石英基L 波段擴(kuò)展摻鉺光纖及其放大性能*

何樂 褚應(yīng)波 戴能利 李進(jìn)延

(華中科技大學(xué),武漢光電國家研究中心,武漢 430074)

摻鉺光纖放大器的增益帶寬是限制光纖通信系統(tǒng)傳輸容量提升的重要因素.受鉺離子激發(fā)態(tài)吸收所限,常規(guī)L 波段摻鉺光纖難以實(shí)現(xiàn)更長波段的帶寬擴(kuò)展.本文基于改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工藝成功制備了P/Al 共摻石英基L 波段擴(kuò)展摻鉺光纖,研究了共摻離子對于鉺離子4I13/2 能級到4I9/2 能級激發(fā)態(tài)吸收的影響.通過分別搭建單級前向泵浦和多級的放大結(jié)構(gòu),測試了其寬帶放大性能.基于前向980 nm 泵浦的單級結(jié)構(gòu),當(dāng)輸入信號功率為–9 dBm,泵浦功率為530 mW 時(shí),該光纖在1625.3 nm 處增益達(dá)10.5 dB,最大噪聲指數(shù)為5.9 dB.多級放大結(jié)構(gòu)下,該光纖在1625.3 nm 處增益可達(dá)23.4 dB.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明P/Al 共摻石英基摻鉺光纖可以有效抑制鉺離子的激發(fā)態(tài)吸收,為進(jìn)一步擴(kuò)展L 波段增益帶寬提供了強(qiáng)有力的可行方案.

1 引言

摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplification,EDFA)的出現(xiàn)促進(jìn)了密集波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,極大地提高了光纖通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力,開啟了大容量光纖通信的新紀(jì)元[1].然而,隨著移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展以及5G 的升級換代,光纖通信容量需求極速增長,現(xiàn)有密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)正面臨巨大的擴(kuò)容壓力.而進(jìn)一步提升傳輸容量存在單纖香農(nóng)極限和放大器可用帶寬資源等技術(shù)限制[2,3],如何實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)潛在傳輸容量的進(jìn)一步提升成為了當(dāng)務(wù)之急.

EDFA 作為現(xiàn)有商用光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件,其增益帶寬已成為限制1.5 μm 波段通信傳輸容量發(fā)展的主要原因,因此擴(kuò)展系統(tǒng)傳輸帶寬進(jìn)而增加信道數(shù)量成為最直接的方案.目前C 波段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)48 nm (1524—1572 nm)的增益,但L 波段只能實(shí)現(xiàn)36 nm (1575—1611 nm)的增益,擴(kuò)展L 波段EDFA 的增益帶寬是最直接有效的方法.近年來,研究人員們開始對擴(kuò)展L 波段增益帶寬進(jìn)行研究.2020 年,加拿大拉瓦爾大學(xué)提出采用C 波段泵浦的改進(jìn)方案[4],實(shí)現(xiàn)了泵浦轉(zhuǎn)換效率(pump conversion efficiency,PCE)的提升,但對于帶寬擴(kuò)展的作用十分有限.2017 年,土耳其中東科技大學(xué)提出放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission,ASE)再注入的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案[5],實(shí)現(xiàn)了單級雙向泵浦結(jié)構(gòu)下EDFA 增益和噪聲性能的進(jìn)一步提升.但帶寬僅擴(kuò)展到1610 nm,同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜性大大增加.此外還有引入增益平坦濾波器[6]和組合多個(gè)放大器[7]等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),但帶寬擴(kuò)展效果均不理想.摻鉺光纖作為EDFA 的重要增益介質(zhì),如果能從增益光纖角度改進(jìn),那么可以在簡單的放大器配置基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更好的性能[8].尋求新型基質(zhì)材料或其他摻雜組分進(jìn)而實(shí)現(xiàn)L 波段擴(kuò)展逐步成為研究熱點(diǎn),表1 整理了國內(nèi)外的研究進(jìn)展[6,9?18].

