 0 年，贝尔 发明了一种利用光波作载波传递话音信息的”光电话”，它证明了利用光波作载波 传递信启、的可能性，是光通信历史上的第一步。1 9 6 0 年，美国科学家梅曼 ( m e i m a n ) 发明了第一个红宝石激光器。激光与普通光相比，谱线很窄，方向 性极好，是一种频率和相位都一致的相干光，特性与无线电波相似，是一种理想 的光载波。因此，激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。 在光纤通讯历史上具有里程碑意义的一刻发生在1 9 6 6 年，英国s t a n d a r d t e l e c o m m u n i c a t i o n 实验室的k a o 和h o c l d a a m 发表了一篇研究论文提出如果光纤 的损耗能控制在2 0d b k m 以下，其可作为长距离光通讯中光信号的传输介质【2 j 。 此后，在19 7 0 年，c o m i n g 公司的m a u r e r ，k e c k 和s c h u l t z 首先制备了损耗在2 0 d b k m 以下玻璃光纤，使远距离光纤通讯成为可能 3 1 。1 9 7 4 年，贝尔实验室发明了制造 低损耗光纤的方法，称作”改进的汽相沉积法( m c v d ) ”，光纤损耗下降到1 d b & m 。 1 9 7 6 年，日本电报电话公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到0 5 d b k m 。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大成功地进行了4 4 7 m b i t s 的光纤通信系统试验。日本电报电 话公司开始了6 4 k m 、3 2 m b i t s 突变折射率光纤系统的室内试验，并研制成功l 3 微米波长的半导体激光器。1 9 7 9 年，日本电报电话公司研制出0 2 d b k m 的极低 损耗石英光纤( 1 5 微米) 。1 9 8 4 年，实现了中继距离5 0 k r n 、速率为1 7 g b i t s 的 实用化光纤传输系统。19 9 0 年，使用了1 5 5 微米长波长单模光纤传输系统，实现 了中继距离超过1 0 0 k m 、速率为2 4 g b s 的光纤传输。 9 0 年代以来，第四代光纤通信系统以频分复用增加速率和使用光放大器增加 中继距离为标志，可以使用( 也可以不使用) 相干接收方式，使系统的通信容量 以成数量级地增加，已经实现了在2 5 g b s 速率上传输4 5 0 0 k m 和1 0 g b s 的速率上 传输1 5 0 0 k m 的试验。 目前，正在研究丌发光瓶子通信系统。光弧子，即由于光纤的非线性效应与 光纤色散相互抵消使光脉冲在无损耗的光纤中保持其形状不变地传输的现裂。 光弧子通信系统将使超长距离的光纤传辅成为可能试验证明在25 g b s 的码 率下光弧子沿环路可传输1 4 0 0 0 k r n 的距离。 2 掣，、露嚣 “7 = 嘣一 兰_ ：孓! 三裟留。! ，1 t 一。 图l3 掺铒光纤放大器( e d f a ) 光纤的吸收和敲射会导致光信号的衰减，光纤的色散将使光脉冲发生畸变导 敷误码率增高，信号传输质量降低限制了通信距离。为了_ ；莆足长距离传输的需 要必须在光纤线路上加入中继器以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形。 最先采用的是光一电一光的中继方式该套系统由于涉及到光电转化，增加了系 统的复杂性从而限制丁光通讯技术的发展。2 0 世纪8 0 年代束9 0 年代初研制成功 的掺铒光纤放大罄( e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r e d f a ) 被认为是光纤通信发 展史上的另一个里程砰。它取代了传统的光一电一光的中继方式，实时在线的特 点不仅简化了光通讯系统，而且大大增加了传输距离目前已被广泛应用于i5 5 岬波段的光纤通信系统。图13 给出了一个e d f a 的示意图( f r o mc o m p u t e r d e s l a o pe n c y c l o p e d i a 2 0 0 1t h e c o m p u t e r l a n g u a g e c oi n c ) 。