（材料科学与工程专业论文）铋掺杂玻璃的宽带荧光特性.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 自从2 0 0 1 年日本的f u j i m o t o 在铋掺杂的铝硅酸盐玻璃中发现了铋离子的红 外宽带发光以来，铋掺杂玻璃超宽带红外发光已经成为当前研究的热点课题。由 于其红外发光区域位于光纤通信波段，而且相对于已经应用在光通信系统上的铒 掺杂光纤放大器( e r b i u m d o p e do p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r , e d f a ) ，不管是带宽、荧 光寿命还是可调谐性，都比e d f a 优越得多，所以铋掺杂光纤放大具有很好的应 用前景，一旦铋掺杂超宽带光纤放大器成为现实，将给光通信系统带来场新的 革命。 本文选取硅酸盐玻璃作为基质材料，考察掺杂铋离子玻璃的红外宽带发光特 性。通过对不同玻璃成分的研究，我们实现了超宽带、长寿命的荧光发射，荧光 具有大的受激发射截面。同时我们探讨了荧光产生的机制，本实验工作和理论探 索将对今后该领域的研究工作提供一定的参考价值。 本文首先在前言中介绍了红外宽带发光材料研究的目的与意义，然后介绍了 目前几种常用的稀土离了掺杂的光纤放大器，指出了它们的局限。然后介绍了过 渡金属离子红外发光的特点以及局限性，并引入这种最近引起人们极大关注的掺 铋的发光材料。 文章第二章是文献综述，详细介绍了光纤通信的发展史、光纤放大器的基本 结构及分类，以及几种稀土离子和过渡金属离子的能级结构、荧光特性和研究进 展。具体讨论了目前所报道的几种价态铋离子的荧光特性。 论文的第三章，我们简单介绍了实验过程和理论基础，实验过程包括：实验 所用原料，样品制各，性能测试；实验理论基础包括：吸收截面的计算，受激发 射截面的计算以及光学碱度理论。 论文的第四章重点研究了镍铋共掺的钡铝硅酸盐玻璃，时间、温度对铋掺杂 钡铝硅酸盐玻璃的影响，铋掺杂锂铝硅酸盐玻璃， m o a 1 2 0 3 s i 0 2 b i 2 0 3 ( m 2 + = m 矿，c a 2 十，s p ，b a 2 + 和p b 2 + ) 玻璃的研制和荧光特 性。研究发现，调整镍铋共掺的钡铝硅酸盐玻璃中氧化镍的含量，吸收和荧光光 谱都呈现出有规律的变化，荧光中心波长落在1 3 3 0 n m 处，荧光半高宽高达 浙江大学硕士学位论文 1 8 0 n m ，随着氧化镍含量的增加，铋离子发出的红外光迅速减弱，因此氧化镍是 对铋掺杂光纤放大极其不利的，要避免其混入铋掺杂玻璃中。尽管铋离子的红外 发光归属尚存在争议，但是根据能量的匹配原理，我们倾向于一价铋离子发光的 机理假设。对于其他系统，同样实现了红外的宽带发光。计算了掺铋锂铝硅酸盐 玻璃，m o a 1 2 0 3 s i 0 2 - b i 2 0 3 ( m 2 * = m 9 2 十，c a 2 ，s r 2 ，b a 2 + 和p b 2 ) 玻璃的受激 发射截面，并和掺钛蓝宝石相比较，表明这种材料有望用于光纤放大器和可调谐 激光器。 第五章是本论文的结论部分，概括了本论文的主要研究结果以及致谢。 第六章指出了实验中存在的问题和今后的研究方向。 关键词：铋离子，铝硅酸盐玻璃，红外荧光，超宽带发光 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u j i m o t oe ta ld i s c o v e r e db r o a d b a n di n f r a r e dl u m i n e s c e n c ef r o mb i s m u t h - d o p e d a l u m i n o s i l i c a t eg l a s s e si n2 0 0 1 ，s i n c et h e nb r o a d b a n di n f r a r e dl u m i n e s c e n c eo f b i s m u t h - d o p e dg l a s s e sh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n t h ei n f r a r e dl u m i n e s c e n c eo ft h e b i d o p e dg l a s s e sl o c a t e sa to p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw a v e l e n g t hr e g i o n ，a n dt h eo p t i c a l p r o p e r t i e si n c l u d i n gb a n dw i d t h ，f l u o r e c e n tl i f e t i m e ，a n dt u n a b l i l i t ya r eb e t t e rt h a n t h o s eo fe r b i u m d o p e dg l a s s e sw h i c hh a v eb e e nu s e di no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e r e f o r e ，t h eb i s m u t h - d o p e dg l a s s e sh a v eg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t