（电磁场与微波技术专业论文）碲基光纤拉曼放大器的研究.pdf

北京交通人学硕士研究生学位论立 y 87 8 3 2 1 碲綦光纤拉曼放人器的研究 摘要 随着密集波分复用( d w d m ) 传输系统的发展，能够提供超宽带 放大的光纤拉曼放大器越来引起了人们的瞩目。迄今为止，已有两种 超宽带放大器设计方案被报导过。其中一种采用多个并行放大器实现 整个增益波段的复用，即s 波段( 1 4 6 0 1 5 3 0n m ) 的掺铥光纤放大器 ( t d f a ) 以及c 波段( 1 5 3 0 一1 5 6 5n m ) 和l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 5n m ) 的 掺铒光纤放大器( e d f a ) 。另一种方案则是采用多波长泵浦的硅基光 纤拉曼放大器。前者可以获得超过l o o n m 的增益带宽，但是这种方案 由于要在放大器的输入输出端分别设置分波和合波的滤波器，因而导 致了额外的损耗，使得噪声特性恶化并显著增大了造价。如果采用后 者，由于硅基光纤在1 5 5 0 n m 处的放大只能产生1 0 0 n m 的斯托克斯频 移，因此很难设计出增益带宽超过1 0 0 n m 的拉曼散射光纤放大器。所 以，人们一直在寻找一种能同时覆盖s 、c 、l 波段的带宽更宽的全光 纤拉曼放大器。 根据有关报道，碲基玻璃是除碎基玻璃以外唯一能够用来制造高 折射率、低损耗光纤的材料。这种材料制作的光纤不但可以用作非线 性媒质还可以用于制造光纤拉曼放大器。已有研究证明，采用碲基光 纤制造的光纤拉曼放大器，增益带宽可达1 6 0 1 7 0n m 。而与此同时， 碲基光纤中产生受激拉曼散射效应时的功率转换效率( p c e ) 与硅基 光纤基本相同，可以用于实现d w d m 系统传输信号的中继【1 。 本文首先从分子结构上对t e 0 2 和s i 0 2 做了比较，分析了碲基光纤 的受激拉曼散射特性，研究了基于碲基光纤的超宽带拉曼放大器的工 作机理。其次，在一系列理论分析的基础上，采用遗传算法进行最佳 北京交通人学硕士研究生学位论文碲基光纤拉曼放太器的研究 参数的搜索，建立了基于碲基光纤的多波长泵浦拉曼放大器仿真优化 的数学模型。通过数值分析，得出了多波长泵浦作用下超宽带碲基拉 曼光纤放大器的增益谱特性。最后对碲基光纤的制作工艺进行了简单 的探索，指出了碲基拉曼光纤放大器尚待解决的些问题。 关键词：密集波分复用，碲基光纤，光纤拉曼放大器，多波长泵浦 北京交通大学硕：l ：研究生学位论文碲基光纤拉曼放大嚣的研究 a b s t r a c t 、m t ht h e d e v e l o p i n e n t 0 fd e n s e w a v e l e n g m d i v i s i o nm u l 石p l e x i n g ( d w d m ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m s f i b e rr a m a na m p l i f i e r s a r er e c e i v i n g m o r ea n dm o r ea t t c n t i o na sa ne h - e c “v em e a n sf o rp r 0 v i d i n gu l n _ a w i d e b a n do p t i c a la m p l i 矗c a t i o n u pt on o w ，t w ot y p e so fw i d e b a n da m p l i f i 钉s h a v eb e e nr e p o r t e d o n ei sap a r a j l e l t y p ea m p l i f i e rm u l t i p l e x i n g 也eg a i n b a n d s ，n a m e l y ，t h es 4 l ( 1 4 6 0 一1 5 3 0n m ) 一b a n dt d f a + 2a n dt b ec 4 3 ( 1 5 3 0 - 1 5 6 5n m ) - b a n da n dl 4 4 ( 1 5 6 5 1 6 2 5n m ) _ b a i l de d f a s 4 5 t h eo t h e r i sas i l i c a b a s e d6 b e rr a m a na m p l i f i e rf e a m r i n gam u l t i w a v e l e n g t hp u m p t e c h n i q u e n ef b m e ra m p l 讯e rh a sa c h i e v e dag a i nb a i l d w i d t ho fm o r e t h a n1 ( ) on m b u ti t sn o i s ec h a r a c t e r i s t i c sd e t e r i o r a t ed u et oe x c e s sl o s so f t h ed e m u l t i p l e x i n gf i i t e ra tt h ei n p u ts e c t i o n f o rt