基于e d f a 的投 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l5 5 l i i l l 波段的波分复用技术，从而使超高速、超大容量、超长距离的波分复用w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 、全光传输和光孤子传输等成为现实。 1 一莒 3 1 一 ：。_ i 一 一藿_ = l 图14 光纤的损耗和四个通讯窗口 在过去的研究中，基于e d f a 的w d m 技术发展的同时推动了光通讯技术的发 展。w d m 系统一个很大的潜在优势是可实现大容量信息传输，即其容许多信道 信息传输。另一方面，光纤通讯技术发展的同时，材料学家一直致力于低损耗光 纤的制各研究，特别是干法光纤制备技术的突破已经使低损耗通讯窗口得到了拓 展。图i4 对比了不同时期所制备光纤的损耗图口l 。如图所示，先进的光纤制备技 术已经有可能将各个通讯窗口连接起来，从而能够同时传输近红外多个波段的光 信号。但是，能否像所期望的那样实现真正意义上的超宽带光通讯，还依赖于宽 带光纤放大器的研究。 ： = 2 弓 、 _ ， o j ob a n de b a n d sb a n dc b a n dl b a n d t jb e n d 1 2 6 0 - 1 3 “d n m h l 3 6 0 1 4 “j n m ) ( 1 4 6 0 1 5 3 0 n m ) ( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m h i s _ 1 6 2 s n m f 1 6 2 s - 1 6 7 5 n m p d f a t d f a 。s - c & le d f a e d f a t d f a - - 一- _ 一 c e d f a v 1 2 光通讯窗口 1 4 0 01 5 0 01 6 0 0 s i g n a lw a v e l e n g t h ( n m ) 图1 5 石英光纤的损耗图 对于光纤通讯而言，最重要的工作波长为：8 5 0 n t o 、1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 。8 5 0 n m 为第一代光通讯系统工作波长；1 3 0 0 r i m 跨越了第二、三代光通讯，具有较低损 耗和最低色散：第四代工作波长为1 5 5 0 n m 。石英光纤具有优越的机械性能，稳 定的热性能，在红外区域具有高透过率，因此最广泛应用于光通讯系统，现在开 发的光纤放大器基本上是对应石英系的通讯窗口设计的。石英系的光纤系统有将 近5 0 0 n m 的低损耗窗口( 1 2 0 0 1 7 0 0 r i m ) 分为o 带( 1 2 6 0 一1 3 6 0 n m ) ，e 带 ( 1 3 6 0 一1 4 6 0 n m ) ，s 带( 1 4 6 0 1 5 3 0 n m ) ，c 带( 1 5 3 0 一1 5 6 0 n m ) 。l 带( 1 5 6 0 1 6 2 5 n m ) 和u 带( 1 6 2 5 1 6 7 5 n m ) 六个波段。图1 5 为石英光纤的损耗图。它 们都是潜在的通信资源带宽，不同的波段可以通过不同的光纤放大器对光信号进 行放大。 1 3 光纤放大器 在光纤通信系统中，光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性 而减弱，从而使传输距离受到限制。造成光纤损耗的原因主要有：( 1 ) 吸收造成 的损耗；( 2 ) 散射造成的损耗；( 3 ) 光纤弯曲造成的辐射损耗；( 4 ) 插件连接损 耗，等等。为了使光信号能够传输更长的距离，就必须在光纤线路上加入中继器 对信号进行放大。早期使用的是光一电一光的再生中继器，即把光信号变为电信 号，进行整形、重定时和再生，然后把电信号变为光信号再送到光路上进行传输。 但是这种中继器需要供电设施，结构复杂，价格昂贵，而且在高速、大容量的波 分复用系统中不能使用。随着技术的发展，人们研究出了光放大器，它摒弃了传 统的光电光数据传输模式，直接对光信号进行放大，从而有效地克服了原来的传 输模式中的电子瓶颈问题。