表1 國內(nèi)外L 波段擴(kuò)展EDFA 研究進(jìn)展Table 1.Research progress of L-band extended EDFA.

本研究基于改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(modified chemical vapor deposition,MCVD)工藝并結(jié)合溶液摻雜技術(shù),通過對共摻離子P 和Al 的濃度比例進(jìn)行調(diào)控,成功制備出基于石英基的L 波段擴(kuò)展摻鉺光纖.對該光纖的基本性能進(jìn)行測試和分析,并結(jié)合P/Al 摻雜對激光態(tài)吸收的抑制作用進(jìn)行了討論.分別搭建了單級和多級寬帶放大測試系統(tǒng),并對光纖的L 波段擴(kuò)展增益性能進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明該光纖實(shí)現(xiàn)了1575.0—1625.3 nm的L 波段擴(kuò)展放大.

2 L 波段擴(kuò)展原理

2.1 激發(fā)態(tài)吸收

激發(fā)態(tài)吸收(excited state absorption,ESA)過程影響著放大器在1580 nm 后的增益和噪聲特性,一直以來被視為L 波段擴(kuò)展的直接限制因素.如圖1 所示,Er3+吸收980 nm 泵浦光躍遷至激發(fā)態(tài)能級4I11/2后,因非輻射躍遷迅速降落至亞穩(wěn)態(tài)能級4I13/2.亞穩(wěn)態(tài)能級壽命約為10 ms,且4I13/2能級與4I9/2能級的能量差極接近L 波段信號.當(dāng)L波段摻鉺光纖摻雜濃度較高時(shí),聚集在亞穩(wěn)態(tài)能級上的鉺離子除向下躍遷產(chǎn)生ASE 外,還會額外吸收信號光子向更高的4I9/2能級躍遷導(dǎo)致激發(fā)態(tài)吸收.此時(shí)Er3+對應(yīng)于4I13/2→4I15/2的受激發(fā)射光譜和對應(yīng)于4I13/2→4I9/2的激發(fā)態(tài)吸收光譜存在重疊.由于在McCumber 理論模型[19]中,推導(dǎo)計(jì)算得到的是近似認(rèn)為不受信號激發(fā)態(tài)吸收影響的發(fā)射系數(shù),因此其在計(jì)算摻鉺光纖發(fā)射系數(shù)時(shí),所得到的曲線在C 波段可與實(shí)際測得發(fā)射系數(shù)高度重合.然而考慮現(xiàn)實(shí)情況,尤其是在L 波段EDFA 中,此時(shí)實(shí)際發(fā)射系數(shù)在1580 nm 后與計(jì)算發(fā)射系數(shù)存在差異性,差值即可認(rèn)為是由信號激發(fā)態(tài)吸收所影響,故ESA 系數(shù)表達(dá)式為

圖1 鉺離子能級躍遷圖Fig.1.Energy level diagram of Er3+.

其中,gESA為ESA 系數(shù);gMC為根據(jù)McCumber原理用(2)式推導(dǎo)得到的發(fā)射系數(shù);gEmission為光纖實(shí)際測得的增益系數(shù);αa為光纖實(shí)際測得的吸收系數(shù);ε為將鉺離子由4I15/2能級激發(fā)至4I13/2能級所需要的能量;h為普朗克常數(shù);v為光子頻率;kB為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度.此外,為將ESA 的影響與EDFA 在L 波段放大性能結(jié)合分析,本文定義ESA 作用程度一值.其中,λ1是光纖ESA 效應(yīng)的起始作用波長,λ2是工作范圍內(nèi)的最長波長值,ESA 作用程度(ED)即是在EDFA 工作波長內(nèi)對ESA 系數(shù)進(jìn)行積分,用以表征EDFA積累的ESA 作用程度.由(1)式可知當(dāng)光纖理論發(fā)射系數(shù)與ESA 系數(shù)相等時(shí),光纖凈增益系數(shù)為零,意味著此時(shí)無論如何調(diào)節(jié)泵浦功率和光纖長度均無法獲得信號放大.因此要實(shí)現(xiàn)L 波段增益擴(kuò)展,必須對ESA 進(jìn)行抑制.通過引入共摻離子來調(diào)整鉺離子的配位場,進(jìn)而影響能帶及其子能級壓縮,實(shí)現(xiàn)激發(fā)態(tài)吸收的調(diào)控或抑制.

