（通信与信息系统专业论文）光通信掺Erlt3gt玻璃放大器的光学及增益特性研究.pdf

中文摘要 摘要 二十一世纪是全光网络的世纪，为了满足光通信中不同应用对光纤放大器性 能的要求，研究新型掺铒光放大器材料成为光通信领域的热点研究之一。关于这 方面的研究，本文所作的工作主要包括三大方面的内容： 1 首次制备了一系列新型的e r 3 + 厂y b 3 + 共掺铌磷酸盐玻璃( n b v ：e 、e r 3 + ，y b ” 共掺铅铌磷酸盐玻璃( p b n b p ：e y ) 、e r 3 + ，n 3 + 共掺钽磷酸盐玻璃( t a p ：e y ) 和掺e 一 钨碲酸盐玻璃( w t e ：e r ) 。 2 根据m c 原理和j - o 理论分析了上述四种玻璃的光谱和增益带宽特性；用 差热分析法( d 1 a ) 研究了它们的热稳定性。光谱分析结果显示，n b p ：e y 和t a p ：e y 玻璃具有更大的讲和f w h m ，其值分别为6 9 4 1 0 - 2 1 c m ? 、5 0 r i m 和 6 8 8 x1 0 埘c m 2 、5 2 n m ，表明这两种玻璃的宽带放大特性优于目前报道的常规磷酸 盐玻璃、铝磷酸盐玻璃和硅玻璃。p b n b p ：e y 玻璃中的e r 3 + 具有更高的4 i l 粥能级寿 命( 为9 1 l m s ) ，这对降低e d f a 的抽运阈值功率极为有利。差热分析表明三种磷 酸盐玻璃的转变温度分别为5 6 0 0 c ，5 5 9 。c 和6 3 3 0 c ，比常规磷酸盐玻璃的值提 高了2 5 0 3 0 0 0 c ，说明新型的磷酸盐玻璃具有良好的热稳定性，极大地降低了光 纤的外部环境或高功率信号传输对光纤的热损伤的影响。同时克服了磷酸盐玻璃 不易用离子交换技术制备光波导的困难。w t e ：e r 玻璃的和f w h m 分别增大 到9 5 1 0 捌c m 2 和8 6 r i m ，比传统的碲酸盐玻璃的值有了极大的提高，玻璃的上转 换发光现象明显减小。此外，差热分析表明w t e ：e r 玻璃的热稳定性也有所提高。 3 数值模拟了n b p ：e y 玻璃和w t e ：e r 玻璃光纤放大器的增益特性。对n b p ：e y 玻璃光纤放大器而言，当泵浦功率为2 0 0 m w ，输入信号功率为3 0 d b m 时，波长 1 5 3 6 n m 处的峰值增益达到3 4 d b ，获得单位长度上的增益约为4 d b c m 。表明所研制 的n b p ：e y 玻璃是短长度高增益光纤放大器和光波导放大器的理想增益材料。对 w t e ：e r 玻璃光纤放大器增益特性的数值模拟结果显示，当输入功率增加到0 d b m 时，3 d b 增益带宽增达到6 5 r i m ，平均信号增益仍在2 0 d b 以上。w t e ：e r 光纤放大 器在1 5 5 6 n m 波长附近提供了极宽的平坦增益带，信号放大能力延伸至1 6 0 0 r i m 波 长之外，显示了w t e ：e r 玻璃光纤放大器在l 波段的潜在应用价值。 关键词：掺铒光纤放大器；碲酸盐玻璃；磷酸盐玻璃；光谱特性；增益特性 英文摘要 r e s e a r c ho fs p e c t r o s c o p i ca n dg a i nc h a r a c t e r i s t i c so f e r 3 + d o p e d g l a s sa m p l i f i e r sf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t t h e2 1 “c e n t m yi st h ec e n t u r yo fo p f i c a ln e t ，i no r d e rt o s a t i s f yd i f f e r e n t r e q u i r e m e n t sf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e d f a si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , t h er e s e a r c ho n n e we r 3 + d o p e dm a t e r i a l sf o ra m p l i f i e r sb e c o m e so n eo f h o t s p o t si nt h ef i e l do fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n t h e r ea g em a i n l yt h r e ea s p e c t so f w o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n ： f i r s t l y , a s e r i e so fn e w g l a s s e s w h i c h i n c l u d e e ，+ ，y b ”c o d o p e d n i b i u m - p h o s p h a t eg l a s s e s ( n b p ：e y ) e ，协”c o - d o p e dl e a d - n i b i u mp h o s p h a t eg l a s s ( p b n b p ：e y ) e r 3 + y b 3 + c o d o p e dt a n t a l u m - p h o s p h a t eg l a s s ( t a p ：e y ) a n de ，d o p e d t u n g s t e n - t e l l u r i t eg l a s s ( w t e ：e o ，a l ep r e p a r e d s e c o n d l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p e c t r o s c o p i ca n dg a i n - b a n do ft h eg l a s s e sa g e a n a l y z e db ym c c u m b e ra n dj u d d - o f e l tt h e o r y t h er e s u l ts h o w st h a t ，c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lp h o s p h a t eg l a s s e s ，a l u m i n i u m - p h o s p h a t eg l a s s e sa n ds i l i c a t eg l a s s e s ，t h e p e a kv a l u eo f e m i s s i o nc r o s ss e c t i o na n df u l lw i d t ha th a l f m a x i m u mo f t h en b p ：e ya n d t a p ：e yg l a s s e sa g el a r g e r , a g e6 9 4 1 0 2 1 e m 2 ，5 0 n ma n d6 8 8 1 0 。2 1 9 i n 2 ，5 2 n m , r e s p e c t i v e l y e n e r g yl i f eo f 4 1 1 3 2o fe r ：，+ i np b n b p ：e yg l a s si sh i g h e r , a n di s9 1 l m s i t i sh e l p f u lf o rd e c r e a s i n gt h ep u m p i n gt h r e s h o l dp o w e ro fe d f a t h et h e r m a ls t a b i l i t y o fg l a s s e si sr e s e a r c h e db yt h ed i f f e r e n c et h e r m a la n a l y s i s ( d t a ) t h er e s u l ts h o w st h e s o r e n i n gp o i n t so ft h r e et y p e so fp h o s p h a t eg l a s s e sa g e5 6 0 。c ，5 5 9 0 ca n d6 3 3 。c ， r e s p e c t i v e l y , w h i c ha g e2 5 0 3 0 0 。ch i g h e rt h a nt h o s eo f c o n v e n t i o n a lp h o s p h a t eg l a s s e s i ti n d i c a t e st h a tt h en e wt y p e so f p h o s p h a t eg l a s s e sp o s s e s so ff m et h e r m a ls t a b i l i t y , a n d o v e r c o m et h eh a r d n e s si np r o d u c i n gw a v e g u i d eb yi o ne x c h a n g et e c h n i q u e ，m e a n w h i l e c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lt e l l u r i t eg l a s s e s ，t h ep e a kv a l u eo f e m i s s i o nc r o s ss e c t i o n a n df u l lw i d t ha th a l f m a x i m u mo fw t e ：e rg l a s sa r ei n c r e a s e d g r e a t l ya n da g e 9 5 1 酽1 c t f l 2a n d8 6 n m , r e s p e c t i v e l y , a n du p e o n v e r s i o nf l u o r e s c e n c ei sa l s om