近紅外超寬帶光纖放大的研究進展

焦 艷，邵沖云，胡麗麗,3

1. 中國科學院上海光學精密機械研究所強激光材料重點實驗室，上海201800

2. 中國科學院大學，北京100049

3. 國科大杭州高等研究院，杭州310024

近年來，網絡技術和5G 通信的飛速發(fā)展對光通信的容量和速度，包括光纖放大的增益帶寬提出了迫切要求. 得益于制備技術的進步，石英光纖作為光信號傳輸介質具有覆蓋1 100～1 800 nm 范圍的可用帶寬. 目前，光通信系統(tǒng)主要使用摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA）進行信號放大. 由于Er3+離子的4f 電子躍遷特性，摻鉺光纖的增益帶寬只能覆蓋C波段（1 530～1 565 nm）和L波段（1 565～1 605 nm）[1-3]. 拉曼放大器具有較寬的增益帶寬，但需要極高的泵浦功率，且其結構比較復雜，導致其實際應用比較困難. 因此，近年來研究人員致力于研發(fā)新型的寬帶增益光纖.

Bi 摻雜、Bi/Er 共摻以及量子點摻雜玻璃和光纖可以產生覆蓋1.05～1.80 μm 的超寬帶熒光（熒光帶寬最高可以達到400 nm）[4]，有可能成為未來超寬帶甚至全波段光纖放大器的增益介質，從而提高石英光纖低損耗通信窗口的利用率，擴展傳輸容量，滿足網絡技術發(fā)展對帶寬的需求. 本文將從摻Bi光纖寬帶放大、Er/Bi 共摻光纖寬帶放大、半導體量子點摻雜光纖寬帶放大三方面介紹超光纖放大的最新研究進展.

1 Bi 摻雜光纖寬帶放大

在稀土離子中，未充滿的4f 子殼被完全充滿的5s 和5p 部分屏蔽，可防止4f 電子與基質環(huán)境發(fā)生相互作用，也就是稀土離子的自旋軌道相互作用決定其光譜性質. 不同于稀土離子，Bi 具有完全充滿的內部子殼，其外層電子結構為(Xe) 4f145d106s26p3，外部6s 和6p 電子與基質的相互作用較強，因此Bi 離子的吸收、發(fā)射和增益特性對基質材料的依賴性較強. 因為Bi 離子的光譜同時受到自旋軌道相互作用和晶體場相互作用的影響，所以Bi 離子具有價態(tài)多且價態(tài)受晶體場等外部因素影響顯著的特點. 盡管Bi 離子的發(fā)光機理充滿爭議[5-12]，但Bi 離子作為石英光纖的摻雜劑，自2001年Murata[5]首次報道Bi/Al 共摻石英玻璃寬帶發(fā)光性能以來一直受到廣泛關注. 除Er離子覆蓋的波段外，迄今為止已公開報道的結果所示：摻Bi 光纖放大器和激光器可覆蓋1 150～1 800 nm 的波長范圍[4]. 如圖1 所示，對于諸如鉍摻雜鋁硅酸鹽光纖（bismuth-doped alumino-silicate fiber, BASF）、鉍摻雜磷硅酸鹽光纖（bismuth-doped phosphor-silicate fiber, BPSF）、鉍摻雜鍺硅酸鹽光纖（bismuth-doped germane-silicate fiber, BGSF）、摻鉍高鍺（GeO2的摩爾分數(shù)大于等于50%）硅酸鹽光纖(bismuth-doped high germane-silicate fiber, BHiGSF)等在不同基質中的Bi摻雜光纖，可以分別觀察到熒光峰位于1 150 nm、1 300 nm、1 450 nm、1 700 nm 的寬帶發(fā)光光譜[13]. 以下分別介紹Bi 離子在不同成分基質的玻璃光纖中的寬帶放大特性.

圖1 由不同基質組成的光纖覆蓋的光譜區(qū)域[13]Figure 1 Spectral regions covered by optical fibers with different matrix composition[13]

1.1 1 150～1 300 nm 波段的Bi 摻雜鋁硅酸鹽光纖放大器

2001年，Murata 等[5]經研究發(fā)現(xiàn)Bi/Al 共摻石英玻璃在1 100～1 500 nm 范圍具有寬帶紅外發(fā)光性質. 2005年，Dianov 等[14]利用改進的化學氣相沉積（modified chemical vapor deposition, MCVD）方法制備了第1 根Bi 摻雜鋁硅酸鹽光纖，并成功實現(xiàn)了1 150～1 300 nm的激光輸出. 此后，Bi 摻雜光纖成為人們關注的熱點.