o n c e b i s m u t h - d o p e df i b e ra m p l i f i e rb e c o m e st r u e ，g r e a tc h a n g e sw i l lh a p p e ni nt h eo p t i c a l f i b e lc o m m u n i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，b i s m u t h d o p e ds i l i c a t eg l a s s e sw e r ep r e p a r e da n dt h e i rn e a ri n f r a r e d b r o a d b a n dl u m i n e s c e n tc h a r a c t e r i s t i c sw e r ei n v e s t i g a t e d b ys t u d y i n gg l a s s e sw i t h d i f f e r e n tc o m p o s i t i o n s ，w eh a v er e a l i z e dl u m i n e s c e n c ew i t hb r o a db a n da n dl o n g l i f e t i m e ，a sw e l la sl a r g es t i m u l a t e dc r o s ss e c t i o n a l s o ，w ed i s c u s s e dt h eh t m i n e s c e n t m e c h a n i s mf o rt h en e a ri n f r a r e dl u m i n e s c e n c e w eb e l i e v et h a to u re x p e r i m e n t a l e f f o r t sa n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hw i l lb eu s e f u lf o rt h ef u r t h e re x p l o r a t i o ni nt h i sf i e l d i nc h a p t e r1 ，t h ep u r p o s em a ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h0 1 1i n f r a r e dl u m i n e s c e n t m a t e r i a l sw e r ei n t r o d u c e d ，a n do p t i c a lp r o p e r t i e so fg l a s s e sd o p e dw i t hr a r ee a r t hi o n s w e r er e v i e w e d t h e nw ei n t r o d u c e d1 u m i n e s c e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i t i o nm e t a l i o n sa n dt h e i rl i m i t a t i o n f i n a l l y , r e c e n tr e s e a r c hp r o g r e s so f b i s m u t h - d o p e dm a t e r i a l s w a sp r e s e n t e d i nc h a p t e r2 ，w em a i n l yi n t r o d u c e dt h eh i s t o r yo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ， b a s i cs t r u c t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u so p t i c a la m p l i f i e r s w ea l s op r e s e n t e d t h el u m i n e s c e n tc h a r a c t e r i s t i c so fb i s m u t hi o n s d o p e dm a t e r i a l sw i t hs o m ed i f f e r e n t v a l e n c es t a t e s e x p e r i m e n t a lp r o c e s s e sa n dr e l a t e dt h e o r i e sw e r es i m p l yi n t r o d u c e di nc h a p t e r3 t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s e si n c l u d es a m p l ep r e p a r a t i o na n dm e a s u r e m e n to fv a r i o u s s p e c t r a t h er e l a t e dt h e o r i e si n c l u d ec a l c u l a t i o nm e t h o df o ra b s o r p t