i n i s h e d g r e a t l y a d d i t i o n a l l y , d t as h o w st h ei m p r o v e m e n ti nt h e r m a ls t a b i l i t yi nw t e ：e rg l a s s 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 fn b p ：e ya n dw t e ：e rf i b e ra m p l i f i e r sa r e s i m u l a t e d f o rn b p ：e yg l a s sf i b e ra m p l i f i e r , t h ep e a kg a i na t1 5 3 6 n mi sl l pt o3 4 d ba n d g a i np e ru n i tl e n g t hi sa b o u t4 d b c mw h e nt h ep u m p i n gp o w e ri s2 0 0 m wa n di n p u t p o w e ri s 3 0 d b m i ts h o w sn b p ：e yg l a s si st h ed e s i r a b l eg a i nm a t e r i a lf o rs h o r tl e n g t h 英文摘要 a n dh i g h g a i nf i b e ra n dw a v e g u i d ea m p l i f i e r s t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nf o rg a i n c h a r a c t e r i s t i c so fw t e ：e rg l a s sf i b e ra m p l i f i e rs h o w st h a t3 d bg a i nb a n di s6 5 r i ma n d t h ea v e r a g eg a i ni s s t i l la b o v e2 0 d bw h e nt h ei n p u tp o w e ri si n c r e a s e dt oo d b m w t e ：e rf i b e ra m p l i f i e rs u p p l i e sv e r yw i d eb a n do ff l a tg a i na t1 5 5 6 n m ，t h ea m p l i f y i n g a b i l i t yi se x t e n d e dt oo v e r1 6 0 0 n r nw a v e l e n g t h i ts h o w st h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o nv a l u e o f w t e ：e r 酉a s sf i b e l a m p l i f i e ra tl b a n d k e y w o r d s ：e d f a ；t e l l u r i t eg l a s s ；p h o s p h a t eg l a s s ；s p e c t r o s c o p i cp r o p e r t y ；g a i n e h a r a c t e r i s t i e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成博士学位论文：堂望值攫亘：夔堕筮盘墨的当兰丞擅董挂性班究：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：球群埘7 年，月刁日 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理 办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名 导师签名：蝴 pvj 日期：2 0 0 7 年3 月2 9 日 创新点摘要 创新点摘要 1 e r 3 + ，n 3 + 磷酸盐玻璃是备受青睐的短长度高增益光放大器的理想基质材 料，为了进一步提高其发光特性，本文首次制备了新型的e r 3 + ，y b 3 + 共掺铌磷酸盐 玻璃( n b p ：e y ) 和口肿3 + 共掺铅铌磷酸盐玻璃( p b n b p ：e y ) 。n b 2 0 5 的加入使 e ，周围的网络结构更为复杂，使n b p ：e y 玻璃中e ，的峰值受激发射截面矿“和 荧光发射半高峰宽度f w h m 分别提高到了6 9 4 1 0 。2 1 t i n 2 和5 0 n m 。此外n b p ：e y 和p b n b p ：e y 玻璃的起始转变温度分别为5 6 0 0 c 和5 5 9 0 c ，比常规磷酸盐玻璃提 高了2 5 0 。c ，远高于离子交换工艺制备光波导的温度( 3 0 0 4 0 0 0 c ) ，克服了磷酸 盐玻璃不易用离子交换技术制备光波导的困难，增强了磷酸盐玻璃光纤和光波导 放大器工作的可靠性和稳定性。