2006年，Seo 等[15]利用改進的管棒法制備了8 cm 長的摻Bi 鋁硅酸鹽光纖，當泵浦功率為152 mW、泵浦波長為810 nm 時，測得該光纖在1 308 nm 處的增益與泵浦功率的關系如圖2（a）所示，從圖中可以看出最大增益為5.8 dB. 同年，Seo 等[16]以相同的工藝制備了5 cm長的摻Bi 光纖，當泵浦波長為810 nm 時，測得該光纖在1 297 nm 和1 310 nm 處的增益與泵浦功率的關系如圖2（b）圖所示. 從圖中可以看出，在1 310 nm 處可以獲得的最大增益為9.6 dB.

圖2 （a）在1 308 nm 處的增益與泵浦功率的關系[15]；（b）在1 297 nm 和1 310 nm 處的增益與泵浦功率的關系[16]Figure 2 (a) Dependence of gain at 1 308 nm on pump power [15]; (b) Dependence of gain at 1 297 nm and 1 310 nm on pump power[16]

2011年，Chapman 等[17]首先采用表面等離子體化學氣相沉積方法制備了摻Bi 鋁硅酸鹽光纖. 然后分別在室溫（300 K）和低溫（77 K）條件下以波長為1 060 nm 的泵浦光來泵浦長度為30 m 的Bi 摻雜光纖，測得光纖在1 160 nm 和1 180 nm 處的增益與泵浦功率的關系如圖3 所示. 從圖中可以看出，在77 K 低溫冷卻條件下可以分別獲得21.2 dB 和15.7 dB 的飽和增益，而在室溫環(huán)境下可以分別獲得6.3 dB 和5.5 dB 的最大增益，從而證明了該摻Bi光纖的增益對溫度的依賴性較大.

圖3 在300 K 和77 K 條件下，光纖在1 160 nm 和1 180 nm 處的增益與泵浦功率的關系[17]Figure 3 Dependence of gain at 1 160 nm and 1 180 nm on pump power at 300 K and 77 K[17]

2015年，Thipparapu 等[18]采用MCVD 方法制備了Bi 摻雜鋁硅酸鹽光纖. 當泵浦波長分別為1 047 nm 與1 120 nm 時，該摻Bi 光纖的損耗與泵浦功率的關系如圖4（a）所示，從圖中可以看出其非飽和損耗分別占相應波長損耗的65%和35%. 當泵浦功率為350 mW、泵浦波長分別為1 047 nm 與1 120 nm 時，測得光纖在1 180 nm 處的增益與長度的關系如圖4（b）所示. 從圖中可以看出：1）采用100 m 的摻Bi 光纖可以獲得約8 dB 的最大增益；2）相比于1 047 nm 波長的泵浦光，采用1 1120 nm 波長的泵浦光可以將增益提高70%. 分別采用1 120 nm 的單向泵浦和1 120 nm+1 047 nm 的雙向共同泵浦方式，得到該摻Bi 光纖在1 180 nm 處的增益與泵浦功率的關系如圖4（c）所示，可以看出雙向共同泵浦方式可以進一步將增益提高3.5 dB.

圖4 （a）當泵浦波長分別為1 120 nm 和1 047 nm 時，損耗隨泵浦功率的變化圖；（b）當泵浦波長分別為1 120 nm 和1 047 nm 時，光纖在1 180 nm 處的增益與光纖長度的關系；（c）采用不同的泵浦方式在1 180 nm 處的增益與泵浦功率的關系[18]Figure 4 (a) Loss variation with pump power for 1 120 nm and 1 047 nm pump wavelengths;(b) Dependence of gain at 1 180 nm with 1 120 nm and 1 047 nm pumping respectively;(c) Dependence of gain at 1 180 nm on different pump methods[18]

1.2 1 270～1 460 nm 波段的Bi 摻雜磷硅酸鹽和磷鍺硅酸鹽光纖放大器

2008年，Bufetov 等[19]采用MCVD 方法制備了Bi 摻雜磷鍺硅光纖（bismuth-doped phospho-germanium-silicate fiber, BPGSF），以波長為1 230 nm 和808 nm 的泵浦光分別泵浦長度為30 m（光譜1 和3）和13 m（光譜2 和4）的BPGS 光纖，測得光纖的發(fā)射譜和開關增益隨信號波長的變化如圖5 所示，獲得的開關增益分別為13 dB 和5 dB.

圖5 發(fā)射譜和開關增益隨信號光波長的變化[19]Figure 5 Emission spectra and on/off gain with signal wavelength[19]

2011年，Norizan 等[20]拉制了Bi 摻雜磷鍺硅光纖. 當輸入信號功率為–30 dBm 且泵浦波長和功率分別為810 nm 和270 mW時，測得單通和雙通BDFA 在不同信號光波長下的信號增益如圖6 所示，在1 340 nm 處可以獲得的最大單通和雙通信號增益分別為1.0 dB 和2.0 dB.