i o nc r o s ss e c t i o n ， 1 i l 浙江大学硕士学位论文 s t i m u l a t e dc r o s ss e c t i o na sw e l la so p t i c a lb a s i c i t yt h e o r y i nc h a p t e r4 ，b i s m u t ha n dn i c k e l c o d o p e db a r i u ma h m f i n o s i l i c a t eg l a s s e s ， b i s m u t h d o p e d b a r i u ma l u m i n o s i l i c a t e g l a s s e s w h i c hw e r em e l t e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n tt i m e ，b i s m u t h d o p e dl i t h i u ma l u m i n o s i l i c a t eg l a s s e sa n d g l a s s e sw i t hc o m p o s i t i o no fm o a 1 2 0 3 - s i 0 2 - b i 2 0 3 ( m 2 + = m 矿，c a 2 + ，s r 2 + ，b a 2 + a n d p b 2 + ) w e r ei n v e s t i g a t e d i ts h o w e dt h a ta b s o r p t i o nm a df l u o r e s c e n c es p e c 仃av a r yw i t h n i c k e ic o n t e n ti ns i l i c a t eg l a s s e s t h el u m i n e s c e n c el o c a t e sa t13 3 0 r a nw i t hf u l lw i d t h a th a l fm a x i m u m ( f w h m ) a b o u t18 0 n m ，t h ei n t e n s i t yo fi n f r a r e dl u m i n e s c e n c e d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gn i c k e lc o n t e n t ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tn i c k e li sh a r m f u lt ot h e b i s m u t h d o p e do p t i c a la m p l i f i c a t i o n s ow em u s ta v o i dn i c k e li o n sw h e nw ep r e p a r e b i s m u t h d o p e dg l a s s e s a l t h o u g ht h ev a l e n c es t a t eo fb i s m u t hi o n sr e s u l t i n gi n i n f r a r e dl u m i n e s c e n c ei ss t i l lc o n t r o v e r s i a l ，w es u g g e s tt h a tt h ei n f r a r e dl u m i n e s c e n c e o r i g i n a t e sf r o mb i + b a s e do no u rr e s u l t s i 耻o t h e rg l a s s e ss a m p l e s ，w ea l s or e a l i z e d i n f r a r e db r o a d b a n dl u m i n e s c e n c e w ec a l c u l a t e dt h es t i m u l a t e dc r o s ss e c t i o no f b i s m u t h - d o p e dl i t h i u ma l u m i n o s i l i c a t eg l a s s e sa n dg l a s s e sw i t hc o m p o s i t i o no f m o a 1 2 0 3 s i 0 2 b i 2 0 3 ( m ”= m 9 2 + ，c 2 + ，s p + ，b a 2 + a n dp b 2 + ) b yc o m p a r i n gw i t ht i ： a 1 2 0 3 ，w ec o n c l u d e dt h a tt h e s em a t e r i a l sh a v eg r e a tp o t e n t i a lf o ro p t i c a lf i b e r a m p l i f i e r sa n dt u n a b l el a s e r s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sw e r es u m m a r i z e di nc h a p t e r5 t h el a s tc h a p t e rp r e s e n t e dt h ee