而且光放大器结构简单，体积小，价廉。光放大器的 出现解决了全光通信的关键问题，使光纤通信产生革命性的突破 枷。 光放大器可分为两类：一类是半导体光放大器；另一类是光纤放大器。目6 订 在光纤通信系统中实用的光放大器主要是光纤放大器，包括纤芯中掺杂微量稀土 离子的光纤放大器和利用光纤基体玻璃本身具有的诱导拉曼散射现象的光纤拉 曼放大器( f r a ) 【5 6 j 。 1 3 1 稀土离子掺杂光纤放大器 光纤放大器用增益材料从早期的用于e d f a 的e r 3 + 离子掺杂材料的研究开始。 e r 3 + 离子掺杂材料由于在最初所能实现的低损耗窗口( 1 5 5 0r i m ) 处有发光( 电 子跃迁如图1 6 所示) ，因此相关的研究较多1 1 。后来，人们对稀土活性离子掺 杂材料进行了系统研究，并研制获得了多种用于窄波段光放大的增益材料，主要 有p r ，n d ，h o 和t m 掺杂的材料。p r 3 + 离子在1 3 0 0n l t l 波段有对应的电子跃迁，图 1 6 给出了电子跃迁示意图，相应掺杂材料制成的光纤放大器为p d f a 。由于早期 的光纤制备技术在该波段也实现了一个低损耗窗口，它对于e r 3 + 离子掺杂的光纤 放大器是一个很好的补充1 2 , 1 3 】。但是，为提高p r 3 + 离子在1 3 0 0m 波段的辐射跃迁 效率，通常需要选用特殊的材料基质，如氟化物玻璃体系，该玻璃体系的不稳定 性在一定程度上限制了p d f a 的应用【1 4 】。n d 3 + 离子可被8 0 0 或5 1 4 5i u n 激光激发并 在9 0 0 ，1 0 6 5 和1 4 0 01 1 i i l 处有荧光，1 4 0 0n l - n 发光对应的能级跃迁可能用于光通讯 信号的放大。另外，h 0 3 十离子由于对应于1 2 0 0n z n 波段有辐射电子跃迁也可能用 于光纤放大器的发光中心，特别是d r i e s e n 等制备了透明的h 0 3 + 离子掺杂氟氧化物 微晶玻璃，提高了发光量子效率，因此其可能用于密集波分复用系统( d w d m ) 的光纤放大器【15 1 。t m 3 + 离子在1 4 8 0n r n 和1 6 5 0a m 两个波段都有发光【1 6 】，能级跃 迁如图1 6 所示，t m 3 + 离子的能级构造较为复杂，其在8 0 0n 1 和1 2 3 0n n l 波段处也 会发光【17 1 。因此，通过材料设计协调各能级跃迁以获得所需要的特定波段的高效 率发光是该离子作为光纤放大器发光离子很关键的一步。现已通过y b 3 + 离子共掺 的方法在1 4 8 0 眦处获得了超过1 0d b 的增益，该实验结果表n t m 3 + 离子掺杂材料 制成的t d f a 也可能是一种性能优异的光纤放大器。 r i - u 4 - _ - - l 一1 3 0u 屯 _ _ 喇- ： # 釜 i h ： p ， 斗 图1 6p r 3 + e r 3 + a n dt m 3 + 的电子跃迁示意图 在此，以e d f a 为例重点介绍这一大类光纤放大器。e d f a 的研制首先是在 有效解决了e r 3 + 光纤的热淬灭问题的基础上发展起来的。在1 9 8 5 1 9 8 6 年间，英 国南安普顿大学的p a y n e 等【掀1 9 1 首次用m c v d 方法制成了纤芯掺杂e r 3 + 的光纤，。 并实现了1 5 5 i t m 低损耗窗口的激光辐射；19 8 7 年，他们采用6 5 0 n m 的染料激光 器作为泵浦源，获得了2 8 d b 的小信号增益f 2 0 】。同年a t & t 贝尔实验室的d e r u r v i r e 等【2 1 】采用5 1 4 n ma r 激光器作为泵浦源，获得了2 2 4 d b 的小信号增益。接着在 1 9 8 9 年，用1 4 9 t m 半导体激光器泵浦获得了3 7 d b 的小信号增益；l a m i n g 等【2 2 】 用9 8 0 n m 、1 l m w 泵浦功率也得到了2 4 d b 的小信号增益。次年，日本n t t 实验 室首次利用1 4 8 i _ t m 的半导体激光器泵浦掺e r 3 + 光纤放大器作为全光中继器放大 5 g b s 弧子脉冲，实现了1 0 0 k r n 的无误码传输【2 3 】。