圖6 單通和雙通BDFA 在不同信號光波長下的信號增益[20]Figure 6 Signal gain for single-pass and double-pass BDFAs at different signal wavelengths[20]

2010年，Dianov 等[21]報道了在1 300～1 500 nm 寬帶范圍的Bi 摻雜磷鍺硅光纖. 當泵浦波長分別為1 230 nm 和1 318 nm、泵浦功率在200～300 mW 范圍時，在1 320 nm 和1 440 nm 波長處獲得的凈增益大于20 dB，放大器的3 dB 帶寬大于30 nm，噪聲指數(shù)為4～6 dB，如圖7 所示.

圖7 （a）當泵浦波長為1 230 nm 時，光纖的凈增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系；（b）當泵浦波長為1 318 nm 時，光纖的凈增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系；(c)1 320 nm 處的凈增益與泵浦功率的關系；(d) 1 440 nm 處的凈增益與泵浦功率的關系[21]Figure 7 (a) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength pumped at 1 230 nm;(b) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength pumped at 1 318 nm;(c) Dependence of net gain at 1 320 nm on pump power; (d) Dependence of net gain at 1 440 nm on pump power[21]

圖8 （a）采用波長為1 267 nm 和1 240 nm 的雙向泵浦方式時增益與信號光波長的關系（插圖為1 320 ～1 360 nm 范圍內放大器的平坦增益特性）；（b）在1 300 nm 和1 340 nm 處的增益和噪聲指數(shù)與輸入信號光功率關系[22]Figure 8 (a) Dependence of gain on signal wavelength with bi-directional pumping by 1 267 nm and 1 240 nm (Inset shows flat gain characteristics of amplifier from 1 320～1 360 nm); (b) Dependence of gain and noise figure on input signal power at wavelengths of 1 300 nm and 1 340 nm[22]

2016年，Thipparapu 等[22]用MCVD 方法制備了Bi 摻雜的磷硅酸鹽光纖. 當采用泵浦波長為1 267 nm、功率為360 mW 以及泵浦波長為1 240 nm、功率為400 mW 的雙向泵浦方式時，得到該光纖的增益與信號光波長之間的關系如圖8（a）所示. 從圖中可以看出，當注入信號光功率為–10 dBm 時，在1 320～1 360 nm 范圍可獲得大于22 dB 的平坦增益以及小于6 dB 的噪聲指數(shù). 圖8（b）給出了在1 300 nm 和1 340 nm 處的增益和噪聲指數(shù)與輸入信號光功率的關系，當信號光功率為–30 dBm 時，可以獲得的最大增益分別為29 dB 和15 dB，最小噪聲指數(shù)分別為3 dB 和5 dB，該光纖放大器的增益效率為0.06 dB/mW.

2020年，Khegai 等[23]采用MCVD 方法制備了Bi 摻雜的磷硅酸鹽光纖. 在不同泵浦波長情況下，增益與信號光波長之間的關系如圖9（a）所示，顯然可以通過調整泵浦波長實現(xiàn)增益峰值位置的寬調諧. 分別使用1 200 nm 和1 270 nm 的單波長泵浦方式，得到增益峰值波長和增益帶寬隨泵浦波長的變化如圖9（b）所示，從圖中看出可以獲得約為55 nm 的寬增益. 采用波長分別為1 180 nm 和1 270 nm 的雙向泵浦方式，固定1 180 nm 的泵浦功率而增加1 270 nm 泵浦功率，得到增益峰值波長和帶寬隨1 270 nm 泵浦功率和損耗的變化情況如圖9（c）所示，可見光纖的增益峰值波長向長波方向偏移并出現(xiàn)增益譜展寬. 在不同泵浦功率條件下，凈增益和噪聲指數(shù)與信號光波長之間的關系如圖9（d）所示. 從圖中可以看出，當光纖在1 270 nm 的損耗為3.5 dB 時，增益值大于20 dB，噪聲指數(shù)為7 dB.

圖9 （a）在不同的泵浦波長下，增益與信號光波長的關系；（b）增益峰值波長和增益帶寬與不同泵浦波長的關系；（c）增益峰值波長和增益帶寬隨1 270 nm 處的泵浦功率和損耗的變化；（d）在不同的泵浦功率下，凈增益和噪聲指數(shù)與信號光波關系[23]Figure 9 (a) Dependence of gain on signal wavelength at different pump wavelength;(b) Dependence of gain peak wavelength and gain bandwidth for various pump wavelengths; (c)Gain peak wavelength and gain bandwidth as a function of pump power and loss at 1 270 nm; (d) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength at different pump power[23]

2020年，Wang 等[24]用MCVD 方法制備了Bi 摻雜的磷硅酸鹽光纖. 在1 345～1 460 nm范圍的增益和噪聲指數(shù)譜如圖10（a）所示，由圖可知該光纖放大器獲得的增益均大于20 dB.在1 420 nm 處的增益和噪聲指數(shù)與信號光功率的關系如圖10（b）所示，從圖中可以看出增益隨著輸入光功率的增加而逐漸降低，噪聲指數(shù)則基本不變. 當信號光功率為–30 dBm 時，在1 420 nm 處的最大增益為31 dB，噪聲指數(shù)為4.8 dB.在–40℃～+60℃ 的溫度范圍內，增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系如圖10（c）所示. 由圖可知，隨著溫度的降低，增益逐漸增加而噪聲指數(shù)逐漸減小. 當溫度為–40℃ 時，在1 370 nm 處的增益和噪聲指數(shù)分別為33 dB 和4 dB. 在1 420 nm 處的增益和噪聲指數(shù)與溫度的關系如圖10（d）所示，可以看出在–40℃～60℃ 范圍內，與溫度相關的增益為–0.015 dB/℃.