h ei a t t e ra m p i i n e r i ti s d i 币c u l tt or e a l i z ead i s c r e t e t y p ea m p l i 6 e rw i t hag a i nb a n d w i d t ho fm o r e t h a n10 0n mb e c a u s et h es t o k e ss h mo fs j l i c a - b a s e d 百a s so n l yc a nr e a c h a b o u t 】0 0n mf o r1 5 5 0 - n ma m p l i f i c a t i o n 0 b v i o u s ly a na l lr a m a n a m p l 墒e ri s b e t t e rb e c a u s eo fi t ss i m p l e rc o n f i g u m t i o na n ds e a m l e s sg a i n b a n d a si sr e p o r t e d ，b e s i d e ss i l i c a 曲a s e dg l a s s e s ，t c l l u r i d e b a s e dg l a s s e sa r et h e o t h e rm a 矧a 1s y s t e m st h a ta r ec a p a b l eo fr e “i z i n g 舶e rw i t hb o mah 追h r e f i a c t i v ei n d e xa n dal o wl o s s t h i s 行b e ri sn o to n l ya t t r a c t i v ef b r a p p l i c a t i o n s t on o n l i n e a rm e d i ab u ta l s ot ow i d e b a n d舶e rr a m a n a m p l i f i e r s ，w h i c hh a v ea l r e a d yb e e nc o n f i 加e dt op m v i d ea w i d e b a n d o p e m t j o no f1 6 0 1 7 0n m t e l 】u d e b a s e d 矗b e ra 】s ob a sap c e ( p o w e r i i l 北京交通大学硕士研究生学位论文碲基光纤拉曼放大器的研究 c o n v e r s i o ne 衢c i e n c y ) n e a n ye q u a lt ot l l a to fs i l i c a - b a s e d 舳e ra i l d p m v i d e sp e n a l t yf r e c 衄【n s m i s s j o nf o rw d ms i g n a l s i nt h i sp a p e r w ea n a l y z et 1 1 em o l e c u l a rs m 】c t u r co ft c 0 2a n ds u m m a r i z e s o m ec h a r a c t e r i s t i c so f1 1 e l l u r i t e _ b a s e df i b e lt h e nw ea i l a l y z et h e 锄p l i 矗c a t i o nm e c h a n i s mo fu l 响一w i d e _ b a n dt e l l u r i d e b a s e d 髓e rr 啪a n 锄p l i f i e r ( t - f 】r a ) b yc o m p a n gt h es t i m u l a t e dr 锄a ns c a t t e 订n g ( s r s ) c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e u u r i d e - b a s e df i b e rw i t hs i l i c a - b a s e df i b e r s f u r t h e r m o r e ，am u l t i p u m p i n gs c h e m et og e tag a i n f l a t t e n e df r ai sp r e s e n t e d w ec a l c u l a t et h ep u m pp o w e ri n d e s i g n i n gm u l t i - w a v e l e n 斟hp u m p e d r a m a na m p l i f i e r sb yu s i n gs o m eo p t i m a 】s e a r c h i n gm e t h o ds u c ha sg e n i c a l g o r i t h ma n dw ea l s oe s t a b l i s hac o m p l e t ec o m p u t i n gm o d e lt oo p t i m i z e t h ep u