x i s t e dp r o b l e m ss h o u l d b es o l v e df o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sa n df u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ： b i s m u t h ； a l u n f i n o s i l i c a t e g l a s s e s ； i n f r a r e d l u m i n e s c e n c e ； s u p e r b r o a d b a n dl u m i n e s c e n c e 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 在信息和通信技术迅速发展的今天，为了提高通信的容量，改善传输的性能， 要求产生和传输电磁波的新方案，从电通信进化到光通信，实现高速大容量信息 传输。光纤通信远距离、大容量传输、抗干扰能力强等优点使其迅速占据了通信 系统的主导地位，开创了信息世界的新纪元。光纤通信的实现从2 0 世纪7 0 年代 起有了关键突破，到如今成为信息传输的主流仅仅用了3 0 多年的时间，其巨大 潜力由此可见一斑。 上个世纪6 0 年代，科学家发现了半导体材料中的光受激发射现象，导致半 导体激光器的发明。1 9 6 6 年，高馄从理论上证明了石英光纤实现光信号传输与 通信的可行性，促使光纤通信开始发展。7 0 年代初，多模和单模光纤相继拉制 成功，应用于o 8 5 p a n 、1 3 1 1 x m 和1 5 5 9 i n 三个红外波段。8 0 年代初，制成了这 些波段的半导体光放大器，并同时开展了光纤放大器的理论和实验研究。8 0 年 代末至9 0 年代初，铒掺杂光纤放大器( e d f a ) 研制成功，并开始应用于波长 1 5 5 1 a m 光纤通信系统，大大推动了光纤通信向全光传输方向发展，是光纤通信 史上的一个里程碑。近年来，光纤放大器又进一步扩大增益带宽，配合密集波分 多路系统( d w d m ) ，为光纤传输线路向大容量、长距离方向发展做出巨大贡献。 随着光纤放大器增益带宽进一步扩大，e d f a 中掺杂的铒离子是稀土离子， 其价电子受到最外层s 电子的屏蔽，发生4 f 4 f 跃迁，发光受基质影响较小，荧 光强度相对较小，一般不超过8 0 n m 。而w d m 系统的通道数强烈依赖于o f a 的 带宽以及可调谐激光器的带宽，因此，信息容量受到很大的限制。为了解决这个 问题，人们开发了光纤拉曼放大器( o p t i e mf i b e r r a m a n a m p l i f i e r ，o f r a ) ，利 用光纤中的拉曼散射使带宽得到了进一步提高，然而，带宽仍不超过1 0 0 r i m 。此 外，人们在光纤放大器结构设计上做了大量努力，采用并联，串联或混联等方法 将不同带域的o f a 组合，可实现整体带宽化。但是，这样做需要将不同的光纤 对接，而且这是个非常复杂的工艺，信号通过对接处必然会引起损耗，有时甚至 非常大。并且实际上将所有已开发的光纤放大器组合起来，也不能实现超低损耗 石英光纤整个波段的光放大。 鉴于以上问题，人们一直在探索新型的发光材料：即通过材料的组成和结构 浙江大学硕士学位论文 的设计，不断完善和改进，研制出超宽带的光纤放大器，也就是通过一根光纤、 一个泵浦源来实现整个光纤通信波段( 1 2 6 0 n m 1 6 2 5 n m ) 的放大。这要求所掺 杂的活性离子( 或活性离子的组合) 可以发出超宽带的荧光。过渡金属离子由于 其价电子直接和周围的晶场环境相作用，因而发光受基质材料影响较大，此外， 玻璃是一种长程无序的网络结构，使得过渡金属离子的荧光得到进一步展宽。有 代表性的例子是c r 4 + 宅e1 2 1 t m 1 6 1 m a 的发光，半峰宽超过2 0 0 n t o ，缺点是c ， 的价态难以控制，通常有多种价态在材料中共存，使得这种红外发光的效率受到 很大影响。2 0 0 1 年，e l 本大阪大学激光工程研究所的f u j i m o t o 等人报导了掺铋 石英玻璃在1 2 5 t t m 的发光，荧光半峰宽约为3 0 0 n m ，寿命长约6 3 0 p s ，随后他 们在2 0 0 4 年报道了利用这种材料可以实现1 3 1 u m 的光放大。这种材料迅速引起 了我们的关注，并在此领域展开了广泛的研究。 本论文的研究内容分为四个部分：( 1 ) 铋镍共掺的钡铝硅酸盐玻璃的研制和 光谱性质研究；( 2 ) 溶制时间、温度对铋掺杂钡铝硅酸盐玻璃红外超宽带发光的 影响；( 3 ) 铋掺杂锂铝硅酸盐玻璃的研制和光谱性质研究；( 4 ) m o a 1 2 0 y s i 0 2 b i 2 0 3 ( m 2 + = m 9 2 + ，c a 2 + ，s r 2 + ，b a 2 + 和p b 2 + ) 玻璃的研制和光谱性质 研究。 2 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 光纤通信的发展及现状 1 9 6 0 年美国人t h m a r m a n 发明了红宝石激光器 1 1 ，1 9 6 6 年英籍华人高琨博 士从理论上证明了石英光纤实现光信号传输与通信的可行性田，这两项成果为 有线光通信的发展带来契机。尤其是2 0 世纪7 0 年代初的两大发明：常温条件下可 连续工作的g a a i a s 半导体激光器，以及美国c o m i n g 公司研制成功的“低损耗” 光纤( 其损耗为2 0 d b k m ) ，为光纤通信的发展注入了新的活力。 