圖10 （a）在1 345～1 460 nm 范圍內的增益和噪聲指數(shù)譜；（b）在1 420 nm 處的增益和噪聲指數(shù)與信號光功率之間的關系；（c）在–40℃～+60℃ 的溫度范圍內，增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系；（d）在1 420 nm 處的增益和噪聲指數(shù)與溫度的關系[24]Figure 10 (a) Gain and noise spectrum from 1345～1 460 nm; (b) Gain and noise figure with signal power at 1 420 nm; (c) Dependence of gain and noise figure on signal wavelength in the temperature range from –40℃ to +60℃; (d) Dependence of gain and noise figure on temperature at 1 420 nm[24]

1.3 1 310～1 550 nm 波段的Bi 摻雜石英和鍺硅酸鹽光纖放大器

2011年，Bufetov 等[25]采用管棒法制備了Bi 摻雜石英光纖. 當泵浦波長為1 230 nm、泵浦功率分別為340 mW 和35 mW 時，增益與信號光波長的關系如圖11 所示. 由圖可知，當泵浦功率為340 mW 時，在1 440 nm 處獲得的最大增益為8 dB，3 dB 增益帶寬為40 nm.

圖11 泵浦功率分別為340 mW 和35 mW 時，增益與信號光波長的關系[25]Figure 11 Dependence of gain on signal wavelength at pump power of 340 mW and 35 mW[25]

與其他基質成分光纖的增益性能相比，石英光纖的增益相對較低. 為提高其增益性能，Melkumov 等[26]于2011年在石英基質中引入GeO2制備了鉍鍺硅酸鹽光纖. 當采用1 310 nm 激光二極管泵浦、輸入信號光功率為–20 dBm 時，不同泵浦功率的增益與信號光波長之間的關系如圖12（a）所示. 由圖可知，當泵浦功率為180 mW 時，在1 427 nm 處獲得的最大增益為34 dB，這是目前報道中所有Bi 摻雜光纖類型的最大增益值. 當泵浦功率為59 mW 時，凈增益和噪聲指數(shù)與信號光波長之間的關系如圖12（b）所示. 由圖可知，放大器的3 dB 帶寬約為40 nm，在1 427 nm 處的增益為24 dB，噪聲指數(shù)為6 dB.

圖12 （a）不同泵浦功率的增益與信號光波長的關系；（b）凈增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系[26]Figure 12 (a) Dependence of gain on signal wavelength for various pump powers; (b) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength[26]

2019年，Mikhailov 等[27]報道了增益大于6 dB 且?guī)挸^80 nm 的Bi 摻雜石英光纖放大器. 當泵浦波長為1 195 nm、泵浦功率為800 mW 時，在輸入信號光的功率不同的情況下，增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系如圖13 所示. 由圖可知，當輸入信號光功率為–10.4 dB 時，增益最大，噪聲指數(shù)最小，該放大器在1 296 nm 處的增益為19 dB，噪聲指數(shù)為5 dB.

2020年，Dvoyrin 等[28]采用MCVD 方法制備了Bi 摻雜鍺硅酸鹽光纖. 當泵浦波長為1 350 nm 時，不同泵浦功率的增益與信號光波長之間的關系圖14（a）所示. 由圖可知該光纖放大范圍覆蓋1 425～1 500 nm；當泵浦功率為1 955 mW 時，在1 425～1 500 nm 范圍內可獲得大于11.6 dB 的增益，在1 425～1 475 nm 范圍內可獲得大于20 dB 的增益，在1 445 nm處的最大增益為27.9 dB. 不同泵浦功率的噪聲指數(shù)與信號光波長的關系如圖14（b）所示，從圖中可以看出，當泵浦功率為1 425 mW 時，噪聲指數(shù)最低，在1 470～1 500 nm 范圍的噪聲指數(shù)為5 dB.