m pw a v e i e n g t ha n dp o w e ra i i o c a t i o nw i t hn a tn e tg a i na n db r o a d b a n d w i d t h f i n a l l y ，s o m eo t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h ef 曲r i c a t i o na n d 】o s s a r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：d w d m ， t e l l 嘶t e - b a s e d舳e r ，f i b e rr a m a n a m p l m e r m u l 6 一w a v ep u m p 北京交通大学顿i 础f 究生学位论文 碲某光纤拉曼放大群的研究 1 1 引言 第一章综述 自9 0 年代以来，人类社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代，信 息技术已经融八人类生活的方方面面。因特网业务：远程教育、电子 商务、电子图书馆以及视频点播、高清晰度电视、可视电话和会议电 视等新兴宽带多媒体业务的爆炸性增长刺激了全球通信业务的疯狂 增长，这种疯狂增长的最直接结果就是必须对现有d w d m 系统进行扩 容。扩容最有效的途径就是充分利用光纤的整个低损耗区。 目前商用的d w d m 系统利用的是光纤的1 5 2 5 n m 1 5 6 5 n m 低损耗 波段即所谓的c 波段，仅有4 0 n m 的带宽，而光纤的整个低损耗区从1 2 8 0 一1 7 0 0 n m 甚至更长，即至少还有4 2 0 n m 的带宽可供利用。实际上，现 在l 波段( 1 5 7 0 一1 6 1 0 n m ) 及s 波段( 1 4 8 0 一1 5 3 0 n m ) 的d w d m 实验 传输系统都有报导。作为d w d m 系统的核心器件一一光放大器，必须 具备能够覆盖s + c + l 波段超宽带工作的功能。 目前应用和研究的最广泛的光放大器包括掺稀土元素光纤放大 器、半导体光放大器、掺稀土元素光波导放大器和光纤拉曼放大器。 其中掺铒光纤放大器的出现是光放大器发展史上的一个里程碑，它也 是目前技术最为成熟、在d w d m 中应用最广泛的放大器，它不仅实现 了在一根光纤中对传输的多路光信号同时放大，同时具有输出功率 大、增益高、偏振灵敏度小、噪声系数低、与光纤耦合效率高等优点， 因此它的研制及商用，直接推动了d w d m 系统的迅速发展。但随着 d w d m 信道间隔的不断缩小，泵浦入纤功率上升，由此带来f w m 等 北京交通人学硕十研究生学位论文碲基光纤拉曼放人器的研究 非线性效应影响加大等一系列问题，因此如何有效提高光纤传输系统 容量及增加无电再生中继的传输距离已经成为光纤通信领域研究的 热点。 w d m 系统中增加系统容量的方法只有提高单信道的速率和增加 通道数两种方法，由于色散容差、器件带宽和偏振模色散( p m d ) 等因 素的限制，实际系统中单信道能达到的最高速率是4 0 g b ，s 左右，所 以现在的w d m 系统只有依赖增加通道数来实现扩容。考虑到光纤放 大器平坦增益宽度以及对应于光纤自身低损耗区域的光纤色散特性 的限制，增加w d m 系统中通道数量的方法主要依靠减小通道间隔来 实现。但是，通道间隔不可能无限地缩小，随着w d m 的通道数越来 越多，扩展通道的工作带宽就显得尤为重要。而e d f a 只能实现在c 波段约3 5 n m 带宽内的放大，即使把掺铒光纤的长度增加到原来的5 倍左右，也只可将信号放大区域由c 波段转移到l 波段形成l 波段 光纤放大器，并不能增加信号的放大带宽，所以必须寻求一种超宽带 放大的解决方案。 迄今为止，己有两种超宽带放大器设计方案被报道过。其中一种 采用多个并行放大器实现整个增益波段的复用，即s 波段( 1 4 6 0 1 5 3 0 n m ) 的t d f a 以及c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5n m ) 和l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 5n m ) 的e d f a 。另一种方案则是采用多波长泵浦的硅基光纤拉曼放大器。 前者可以获得超过l o o n m 的增益带宽，但是这种方案由于要在放大 器的输入输出端分别设置分波和合波的滤波器，因而导致了额外的插 入损耗，使得噪声特性恶化并显著增大了造价。如果采用后者，由于 硅基光纤在1 5 5 0 t l m 处的放大只能产生1 0 0 n m 的斯托克斯频移，因此 很难设计出增益带宽超过l o o n m 的拉曼散射光纤放大器。所以，人 北京交通人学顿m 叶究生学位论文碲基光纤拉曼放大 的研究 们一直在寻找种能同时覆盖s 、c 、l 波段的带宽更宽的全拉曼光 纤放大器。 发展新材料始终是光通信中的核心问题。以光纤材料而言，随着 通信容量的增加，注入光纤中的功率也增高。由于光纤的芯直径很细， 芯中的能量密度很高，从而产生如：，受激布里渊散射、受激拉曼散射、 四波混频、自位相调制等非线性现象，使在光纤中传输的光信号受到 损伤和干扰。