摻鉍光纖放大器

摻雜光纖放大器通常是摻雜稀土元素(如釹、鉍或鐠),光纖的基礎材料可以是氟化物玻璃、標準的石英或碲酸鹽玻璃。

基本介紹

• 中文名：摻鉍光纖放大器
• 外文名：Bi-dopedfiber amplifier (PDFA)

1光放大器

通常,在構建光鏈路時要進行功率預算,線上路損耗超過可用的功率極限時要接入中繼器。傳統的中繼器放大光信號需要進行以下過程,光電轉換、電放大、重定時、脈衝整形以及電光轉換。儘管這個過程對於中等速率的單波長很適用,但對於高速多波長系統就會遇到電子轉換速度受限瓶頸。中繼器包括用來檢測弱信號的光探測器,電子放大器,用於信號定時的定時電路和用來發射信號的雷射器。這樣的電中繼器的性能受限於電子器件的轉換速度,因此光纖系統雖然有很大的傳輸容量和頻寬,但是依然受限於電中繼器的轉換速度。為了消除傳輸延時,人們花了很大的努力研製全光放大器,可以完全在光域對30nm或更寬的譜寬內的多路光波信號進行功率放大。光放大器是一種不需要經過光/電信號轉換,而能直接放大光信號的一種器件。

2光放大器基本套用和分類

無論在超長距離的海底鏈路還是在接入網的短鏈路中,光放大器都有廣泛的套用。在長距離的海底和陸地點對點鏈路中業務形態是相對穩定的,光放大器的輸入功率電平變化不明顯。然而要在這些鏈路上傳送密集的多波長信道,放大器必須具備寬譜相應範圍並且高度可靠。通常城域網和接入網中傳送的波長較少,業務形態可能會突變,並且根據客戶需求經常需要插入或取出波長,這就要求光放大器能夠從輸入功率快速變化中迅速恢復。光放大器可以分為半導體光放大器(Semiconductor optical amplifier, SOA)和光纖放大器(Fiber amplifier, FA)。拉曼光纖放大器(Ramman fiber amplifier, RFA)是利用光纖中的受激拉曼散射(Stimulated raman scattering, SRS)非線性效應實現信號光的放大。強光在光纖中傳輸時就會產生受激拉曼散射,如果信號光的波長位於拉曼增益譜內,弱的信號光就能得到放大。摻雜光纖放大器(Doped fiber amplifier,DFA)需要特定組份摻雜的光纖,拉曼放大器只需用標準的單模傳輸光纖。

半導體光放大器

SOA中的激活媒質由三和五主族元素(如磷、鎵、銦、砷)形成的半導體合金構成。與半導體雷射器結構類似,當外加偏置電流低于振盪閾值時,雷射二極體能對輸入的信號光實現放大作用。由於所有處於粒子數反轉態下的半導體都具有光增益,所以理論上來說任何半導體雷射器都可以用來作為光學放大器。SOA可分為諧振型的法布里-泊羅腔放大器和行波腔光放大器,兩者都是折射率波導型雷射二極體結構,其主要的差別在於端面反射率的大小不同(其中行波腔沒有鏡面反射,諧振腔存在鏡面發射)。SOA有很多吸引人的地方,它們工作在0波段和C波段,易於與其他光設備和電路(如稱合器、光隔離器及接收電路)集成在同一基片上。與摻雜光纖放大器相比,SOA優點是功耗低、組成器件少、結構緊湊和造價低廉。缺點是噪聲係數大、輸出功率小、對信道間的串擾和信號偏振態敏感,信道之間存在的串擾限制了它在WDM系統中的套用。SOA的小功率輸出無法支持長距離光纖傳輸,其主要套用於集成放大器和套用性能要求不高的光纖鏈路中。