2.2 光纖基本參數(shù)

本文所用光纖是由MCVD 工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備,通過Photon Kinetics 公司的預(yù)制棒折射率分布測試儀(PK2650)測得預(yù)制棒折射率剖面見圖2(a).考慮到通信用單模光纖數(shù)值孔徑的要求,結(jié)合纖芯尺寸與光纖模場直徑的關(guān)系,最終設(shè)計(jì)得到光纖的纖芯/包層尺寸為5.5/124.0 μm,光纖截面圖如圖2(b)所示.采用 Photon Kinetics 公司的光纖綜合特性測試儀(PK2500)測得該光纖在980 nm 處的泵浦光吸收系數(shù)為10.57 dB/m,在1200 nm 處的背景損耗為18 dB/m.采用標(biāo)準(zhǔn)截?cái)喾y試該光纖在工作波長范圍內(nèi)的吸收、發(fā)射系數(shù),具體基本參數(shù)見表2.利用電子探針X 射線顯微分析儀對其組分進(jìn)行分析,在鉺離子摻雜濃度為0.29% (后文提到的“濃度”均指鉺離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù))基礎(chǔ)上,通過將光纖組分中P 與Al 的比例調(diào)控至2.6,實(shí)現(xiàn)對ESA 明顯的抑制效果.接著測得其飽和曲線,并由此計(jì)算得到團(tuán)簇率.

圖2 (a) 預(yù)制棒折射率剖面;(b) 光纖截面圖Fig.2.(a) Refractive index difference profile of the perform;(b) cross-sectional microscope images of the fiber.

表2 光纖基本參數(shù)Table 2.Basic characteristics of fiber.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文用于測量L 波段擴(kuò)展摻鉺光纖放大性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示.由Amonics 寬帶光源結(jié)合光交叉波分復(fù)用器產(chǎn)生的功率為–9 dBm,波長范圍在1575.0—1625.3 nm 的信號作為原始信號.功率為530 mW 的980 nm 泵浦光經(jīng)由波分復(fù)用器與信號光一同耦合進(jìn)入摻鉺光纖,并采用光譜分析儀測量其放大后的輸出信號功率.

圖3 摻鉺光纖放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (a) 單級放大結(jié)構(gòu);(b) 多級放大結(jié)構(gòu)Fig.3.Structure of EDFA:(a) One-stage amplification system;(b) multi-stage amplification system.

為更好地表征摻鉺光纖用于多級系統(tǒng)時(shí)的放大性能,在前向泵浦的單級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上搭建了如圖3(b)所示的三級系統(tǒng),泵浦源均采用980 nm 半導(dǎo)體激光器.此時(shí),一級系統(tǒng)充當(dāng)預(yù)放級作用.相應(yīng)地,在二級采用前向泵浦(泵浦功率為600 mW)的基礎(chǔ)上,增加雙向泵浦方案的三級結(jié)構(gòu)(前后向泵浦功率分別為600 mW 和450 mW)以進(jìn)一步放大信號,從而使系統(tǒng)整體達(dá)到噪聲低、增益高、輸出功率大的效果.各級之間引入隔離器以阻擋后向ASE 進(jìn)入前一級系統(tǒng),這樣既可以使得前一級處于高反轉(zhuǎn)的低噪聲放大狀態(tài),又可以防止積累的后向ASE 功率過大,損壞器件.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