近来有人研制大有效面积的新型光纤，如真波光纤( 1 m e w a v ef i b e r ) 、叶状光纤( l c a ff i b e r ) 等，企图提高光纤的利用率。 之外，光纤中的色散对高速信号也有严重的影响。要想充分发挥光纤 大容量的作用，还要克服光纤的色散，如采用色散补偿光纤等。随着 波分复用技术的提高，光纤放大器材料要满足高的宽频带增益，并能 应用于不同的通信窗口( 1 3 肛m ，1 5 5 肛m 等) 。其他诸如高稳定波长 的半导体激光器( 如m q w d f b l d ) 材料，高速光调制器( 如u n b 0 3 ， 调制器，e a 半导体吸收型光调制器等) 材料，光滤波器( 如光纤光 栅，干涉滤波器，光栅波导陈列a w g 等) 材料和各种无源光器件( 光 耦台器，色散补偿器等) 材料。要发展新的光纤通信系统，必需首先 发展光器件和材料。本文着眼于用碲基光纤取代传统的硅基光纤，研 究了碲基光纤拉曼放大器的系列特点，从最基础的分子结构开始， 讨论了碲基光纤的热稳定性、三阶非线性等与光纤传输有关的特性。 在此基础上，将碲基光纤拉曼放大器的受激拉曼散射特性与硅光纤进 行比较，设计出一套基于碲基光纤拉曼放大器的多波长泵浦方案，给 出了完整的优化算法，并利用计算机对整个多波长光纤拉曼放大器优 化算法进行了仿真，给出了仿真结果。接着又讨论了一些投入实际使 用需要考虑的问题，诸如制造、接续等。 3 北京交通人学硕| ：研究生学位论文碲摹光纤拉曼放火器的研，c 1 2 本论文主要内容及意义 本论文主要内容是： 分析了并比较了t e 0 2 和s i 0 2 的分子结构，讨论了不同掺杂碲基 光纤的一些特性。 研究了碲基光纤的受激拉曼散射特性，从而进一步探究了基于碲 基光纤的超宽带拉曼放大器的放大机理。 总结了多波长泵浦光纤拉曼放大器的一般模型和离散化简单模 型，给出了基于遗传算法的多波长泵浦光纤拉曼放大器仿真优化 的完整流程图。采用基于平均功率法的线性多步预测方法以及准 牛顿迭代算法中的b o r y d e n 法对整个多波长光纤拉曼放大器优化 算法进行了仿真，并给出了仿真结果。 讨论了有关碲基光纤拉曼放大器的实用化问题。 在新一代光通信系统中，性能优良的宽带光放大器是必不可少的 光器件，而碲基光纤拉曼放大器( t - r t a ) 又是其中一种非常有前途 的超宽带、高增益放大器。本文研究了超宽带碲基光纤拉曼放大器的 机理和设计方法并从理论上验证放大器的增益效果，得出的结论是， 采用碲基光纤拉曼放大器可以获得比碎基光纤拉曼放大器更宽的放 大带宽。论文将对今后超宽带碲基光纤拉曼放大器的实验研究起到一 定的理论指导作用，对于d w d m 光通信系统的一般的宽带光放大器 的设计也可提供一定的借鉴。 4 北京交通火学硕j ：研究生学位论文碲基光纤拉曼放火器的研究 第二章光纤拉曼放大器的理论基础 2 1 引言 光纤拉曼放大器的物理机制是受激拉曼散射，因此本章首先概括 性的介绍了受激拉曼散射机制，接着分析了光纤拉曼放大器的产生机 理，最后总结性的给出光纤拉曼放大器的优点以及一些尚待解决的问 题。 2 2 拉曼散射的产生机制 在许多菲线性介质中，自发拉曼散射将一小部分入射功率由一频 率光束转移到另一频率下的光束，频率下移量由介质的振动模式决 定，此过程称为拉曼效应。c v r a m a n 在1 9 2 8 年首次通过实验观察到 了拉曼散射现象。在拉曼散射过程中，遵循能量守恒和动量守恒定律。 由于经典理论对拉曼散射的解释与实验不符，所以下面只用量子力学 的观点对其进行解释。 2 2 1 非散射过程的产生机制 拉曼散射量子力学的描述为：入射光波的一个光子被一个分子散 射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。它的基本 观点是把拉曼散射看做是光子与分子相碰撞产生的非弹性碰撞过程。 在弹性碰撞过程中，光子与分子均没有能量的交换，于是它的频率保 持恒定，叫瑞利散射，在非弹性碰撞过程中光予与分子有能量交换， 北京交通人学穆 士研究生学位论文碲基光纤拉曼放大器的研究 光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能 量，从而使它的频率发生改变。它取自或给予散射分子的能量只能是 分子两定态之间的差值，e = e - 一e 2 。当光子把一部分能量交给分 子时，光子则以较小的频率散射出去，产生斯托克斯光。散射分子接 受的能量变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态e - 。这时光 子的频率为 u = ”o 一u ，h u = e 当分子预先已经处于振动或转动的激发态e 。时，光子则从散射 分子中取得了能量e ( 振动或转动能量) ，以更大的频率散射，产生 反斯托克斯光，其频率为u = u 。+ u 。如果考虑到更多的能级上 分子的散射，则可以产生更多的斯托克斯线和反斯托克斯线，当这些 能级的间隔互不相等时，所产生的各散射线相对于入射谱线的频率移 动也不相同。 通常开始时处于基态的分子密度远大于处于激发态的分子密度， 所以斯托克斯散射过程总是首先发生，但随着受激斯托克斯散射过程 的不断增强，被输运到激发态上的分子不断增加，如果分子的该能级 停留时间足够长，使得激发态的分子密度同基态达到可相比的程度， 则有可能进一步产生反斯托克斯。 