圖13 當輸入信號光的功率不同時，增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系[27]Figure 13 Dependence of gain and noise figure on signal wavelength for various input signal powers[27]

圖14 （a）不同泵浦功率的增益與信號光波長的關系；（b）不同泵浦功率的噪聲指數(shù)與信號光波長的關系[28]Figure 14 (a)Dependence of gain on signal wavelength for various pump powers;(b)Dependence of noise figure on signal wavelength for various pump powers[28]

1.4 1 640～1 770 nm 波段的Bi摻雜高鍺硅酸鹽光纖放大器

2016年，F(xiàn)irstov 等[29-30]首次報道了光譜范圍為1 640～1 770 nm 的BHiGSF 放大器. 當采用1 550 nm 商用激光二極管泵浦時，增益和噪聲指數(shù)隨波長的變化情況如圖15（a）所示.由圖可知，BDFA 在1 710 nm 處的最大增益為23 dB，3 dB 帶寬為40 nm，最小噪聲指數(shù)約為7 dB.當泵浦波長為1 550 nm 時，在1 700 nm 處的增益隨泵浦功率的變化情況如圖15（b）所示，可以看出增益效率為0.1 dB/mW.

圖15 （a）增益和噪聲指數(shù)隨信號光波長的變化；（b）當泵浦波長為1 550 nm 時，在1 700 nm 處的增益隨泵浦功率的變化圖[29-30]Figure 15 (a) Gain and noise figure as a function of signal wavelength; (b) Gain at 1700 nm versuspump power at 1550 nm[29-30]

2016年，Dianov 等[31]報道了可實現(xiàn)1 625～1 775 nm 范圍增益的BHiGSF 放大器. 當泵浦功率為300 mW、泵浦波長為1 568 nm 時，增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系如圖16 所示，從圖中可以看出該光纖在1 710 nm 處獲得的最大增益為23 dB，最低噪聲指數(shù)為7 dB.

圖16 增益和噪聲指數(shù)與信號光波長的關系[31]Figure 16 Dependence of gain and noise figure on signal wavelength[31]

綜上所述，Bi 摻雜光纖可以在1 150～1 770 nm 的波長范圍內用作光纖放大器的增益介質. 增益大小和波長范圍與摻Bi 光纖基質玻璃組成和Bi 相關活性中心的發(fā)射波長密切相關.表1 總結了Bi 摻雜光纖放大器的主要類型及其增益特性. BAS光纖放大器在1 180 nm 處的增益大于20 dB，可應用于激光導星以及可見激光（倍頻得到590 nm激光）. 同時，可以調整Bi 摻雜光纖中的基質玻璃組成（添加P 和Ge），獲得1 280～1 500 nm 的增益寬帶. 當Ge 的摻雜含量較高時，可以將寬帶延展到1 700 nm. 然而，Bi 離子激發(fā)態(tài)吸收和非飽和損耗會導致?lián)姐G光纖的激光和增益性能下降，因此所用Bi 摻雜含量普遍較低[32]. 盡管BDFA 已經導入通信測試平臺進行應用測試，但Bi 摻雜光纖的近紅外發(fā)光機理仍然充滿爭議，這些都是Bi摻雜光纖激光器以及寬大放大器進入實用階段前亟待解決的問題[33]. 此外，泵浦源功率仍然不夠高，大部分放大器組件需要定制，導致?lián)姐G寬帶光纖放大器制作成本過高.

表1 不同基質成分的Bi 摻雜光纖放大器的增益性能Table 1 Gain performance of Bi-doped fiber amplifiers with different host composition

2 Bi/Er共摻寬帶放大

得益于現(xiàn)代無水光纖制備技術的發(fā)展，石英光纖在1 100～1 800 nm 波長范圍內都具有優(yōu)良的透光能力[34]. 然而，目前建立在摻鉺光纖(EDF)技術基礎上的波分復用(wavelength division multiplexing, WDM)光纖通信骨干網絡只能在約80 nm 帶寬的C+L 波段(1 520～1 620 nm)范圍內實現(xiàn)光放大，且光譜資源的利用率不到20%，因此迫切需要開發(fā)新的超寬帶光纖技術. 如圖17 所示，迄今為止沒有有效的稀土摻雜放大器和激光器可以高效地覆蓋1 260～1 625 nm 的波段. 本節(jié)將討論在1 260～1 625 nm 波段關于Bi/Er 共摻超低損耗光纖放大器和激光器的研究進展.

圖17 各種摻雜元素的光譜范圍以及石英基光纖的低損耗光譜[34]Figure 17 Spectral ranges of various doping elements as well as low-loss spectrum of silica-based optical fibers[34]

為了高效利用1 000～1 700 nm 的光通信窗口，Kuwada 等[35]報道了熒光范圍在1 160～1 570 nm 的超寬帶Bi/Er 共摻的石英玻璃. 2012年，Minh Hau 等[36]報道了熒光帶為1 190～1 920 nm 的Bi/Er/Tm 超寬帶鑭鋁硅酸鹽玻璃. 同年，Luo 等[37]成功制備了第1 根Bi/Er 共摻的石英光纖（bismuth/erbium co-doped fiber, BEDF），其寬帶覆蓋范圍為1 100～1 570 nm. 2015年，Sathi 等[38]成功制備了第1 根Bi/Er/Yb 共摻的硅酸鹽光纖.