p b c h 的加入，提高了p b n b p ：e y 玻璃中e ，的4 1 1 3 也 能级寿命( - - 9 1 l m s ) ，这对掺铒光纤放大器实现更低的抽运阈值功率极为有利。 2 本文首次制备了e r 3 + y b ”共掺钽磷酸盐玻璃( t a p ：e y ) ，由于t a 2 0 5 的存 在使磷酸盐玻璃具有紧密的玻璃网络聚合性，提高了玻璃的转变温度( t 产6 3 3o c ) ， 高达1 8 6 。c 的晶化温度和转变温度的差值，加大了拉制光纤的抗析晶的温度操作 范围。同时t a p ：e y 玻璃具有大的彰越( = 6 8 8 1 0 2 1 c m 2 ) 和f w h m ( = 5 2 n m ) ， 显示了优于目前报道的常规磷酸盐玻璃、铝磷酸盐玻璃和硅玻璃的增益带宽特性。 3 理论分析了泵浦功率、信号光功率等对放大器增益的影响。数值模拟结果 显示，当泵浦功率为2 0 0 m w ，输入信号功率为3 0 d b m 时，在9 c m 长的光纤上， 波长1 5 3 6 n m 处的信号峰值增益达到了3 4 d b ，单位长度上的增益约为4 d b c m 。表 明所研制的n b p ：e y 玻璃是小尺寸高增益光放大器的理想增益材料，为进一步制作 n b p ：e y 玻璃光纤和光波导放大器提供了重要的理论依据。 4 掺e r 3 + 碲酸盐玻璃是宽带e d f a 的理想基质材料，但玻璃转变温度太低限 制了其在实际中的应用。为此，本文研制了新型的掺e r 3 + 钨碲酸盐玻璃( w t e ：e r ) ， 同传统碲酸盐玻璃相比，玻璃的转变温度显著提高，达到了4 2 7 0 c ；而w 0 3 网络 产生的杂质格点对加宽1 5 3 0 r i m 处的发光极为有利，使彰“提高到9 5 1 0 捌c m 2 ， f w h m 增加了1 6 r i m 。数值模拟显示，w t e ：e r 光纤放大器在1 5 5 6 n m 附近提供了极 宽的平坦增益带，当输入信号功率增加到0 d b m 时，3 d b 增益带宽增大到6 5 r i m ， 信号放大能力延伸至1 6 0 0 r i m 之外，显示了w t e ：e r 玻璃在l 波段的潜在应用价值。 光通信掺矿玻璃放大器的光学及增益特性研究 第1 章绪论 1 1 光纤通信的发展 现代通信技术的发展已使社会和经济在全球范围内发生了彻底的变化，其关 键特征之一就是传输速度在不断增长，而其成本却在不断降低。这在很大程度上 应归功于电子学的发展，同时更应归功于以光纤为基础的光通信能力的大幅度提 高。 将光用于通信并不是现代社会的创新，据古代中国和希腊的史料记载，公元 前8 0 0 年人类就建造了烽火台，并用光一主要是以火的形式来发送消息。1 7 9 1 年， c l a n d ec h a p p e 发明了信号灯发报系统，这种光通信方式使用了大约半个世纪，成 为遍布欧洲的通信网络。1 9 1 7 年a l b e r te i n s t e i n 提出了受激发射的概念，1 9 6 0 年 美国的t h m a i m a n 发明了红宝石激光器【1 l ，此后大气光通信一度成为光通信的主 要发展方向，直到1 9 6 6 年英籍华人高锟与霍克曼研制出世界上第一根用于光波传 输的、有包层的玻璃纤维一光纤【2 】，才为光纤通信系统( 利用激光作为信息的载波 信号并通过光导纤维来传递信息的通信系统) 的发展带来了契机。但光纤通信并 没有立刻变成现实，直到1 9 7 0 年的两项重大发明才使光纤通信有了实现的可能： 其一是贝尔实验室的i h a y o s h i 等人研制出能在室温下连续工作的g a a i a s 半导体 激光器1 2 】；其二是美国c o m i n g 公司的r o b e r tm a u r e r 等人成功研制出“低损耗” 光纤( 损耗值低于2 0 r i b k i n ) 3 1 。自此，通向光纤通信的大门被打开。 1 9 7 7 年，世界上第一个商用多模光纤通信系统付诸实施，传输距离为7 k m ， 该系统工作波长为8 5 0 n m ，光纤损耗为2 5 3 r i b k i n ，传输速率为4 5 m b i t s ，这就 是通常所说的第一代光纤通信系统。尽管在没有转发器的情况下，只能发送几千 米，但与铜缆相比，成本已大大降低。此后，光纤通信系统得到了迅速发展，不 久第二代光纤通信系统出现，此系统采用的是波长1 3 1 0 r i m 多模或单模光纤，光纤 损耗最低可降到0 5 d b k m ，传输速度为1 4 0 m b i t s ，中继距离为2 0 5 0 k m 。1 9 8 2 年以后，第二代通信系统开始投入使用，主要用于中、短距离通信线路，也用作 大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。1 9 8 3 年第三代光纤通信系统投入使 用，主要用于长途干线和海底通信。该系统采用1 3 1 0 n m 波长单模光纤，光纤损耗 第l 章绪论 已降至o 3 o 5 d b k m ，中继距离为5 0 - 1 0 0 k i n ，达到了实用化和大规模化应用的要 求。