2 2 2 受激拉曼散射的产生机制 普通拉曼散射的机制是入射光波( u ，k ) 被拉曼介质的光学声子 ( u 。k 。) 所散射，介质吸收或放出光学声子。其中u 为入射光波 圆频率，k 为其波矢量。入射于拉曼介质的光波可以是相干的，但由 于声子是由热振动引起的，初位相是无规则的分布，因此散射后的光 6 北京交通大学颂士研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大器的研究 波初位相无规则的分布，是不相干的，由各个方向的许多平面波所组 成。而受激拉曼散射中，一般来说，斯托克斯与反斯托克斯辐射都是 相干的，介质放出的声子表现为分子无规则振动的热能。在普通拉曼 散射过程中，散射粒子遵循下面的能量与动量守恒方程 u s - u0 。( l ) m m k s = k0 一k m m a s = ( ) o + m m ka s = k 0 + k m 。 式中uo 为入射光频率，u ；为斯托克斯频率，u s 为反斯托克斯 频率，u 。为光学声子频率，m 为上能级，n 为下能级，ko ，k 。， k a s ，k 。为对应的波矢。 在受激拉曼散射过程中，动量和能量守恒方程仍然被遵守，但是 相干入射光子主要不是被热振动声j 二所散射，而是被受激的相干声子 所散射。对第级斯托克斯的受激散射过程简述如下：最初一个入射 于介质的相干光子与一个热振动声子碰撞，产生了一个斯托克斯光 子，同时增添个受激声子。增添的受激声子再与入射光子相碰撞， 又增加一个受激声子，同时又产生一个斯托克斯光子，如此反复下去， 形成一个产生受激声子的雪崩过程。这样斯托克斯散射光的强度十分 高，足以与入射光相比较。产生这样的受激声子，关键在于有足够多 的入射光子，由于受激声子所形成的声波是相干的，入射光波是相干 的，所以拉曼散射后所产生的斯托克斯光子也是相干的，这就是第一 阶斯托克斯散射的受激过程。如此继续下去，可以产生一系列频率为 q ，一”啦拉曼散射光。当然，只有入射相干光的强度高于阈值强度时 才能观察到受激拉曼散射效应。 7 北京交通大学顾士研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大桀的研究 2 3 光纤中的受激拉曼散射( s r s ) 当激光入射光纤内时，由于光纤可以很长，使泵浦激光束与拉曼介 质作用体积增加，被激发的拉曼信号在光纤内传播过程中被累积而增 强。光纤具有截面小、损耗低的特点，激光可以在光纤中长距离地保持 很强的光功率密度，所以是观察受激拉曼散射效应的理想介质，以最 常用的石英光纤为例，由于石英玻璃的非晶特性，石英光纤的受激拉 曼谱有一个非常显著的特性即谱宽达4 0 t h z ，并且在1 3 1 h z 附近有 一个较宽的主峰。光纤拉曼放大器的产生机理如下：一个较高能量( 较 短波长) 的入射泵浦光子产生一个较低能量( 较长波长) 的光子，剩余的 能量以分子振荡的形式( 光声子) 被介质吸收。如果一个弱信号光与一 个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且使弱信号光的波长在泵浦光 的拉曼增益谱带宽内( 即信号光的波k 处于比泵浦光的波长较长的适 当范围内) ，则强泵浦光的能量通过s r s 耦台到光纤硅材料的振荡模 中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信 号光得到放大，获得拉曼增益，由于这种放大的机制是受激拉曼散射 ( s r s ) ，所以称之为光纤拉曼放大器。 2 4 光纤拉曼放大器的特点 光纤拉曼放大器有以下优点： ( 1 ) 其增益波长由泵浦光波长决定。只要泵浦源波长适当理论上可放 大任意波长的信号，实现全波段范围内的光放大。而e d f a 的掺杂光 纤放大器由于能级跃迁机制所限于掺杂物。这样光纤拉曼放大器可以 放大e d f a 所不能放大的波段，而且使用多个泵浦源还可得到比 8 北京交通大学硕士研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大器的研究 e d f a 宽得多的增益带宽，因此对于开发光纤的整个低损耗区 ( 1 2 7 0 n m 1 6 7 0 n m ) 具有无可替代的作用； ( 2 ) 其增益介质可以为传输光纤本身，不需要特殊的放大介质，这样就 为已有的光纤通信系统改造提供了广阔的前景，尤其适用于海底光缆 通信等不方便设立中继器的场合。 ( 3 ) 噪声指数低。因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处 的信号光功率都比小从而可降低非线性效应尤其是四波混频( f w m ) 效应的干扰，特别是全拉曼光纤放大器，其噪声指数比混和放大器的 性能还要优良。 ( 4 ) 拉曼增益谱比较宽，在普通光纤( d s f ) 上单波长的泵浦可实现约 4 0 n m 范围内的有效增益；如果采用多个泵浦源，可以较容易地实现宽 带放大； ( 5 ) 饱和功率高，增益谱调整的方式赢接而且多样( 可通过选择泵浦波长 和强度) 。 ( 6 ) 拉曼放大的作用时间为f s 级，可实现对超短脉冲的放大。 这些优点，使拉曼光纤放大器有着非常j 一阔的应用前景。