2013年，Zhang 等[39]報道Bi/Er 共摻光纖的開關增益. 具有不同Bi 含量的Bi/Er 共摻雜光纖樣品的開關增益與信號光波長的關系如圖18 所示. 對于BEDF 光纖來說，如果Bi的摻雜量越高，光纖在1 300～1 600 nm 范圍的增益以及在930～1 310 nm 范圍的激發(fā)態(tài)吸收強度越高；反之，其增益和激發(fā)態(tài)吸收強度越低.

圖18 具有不同Bi 含量的Bi/Er 共摻雜光纖樣品的開關增益與信號光波長的關系[39]Figure 18 Dependence of on-off gain of Bi/Er co-doped fiber with different Bi concentrations on signal wavelength[39]

2016年，Yan 等[40]對比了830 nm 和980 nm 泵浦下BEDF 的光纖性能. 分別采用波長為830 nm和980 nm 的單向泵浦方式時，開關增益與信號光波長的關系如圖19（a）所示. 由圖可知，在830 nm 泵浦條件下，可以在1 410 nm 處實現(xiàn)正增益，且在1 350～1 470 nm 范圍內的開關增益大于3 dB/m，而在980 nm 泵浦條件下不能實現(xiàn)正增益. 當采用830 nm+980 nm 的雙向共同泵浦方式時，開關增益與信號光波長的關系如圖19（b）所示. 由圖可知，雖然980 nm 泵浦會大大抑制1 410 nm 處BAC-Si 的增益，但是提高了1 540 nm 處的增益和1 080 nm 處的激發(fā)態(tài)吸收強度.

圖19 （a）分別采用波長為830 nm 和980 nm 的單向泵浦方式時的開關增益與信號光波長的關系;（b）采用830 nm+980 nm 的雙向共同泵浦方式時的開關增益與信號光波長的關系[40]Figure 19 (a) Dependence of on-off gain on signal wavelength under 830 nm or 980 nm single pumping; (b) Dependence of on-off gain on signal wavelength under 830 nm and 980 nm dual pump[40]

2017年，F(xiàn)irstov 等[41]采用MCVD 方法制備了Bi/Er 共摻的鍺硅酸鹽光纖. 當泵浦波長為1 460 nm 時，Bi/Er 共摻雜的凈增益和噪聲指數(shù)以及Bi 摻雜光纖的凈增益與信號光波長的關系如圖20 所示，由圖可知該光纖實現(xiàn)了1 530～1 770 nm 范圍內增益不小于15 dB 的寬帶光放大，在1 700 nm 處的最大增益約為26 dB.

圖20 Bi/Er 共摻雜的凈增益(圓形)和噪聲指數(shù)(菱形) 以及Bi 摻雜光纖的凈增益譜(紅色實線）與信號光波長關系. 插圖為估算(實線)以及實際測試(虛線)所得的ESA 光譜[41]Figure 20 Net gain (circle) and noise figure (rhombus) spectra of Bi/Er codoped fiber, as well as net gain spectrum of Bi-doped fiber is indicated by a solid red line. Inset shows ESA spectra of erbium estimated (solid) and measured (dotted)[41]

2018年，Zhao 等[42]用MCVD 方法制備了Er 單摻（erbium-doped fiber, EDF）、Bi 單摻（bismuth-doped fiber, BDF）以及Bi/Er 共摻（BEDF）的光纖. 在泵浦波長為830 nm、泵浦功率為40 mW 的條件下，BEDF、BDF、EDF 的開關增益與信號光波長的關系如圖21 所示. 由圖可知，與EDF 和BDF 相比，BEDF 光纖中的鉍與基質鋁相互作用產生的鉍紅外活性中心（bismuth active center with Al，BAC-Al）可以顯著增強Er3+離子在1 536 nm 處的開關增益（增加5.2 dB/m）和熒光壽命（11.5 ms）.

圖21 BEDF、BDF 和EDF 的開關增益與信號光波長的關系[42]Figure 21 Dependence of on-off gain on signal wavelength for BEDF, BDF and EDF[42]

2019年，Zhao 等[43]首次觀察到熱淬火對BEDF 的影響. 當泵浦波長為830 nm、泵浦功率為35 mW 時，在500℃ 淬火前后的開關增益與信號光波長的關系如圖22 所示. 由圖可知，BEDF 光纖在500℃ 下熱淬火2 min 后，鉍離子與硅基質相互作用的活性發(fā)光中心BAC-Si 增加，導致在1 140 nm 處的熒光顯著增強. BAC-Si 的增加使得1 400 nm 處的增益從1 dB/m 增加到2.5 dB/m.