9 0 年代以后，光纤通信系统容量得到了迅速扩充，光纤的传输波长转向更长 的波长一1 5 5 0 1 1 m ，其损耗的典型值小于0 2 d b k m 4 ，传输速率达2 5 g b i t s ，中继 距离为8 0 - 1 2 0 k m ，同时，系统中开始使用掺铒光纤放大器和波分复用器等新型器 件，从而进入了光纤通信系统的第四代。1 9 9 6 年，密集波分复用等重大技术的开 发和应用，使光纤通信系统得到了更为迅速的发展，第五代t b i v s 超大容量长距离 光纤通信系统逐步形成，并开始了商用化通信系统向全光网络( a o n - - a l lo p f i c m n e t s ) 方向发展。 1 2 光放大器的分类及发展 随着信息时代的来临，通信业务逐年迅速增长，为了适应通信网络的传输容 量不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术，其中光波 分复用( w d m - - - w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术【 】是优先选择的方案之一。 该技术的基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光 缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开( 解复用) ， 并做进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。而同一窗口中信道间隔较小 的波分复用称为密集波分复用( d w d m - - - - d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。 波分复用光信号在光纤中传输时，不可避免地存在一定的损耗和色散，损耗 导致光信号能量的降低，色散致使光脉冲展宽，因此每隔一段距离就需设置一个 中继器，以便对信号进行“放大”和“再生”后继续传输。在光放大器实用化以 前，传统的中继放大是在光信号传输过程中，将弱光信号转变成电信号，对电信 号进行放大、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再将电信号转换成 光信号沿光纤线路继续传输。这种光一电一光转换的中继器有许多缺点，如设备 复杂，需要昂贵的脉冲限幅、重新定时和整形的电子器件以及光探测器件和光发 射器件，系统的稳定性和可靠性不高，对多信道的通信系统，设备更复杂，费用 更昂贵，而且随着传输码率的提高，“再生”的难度也越来越大，电子线路的响应 极限已经成为限制通信速率的“电子瓶颈”，它限制了高速通信技术的发展。正当 基于电子再生器的传统光通信系统达到达性能的顶峰时，1 9 8 5 年英国南安普敦大 学的一个研究小组用掺稀土光纤实现了1 5 5 0 n m 波长光的放大，1 9 8 7 年第一台光 光通信掺e 1 3 + 玻璃放大器的光学及增益特性研究 纤放大器问世【1 0 l ，直接光放大成为现实，自此光纤通信工业发生了彻底的改变。 石英光纤系统有近5 0 0 r i m 的低损耗窗口( 1 2 0 0 n m 一1 7 0 0 n m ) ，是潜在的通信带 宽资源。根据国际电信同盟( i t u - t - - i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n - t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 的规定，放大器的工作波段可细分为s 波段( 短波段，1 4 8 0 n m 1 5 3 0 n m ) 、c 波段( 常规波段，1 5 3 0 r t m 1 5 6 5 n m ，它对应 光纤的最低损耗区) 和l 波段( 长波段，1 5 6 5 n m 1 6 2 5 n m ) 。对于不同的波段有不 同的光放大器，目前主要有三类：半导体光放大器、非线性光纤放大器和掺稀土 光放大器。 1 2 1 半导体光放大器 半导体光放大器( s o a - - - s e m i c o n d u e t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 【1 1 1 的基本结构、原理 和特性等与半导体激光器非常相似，都由电流对载流子提供激励。实际上是偏置 电流靠近振荡阈值但在阈值之下，腔体没有或有很少光反馈的激光二极管。其放 大特性主要取决于有源层的特性和激光腔的特性。s o a 具有电子泵浦、小尺寸、 大的增益宽带、容易与其它光子器件单片集成等优点。其主要缺点是【1 2 1 ：增益受 偏振态影响很大；具有温度敏感性；由于载流子寿命较短( 2 0 0 p s ) ，信道间的交叉 串扰较大；耦合损耗较大，使得s o a 的噪声指数增大，一般在6 9 d b 。s o a 在 光纤通信系统中主要用于1 3 0 0 r i m 窗口的放大【m 】，另外，s o a 也用在交换机、 调制器、滤波器、光开关、波长转换器等装置中【l 纠6 】。由于s o a 具有容易与其 它光子器件和光波导实现单片集成的特点，因此易用于实现集成放大。 