即使如此，光 纤拉曼放大器仍有很多课题，有待进一步研究，以下是其中追切需要 解决的一些问题： ( 1 ) 泵浦功率转换效率低。为实现期望的损耗补偿，需要的泵浦功率很 高，现在的研究方向是把解决方法集中在新型光纤的开发方面，但周 期、成本等是一个问题。 ( 2 ) 自愈功能复杂。为获得宽带放大，光纤拉曼放大器需要波长不同的 多个泵浦激光器，一旦出现故障，检测、调试复杂，目前解决方案中 尚无最佳方法。 9 北京交通人学碗：f ：研究生学位论文碲基光纤拉曼放火器的研究 ( 3 ) 增益均衡问题。光纤拉曼放大器的增益均衡取决于泵浦功率、泵浦 波长以及d w d m 信道波长及功率，信道增益对这些参数反应敏感，缺 乏有效的控制手段。 ( 4 ) 光损伤问题。实现拉曼放大，光纤中注入的泵浦功率都在w 级，如 果高的功率，是否会对光纤造成永久性损伤，目前没有定论。而且携 带着大量光负荷的光纤在插拔时有可能对设备造成安全问题，如果光 纤连接器上有灰尘，可能会损坏连接器，甚至使连接器末端炭化，从 而增加整个系统的维护工作量。 1 0 北京交通 学硬1 ：研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大器的研究 3 1 引言 第三章碲基光纤的特性 以t e 0 2 作为主要玻璃形成体的碲酸盐玻璃具有很多优良的性 质，例如高折射率、低熔点、很宽的红外透射( 直到6 “m ) 、大色 散系数、高的热膨胀性能以及良好的化学稳定性、低声子能和高受激 辐射截面等，它与二氧化硅、重金属氧化物和硫化物各种性质的比较 如表3 1 所示2 ”。 表3 1 碲化物玻璃与石英玻璃、氟化物以及硫化物玻璃的性质比较 本章首先探讨了t e 0 2 的分子结构，接着在总结前人研究成果的 基础上进一步分析归纳了碲酸盐玻璃光纤的一系列特性，为碲基光纤 拉曼放大器的后续研究工作做了理论上的铺垫。 北京交通人学硕卜研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大器的研究 3 2 碲酸盐玻璃的分子结构 t c 0 2 存在a t e 0 2 和8 一t e 0 2 两种晶型，在一定的温度下可以互 相转变。在这两种晶型中，t e “离子的配位数均为4 ，1 e 4 + 与0 2 构成 【t e 0 4 1 4 。双三角锥体( 如图3 1 所示) 。该双三角锥体赤道面上的一个 顶角保持不被氧原子占据，而是被t e 4 + 离子中的一对孤对电子占据。 o t e 0 2 晶型中存在两种t e o 键长，即赤道面上的t e o 。键和轴向 的t e 一瓯。键； t e o t 】4 双三角锥体通过共顶连接构成三维网络结构。 而b t e o ! 晶型中r r e 0 4 】4 。双三角锥体的4 个t e o 键长各不相等，并 且 t e 0 4 4 烈三角锥体通过共顶以及共棱连接形成二维层状结构。 o 弧y 熙n r e l l u r i i 曩 图3 1 t e 0 4 】4 一双三角锥体晶型结构示意图 北京交通大学硕士研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大器的研究 王 4 l f1 图3 ，2 【t e 0 3 】2 。双三角锥体晶型结构示意图 通常，纯t c 0 2 玻璃的网络结构与a t e 0 2 晶型较为接近。玻璃中 碲离子以【t e o 。】4 负离子团的形式共顶相连而成环链状结构。在一定 程度上，t e 0 2 玻璃可以看成是a t e 0 2 的有序结构被打乱的一种状 态。t e 0 2 玻璃中也只存在两种键长。如表3 _ 2 所示 表3 2 碲酸盐玻璃的e x a f s 谱分析结果 一 。t e 抖t e o e q t e o a x 组成 平焉矗位数蒜r4 主葚：“ 口一t e 0 2 t e 0 2g l a s 5 4 0 d 4 0 0 1 9 0 22 0 4 8 1 9 0 62 0 5 4 当碱金属氧化物或者碱土金属氧化物作为网络修饰体被引入碲酸盐 玻璃中时，原先的玻璃网络结构被破坏。【t e 0 4 】4 。双三角锥体经由 t e 0 3 + l 】4 一配位多面体中间态最终转变成 t e 0 3 2 三角锥体( 如图3 2 ) ， 这些配位多面体通过共顶连接而成长链或环链状结构。在【t e 0 3 r 三 角锥体中t e o 距离为1 9 5 a ，t e o t e 键角约为9 5 0 ，未配对电子位 于未被氧占据的四面体空隙f 孙。 t e 0 4 】4 。和 t e 0 3 】2 相对含量的多少可 以根据拉曼峰的强度比值计算得出| 3 l 。s e k i y a 在研究t e 0 2 一m o i ，2 二元 北京交通人学硕士研究生学位论文碲基光纤拉曼放大器的研究 系统f 4 1 时发现，当碱金属氧化物含量较低时，玻璃由r r e 0 4 】双三角锥 体和 t e 0 3 + 1 】4 配位多面体构成；碱金属含量低于2 0 m 0 1 时， t e 0 3 + l r 配位多面体的量随着碱金属氧化物含量的增加而增加；当碱金属含量 在2 0 3 0 m 0 1 之间时，玻璃网络结构中开始出现带有非桥氧键的 【t e 0 3 】2 - 三角锥体，与此同时，f t c 0 4 4 双三角锥体和【t e 0 3 + l 】4 一配位多 面体的数量也有所减少：碱金属含量超过3 0 m o j 时，网络结构中形 成了 t e 2 0 5 】2 多面体：而当碱金属含量 5 0 m 0 1 时，玻璃网络结构由 【t e 0 3 + 1 】4 一配位多面体、r 0 3 】2 三角锥体以及独立的 t e 2 0 5 】二、【t e 0 3 】2 一 组成，此时玻璃中t e o n 的数量很少，玻璃结构也已经变得极为复杂口j 。 