1 9 7 7 年，世界上第一个商用光纤通信系统在美国芝加哥的两个电话局之间开 通，距离7 k i n ，采用多模光纤，工作波长0 8 5 岬，光纤损耗为2 5 3 d b k m ，传输 速率4 4 7 3 6 m b i 体，这就是通常所说的第一代光纤通信系统。 1 9 7 7 年1 9 8 2 年的第二代光纤通信系统特征是：采用1 3 1 1 x m 长波长多模或 单模光纤，光纤损耗为0 5 5 1 d b k m ，传输速率为1 4 0 m b i f f s ，中继距离为2 0 - 5 0 k m ，于1 9 8 2 年开始陆续投入使用，一般用于中、短距长途通信线路，也用作 大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。 1 9 8 2 年1 9 8 8 年的第三代光纤通信系统采用1 3 l u m 长波长单模光纤，光纤损 耗降至0 3 0 5 d b k m ，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准同步数 字系列( p l e s i o e h r o n o u sd i s t a lh i e r a r c h y ，p d h ) 的各次群路信号，中继距离为 5 0 i o o k m ，于1 9 8 3 年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信。 1 9 8 8 年1 9 9 6 年的第四代光纤通信系统主要特征是：开始采用1 5 5 1 a m 波长窗 口的光纤，光纤损耗进一步降至0 2 d b k m ，主要用于建设同步数字系列 ( s y n c h r o n o u sd i 昏t a lh i e r a r c h y ，s d h ) 同步传送网络，传输速率达2 5 gb i t s ，中 继距离为8 0 - 1 2 0 k m ，并开始采用掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ， e d f a ) 和波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l p l e x i n g ，w d m ) 器等新型器件。 1 9 9 6 年至今属第五代光纤通信系统，主要特征是：采用密集波分复( d e n s e w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l p l e x i n g ，d w d m ) 技术的全光网络开发与应用，充分利 用光纤低损耗波段的潜在容量，以实现大容量传输。d w d m 技术带来的不仅仅 是容量方面的巨大好处，可以预计，随着d w d m 技术的推广应用，将会为现有 的光纤网络带来深刻变革，最终会成为全光网络( a o n ) 的基石i ”。 浙江大学硕士学位论文 2 2 光纤通讯系统结构和特点 粤酶j 艄躺刚刚 静等馨旨矿剥卜- 丽p 图2 - 1 ：光通讯系统的基本组成1 4 1 光通讯系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，图2 1 表示单向传输 的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。在整个 通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术 和设备与电通信相同，不同的只是光纤传输系统代替了电缆传输。 信息源把用户信息转换为原始电信号，电发射机将基带信号转换为适合信道 传输的信号。输入到光发射机带有信息的电信号通过调制转换成光信号，把信号 源的信息调制到光载波上可以采取不同的方式调制，光载波经过光纤线路传输到 接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号，电接收机的功能和电发射机的功 能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息源恢复用户信息。 电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信 号，最后由信息源恢复用户信息。基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元， 若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，或者 有线通信系统或无线通信系统的发射和接收之间。光发射机、光纤线路和光接收 机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。 例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用和解复 用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络等。 下面简要介绍基本光通信系统的三个组成部分。 光发射机：它的功能是把电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大 限度地注入光纤线路。