摻鉺光纖在單級結(jié)構(gòu)下的L 波段光放大性能結(jié)果如圖4(a)所示.通過調(diào)整泵浦功率和光纖長度,在19 m 光纖時(shí)獲得了較為平坦的增益譜.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該光纖在1625.3 nm 波長處增益(Gain) 達(dá)10.5 dB,最大噪聲指數(shù) (NF) 為5.9 dB.根據(jù)(3)式計(jì)算可得,在其工作波長范圍內(nèi)本光纖ESA 作用強(qiáng)度為5.21.由此可以推測出在長波范圍內(nèi),本文光纖的理論發(fā)射系數(shù)與ESA 系數(shù)應(yīng)仍然保持較大差值,此時(shí)增益系數(shù)下降幅度較緩,表明ESA 作用被明顯抑制.光纖在長波方向上的增益性能有所提升,這表明石英基摻鉺光纖可以實(shí)現(xiàn)L 波段擴(kuò)展至1625.3 nm.此外,由于受系統(tǒng)光源工作波長限制,通過(1)式可推算得到該光纖凈增益系數(shù)為0 時(shí)的波長值為1636 nm,意味著該光纖支持直到1636 nm 波長處的信號增益放大.

圖4(b)為該光纖在多級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的L 波段光放大特性.考慮在多級系統(tǒng)中,一級放大的噪聲性能往往決定了系統(tǒng)整體的噪聲水平.綜合衡量一級放大中噪聲性能和C 波段前向ASE 功率水平兩個(gè)因素,將一級光纖長度優(yōu)化至19 m.二級和三級均為“主放”部分,用以對信號進(jìn)行再次放大,因此均以最長波長處增益值達(dá)到最高為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn),最終調(diào)整長度至二級為26 m,三級為10 m.結(jié)果顯示此時(shí)光纖可在最長波長處實(shí)現(xiàn)增益為23.4 dB,最大噪聲指數(shù)為6.3 dB,飽和輸出功率為24.8 dBm,PCE 達(dá)13%.另外在光纖增益譜長波處未見明顯的進(jìn)一步衰減趨勢,表明理論上光纖可支持的20 dB增益帶寬不止1575.0—1625.3 nm.

圖4 摻鉺光纖增益和噪聲譜 (a) 單級放大結(jié)構(gòu);(b) 多級放大結(jié)構(gòu)Fig.4.Gain and noise spectrum of the erbium-doped fiber:(a) One-stage amplification system;(b) multi-stage amplification system.

4 討論

增加摻鉺光纖摻雜濃度是L 波段 EDFA 最常見的實(shí)現(xiàn)方式,但高濃度摻雜隨之而來的問題是鉺離子的大量聚集,這為發(fā)生激發(fā)態(tài)吸收作用提供了充分條件.當(dāng)泵浦條件充分時(shí),隨著摻鉺濃度的增加,更多的鉺離子被激發(fā)到4I13/2能級上,發(fā)生激發(fā)態(tài)吸收的概率大大增加.因此,如果能降低鉺離子發(fā)生激發(fā)態(tài)吸收的概率,或?qū)ぐl(fā)態(tài)吸收譜進(jìn)行調(diào)控,理論上可以提升EDFA 在L 波段上的放大性能.當(dāng)光纖摻雜濃度上升時(shí),不得不聚集在一起的鉺離子需要共享SiO2提供的非橋接氧以降低自身焓值.通過引入P 和Al,可以形成Al—O—P 橋鍵進(jìn)而生成[AlPO4]–單元.[AlPO4]–通過破壞硅酸鹽緊密的玻璃網(wǎng)絡(luò),可以提供更多的非橋接氧并增加鉺離子的附著位點(diǎn),實(shí)現(xiàn)其配位場的調(diào)節(jié).通過測量如圖5(a)所示的飽和曲線,計(jì)算得到該光纖的團(tuán)簇率為2.42%,進(jìn)一步佐證引入共摻離子可以大幅度改善鉺離子的聚集程度.通過(3)式計(jì)算可得,該光纖在工作波長(即圖5(b)中陰影區(qū)域)內(nèi)的ESA 作用強(qiáng)度為5.210,而圖5(c)中常規(guī)L 波段摻鉺光纖的ESA 作用強(qiáng)度為8.978.結(jié)合圖5(b)和圖5(c)所示的ESA 譜對比,可以證明該共摻方式減少了鉺離子向更高能級躍遷的概率,激發(fā)態(tài)吸收得以抑制.

