高增益的铒镱共掺磷酸盐玻璃有源光纤的研制

苏方宁
华南理工大学材料学院光通信材料研究所，广州510640

摘要:通过一系列的实验及其调试，我们华南理工大学光通信材料研究所在广东省自然基金重点项目"掺稀土有源光纤"和广东省科技攻关重大项目"全波放大器光纤研制"的资助下，在国内率先研制出高浓度铒、镱共掺磷酸盐光纤（纤芯直径7μm、数值孔径为0.2）。利用980nm半导体激光器抽运长度为1.5cm磷酸盐光纤，在1.5μm的通信窗口对小信号实现了3.8dB的净增益，单位长度增益2.5dB/cm，比目前商用石英放大器高两个数量级。
关键词：铒镱共掺光纤、高增益、磷酸盐玻璃

1. 引言

随着计算机网络和其它数据传输服务的飞速发展,长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀,光纤接入网以其标准化、综合化、宽带化、数字化等先进的特性,迅速在全国得到普及应用, 未来的光纤网络的发展将聚会有源、无源网络的优势的纵深方向发展[1]，具有体积小、效率高、增益高、频带宽、噪声低、稳定性好、连接耦合损耗低、价格低及其偏振不敏感等诸多优点[2]的掺铒有源玻璃光纤及其放大器在现代光纤通信中的作用日渐显著[3]。而传统的掺铒石英光纤放大器由于其较小的增益带宽（30ｎｍ）已不能满足高速大容量信息传输的要求。当前,锁模技术虽然也引起了很大重视,但这种系统的平均能量较低,而磷酸盐体激光玻璃材料可以实现大的能量输出,但其缺点是脉冲较长[4] 。为了获得带宽宽,增益平坦的掺铒光纤放大器,满足波分复用(WDM)系统的发展要求,各国研究者都在寻找新的掺铒玻璃基质材料。掺铒碲酸盐玻璃虽然具有较宽的荧光发射带宽和较高的受激发射截面,但其较差的玻璃热稳定性、严重的上转换现象和昂贵的价格限制了它的广泛应用。磷酸盐玻璃，特别是氟磷酸盐玻璃，具有较好的化学稳定性和热稳定性、较低的声子能量、较宽的红外透过性能和大的非均匀展宽特性[5,6],使其成为很有前景的实现宽带高增益放大掺铒玻璃的理想介质材料。在980 nm 抽运条件下,由于Yb3 + 离子在980 nm 区域具有远大于Er3 + 离子的吸收截面,通过Yb3 + 的敏化作用可以大大提高抽运效率[7]。所以近年来，铒镱共掺的磷酸盐玻璃受到越来越多研究者的青睐。我们华南理工大学光通信材料研究所审时度势，在广东省自然科学基金重点项目"掺稀土有源光纤"和广东省科技攻关重点项目"全波放大光纤研制"的资助下，着手铒镱共掺磷酸盐玻璃有源光纤的研制，以求有所建树。

2. 铒镱共掺磷酸盐玻璃的光学特性

图1为共掺Er:Yb玻璃的能级图及其跃迁示意图，从图上我们可以看到，铒的4I11/2→4I15/2和镱的2F5/2→2F7/2跃迁能量刚好对应着980 nm的LD光源光子,镱对980 nm光子具有较强烈的吸收，而且铒镱之间的能量传递2F5/2（Yb）+4I15/2（Er）→2F7/2（Er）+4I11/2（Yb）作用明显，铒再从4I11/2能级无辐射跃迁到寿命较长的4I13/2能级，当铒从4I13/2跃迁回基态4I15/2时，就发出光通信所用的1530 nm的信道光，正是由于铒镱的能量传递使得1530 nm光的得到大大加强，而这就是铒镱共掺光纤放大器的的光学解释。表1给出了铒镱共掺磷酸盐玻璃的主要参数，作为对比同时列出掺钕的磷酸盐玻璃的参数。从表可以看出，铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的优势就是荧光寿命长和荧光线宽宽。