光发射机由电源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机 4 一 一信息源一 f咂q 一 一 得一入 一 廿等 一 一信息源一 一 浙江大学硕士学位论文 的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率 足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳 定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管( l e d ) 和半导体激 光二极管( 或称激光器) ( l d ) ，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈( d f b ) 激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 激光器。光发射机把电信号转换成光信号是通过电信号对光的调制实现的。目前 有直接调制和间接调制两种方案，直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或 发光二极管的驱动电流，使输出光信号随电信号变化而实现。这种方案技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。间接调制是把激 光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现。间接调制的 优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用 和相干光通信系统中使用。 光纤线路：它的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减 传送到光接收机。光纤线路是由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤 线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根 光纤的光缆。光纤线路的性能主要是由光缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基 本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能小，而且有足够好的机械特性 和环境特性。目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性 比多模光纤好，价格更便宜，因而应用更广泛。单模光纤配合半导体激光器，适 合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统更适合用多模光纤配合半导 体发光二极管。 光接收机的功能是把光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电 信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器 和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体p n 结中 加入本征层的p i n 光电二极管( p i n p d ) 和血崩光电二极管( a p d ) 。 2 3 光纤放大器的基本情况及其分类 光信号在光纤中传输时，由于光纤自身的吸收、色散等因素，会造成光信号 浙江大学硕士学位论文 的衰减，因而严重影响了光通讯长距离的传输。直到1 9 8 9 年半导体激光器( l d ) 的实用化以及e d f a 正式应用在光通信上后，光通讯方式产生了很大变化。e d f a 摒弃了传统的光电光数据传输模式，直接对光信号进行放大，从而有效地克服了 原来的传输模式中的电子瓶颈问题，这种光放大器同时还具有实时、高增益、宽 带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少 的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更 重要的是它开创了1 5 5 0 n m 波段的波分复用技术，从而将使超高速、超大容量、 超长距离的波分复用( w d m ) 、密集波分复用( d w d m ) 、全光传输、光孤子传 输等成为现实，可以说是光纤通信发展史上的一个里程碑。 现在光通信中使用的光放大器是光纤型放大器，包括在纤芯掺杂了微量稀土 离子作为放大介质的稀土掺杂光纤放大器【5 母】，以及利用光纤基体玻璃本身具有 的诱导拉曼散射现象的光纤拉曼放大器【l 2 】。 图2 2 是光纤放大器( o f a ) 的基本结构示意图。从图中可以看出，o f a 主 要由三种基本器件组成：一定长度的掺有稀土离子的光纤，泵浦光源和波长选择 耦合器。波长选择耦合器用来耦合信号光和泵浦光。 当信号光和泵浦光从光放大器的同一端输入时，两种光混合在一起，光放大 器也可以反向使用，即泵浦光和信号光的传播方向相反。如果泵浦功率太低或者 光纤太长，都可能使放大器的损耗大于增益，因此，存在一个最佳光纤长度，它 取决于泵浦功率、输入信号功率、掺杂浓度以及泵浦波长，一般为几米到1 0 0 米，如果掺杂浓度很低，也有可能达到l 公里，这时，光纤放大器在整个光纤内 是连续放大的，这对于维护光信号的非线性传播非常有利。很多波长的光都可以 用作泵浦源，但通常都使用半导体激光器能产生的波长的光。因为半导体激光器 体积小、坚固耐用、耗能少、可靠性好，是最佳的泵浦源。 