誊厂& 小雄t 奢协 孵瑚护2 ；q b ( e 脚产；鸱e o 弧【 图3 3( a e ) 碱碲酸盐晶体的5 种基本结构单元 ( f ) r 0 3 + l 变形双三角锥体 1 4 北京交通大学硕士研究生学位论文碲蔡光纤拉曼放人器的研究 、 图3 4 加热时碲酸盐玻璃结构的转变过程 3 3 不同掺杂碲酸盐玻璃光纤的一些特性 3 3 1 碲酸盐玻璃的热稳定性 温度的变化常常导致碲酸盐玻璃结构发生变化，例如，逐渐升高 玻璃温度，当超过熔化温度时， t e o n 】4 一双三角锥体就会转变成 t e 0 3 】2 i 三角锥体，这主要是由于t e o 。随着温度的升高发生断裂而引起的。 因而，碲酸盐玻璃的热稳定性是一个非常重要的问题。热稳定性通常 用玻璃的开始析晶温度t ，和玻璃的转变温度r 之间差值t 的大小 来衡量，一般用示差扫描量热仪( d s c ) 或者差热分析仪( d t a ) 来 测定。t 越大，表示玻璃光纤拉制时不产生析晶的可操作温度范围 越广，即热稳定性越好；反之，t 越小，则表示玻璃的热稳定性越 差，光纤拉制的过程中内部易产生析晶。一般来说，t 1 0 0 时玻 璃的热稳定性较好。 玲委 北京交通大学硕_ ? 研究生学位论文赫基光纤拉曼放大器的研究 碲酸盐玻璃材料的热稳定性好坏直接影响拉制出来光纤的内部 损耗。因为光纤拉制时温度一般位于材料的软化点( t r ) 以上，所以 如果玻璃的析晶温度在此附近，那么将会导致玻璃在拉制光纤的过程 中产生析晶，从而影响其内部的损耗。构成玻璃组分的变化、稀土离 子掺杂浓度的大小以及一些其他因素都会影响到碲酸盐玻璃的热稳 定性。表3 3 列出了一些迄今为止已经被研究过的碲酸盐玻璃的组分 以及相应的t 。和t 的值。经过分析现有的研究结果，本节总结了以 下两点： 1 在t e o ! 一r 2 0 ( r = n a ，k 等) 碲酸盐玻璃系统中，玻璃的转变温度 l 在一定范围内随着碱金属氧化物含量的增加而逐渐降低，与此同 时，由于玻璃开始析晶温度t x 基本不变，因而t 的值变大，玻璃的 抗析晶性能增强。 2 稀土氧化物的引入对碲酸盐玻璃的热稳定性能够产生一定的影响。 有的稀土离子会增加玻璃的稳定性，有的则相反。例如 7 5 t e 0 2 - 2 0 z n o 5 0 n a 2 0 6 】中加入1 w t p r l 0 3 时，t 从11 8 增加到 1 5 0 ，但在9 0 t e 0 2 1 0 p 2 0 5 1 6 】中，加入1 w t e r 2 0 3 时，t 则从1 4 7 降低到l o l 。另外，稀土离子的加入晕也会影响玻璃的稳定性， 例如7 5 t e 0 2 2 0 z n o 5 0 n a 2 0 l ”中加入不同量的e r 2 0 3 时，t 的变化 晕也各不相同，因此对碲酸盐玻璃进行合理的掺杂也是非常值得研究 的。鉴于实验条件有限，对于这方面本文只能做出一些理论上的分析 和总结。 1 6 北京交通大学硕士研究生学位论文碲基光纤拉曼放大器的研究 表3 3 不同构成的碲酸盐玻璃及其d s c 测量数据 玻璃系统构成( i l ) t g ( 。c ) at ( 。c ) t w l 0 ：9 0 ：1 03 2 9 9 9 t e 0 2 w 0 3t w 2 0 ：8 0 ：2 03 4 91 4 8 t w 3 0 ：7 0 ：3 03 6 81 5 3 t t 5 ：9 5 ：53 2 l7 2 t e 0 2 t i t t l 0 ：9 01 03 4 i9 8 t r 5 ：8 5 ：】53 6 48 6 t n l 0 ：9 0 ：l o3 2 61 0 6 t e 0 2n b 2 0 5 t n 2 0 ：8 0 ：2 03 6 2 1 5 3 t n 3 07 0 ：3 03 9 8 1 2 5 t e 0 2 z n ob 帕 1 z b ：7 0 ：2 0 】o3 3 9 1 5 6 t e 0 2n b 2 0 5w 0 3 t n w 7 2 ：】8 1 03 8 01 7 5 t e 0 2n b 2 0 5w 0 3t n w 一8 25 ：1 0 ：7 5 3 9 i 1 7 l t e 0 2 - n b 2 0 5t i 0 2t n t ：7 2 ：1 8 ：1 04 0 51 3 0 t e 0 2z n ol i 2 0b j 2 0 31 z l b ：7 8 ：5 ：1 2 ：52 7 2 t e 0 2z n ob 2 0 3 g e 0 2k 2 0t z b g k ：6 0 ：2 0 ：7 5 ：7 ，5 ：52 0 01 7 8 3 3 2 碲酸盐玻璃的光学非线性 碲酸盐系统玻璃具有优异的非线性光学性能，其三阶非线性折射 率和极化率远优于石英玻璃以及其它传统氧化物玻璃。