Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器及其应用

田贺斌　杨天新　周佳凝　王颖　李世忱
　　摘要　介绍了Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器（EDWA）的原理、结构、制备及其优势与局限，同时还介绍了多种基于EDWA的集成放大器件以及它们在城域网/接入网、CATV等光通信领域的应用。

　　关键词　波导放大器　EDWA　玻璃光波导

　　1　引言

　　未来通信将是全光通信已成为共识，与电通信的发展相似，光通信将向小型化、集成化方向发展。工作在1550nm光通信波段的Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器（EDWA）是继掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体激光放大器（SOA）研制成功以来又一种具有发展前途的光放大器。EDWA制造成本低、单位长度增益高、结构紧凑、尺寸小巧，很适合于有限空间内的灵活应用；另外，EDWA功能集成、简便经济，它能够非常容易的与任何损耗器件集成在一起，如隔离器、相位阵列波导、分插复用器、调制器、光开关、光交叉连接器等，从而为集成光路引进多种有源元件。凭借这些优势，EDWA将在光通信领域发挥越来越大的作用。下文对EDWA发展状况作一个比较系统的介绍，包括器件的制备、优势与局限以及应用等。

　　2　EDWA的制备

　　EDWA由内嵌制作在Er3+:Yb3+共掺杂玻璃基片上的光波导组成。光波导结构能够将泵浦光能量约束在截面积非常小、长度较长的区域内，从而提高泵浦光功率密度和有效作用长度，得到很高的单位长度激光增益，约为光纤结构的100倍。

　　EDWA的制作过程可分为六步：准备玻璃基片、光刻制作保护掩膜、制作光波导、切割打磨、装配尾纤以及封装。

　　其中制作光波导是以上过程中最关键的一步，光波导结构的优劣决定了EDWA整体性能的高低。光波导的制作主要与基片材料的选择和加工工艺有关，下面分别对这两个方面作简单的介绍。

　　2.1　基片材料的选用

　　制作波导的玻璃基片多使用Er3+:Yb3+共掺的硅酸盐或磷酸盐玻璃，这两种玻璃适合作为稀土元素的宿主，它们能够接受非常高的Er3+、Yb3+掺杂率（超过1026原子/m³），这比硅玻璃至少要高100倍。此外，这些玻璃的敏化量子系数接近于1，制作出的波导损耗也比较低。材料中掺杂的Yb3+是泵浦吸收敏化剂，负责将吸收的泵浦光能量转移给Er3+。Yb3+在980nm附近有一个很强的吸收截面，这样就可以使用技术十分成熟的商用980nm半导体激光器作为泵浦源。泵浦源容易获取也是EDWA实用化优势之一。

　　为了更好的提高玻璃基片的光学性能，还需要寻求最佳掺杂浓度、抑制上转换发光和反向能量传递、减少自吸收、提高热导率、控制OH-离子浓度。也有报道介绍，氟铝酸盐玻璃具有更大的荧光强度和较小的浓度猝灭效应，但是尚未见到应用此种材料制作光波导的文章。

　　2.2　光波导的制作

　　现在Er3+:Yb3+共掺玻璃光波导的制作方法主要有五种，分别是离子注入法（Ion-implanted）、RF溅射/等离子体增强化学汽相沉积法（DVD+RIE）/火焰水解涂覆法（FHD+RIE）、离子交换技术（Ion-exchanged）、复合波导和熔胶凝胶技术（Sol-gel）。

　　目前常用的方法是电场辅助热扩散型离子交换法（FAIE-Field-assisted Ion-Exchanged）。用FAIE在氧化物玻璃基片上制作出的波导掩埋于玻璃表面下，这样可以保证波导稳定并使其性能得到优化，这种波导具有更低的传输损耗和偏振相关性，可以支持限定的模式，能够更好的与光纤兼容。

　　以K+-Na+交换为例，玻璃基片中的Na+能够比较自由的迁移，基片浸入熔融状态下的纯KNO3时，在玻璃表面处会形成K+、Na+浓度梯度，离子将由高浓度区域向低浓度区域扩散以达到平衡。这样，玻璃中心的K+会继续与玻璃中的Na+进行交换从而扩散到更深的玻璃内部，扩散区域的折射率会因K+含量不同而产生相应的增加。如果选通过光刻技术在玻璃表面制作好一定开口宽度的保护掩膜（如铝掩膜、铬-金双层掩膜等）再进行离子交换，就可以得到特定折射率增量分布的条形光波导。但是只进行离子交换形成的光波导的截面是半椭圆形的，它的折射率极大值在表面处，为非对称分布。这种波导稳定性较差，而且在与折射率对称分布的光纤进行对接耦合时，二者会由于模场失配而造成较高的耦合损耗，这会大大影响EDWA的实际应用，所以需要对其进行再处理。若在制作波导的玻璃表面与另一表面之间加适量电场时，由离子交换形成的波导会向玻璃内部整体移动，从而形成折射率极大值位于中心的对称分布掩埋型玻璃波导。