e d f a 的研制成功被视为光纤 通信技术的第三次飞跃。e d f a 的应用不仅解决传输光纤衰减的补偿问题，而且 为光源的外调制、波分复用器、色散补偿元件和光滤波器等一批光网络器件的应 用提供了条件。 图1 6 描述了e d f a 的工作原理。采用9 8 0 n m 泵浦时，掺铒光纤( e d f ) 是 一个三能级系统，处于基态4 几亿能级的e r 3 + 离子在吸收了泵浦光后被激发到4 i i v 2 能级。由于处于该激发态的e r 3 十离子寿命很短，约1 p s ，它迅速地以无辐射( 放 出声子) 跃迁的形式衰减到3 2 能级上。该能级是亚稳态能级，寿命长达1 0 m s 左右。在源源不断的泵浦下，亚稳态能级上聚集的粒子越来越多，而基态的粒子 越来越少，形成粒子数反转分布。当波长为1 5 5 p m 的信号光注入时，亚稳态上 的粒子就以受激辐射的方式跃迁回基态，并辐射出与信号光完全一样的光子，实 现对信号光的放大。采用1 4 8 9 i n 泵浦时，e d f 相当于一个二能级系统，吸收 和辐射跃迁只涉及基态能级4 几2 和亚稳态能级4 j 1 3 2 。采用1 4 8 t m 泵浦时，有 个不利因素是在泵浦波长上存在受激辐射过程，它将消耗处于亚稳态能级的粒 子数，导致放大器增益、泵浦效率和噪声特性的劣化。而用0 9 8 9 m 泵浦时，不 存在泵浦波长上的受激辐射。 e r 3 + 有许多吸收带，如0 5 3 2 p m 、0 6 5 9 m 、0 8 岬、0 9 8 t m 和1 4 8 “r n 等， 这些频带都可以用来泵浦e d f a 。其中e d f 对0 9 8 9 m 吸收最强，1 4 8 t m 居 次，其他波长的吸收较弱。可见，存在一个泵浦波长的选择问题。可根据下面几 方面因素进行选择：( 1 ) 高泵浦效率。由上面给出的数据知，0 9 81 a m 的泵浦效 率最高，1 4 8 9 m 次之，其他稍低。( 2 ) 不产生激发态吸收( e s a e x c i t e ds a t e a b s o r p t i o n ) 。e s a 是指已经处于激发态的粒子再次吸收泵浦光或信号光能量后， 向更高的能级跃迁。显然，发生激发态吸收时，将使泵浦效率降低和信号光衰减。 由于0 9 8 _ t m 和1 4 8 u m 泵浦对应着无e s a 的能带，使这两个波长被另眼相待。 此外，用0 9 8 - t m 和1 4 8 p m 泵浦e d f a 时，它的受激辐射光波长恰好位于 1 5 5 t m 的光纤最低损耗窗口，这也是目前e d f a 之所以被广泛应用的重要原因。 但是，由于稀土离子4 f 壳层内的f - f 跃迁是禁戒的，所以其受激辐射是一个以 1 5 5 p m 为中心的窄带，因此e d f a 只能放大波长位于此窄带内的信号光。1 5 5 9 m 带的带宽直接决定了e d f a 能够工作的区间，带宽越大，工作的区间也越大，所 以研制具有超宽带的光纤放大器其意义不言而喻。 e d f a 的结构很简单，主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器和 光滤波器等组成。基于泵浦光源的泵浦方式，e d f a 有前向( 正向) 泵浦型，后 向( 反向) 泵浦型和双向( 正、反向) 泵浦型三种结构【5 】。 前向泵浦：也称正向泵浦。在这种泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端输 入e d f 。在光纤的输入端，泵浦光较强，粒子反转激励也强，增益系数大，信 号光一进入即可得到较强的放大。但由于吸收，泵浦光将随光纤长度而衰减。这 种泵浦方式的优点是结构简单，噪声低，缺点是噪声性能差。 后向泵浦：也称反向泵浦。在这种泵浦方案中，泵浦光与信号光从不同的方 向输入e d f ，二者在光纤中反向传输。这种方式的优点是：当信号光放大到很 强时，泵浦光也强，不易达到饱和，从而可以获得较高的增益。 双向泵浦：为了使e d f a 中的铒离子得到充分的激励，必须提高泵浦效率， 这可以采用多个泵浦源来激励光纤。几个泵浦源可同时前向泵浦，同时后向泵浦， 或部分前向部分后向泵浦。后者即是双向泵浦。