1 2 2 非线性光纤放大器 非线性光纤放大器包括光纤拉曼放大器( f r a - - - f i b e rr a m a aa m p l i f i e r ) 、光纤 布里渊放大器( f b a - - f i b e rb r i u o u i na m p l i f i e r ) 、光纤参量放大器( f p a - - f i b c r p a r a m e t e ra m p l i f i e r ) ，它们都是利用光纤中各种非线性效应产生的增益机制对光信 号进行放大。最近几年，f r a 成为人们对光放大器研究的焦点之一，并取得了巨 大的进展【1 7 。9 】。f r a 的工作原理是基于光纤的受激拉曼散射( s r s s t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n g ) 效应。由于石英光纤具有很宽的s r s 增益谱，并在1 3 t h z 附近有一个 比较宽的主峰，因此当一个弱信号与强泵浦光同时在光纤中传输时，如果弱信号 波长在泵浦光的喇曼增益带宽内时就会得到放大。f r a 最重要的特点是增益波长 由泵浦光波长决定，只要选择合适的泵浦源，理论上可以得到任意波长信号的放 第1 章绪论 大，为系统的扩容提供了无可比拟的方便条件。若采用多波长泵浦，可得到比掺 铒光纤放大器宽得多的增益带宽，目前已达1 3 2 r i m 。因此，f r a 对开发光纤的整 个低损耗区( 1 2 7 0 n m 1 6 7 0 r i m ) 具有无可替代的作用。此外，f r a 的增益介质为 传输光纤本身，可以在传输的同时进行在线放大。光纤中各处的信号光功率都比 较小，降低了非线性效应，尤其是四波混频效应的干扰，可实现长距离的无中继 传输【2 帕1 1 ，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。还有就是噪声 指数相对较低，使得其与常规e d f a 混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增 加传输距离。f r a 的主要缺点是由于单位长度的增益系数低，因此需要大功率的 泵浦源，不利于在高速大容量光纤通信系统中使用。另外f r a 对泵浦光及信号光 的偏振态敏感，增大了系统设计的复杂性。 1 2 3 掺稀土光放大器 掺稀土光放大器是利用掺杂在光放大器传输介质中的稀土金属离子( 即元素 周期表中的镧系元素，镨( p r ) 、钕( n d ) 、铒( e r ) 、铥( t m ) 等都属于此系。) 的能 级跃迁实现对光信号的放大。掺杂不同稀土离子的光放大器可实现不同波段光信 号的放大。目前通信领域对掺稀土光放大器的研究比较多的集中在掺镨光纤放大 器( p d i a ) 、掺铥光纤放大器( t d f a ) 、掺铒光纤放大器( e d f a ) 和掺铒光波导 放大器( e d w a ) 上。 1 掺镨光纤放大器 掺镨光纤放大器( p d f a - p d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 是工作在1 3 0 0 n t o 波段的 光纤放大器。为了能在1 3 0 0 r i m 窗口的有限资源中也能开展远距离传输和d w d m 服务，业界一直重视着1 3 0 0 n m 光纤放大器的开发和应用t z 2 。早在1 9 8 8 年人们 就进行过掺钕光纤放大器的研制，在石英玻璃光纤中n d ”的发光中心波长位于 1 3 4 0 h m ，偏离光通信的1 3 1 0 n m 波长，同时又呈现很强的受激态吸收，因此未能 得以继续发展。1 9 9 1 年开发出的p d f a ，其增益波长恰与通信光波长的1 3 0 0 h m 一致，同时能获得高增益，于是人们便展开了对p d f a 的研列2 4 筇1 。由于石英玻璃 材料具有大的声子能，不能得到p ，在1 3 0 0 r i m 波长的发光，而氟化物玻璃基质又 比石英玻璃基质放大效率高，所以p d f a 一般使用氟化物光纤，但氟化物光纤比 石英光纤的环境适应性差，为此必须采用真空密封型氟化物光纤。目前p d f a 的 泵浦源可以选用双包层大功率掺镱光纤激光器( 发射波长1 0 0 0 1 1 5 0 n m ) 。 光通信掺矿玻璃放大器的光学及增益特性研究 2 掺铥光纤放大器 掺铥光纤放大器( t d f a t i n 3 + d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 工作在损耗较低的 1 4 5 0 n m 波段，可实现1 5 5 0 n m 窗口e d f a 不能实现的s 波段( 1 4 5 0 - - 1 5 2 0 n m ) 的 放大2 7 4 0 】。t d f a 的主要特点是高的饱和输出功率、光增益与偏振无关、低噪音系 数等。普通光纤在1 4 5 0 n m 波段的损耗也比较低，甚至比1 4 5 0 n m 更短的波长中， 其光纤的传输损耗也在0 2 5 d b k m 以下。所以，t d f a 也适合于中、长距离通信。 它与e d f a 共同使用，就几乎可覆盖整个1 5 5 0 r i m 窗口，从而充分利用光纤1 5 5 0 n m 窗1 ：3 的带宽资源【3 ”。