　　3　EDWA的优势与局限

　　制作EDWA的离子交换法工艺简单、成本低，是实现关键光功能集成的一种有效方法。EDWA能够非常容易的与隔离器、相位阵列波导、分插复用器、调制器、光开关、光交叉连接器等损耗器件集成在同一基片上，从而制成多种光通信集成有源器件。把这些功能集成在一起不仅可以消除器件对接问题，从而提高器件的可靠性；而且所需的生产步骤少，器件产量也会相应的增加。EDWA单位长度增益高，功能集成简便经济，其紧凑的结构、小巧的尺寸很适合于有限空间内的应用。目前最小的EDWA模块可以在1535nm波长窗口上获得15dB的增益，其体积只有130×11×6mm。对OEM用户来说，他们可以很容易地将EDWA装入自己的产品中，形成基于EDWA的系列产品，如EDWA阵列、1×N合/分波集成放大器等。

　　但是这种集成工艺也有缺点，为了获得最佳性能，除信号放大外的其它功能都必须在非掺杂材料上制造，这就会增加因芯片焊接或粘合引发的潜在故障率。当然可以把掺杂波导和非掺波导都集成在同一个基片上来解决这个问题，但其工艺将十分复杂。

　　与现在光通信系统中应用较多的EDFA和其他集成放大器技术（如半导体光放大器SOA等）相比，EDWA有其特有的优势。EDWA不需要数以米计的掺铒光纤，可以提供比EDFA更好的性能价格比；相对于SOA,EDWA的优点表现在噪声系数低、偏振相关性小及无通道间串扰。

　　4EDWA的应用

　　4.1　EDWA的多波长放大

　　Er3+在整个转换带宽上高增益、低噪声指数的特性使EDWA适合作为光通信系统中的宽带放大器。OFC'01中报道了DWDM非循环传输系统中使用EDWA同时对8个不同波长0dBm信号放大得到了+14dBm输出，其中每个波长承载35个6MHz、64QAM（积分幅度调制）信号，共传输了175km。

　　系统中EDWA长9.6cm，采用前后两个125mW980nm LD进行双向泵浦，整个放大系统无源时总损耗2.5dB，其中包括波导损耗0.15dB/cm，两端各0.2dB的光纤-波导耦合损耗和0.2dB波分复用器损耗以及0.5dB的隔离器损耗；增益峰位于1535nm，在1530-1560nm波段增益均超过9dB，而噪声指数全部低于6dB。

　　EDWA放大带宽较宽的特性使其适合作为DWDM系统中的第一级放大器，先对所有波长的信号进行总放大，通过波分复用器解复用后再对每个波长信号分别通过EDWA放大，这样可以动态调节不同波长的放大效率来达到精确平坦的效果。事实　，已经有人将上述的功能集成在同一基片上，这就是阵列型Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器（EDWA Array）。

　　4.2　阵列型Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器（EDWA Array）

　　EDWA Array将多个EDWA集成在同一个基片上，这种集成度更高、结构更加紧凑的放大器非常适合城域网/接入网和CATV应用。

　　典型的EDWA Array内含8个EDWA，封装尺寸仅为2.2×13.5×1.7cm³，其中包括泵浦光/信号光复用器、光电二极管输出检测耦合系统、PIN激光二极管等。

　　这种放大器可以更方便地实现DWDM系统中多波长增益的动态调节，这样就会带来一系列的好处，如可以降低对多波长光交叉连接和全光开关制作中光功率分配的控制精度的要求。

　　4.3　基于EDWA的1×N合/分波集成放大器

　　为了适合光通信系统中的实际应用，有人将合/分波器与EDWA集成在一起，制作出了基于EDWA的1×N合/分波集成放大器。

　　这种放大器由泵浦激光器（含TEC制冷器）、泵浦－信号光复用器、输出滤波器、光电二极管输出检测耦合系统及1×N合/分波器等部分组成，其中1×N合/分波器有功率型和波长型两种。典型的如1×4、1×8型合/分波集成放大器，可分别将4路或8路信号光放大后，复用到单根光纤输出；也可以先将单根光纤输入的信号光放大，解复用后耦合到多路光纤输出。

　　目前这种放大器是将两种不同功能的玻璃器件粘合在一起制成的，如无源区（1×N合/分波器部分）采用硅酸盐玻璃制作，使损耗最小；有源放大区（EDWA部分）采用前述波导，使激光器增益最大。有文献报道，用这种方法制作的1×8型合/分波集成放大器小信号（-15dBm）增益达到10dB,0dB损耗带宽1530-1560nm，噪声指数小于6dB。以分波输出为例，其在1530-1560nm带宽上增益不均匀度小于0.5dB，输入0dBm信号时每个输出功率最大可达-4dBm（140mW 980nmLD泵浦）。

　　在实际实用中，以上几种形式的EDWA可以混合使用以达到最优效果，如在1550nm CATV光纤传输线路中，先将广播信号通过1×N合/分波集成放大器进行第一级放大并分波后，再通过EDWA Array单独对每一个信号放大后输出，这样可以得到更高的输出功率和更低的噪声指数。

　　从以上可以看出，EDWA的应用非常灵活，把特定场合所需的功能集成在一起就可以得到另一种新型实用化的有源放大元件，这顺应了光通信向小型化、集成化发展的趋势。

　　5　结束语

　　Er3+:Yb3+共掺杂玻璃波导放大器作为继半导体光放大器、掺铒光纤放大器之后的又一新型的光电子器件，必将以其集成度高、体积小、单位长度增益大、成本低、制作工艺简单等优势在载域网/接入网、CATV等光通信领域发挥特有的作用。

摘自《光通信技术》