通常认为碲酸 盐玻璃的光学非线性源于t e “离子中的孤对电子、空d 0 轨道和自身很 北京交通人学硕士研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大器的研究 大的极化率。在碲酸盐玻璃中，1 毫“离子含有5 s 2 孤对电子， t e 0 4 r 双三角锥体中的t e “离子与赤道平面上的两个0 2 一离子之间主要为s p 2 杂化，而与轴平面上的两个0 2 离子之间则主要为d s 2 p 。杂化。t e “离 子的4 d 轨道不参与t e o 键的形成，而空的5 d 轨道则和5 s 、5 p 轨道 一起与o 离子的2 p 轨道形成s p 杂化分子轨道。当玻璃中的阳离子 含有空d o 电子轨道和孤对电子时，这些阳离子与0 离子形成的配为 多面体将导致较大的光学非线性。l i n e s 认为，当键长小于2 o a 时， d 轨道对光学非线性的贡献将占据主要地位| 8 j 。由表可见，t e o 。的 键长小于2 o a ，这说明在t e o ! 玻璃中5 d 0 轨道对三阶非线性极化率 具有很大的贡献。同时，又由于t e 4 + 离子核外拥有较多电子层因此 t e 0 4 】4 。双三角锥体还具有很大的极化率，从而可以得出结论，t e 0 2 玻璃具有非常好的三阶非线性光学性能。 与t c 0 2 玻璃相比，s i 0 2 玻璃的三阶非线性光学性能则弱得多。 在s i 0 2 玻璃中，s i 4 + 离子不具有孤对电子， s i 0 4 】4 。四面体中4 个s i o 键的键长和键能均相等，电子云分布具有很好的对称性：而且，s i “ 离子的电子云层数比t e 4 + 离子少两层，核对最外层电子的束缚较强， 电子跃迁所需能量较大，s i o 键长较短，不容易被极化：此外，s i “ 离子中的3 d o 轨道并不参与分子轨道杂化，它对三阶非线性的贡献可 以忽略不计。因此s i 0 2 玻璃的三阶非线性光学极化率远小于t c 0 2 玻 璃，仅为后者的五十分之一【9 j 。 当在t e 0 2 中加入氧化物形成玻璃时，一般来说，引入的氧化物 会提供更多的氧使【t e 0 4 4 双三角锥体经由【t e 0 3 + l r 中间态向【t e 0 3 】2 三角锥体转变，三种碲氧配位多面体的不对称性大小次序为 t e 0 4 】4 一 【t e 0 3 + l r 【t e 0 3 2 。，即r r e 0 4 】4 一具有较高的不对称性n 伽。e f a r g i n 北京交通大学硕士研究生学位论文 碲基光纤拉曼放大器的研究 等人的研究表明，f t e 0 4 】4 配位多面体的极化率比 t e 0 3 】2 高2 0 左右 l “】。因此，如果单从玻璃中的碲氧配位多面体的组成来看，在t e 0 2 玻璃中掺杂其他氧化物以后，玻璃的三阶非线性极化率应有所降低。 但是实际上，当引入不同的氧化物以后，碲酸盐系统玻璃的z 口可能 升高也可能降低，引入离子的种类会对玻璃三阶光学非线性有一定的 影响。接下来归纳了几种引入不同离子的情况。 1 如果在t e 0 2 玻璃中掺入p 2 0 5 、b 2 0 3 等传统网络形成体，可提高玻 璃的化学稳定性和以及形成能力。由于p 5 + 、b 3 + 离子本身需要获取周 围的氧离子形成配位多面体参加网络构成，因此不会提供游离氧使 t e 0 4 4 一向【t e 0 3 】2 转变。但是又因为p 5 + 、b 3 + 离子的原子量较小、极 化率较低( 如表3 4 ) 而且含有大晕正电荷，所以局部场强很大，氧 化物离子的电子云浓度会受到严重影响。因此，在t e 0 2 玻璃中加入 这些离子后，其极化率、折射率和三阶非线性光学极化率都会降低 。 表3 4 各氧化物阳离子的极化率 阳离子 p ” 伊+ & “m 9 2 + t e + s 妒+ 强”p b 2 + 极化事a 3o 0 2 1 o 0 0 2 o 0 3 3 d 0 8 81 5 9 5 1 1 1 11 5 0 83 6 2 3 阳离子 n a +k + t i +v 5 + n b 5 + t a 5 + 铲+ m 0 “ 极化率a 30 1 7 5 0 8 1 8o 1 9o 1 2 3 1 0 3 5 o 9 7 5o 1 4 50 1 6 5 2 如果在t e 0 2 玻璃中掺入n a + 、k + 等碱金属或者m 9 2 + 、b a 2 + 等碱士 金属离子时，这些网络外离子会使t e 0 t e 键断裂，并提供大量的游 离氧，导致 t e 0 4 r 双三角锥体向 t e 0 3 】2 一三角锥体转化；同时这些离 子分散在碲氧配位多面体空隙中起平衡电价的作用，它们本身对非线 9 北京交通人学硕_ ：研究生学位论文碲基光纤拉曼放大器的研究 性的贡献很小，因而该系统玻璃的三阶非线性光学极化率显著降低 f 1 3 i 。 3 重金属离子如s b 3 + 、b i 3 + 、p b 3 + 等离子与t e “一样，离子中含有孤对 电子，它们的离子半径较大，电子层数较多，离子的场强较小，被极 化的机率很高( 表3 4 ) ：而t i “、v 5 + 、n b “、t a “、w “、m o “等离 子虽然本身的极化率并不太高，但均含有参与构成键的空d 轨道，并 且电价较高，能与0 2 离子形成具有较大极化率的基团。因此如果在 t e 0 2 玻璃中加入这些重金属离子就会形成具有很高极化率的基团，电 子云容易发生变形，有望改善t e 0 2 玻璃的三阶非线