6 浙江大学硕士学位论文 、 ，、，、 i n p u to p t i c a l s i g n a l w d m 、 p u m p s o u r c e 图2 2 ：光纤放大器结构示意图 卜 o u t p u t o p t i c a l s i g n a l 稀土掺杂的光纤放大器在实现光放大时，需要在要放大的信号光能量差的 两个能级之间实现粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布状态就是比起低能级 ( 光放大中的终能级) 的离子数来，处于高能级( 光放大中的始能级) 的离子数 要多的状态。在反转分布状态下，由于从高能级跃迁到低能级的信号光强度比起 从低能级到高能级的跃迁要大，信号光得到放大。为了实现这种反转分布状态， 采用与稀土离子特定的吸收波长一致的激发光进行激发。 下面pump s o u r c e 图2 - 3 稀土离子掺杂光纤放大器能级图 在光纤拉曼放大器中，利用结构光纤的基体玻璃本身具有的诱导拉曼散射， 使得以信号放大。所谓拉曼散射就是入射到光纤的光子激发对应基体玻璃的晶格 振动的光学斯托克斯。其结果只对应晶格振动能量发生频移的光的这种非线性现 象。诱导拉曼散射是在光纤中入射强光( 激发光) ，斯托克斯光在光纤中急速增 强，使入射的激发光的大部分能量转化为斯托克斯光，因此斯托克斯光的波长与 浙江大学硕士学位论文 信号光能几乎相等的激发光，使激发光和信号光同时在光纤中传输，通过诱导拉 曼散射使信号光得到放大。 2 4 光通讯窗口 从前面的介绍我们知道，光纤通信最重要的工作波长为：8 5 0 n t o 、1 3 1 0 h m 和1 5 5 0 n m 。$ 5 0 n m 为第一代光通信系统工作波长；1 3 1 0 r i m 跨越了第二、第三代 光通讯，该波长处色散是最低的，损耗也较低；第四代工作波长为1 5 5 0 r i m ，该 波长处损耗是最低的，接近最低损耗o 1 d b k m ，色散也较低。同时，由于石英 光纤具有优越的机械性能、稳定的热性能和红外区域高透过性能，最广泛应用于 光通讯系统现在开发的光纤放大器基本上都是对石英系的通信窗口而设计的。 石英系的光纤系统有将近5 0 0 n m 的低损耗窗口( 1 2 6 0 n m 1 6 7 5 n m ) ，分为 o 带( 1 2 6 0 n m 1 3 6 0 n m ) ，e 带( 1 3 6 0 n m 1 4 6 0 r i m ) ，s 带( 1 4 6 0 n m 1 5 3 0 r i m ) ， c 带( 1 5 3 0 n m 1 5 6 0 n t o ) ，l 带( 1 5 6 0 n m 1 6 2 5 n m ) 和u 带( 1 6 2 5 n m f 6 7 5 n m ) 六个波段。 表 1 石英光纤各个光通讯窗口 波段 。带e 带s 带c 带l 带u 带 1 2 6 0 n m -1 3 6 0 h m -1 4 6 0 m n - 1 5 3 0 n r a 1 5 6 0 r i m 1 6 2 5 n m 波长范围 1 3 6 0 n m 1 4 6 0 h m1 5 3 0 h m1 5 6 0 n t o1 6 2 5 r i m1 6 7 5 n m 图2 4 为石英光纤的损耗图。它们都是潜在的通信资源带宽，不同的波段可以通 过不同的光纤放大器来对信号实现放大。另外，我们将在下面章节对几个常用的 光纤放大器进行具体介绍。 浙江大学硕士学位论文 2 粤 仲瞄 囊 鳞 班 啼睹 缔 啼啼啼 ( 1 2 静, , 1 3 8 0 )0 瓢一i 蝴)q 蛳一i 铆) 0 鼬一1 5 6 5 ) 弘l 晒) f 1 6 2 5 1 6 1 5 ) ， i d f a 姆器醒蜊： ，0竺!苎兰!兰坐， 堆 7 o ：j 出幽 ：。了弋、，- _ 一_ 一： 姗姗1 0 1 4 5 0蜥x , m o1 6 0 0獭 姗 信号波长h ) 图2 - 4 石英光纤的光学损耗与各波段对应的光纤放大器 2 5 稀土掺杂光纤放大器 稀土掺杂光纤放大器的放大区域基本上由选择的稀土离子决定。目前已有工 作在1 3 0 9 m 的掺镨光纤放大器( p r a s e o d y m i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r , p d f a ) ； 工作在1 4 6 p m 的掺铥光纤放大器( t h u l i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r , t d f a ) ；工作 在1 5 5 p m 的掺铒光纤放大器( e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r , e d f a ) 和工作在 1 6 5 “r n 的包层掺铽的掺铥光纤放大器( t d f a t b ) 。而且还有许多研究集中在拉 曼( r a m a n ) 光纤放大器，因为只要选择适当的泵浦源，它几乎可以工作在所有低 损耗波段上。下面将分别介绍各个光纤放大器，重点介绍e d f a 和拉曼光纤放大 器。 表2 - 2 稀士离子掺杂髯种光纤放大器 工作波长掺杂元素放大器英文缩写 1 3 0 啪 镨 p 0 p d f a 1 4 6 p j m 铥( t i n l t d f a 1 5 5 9 i n铒( e o e d f a 1 6 5 山n 铥( t r n ) 包层掺铽( t b ) t d f a t b 9 浙江大学硕士学位论文 2 5 i 掺铒光纤放大器( e d e a ) 2 5 1 1e d f a 的能级结构及其放大原理 f 量 商 鹱 翟 枷 o 矿 一 矿 一h 一慨 ( i 舾崖啸仆) l 舶膏m 蕾r e ) l 蒯t 愚朋蟠 图2 - 5e ，p ，t i n ”的能级图 图2 5 ( a ) 为e 一的能级图，以4 i l 拢为始能级，基态的4 i j m 作为终能级， 其中始能级为一亚稳能级，在该能级上，电子的寿命较长，一般为几个毫秒，有 的甚至达到十几个毫秒，这就为实现粒子数反转奠定了良好的基础。