这种泵浦方式结合了前向泵浦和 后向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使增益也在光纤中均匀分布。 e d f a 的优点是：1 ) 工作波长在1 5 3 1 5 6 9 m ，与光纤最小损耗窗口一致； 2 ) 增益高( 可达4 0 d b ) 且特性稳定，对温度不敏感，也与偏振无关；3 ) 激励 所需的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；4 ) 连接损耗低，耦合效率高；4 ) 噪声系数 低，接近量子极限，基本不会发生各个信道之间的串扰，可级联多个放大器；5 ) 放大频带宽，可同时放大多路信号；6 ) 对各种类型、速率和格式的信号传输透 明；7 ) 结构简单，易与传输光纤耦合。 e d f a 的缺点是：1 ) 波长固定，只能放大1 5 5 9 m 左右的光波，不能有效利 用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源，明显存在着工作波段和带宽的局限性；2 ) 自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系 统接收机端的信噪比；3 ) 增益带宽不平坦，在w d m 系统中需要采用特殊手段 来进行增益谱补偿。 1 3 2 光纤拉曼放大器 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 n m 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。 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 dr a m a ns c a t t 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 7 所示。当激光束进入介质以后，光子被介质吸收，使介质分子出基态 能级e l 激发到高能级e 3 = e 1 + h p ，其中h = h 2 r t ，h 为普朗克常数，c o p 为入射光 的角频率。居于高能级的分子不稳定，它将很快跃迁至一个较低压稳态能级e 2 并 发射一个散射光子，其角频率为。 t o 。，然后弛豫到基态，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 ( 0 。= h 。+ t 此。散射光称为斯托克斯( s t o k e s ) 光。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 = h d + h n _ k ，这 个分子从能级e 4 直接跃迁回基态能级e l ，将发射一个反斯托克斯光子。反斯托 克斯光子的角频率( o 瓠= d + q ，具体过程如图1 6 所示【6 2 4 1 。 在热平衡下，基态能级e i 上的分子数1 和激发态e 2 上的分子数m 之比由 费米分布决定，即 n 、 n 。 m 1 e v - e r 。 式中毋是分子的费米能级，是玻尔兹曼常数，功绝对温度。在常温下，总有 2 n i 岩谚_-o-=一宅。吣!i嚣=iit_z 图3 95 3 2 n m 氙灯激发下c r 3 + n i 2 + 共掺透明微晶玻璃1 2 9 5 n m 红外发射的衰减曲 线。 表征了红外发光的荧光衰减特性，结果如图3 9 所示。根据荧光衰减曲线利用 表达式估算平均寿命【1 1 3 】： f 聊= i ( t ) i m 觚d t1 0 其中及0 为时间f 时的荧光强度；足m a x ) 为荧光强度最大值且i ( t o ) = i m 戕。得到的荧 光寿命值：5 3 2n i l l 激发下1 2 9 5m 的荧光寿命为4 3 1 9 s 。 图3 1 05 3 2 n m 氙灯激发下c r 3 + 单掺和c r 3 + n i 2 + 共掺透明微晶玻璃9 1 4 n m 红外发 射的衰减曲线。 c r 3 + 单掺和c r 3 + n i 2 + 共掺的微晶玻璃9 1 4 n m 红外发射的衰减曲线如图3 1 0 所 示。c r 3 + 单掺微晶玻璃中c r 3 + 离子4 t 2 9 ( f ) 发射( 9 1 4 r i m ) 的寿命约为5