圖22 在500℃ 淬火前后的開關增益與信號光波長的關系[43]Figure 22 Dependence of on-off gain on signal wavelength before and after 500℃ quenching[43]

綜上所述，Bi/Er 共摻光纖是最有潛力實現(xiàn)覆蓋O-，E-，S-，C-以及L-波段寬帶放大的材料. 對高含量的Er3+而言，Bi/Er 共摻可以減輕鉺離子團簇的程度，提高其發(fā)光效率.然而，BEDF 光纖中Er3+離子和Bi 相關活性中心的激發(fā)態(tài)吸收（excited state absorption,ESA）和上轉換過程（up conversion, UC）導致BEDF 的熒光和增益不夠高[39,44]. 由于熒光峰位置及帶寬取決于泵浦波長以及缺陷位點，單波長泵浦時不足以有效實現(xiàn)全波段、超寬帶放大. 在不同泵浦條件下，Bi/Er共摻光纖的增益特性匯總如表2 所示.

表2 Bi/Er共摻光纖的增益特性Table 2 Gain properties of Bi/Er co-doped fibers

3 半導體量子點紅外寬帶放大

隨著納米技術的飛速發(fā)展，量子點（quantum dots, QD）憑借高量子產率、易于制備、禁帶寬度小、波爾半徑大以及近紅外寬帶發(fā)光中心波長可調諧等優(yōu)點，在激光、可飽和吸收體、生物標簽和發(fā)光二極管等領域具有潛在的應用前景. 近年來，半導體量子點作為增益材料的研究也逐漸開展起來. 2000年，Klimov 等[45]率先報道了納米晶量子點的光學增益和受激發(fā)射，證明了窄帶激發(fā)的發(fā)射光譜可通過量子點大小進行調諧并且具有清晰的閾值行為. 這些結果清楚地證明了量子點激光器及放大器的可行性.

2009年，Bufetov 等[46]采用MCVD 技術制備了Pb 摻雜的鍺硅酸鹽光纖（Pb-doped germano-silicate fiber,PbGSF）. 對于40 m 長的PbGSF，當泵浦波長為1 058 nm 時，PbGSF的開關增益與信號光波長的關系如圖23 所示. 由圖可知，當泵浦功率為800 mW 時，在1 120～1 200 nm 范圍內的寬帶增益最大，且在1 140 nm 處的最大開關增益為10 dB.

圖23 PbGSF 的開關增益與信號光波長的關系. 插圖為在1 140 nm 和1 180 nm 處的增益與泵浦功率的關系[46]Figure 23 Dependence of on-off gain on signal wavelength for PbGS fiber. Inset shows gain withdifferent pump power at the wavelengths 1 140 nm and 1 180 nm[46]

2010年，Pang 等[47]結合膠體與溶膠凝膠技術制備了PbS 量子點光纖放大器（PbS quantum dot fiber amplifier, SQDFA）. 采用980 nm波長的激光二極管作為泵浦源，在單獨輸入信號光、單獨輸入泵浦光以及同時輸入信號光和泵浦光情況下的信號輸出頻譜如圖24（a）所示. 由圖可知，SQDFA 可實現(xiàn)在1 200～1 400 nm 范圍的放大效果. 在不同的泵浦功率條件下，SQDFA 的增益與信號光波長的關系如圖24（b）所示. 由圖可知，在1 200～1 400 nm 的波長范圍內，總增益隨泵浦功率的增加而逐漸增加，當泵浦功率為140 mW 時，在1 310 nm 處可獲得10 dB 的增益.

圖24 （a）在單獨輸入信號光、單獨輸入泵浦光以及同時輸入信號光和泵浦光情況下的信號輸出頻譜；（b）在不同泵浦功率下SQDFA 的增益與信號光波長的關系[47]Figure 24 (a)Output spectra of input signal only,pump only and signal with pump;(b)Dependence of gain on signal wavelength of SQDFA with different pump power[47]

2014年，Sun 等[48]通過比較油酸量子點（oleic acid-quantum dots, OLA-QD）包裹與油胺量子點（oleamine-quantum dots, OLAm-QD）包裹的硫化鉛（PbS）量子點，發(fā)現(xiàn)油酸包裹量子點的熱穩(wěn)定性及增益性能更好. 在室溫下，當泵浦波長為980 nm、泵浦功率為100 mW時，基于OLAm-QD 和OLA-QD 的光纖放大器在1 550 nm 處的增益與泵浦功率的關系如圖25（a）所示，由圖可知其增益均隨泵浦功率的增加而增加. 在1 550 nm 處OLAm-QD 和OLA-QD 的最大增益分別為5.06 dB 和7.56 dB. 基于QD 的光纖放大器的增益與溫度之間的關系如圖25（b）所示，可以看出OLA-QD 光纖放大器實現(xiàn)了在1 550 nm 處大于5 dB 的穩(wěn)定增益，且增益不隨加熱和冷卻而變化；相反，OLAm-QD 光纖放大器的增益則在加熱后降低，冷卻后增加.