在泵浦光的 不断作用下，e f 3 + 离子中的被激发的电子以非辐射跃迁的形式向始能级聚集，当 泵浦光的功率在实现放大的阈值以下时，处于始能级上的激发态电子便会回到基 态能级，同时发射出1 5 5 t m 的光，这一过程为自发辐射，产生的自发辐射在光 纤传播的过程中不断放大，放大的自发辐射光( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ， a s e ) 光变成光纤放大器的噪音源，必须尽可能遏制这种情况的发生。当泵浦光 的强度超过阈值时，则始能级上的电子密度便会增加，当其增加到多于基态的电 子数时，就形成的反转分布。这时输入信号光，并且信号光的能量等于基态与亚 稳态间的能量差，信号光将激励多个电子跃迂回基态，同时发射波长与信号光相 同的光，这样一个光予可激励数个激发态电子失去能量发出数个光子，因此信号 光得以有效的放大。因为始能级到终能级的跃迁产生的光是位于1 5 5 i t m 为中心 的窄带，因此e d f a 只能放大波长位于此窄带内的光信号。1 5 5 i t m 带的带宽直 接决定e d f a 能够工作的区间，带宽越大，工作的区间也就越大，所以研制具有 i o 晡 弧k 驻茬 蠢 k i 羹 j 薹 跚 k 一跬 浙江大学硕士学位论文 超宽带特征的光纤放大器具有很大的现实意义。 作为光激发的泵浦光，一般利用能从基态直接激发到4 1 1 3 r 2 能级的1 4 8 1 u n 带 的激发光源、或者激发到4 1 1 1 尼能级的o 9 8 t u n 带的激发光源。迄今为止，从可见 光到波长为8 0 0 n m 、9 8 0 n m 、1 4 8 0 r i m 的大功率半导体激光器均可用作e d f a 的 泵浦源，但不同的泵浦波长，e d f a 中铒离子的激发跃迁几率不相同，因而e d f a 的放大特性也不同。一般选用波长为9 8 0 r i m 和1 4 8 0 r i m 的大功率半导体激光器作 为泵浦源，因为在这两个波长激发下，e d f a 的放大特性更加明显。 2 5 1 2e d f a 的泵浦方式 掺铒光纤放大器有同( 前) 向泵浦、反( 后) 向泵浦和双向泵浦3 种泵浦方 式【1 3 4 1 ，其区别在于信号光与泵浦光的注入方向不同。三种泵浦方式的结构如 图2 - 6 所示。 【c ) 图2 - 6e d f a 的泵浦方式：( a ) 同向泵浦；( b ) 反向泵浦；( c ) 双向泵浦 同向泵浦：也称为前向泵浦( 结构示意图见图7 a ) ，在这种方案中，泵浦光 与信号光从同一端注入掺铒光纤。在光纤的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激 励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但由于对泵浦光的 吸收，其强度将沿光纤长度增加而衰减，这种泵浦方式的优点是构成简单，噪声 低。泵浦效率( 泵浦效率= 信号光输出功率泵浦光功率) 为6 1 。 反向泵浦：也称为后向泵浦( 结构示意图见图7 b ) 。在这种方案中，泵浦光 与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在光纤中反向传输。这种方式的优点 浙江大学硕士学位论文 是：当信号光放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，从而可获得较高增益。 泵浦效率为7 6 。 双向泵浦：为了使e d f a 中的掺杂离子得到充分的激励，必须提高泵浦功率， 可以采用多个泵浦源激励光纤。几个泵浦源可同时向前泵浦，同时向后泵浦，或 部分向前，部分向后泵浦。后者称为双向泵浦，其结构示意图见图7 c 。这种泵 浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使 其增益在光纤中也均匀分布。泵浦效率为7 7 。 2 5 1 3e d f a 的优缺点 e d f a 是利用掺铒光纤中掺杂的铒离子在泵浦光源( 波长9 8 0 r i m 或1 4 8 0 r i m ) 的作用下，形成粒子数反转，产生受激辐射，进而对入射光信号提供光增益。其 放大范围为1 5 3 0 1 5 6 5 n m ，增益谱中比较平坦的区域是1 5 4 0 1 5 6 0 n m 。 e d f a 的优点是：1 ) 通常工作在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 光纤损耗最低的窗口；2 ) 增益 高，在较宽的波段内提供平坦的增益，是w d m 理想的光纤放大器；3 ) 噪声系数 低，接近量子极限，各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器；4 ) 放大频带宽， 可同时放大多路波长信号：5 ) 放大特性与系统比特率和数据格式无关；6 ) 输出功 率大，对偏振不敏感；7 ) 结构简单，与传输光纤易耦合。 e d f a 的缺点是：1 ) 在第3 窗口以上的波长，光纤的弯曲损耗较大，而常规 的e d