光纖放大器

(1)摻雜光纖放大器

摻雜光纖放大器通常是摻雜稀土元素(如釹、鉍或鐠),光纖的基礎材料可以是氟化物玻璃、標準的石英或碲酸鹽玻璃。放大器的工作波長範圍與基礎材料和摻入元素有關。長途電信系統中最常用的光纖放大器是摻銀光纖放大器,其摻雜少量銀元素。DFA主要包括以下幾個部分:泵浦光源、稱合器、活性介質摻雜光纖、濾波器和光隔離器等。泵浦光通過光親合器入射到摻雜光纖中,將大部分的基態離子泵浦到激發態,對於三能級系統處於激發態的離子會迅速無福射躍遷到亞穩態。離子的亞穩態壽命相對較長(達到毫秒量級)以至於亞穩態與基態之間的粒子數形成反轉狀態。如果信號光通過此摻雜光纖,在受激輻射作用下會產生大量與自身狀態完全相同的光子,使得光信號的功率增大。WDM將泵浦光和信號光親合進摻雜光纖,光隔離器可以保證光的單向傳輸,濾波器可以過濾掉放大器本身產生的自發福射以降低系統的引入的噪聲。

(2)光纖拉曼放大器

拉曼散射是源於光與材料中的光學聲子的相互作用,入射光子被散射產生另一個頻率較低的輸出光子(斯托克斯光子)或頻率較高的光子(反斯托克斯光子),出射光子的傳播方向與入射光子傳播方向相同。光纖拉曼放大器是利用的光纖的非線性光學效應一受激拉曼散射效應產生的增益機制而對信號進行放大的。泵浦雷射的強度大於某一閾值後,拉曼散射的斯托克斯光才會有明顯的增益,其散射光的相干性、方向性和光強才有明顯的提高。桂基拉曼光纖放大器中,泵浦光和信號光頻率間的斯托克斯頻移大概是15THZ。由於改變泉浦光中心頻率,就會改變增益峰值波長,所以光纖拉曼放大器的放大波長範圍是可調的。FRA的優點是親合損耗小,是因為它的放大介質是f統的單模傳輸光纖,它的噪聲比較低、增益穩定性也較好。缺點是需要很高的錄浦光功率(約0.5~1W)、信道串擾大及造價昂貴。

光纖布立淵放大器

布立淵散射是源於入射光與材料中的聲學聲子的相互作用,入射光子被散射產生另一個頻率較低的輸出光子(斯托克斯光子)或頻率較高的光子(反斯托克斯光子),出射光子的傳播方向與入射光子的傳播方向相反。通常斯托克斯波的強度遠大於反斯托克斯波,這兩個波的頻移量是由光纖材料中的聲子特性決定的。

布立淵放大器與拉曼放大器類似,不同點是聲光子在放大過程中起作用。布立淵散射的斯托克斯頻移比較小,在矽基光纖中頻移約為llGHz。布立淵放大器的缺點是噪聲比較大,優點是單模光纖中的閾值功率很小僅為幾個毫瓦。布立淵放大器的頻寬僅為20MHz,適合做窄帶信號放大器。

3摻鉍光纖研究進展

自摻鉍材料的超寬頻近紅外發光現象被發現以來,各國研究人員都相繼投入到摻鉍材料的研究工作當中。1999年,Fujimoto等首次發現摻鉍矽酸鹽玻璃在峰值波長1150 nm處有寬頻螢光福射,半高全寬為150nm。隨後,在2001年Fujimoto等又報導了鉍摻雜鋁矽酸鹽玻璃在500 nm光波激發下產生超寬頻福射1000-1600 nm,峰值1140 nm處的能級壽命為630μs,半高全寬達到220 nm。2003年,他們又在摻鉍石英玻璃中觀察到了 1.3μm光信號的放大現象。隨後在一系列摻鉍玻璃中都觀察到近紅外寬頻發光。2005年,Dianov等首次利用改進型化學氣相沉積(Modified chemical vapor deposition, MCVD)技術製作出摻鉍光纖,其發光譜半高全寬為200 nm,發射截面高達6 x 10 cm。隨後在摻鉍桂酸鹽光纖中觀察到了 1300-1500 nm範圍內的光放大和激射現象。我國一些科研機構也對摻鉍增益材料進行了系統研究。J. Ren等人在摻鉍鍺酸鹽玻璃中研究了1272 - 1348 nm連續波長範圍內的光放大現象,因此摻鉍光纖在未來超寬頻光放大器件中有望扮演重要的角色。