对于采用色散位移光纤的系统，1 4 5 0 n m 波段的色散较小，在 此波长进行d w d m 传输就可避免1 5 5 0 n m 波长传输的四波混频失真的限制。氟化 物玻璃一度被认为是t m 3 + 离子掺杂较为合适的基质材料3 2 j 3 1 ，目前实验室已经能 够实现1 4 8 0 1 5 0 9 n m 范围内2 5 d b 平坦增益，并不断地实现其性能的优化。但氟 化物玻璃系统稳定性能较差，很易出现不均匀区，并且氟化物玻璃较低的熔化温 度也使其很难与石英传输光纤有效地熔接。相比较而言，碲酸盐玻璃被认为是t m 3 + 离子掺杂更为合适的基质材料3 4 筇l ，其将是光纤放大器应用于s 波段放大研究的 主要方向。 3 掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器( e d f a + d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 是目前光通信系统中最成 熟、使用最广泛的光放大器，它一般工作在1 5 5 0 n m 窗口的c 波段和l 波段，在 该窗口光纤损耗系数比1 3 1 0 n m 窗口还要低( 仅0 2 d b k m ) 。 e d f a 提供了极高的增益和低噪声指数，具有偏振不敏感性、线性饱和输出特 性、温度稳定性以及与光纤系统良好的接入性，并且由于其上能级寿命较长 ( 一1 0 m s ) 有利于泵浦能量的积累，从而阈值低、效率高，同时也决定了其瞬态响 应速度较缓，对信号问串扰影响不敏感。这些特性反映e d f a 对于作为后置放大 器、在线放大器和前置放大器等应用极为理想。另一方面，e d f a 对于数据格式是 透明的，并且可同时容纳大量的w d m 通道。自从1 9 8 7 年第一台掺铒光纤放大器 成功研制以来，e d f a 技术得到了迅速的发展1 3 6 - 3 9 。已商用的e d f a 噪声小，增益 曲线好，放大器带宽大，与d w d m 系统相兼容，性能稳定、技术成熟，在现代 d w d m 通信系统中备受青睐，具有优良性能的e d f a 与d w d m 技术的结合已经 成为目前光纤通讯发展的主流 4 0 4 2 1 。 第1 章绪论 4 掺铒光波导放大器 掺铒光波导放大器( e d w a e r 3 + d o p e 1w a v e g u i d ea m p l i f i e r ) 是继e d f a 、s o a 成功研制以来又一种具有发展前途的光放大器【4 3 1 。e d w a 与e d f a 原理相似，并 继承了e d f a 的优点：噪声指数低、偏振相关性小以及无通道间串扰；同时还具 有损耗低、单位长度增益高、体积小、结构紧凑、便于集成等特点，可用作前置 放大器、末端放大器以及光纤到户( f 1 卜咱b c r t o t h e h o m e ) 和光纤到路边( f t t c 一曲盯t o t h e c u r b ) 网络中的无损分路器和功率放大器等。十几年来，e d w a 的开 发取得了很大的进展4 7 】。1 9 9 1 年1 月，日本的k i t a g a w a 等人【4 8 1 首次在硅衬底上 用火焰脱水沉积法制作出了掺铒平板波导激光器。同年，加拿大的h o n k a n e n 等人 眇】用离子交换法获得了掺铒磷酸盐单膜玻璃光波导放大器，在1 5 5 0 n m 波长附近单 位长度的增益为2 d b c m 。1 9 9 6 年，l u c e n t 的r u b y 等人【5 0 】制作出了阈值功率为 8 , - - 1 0 r o w 、净增益为3 7 4 5 d b 的掺铒平面光波导放大器。1 9 9 9 年j s h m u l o v i c h 用 溅射沉积技术制作的平面波导实现了1 5 d b 的净增益，单位长度增益达到 4 1 d b c m 。2 0 0 2 年，香港城市大学的s e w o n g 等人【5 1 】用离子交换法制作的e n 3 + 磷酸盐玻璃波导，在1 2 0 m w 的9 8 0 n m 波长泵浦光作用下，得到了3 3 d b c m 的小 信号增益。2 0 0 3 年p r a t h e e p a nm a d a s a m y 等人用银膜离子交换技术制作的掺铒光波 导，在4 7 c m 长的波导样品上获得了7 d b 的增益。2 0 0 4 年i o m m os o l e h m a i n e n 等 人【5 2 】在硅基上制作了掺铒a 1 2 0 3 波导，在3 9 c m 长的波导上得到了6 d b 的增益。 近年来国内上海光激所1 5 3 1 、电子科技大学等单位唧l - - 直进行新材料及波导的制作 和特性方面的研究，国内掺铒a 1 2 0 3 光波导放大器的研究尚处于起步阶段。 为了实现集成光学，已经发展了很多制作e d w a 的技术【5 5 1 ，如溅射沉积法、 等离子体增强化学气相沉积法、火焰水解涂覆法、离子交换技术、复合波导技术、 溶胶一凝胶技术和飞秒激光脉冲法等。对于不同的应用，这些技术有不同的优缺点。 其中离子交换技术是成功制作出了可在市场销售的集成光学元件的传统制作方 法，是制作平面光波导的首选方法。该制作工艺简单、成本低，制作的波导传输 损耗仅为o 0 1 d b c m 。