圖25 （a）基于OLAm-QD 和OLA-QD 的光纖放大器在1 550 nm 處的增益與泵浦功率的關系；（b）基于QD 的光纖放大器的增益與溫度的關系[48]Figure 25 (a) Dependence of gain at 1 550 nm on pump power for fiber amplifiers based on OLAm-QD and OLA-QD; (b) Temperature-dependent gain of QD-based optical fiber amplifiers[48]

2018年，Wu 等[49]基于原子層沉積（atomic layer deposition, ALD）技術將PbS 沉積在錐形光纖的表面. 當泵浦波長為980 nm 時，保持信號光功率1 mW 不變而讓泵浦功率從25 mW 增加到200 mW，采用后向泵浦法得到PbS 薄膜光纖的熒光譜如圖26（a）所示，可獲得1 150～1 700 nm 的熒光. 輸出信號與泵浦功率的關系如圖26（b）所示. 由圖可知，當泵功率達到200 mW 時，在1 560 nm 處的最大增益約為5.6 dB.

圖26 （a）在不同泵浦功率下PbS 薄膜光纖的熒光譜；（b）輸出信號與泵浦功率的關系[49]Figure 26 (a)Photoluminescence spectrum of PbS thin film optical fiber with different pump power;(b) Dependence of output signal on pump power[49]

2019年，Zheng 等[50]采用原子層沉積技術制備了PbS 量子點摻雜的石英光纖（PbS dot doped fiber, PQDF）. 具有不同泵浦功率的PQDF 的凈增益與信號光波長的關系如圖27（a）所示. 由圖可知，該光纖具有超寬帶發(fā)光性質和平坦增益，當泵浦功率為160 mW 時，在1 086 nm 可獲得的最大增益為9.5 dB，3 dB 增益帶寬為300 nm. 在1 086 nm、1 179 nm 和1 304 nm 這3 個活躍中心的凈增益與泵浦功率的關系如圖27（b）所示，且這些凈增益都隨著泵浦功率的增加而增加. 當泵浦功率為160 mW 時，在1 086 nm、1 179 nm 和1 304 nm處獲得的增益分別為9.5 dB、7.0 dB 和6.0 dB. 開關增益和凈增益與信號光波長的關系如圖27（c）所示. 當泵浦功率為120 mW 時，在1 050～1 350 nm 范圍可以獲得開關增益和凈增益分別為7.1～15.0 dB 和6.0～9.2 dB.

綜上所述，與稀土元素相比，量子點具有出色的光學特性. 某些類型的量子點，如PbS 和PbSe，都具有很強的發(fā)射光譜，其光譜帶寬可達150 nm，顯然比稀土元素的光譜寬得多. QD尺寸的細微變化會導致能級和能隙的較大變化，從而使光譜中的發(fā)射和吸收位置可調. 然而，量子點摻雜光纖放大器的最大增益值不盡如人意，這主要歸因于MCVD 工藝過程中較難實現(xiàn)對QD 含量的精確控制，同時熱穩(wěn)定性依然很差，導致其應用困難. 目前，量子點摻雜光纖需要進一步優(yōu)化制備工藝，以減少缺陷態(tài)的產生，降低光纖的損耗. 表3 對比了量子點摻雜光纖與摻鉺光纖的增益性質，可見量子點摻雜光纖放大器在增益帶寬方面體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但其增益遠小于摻鉺光纖的增益.

4 結語

圖27 （a）具有不同泵浦功率的PQDF 的凈增益與信號光波長的關系；（b）3 個活躍中心的凈增益與泵浦功率的關系；（c）開關增益譜和凈增益與信號光波長的關系[50]Figure 27 (a) Dependence of net gain of PQDF on signal wavelength with different pump powers;(b) Net gain versus pump power at three active centers; (c) Dependence of on-off gain and net gain on signal wavelength[50]

表3 QD和EDF的增益特性對比Table 3 Comparison on gain properties of QD and EDF

隨著高速率、大容量通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，近紅外超寬帶光纖放大器的應用研究顯得日益迫切而重要. 盡管Bi 摻雜、Bi/Er 共摻以及半導體量子點這3 類光纖離實用化還有一段距離，但其最新研究結果顯示它們非常符合未來大容量高速度光通信的發(fā)展需求，是近紅外超寬帶放大的優(yōu)選材料. 超寬帶放大材料未來研究方向的重點是如何提高超寬帶光纖單位長度的增益，在提高活性離子含量的同時降低光纖損耗和激發(fā)態(tài)吸收，以及優(yōu)化泵浦功率、泵浦波長和放大器結構設計等. 相信隨著研究的深入以及研發(fā)端和應用需求端的強耦合，超寬帶光纖放大器在增益性能方面將獲得極大的提升，并最終廣泛應用于光纖通信系統(tǒng)、光接入網及國防等領域.