圖5 摻鉺光纖參數(shù)對比結(jié)果 (a) 光纖飽和曲線;(b) 本文光纖吸收系數(shù)、發(fā)射系數(shù)和ESA 系數(shù)譜;(c) 常規(guī)L 波段摻鉺光纖吸收系數(shù)、發(fā)射系數(shù)和ESA 系數(shù)譜Fig.5.Comparison of erbium-doped fiber basic parameters:(a) Saturation curve of fiber;(b) optical fiber absorption coefficient,emission coefficient and ESA coefficient spectrum in this paper;(c) spectrum of absorption coefficient,emission coefficient and ESA coefficient of conventional L-band erbium-doped fiber.

另一方面,P 的引入會在鉺離子的不同位點(diǎn)產(chǎn)生配體電場效應(yīng)變化[20],P=O 鍵局部的微觀結(jié)構(gòu)會改變鉺離子的配位場環(huán)境,最終導(dǎo)致其能帶產(chǎn)生不同程度的壓縮.其中,基態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)間的能量差變化直接表現(xiàn)為鉺離子吸收和發(fā)射峰值的紅移現(xiàn)象.如圖5(b)和圖5(c)所示,常規(guī)商用鉺纖的吸收和發(fā)射峰多位于1530 nm,而本文制備的L 波段擴(kuò)展鉺纖吸收和發(fā)射峰位于1536 nm 處,這有利于摻鉺光纖放大器在L 波段的放大性能.相應(yīng)地,鉺離子亞穩(wěn)態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能級也會產(chǎn)生不同程度的壓縮,進(jìn)而改變激發(fā)態(tài)吸收能級間所對應(yīng)的能量差,激發(fā)態(tài)吸收的峰值波長會因此發(fā)生相應(yīng)紅移,該紅移量相對摻鉺光纖其發(fā)射系數(shù)在L 波段邊緣與激發(fā)態(tài)吸收譜的重疊量而言作用明顯.通過對比ESA 系數(shù)譜還可發(fā)現(xiàn),本文光纖的ESA 起始作用波長也由1580 nm 相應(yīng)紅移至1592 nm.最終光纖的增益譜測試結(jié)果與激發(fā)態(tài)吸收變化趨勢一致,理論分析與測得的光纖參數(shù)相符,均表明通過引入P/Al 可以抑制激發(fā)態(tài)吸收,進(jìn)而改善L 波段EDFA 在擴(kuò)展帶寬上的放大性能.

5 結(jié)論

抑制鉺離子激發(fā)態(tài)吸收是實(shí)現(xiàn)L 波段摻鉺光纖放大器增益擴(kuò)展的有效途徑.基于MCVD 工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù),本文成功制備了L 波段擴(kuò)展摻鉺光纖.分析表明,通過引入P 和Al 調(diào)節(jié)鉺離子的配位場進(jìn)而抑制激發(fā)態(tài)吸收,有利于摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)L 波段增益擴(kuò)展.在–9 dBm 的輸入信號功率下,該光纖基于前向泵浦(泵浦功率530 mW)的單級放大結(jié)構(gòu),在1625.3 nm 波長處增益達(dá)10.5 dB,最大噪聲指數(shù)為5.9 dB.基于三級放大結(jié)構(gòu),在相同輸入信號功率和2.1 W 泵浦功率的條件下,實(shí)現(xiàn)1625.3 nm 處增益達(dá)23.4 dB,飽和輸出功率為24.8 dBm.這表明L 波段擴(kuò)展硅基摻鉺光纖可擴(kuò)展至1625.3 nm,該光纖對進(jìn)一步擴(kuò)展L 波段增益帶寬提供了強(qiáng)有力的可行方案.