但也有其缺点：精确控制比较难，不易实现良好的模式限制。 为了在几厘米的尺寸上实现一个紧凑的掺铒光放大器，需要掺杂高浓度的铒 离子( 1 w t e r 2 0 3 ) 。这就需要选择合适的基质材料，因为基质材料不适合，就 会由于高浓度的铒而产生严重的离子间的相互作用，从而消除放大器的性能。目 光通信掺e ，玻璃放大器的光学及增益特性研究 前，制作平面光波导的玻璃材料主要是掺铒石英一硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃。与 硅酸盐玻璃相比，b r 3 * 在磷酸盐玻璃中具有溶解度高，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 i 、y b 共掺还可以大 大提高e r 3 + 在磷酸盐玻璃中的溶解度以及泵浦效率，使得磷酸盐铒玻璃成为制作高 性能、超短长度光波导放大器的首选材料。 尽管随着光子集成技术的迅速发展，e d w a 受到广泛关注。但e d w a 也有不 足之处：光波导与光纤网络模式不易匹配、较大的传输损失、复杂的制造工艺和 集成工艺。对于未来的发展，掺铒波导制造技术还是一个比较高的门槛，e d w a 的实用化程度还比较低。 总之，上述三类光放大器( 半导体光放大器、非线性光纤放大器和掺稀土光 放大器) 各有优缺点唧l ( 见表1 1 ) ，它们在超长距离d w d m 系统中获得了不同的 应用：s o a 覆盖了1 3 0 0 1 6 0 0 n m 波段，既可用于1 3 0 0 r i m 窗口，又可用在1 5 5 0 r i m 窗口，虽然s o a 已经失去了在传统放大器领域中的作用，却在全光波长变换、高 速光开关、解复用、时钟提取等领域大放异彩；e d f a 主要用于d w d m 系统、接 入网、光纤c a l v 网和光孤子传输系统等领域；f r a 主要用于超长距离传输。 表1 1 光放大器的类型和各自优缺点 t a b 1 1t y p ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c sa m p l i f i e r s 常规失真 放大器工作激励小信号噪声偏振敏集成 工作长度 光纤 和 类型原理方式增益 特性感度 性 耦合串话 非线性光光学非线数十米到 光 4 0 好容易大严重无 纤放大器性效应数千米 半导体光粒子数1 0 0 微米至 电 3 0差困难大严重易 放大器反转1 毫米 掺稀土光粒子数 数米到可 光 4 0 好容易无无 纤放大器反转数十米忽略 随着骨干网、城域网和接入网络的发展，光放大器向高端和低端两个方向发 展：高端放大器向高性能、宽带、多功能、智能化方向发展；而低端放大器则向 第1 章绪论 着紧凑化、小型化、低价位、低功耗、标准化方向发展。二十一世纪是光子的世 纪，是光网络的世纪，发展全光网络必然要涉及开发一系列不同于以往传统光纤 通信要求的新技术、新器件，作为实现超高速、超大容量、超长距离传输的关键 功能器件的e d f a 要发挥重要作用，对其深入研究是十分有意义的。 1 3 掺铒光纤放大器的历史、现状及发展趋势 e d f a 是光通信领域最令人振奋的发明之一，也是继低损耗单模石英光纤之后 最重要的一个发明，它的成功研制和应用对光通信系统的发展具有革命性的影响， 使光通信系统进入了飞速发展的黄金时期，它对光通信系统的巨大促进作用主要 表现：首先它带来了无中继海底传输系统。由于e d f a 可以直接实现光放大，克 服了光一电一光转换的“电子瓶颈”效应。在长距离光通信网中，系统更新与升 级不再需要更换硬件设施。如今e d f a 正在世界各地干线网及海底传输系统中发 挥着作用；e d f a 带给光通信系统的第二个巨大改变是它促进了具有巨大经济效益 的w d m 的使用。正是一个e d f a 具有可以同时放大多路信号的能力才使得w d m 技术的实现成为可能。现在e d f a 是提高波分复用系统的信道数和1 5 3 0 r i m 处光网 络系统传输容量的关键部件；e d f a 的第三方面作用就是实现全光网络技术。 目前对e d f a 的研究基本上沿两个方向同时进行：一个方向是对e d f a 的光 纤材料的研究，目的是研制出增益更宽更平坦、单位长度增益更高的掺铒光纤； 另一个方向是e d f a 整体性能的研究，目标是在现有的e d f 材料基础上设计出符 合现代光纤通信系统要求的性能良好的e d f a 。下面我们就e d f a 的光纤材料方面 的研究来看e d f a 的发展。 1 常规掺铒光纤放大器 常规e d f a 5 7 。8 1 的掺铒光纤主要是以石英作为基质材料，并在纤芯中掺入一 定量的稀土元素铒离子。最初的石英e d f a 是在波长1 5 4 0 1 5 6 0 r i m 的2 0 r i m 带宽 范围内提供增益。它有两段掺铒光纤，均由9 8 0 n m 半导体激光器做泵浦源。也就 是说，它是两级放大：输入级主要是提高增益，输出级提供饱和的输出功率，而 两级之间设置一个避免放大自发辐射的滤波器。目前研制的常规e d f a 能在 1 5 3 0 - - 1 5 6 5 n m 或1 5 2 5 1 5 6 0 n m 的3 5 n m 带宽范围内提供平坦增益，在