作為一種新型的有源放大介質材料,其可以用來製作雷射器。2005年,Dianov等成功研製出1150-1215nm的連續波摻鉍雷射器。隨後,他們又報導了輸出功率高達15W的連續波摻鉍雷射器,並且首次報導了鎖模摻鉍雷射器。在2008年,Bufetov等和Dvoyrin等分別報導了工作在1300-1470nni的摻鉍光纖雷射器和1443-1459nm範圍的摻鉍光纖雷射激射現象。而在2009年,Dianov等首次報導了摻鉍光纖在1470-1550nm範圍的激射現象, Samuli Kivisto等人報導了 1.9ps脈衝鎖模鉍摻雜全光纖雷射器, Firstov等報導工作波長在1280nm、1330nm、1480nm和1550nm的摻鉍光纖雷射器,最高輸出功率達2W,轉換效率為14-25%。2010年,Dvoyrin等實現了工作波長為1179nm、轉換效率為28%的全光纖雷射器。2011年,Bufetov等在只摻鉍的石英光纖中首次觀察到增益激射現象,A.-P. Luo等人基於非線性偏振旋轉技術實現了可調諧和可開關的雙波長鎖模慘鉍全光纖環形雷射器。2012年,A.V.Shubin等首次報導了最高輸出功率高達20W、轉換效率為50%、輸出波長約為M60nm的鉍鍺共摻光纖雷射器,同時實現了 1389-1538nm波長範圍的雷射激射。2013年,ReginaGumenyuk報導了工作在正常色散和反常色散機制下的1.32μm鎖模摻鉍光纖雷射器。

V. V. Dvoyrin等人第一次利用摻鉍光纖在1430-1495 nm範圍內實現了信號的淨增益大於0,光纖芯組成成分比例為4.5Al203-95.5Si02,鉍的濃度不超過0.02 at.%。福射帶峰值位於1430 nm,其光譜半寬為100 nm。Young-Seok Seo等人利用810nm泉浦光激發摻鉍石英光纖,在1308 nm波長處獲得了放大現象,增益係數達到了 0.038dB/mW,實驗用的摻鉍光纖組份為92.0Si0₂- 7AI₂O₃ -1.0Bi₂O₃(mol%). J. Ren等人利用摻鉍鍺酸鹽玻璃在1272-1348 nm波段內實現了光信號的放大,玻璃組份為80Geo₂-10MgO-10Al₂0₃-1.0Bi₂0₃ (mol%)。所用的泵浦光波長是808nm,在泵浦功率為800mW時,1298nm波長處的增益為3.69dB。Young-Seok Seo等人利用5.0 cm長摻鉍光纖,在1310 nm波長實現了 9.6dB的增益。泵浦光源為808 nm雷射器,功率為100 mW。此實驗也在第二通信視窗觀察到兩個波長的同時放大現象。Psaila N等人利用超快雷射在摻鉍玻璃上雕刻波導,基底玻璃組份為92.0Si0₂- 7AI₂O₃ -1.0Bi₂O₃(mol%) 。波導長度為5mm,980nm泵浦源的功率為600rnW, 1250-1520nm範圍內實驗觀察到放大現象。本項目組在可調諧摻銀光纖雷射器和摻鉍光纖研製、近紅外寬頻福射特性及光放大方面,己開展了大量的理論和實驗研究。2012年Y. Luo用52cni摻鉍光纖和830imi泵浦雷射器,實現了 1350-1470nm範圍的光放大,其開關增益係數可達4dB/m。Y. Luo利用新的MCVD車床和拉絲塔,成功拉制了鉍鉺共摻雜的石英光纖,當用532nm、808nm和980nm半導體雷射器泵浦時,產生了 1000-1570mn的超寬螢光譜;而且利用一個830nm半導體泵浦雷射器,在自製的摻鉍光纖中觀察到1030-1560nm的超寬光福射。