 3. 铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的研究重点及其难点

目前，铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤及其放大器主要解决如下的几个问题，就能推进其商品化及其应用。
1. 铒离子的浓度淬灭及其热淬灭引起的放大器增益下降；
2. 铒镱的能量反向传递及其能量上转换造成的铒1530 nm信道光的削减；
3. 泵浦耦合方式及其连接损耗造就的效率低；
4. 铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的研制及其实验

针对上述的研究重点，我们研究所主要做了如下的工作：
1. 基质材料的铒镱浓度及Er/Yb 浓度比对材料1530 nm 荧光强度及其荧光线宽的影响，通过正交对比设计，寻求最佳的铒镱浓度及Er/Yb 浓度比；
2. 通过考察铒镱之间的能量传递及其能量上转换的影响因素，设计合理的组分；
3. 选择合理的双包层光纤参数（如芯、内包层折射率及其直径的配合确定数值孔径，内包层形状设计等等）；
4. 研究泵浦方式（前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦及其复合泵浦）、光纤耦合及其长度、泵浦功率、反射腔反射率、输出耦合比等等对光纤放大系统的阈值功率、增益色散及其增益饱和效应的影响，寻找合适的上述参数。
通过一系列的实验及其调试，我们华南理工大学光通信材料研究所在广东省自然基金重点项目"掺稀土有源光纤"和广东省科技攻关重大项目"全波放大器光纤研制"的资助下，在国内率先研制出高浓度铒、镱共掺磷酸盐光纤（纤芯直径7μm、数值孔径为0.2）。利用980nm半导体激光器抽运长度为1.5cm磷酸盐光纤，在1.5μm的通信窗口对小信号实现了3.8dB的净增益，单位长度增益2.5dB/cm，比目前商用石英放大器高两个数量级。目前，广东省及其广州市的主管科技局处正组织相关专家组前来评估。

4. 后记
成绩只能说明过去，特别是对于我们华南理工大学光通信材料研究所这样一个刚起步的初生的科研院所，面对日新月异的光通信及其器件发展，要赶超国内众多光通信器件及其材料科研单位，要应对国外突飞猛进的科技创新，要走出自己的特色，我们的任务还很重、所要走的路还很长，所以我们我们华南理工大学光通信材料研究所全体同仁还需更多的努力。

5. 致谢

我们真心感谢广东省自然基金重点项目"掺稀土有源光纤"和广东省科技攻关重大项目"全波放大器光纤研制"的资助。

参考文献：

[1].刘劲柏，聚合有源无源网络优势 将光纤化进程推向纵深，广西通信技术，1999，10（2）：27～29
[2].李进延、李海清、蒋作文等，高增益掺铒光纤的设计和制备研究，光学与光电技术，2004，2（4）：11～14
[3].陈冠三、罗聪，掺铒光纤放大器的优化设计，中国激光，2001，28（12）：117～119
[4].Philipps J F , T j pfer T, Ebendorff2Heidepriem H et al . .Spectroscopic and lasing properties of Er3 + ⋯Yb3 +2doped fluoride phosphate glasses. Appl . Phys. , 2001 , B72 : 399～405
[5]. Yang Jianhu , Dai Shixun , Zhou Yuefen et al . . Spectroscopic properties and thermal stability of erbium2doped bismuth2based glass for optical amplifier. J . Appl . Phys. , 2003 , 93 (2) : 977～983
[6]. Zou Xuelu , Itoh Katsuhisa , Toratani Hisayoshi. Transmission loss haracteristics of fluorophosphates optical fiber in the ultraviolet to visible wavelength region. J . Crys. Solids , 1997 , 215 : 11～20
[7]. Obaton A F , LabbéC , Le Boulanger P et al . . Excited state absorption in Yb3 +2Er3 +2codoped phosphate glasses (ZnO2、Al2O3、 La2O3、P2O5 ) around the 4 I13/ 2 - 4 I15/ 2 emission spectral range. Spectrochimica Acta Part A , 1999 , 55 : 263～271