在國內,中國科學院上海光學精密機械研究所、華中科技大學、華南理工大學、昆明理工大學、上海大學、華南師範大學、浙江大學、寧波大學、同濟大學等高校和科研機構也開展了鉍摻雜玻璃和鉍摻雜光纖的相關研究,製備出了各種組分的鉍摻雜玻璃,獲得了 附近的超寬頻螢光譜,分析了鉍摻雜玻璃的光學特性;並試製單包層、雙包層摻鉍光纖,對其光譜特性進行研究,開發基於摻鉍光纖的光纖放大器和光纖雷射器國內外學者進行的可調諧光纖雷射器的相關研究大多數採用Er3+摻雜的石英光纖作為增益介質,工作在C波段和L波段。雖然最近關於摻鉍光纖取得的研究成果為開發工作波長位於1100-1600nm波段範圍的新型寬頻光纖放大器和雷射其提供了基礎,其前景廣闊,但是在這些光纖雷射器被實際套用之前,仍有許多基礎的科學問題和關鍵的技術問題函待解決,比如:鉍元素近紅外福射中心的本質仍有爭議,摻鉍光纖的光譜特性、光增益及雷射激射基本機理了解的還很少。如何進一步提高摻鉍光纖器件的性能,特別是如何實現1100-1600nm全波段的光放大和雷射激射等等,仍需開展大量的研究。

4摻鉍光纖輻射機理

自1999年慘鉍材料的近紅外寬頻光轄射特性被發現以來,研究人員對摻鉍材料進行了大量的研究。人們通過研究不同組份的摻雜而製作玻璃,試圖弄清楚其近紅外寬頻發光中心,但是由於發光中心隨摻雜組份不同而變化較大,受外界環境影響非常嚴重,其發光機理依舊沒有定論。摻鉍玻璃的研究已有許多,因為其近紅外寬頻發光特性可用於光纖通信製作寬頻光源或寬頻光纖放大器,所以對摻鉍光纖的研究也尤為重要。

Bi3+和Bi2+這兩種離子摻雜的材料發光譜在紫外或可見光區域,其螢光壽命大致有幾十個微秒。激發態的光譜特性和焚光壽命與鉍摻雜材料的近紅髮光區別非常明顯。因此,現在研究人員一致認為二價和三價鉍離子不是近紅外發光的起源。

高化合價的鉍為近紅外發光中心的觀點

(1)Bi5+為近紅外發光中心

Fujimoto等人對摻鉍石英玻璃進行了嚴謹etJ電子自旋共振實驗[4],並得出結論Bi5+應該是近紅外輻射中心。鉍離子的基態是iSfl,位於300、500、700和800nm的吸收帶分別歸因於iSo和1D2、3Di、3D2和3D3之間的躍遷。隨後為了驗證Bi5+的存在,他們又進行了不同的實驗例如擴展X射線吸收精細結構、X射線光電子能譜分析和核磁共振。通過上述實驗Fujimoto等人認為檢查過的摻鉍石英玻璃中有Bi5+存在。Xia等人製作鉍摻雜玻璃Ge02-Al203-Na20 (GANB)、GeOi-AlaOa-BaO (GABB)和 GeC^-AlzCVYzCb (GAYB)並對其進行實驗發現鉍相關的光吸收和近紅外光轄射強度按照順序GANB<GAYB<GABB依次增加,並把這種現象歸因於Bi5+濃度的增加,認為Bi5+是近紅外發光中心。

(2) Bi5+On2-分子內電荷轉移(Intramolecular charge transfer, ICT)模型

Kustov等人提出了一個關於Bi04的ICT模型用來解釋鉍摻雜玻璃的光譜特性。這個模型是基於分子軌道理論和薛丁格方程的,考慮了自旋軌道交換、鉍原子的S、P、d電子殼層與氧原子的S、P電子殼層場勢能的相互作用。這種模型適用於同樣有近紅外發光的其它原子(例如In, Pb, Tl, Te等),這些原子的電子殼層結構與鉍原子是相似的。