铋基掺铒光纤放大器宽带放大特性的理论研究

Broadband amplif ying characteristics of a
bismuth2based erbium2doped f iber amplif ier
ZHOU Ya2xun , WANG J un , CHEN Fen
( The College of Information Science and Engineering , Ningbo University , Ningbo 315211 , China)
对于 1. 53μm 波段光信号发射 , Er3 + 离子发射 截面可根据 McCumber 理论由4 I15/ 2 →4 I13/ 2跃迁的 吸收截面得到[9 ] ,如图 2 所示 。可以看到 ,在铋酸盐 玻璃中 Er3 + 离子存在着较大的发射截面 ,峰值发射 截面达到了 8. 6 ×10 - 21cm2 。发射截面σe 是表征玻 璃基质能否产生激光的一个重要参数 ,σe 越大 ,越 容易发出激光 。铋酸盐玻璃可以提供较大的受激发
波段 EDFA 和 L 波段 EDFA 或 FRA (光纤拉曼放大 料价格 ,使其实际应用受到一定程度的影响 。
器) 构成放大器组[1 ,2 ] 。但这种方案需要复杂的并
2001 年 ,日本 Asahi 玻璃公司报道了铋酸盐基
联结构 ,以及在 C 和 L 波段交界处存在着不能实现 质掺铒玻璃光纤的研究结果[5 ] 。研究显示 ,铋基掺
信号有效放大的“死区”问题[1 ,3 ] 。因此 ,人们更关 铒玻璃不仅具有优异的光谱性质和好的物化性能 ,
Ξ 收稿日期 : 2007201204 E2mail : zhouyaxun @nbu. edu. cn 基金项目 : 浙江省自然科学基金资助项目 ( Y107070) ; 宁波市自然科学基金资助项目 (2006A610026) 作者简介 : 周亚训 (19652) ,男 ,浙江人 ,宁波大学教授 ,硕士 ,从事特种玻璃 ,宽带光纤放大器等研究 。
1 样品制备及光谱参数
铋酸 盐 基 质 掺 铒 玻 璃 样 品 组 分 为 43Bi2O32 30B2O3227SiO2 (mol %) ,采用常规高温熔融法制备 。 图 1 为 实 验 测 得 的 该 玻 璃 中 Er3 + 离 子 在 400 ～ 1700nm 区域的吸收光谱 ,光谱中每一个吸收峰值 均由 Er3 + 离子激发态能级标示 。
Abstract : Bismut h2based erbium2doped glass wit h compositions of 43Bi2O3230B2O3227SiO2 are prepared , and t he spectro2 scopic properties such as t he intensity parameter , spontaneous emission probability , absorption and emission cross2section of Er3 + ions are calculated and analyzed according to t he J udd2Ofelt and McCumber t heory , respectively. The signal amplifying characteristics of bismut h2based erbium2doped fiber amplifier (Bi2EDFA) are investigated t heoretically based on a t hree2level model of Er3 + ions under bi2directionally pumped at 1480nm. The numerical simulations show t hat Bi2EDFA has a signal gain over 40dB and a 32dB bandwidt h of over 75nm when single2wavelengt h signal is inputted. In addition , Bi2EDFA has a perfect multi2wavelengt h signal broadband amplification and low noise figure (N F) compared wit h t hat of silica2based EDFA , and its low N F (～5. 5dB) can sustain beyond 1610nm. The results indicate t hat Bi2EDFA is a new type of erbium2doped amplifier
0 引 言
注于第二类方案 :即通过对掺铒玻璃光纤基质材料 类型的改变来提高信号增益范围和光谱特性[4 ,5 ] 。
随着计算机网络及新的数据传输服务的迅速发 1997 年 ,日本 N T T 公司研究指出碲酸盐基质掺铒
展 ,工作在 C 波段 (153021565nm) 区域 、仅有 35nm 玻璃光纤 ( Te2EDF) 具有极高的单位长度增益和宽
周亚训 , 王俊 , 陈芬
(宁波大学 信息科学与工程学院 , 浙江 宁波 315211) 摘 要 : 研制了铋酸盐基质掺铒玻璃 43Bi2O3230B2O3227SiO2 ,测试分析了玻璃中 Er3 + 离子的光谱性质 。结合获得 的 Er3 + 离子光谱参数 ,建立了一个以该铋基掺铒玻璃作为放大器增益介质时 Er3 + 离子跃迁的三能级理论模型 ,研究了 铋基掺铒玻璃光纤放大器 (Bi2EDFA) 的信号放大特性 。研究显示 ,单波长输入情形下 ,Bi2EDFA 具有大于 40dB 的信号 增益和 75nm 的 3dB 波长带宽 。同时 ,相比于硅基掺铒光纤放大器 ( Si2EDFA) ,Bi2EDFA 具有优异的多波长信号宽带放 大和低噪声特性 ,低噪声系数 (～5. 5dB) 可维持至 1610nm 波长之外 。结果表明 ,铋基掺铒玻璃光纤放大器是一种单位 长度增益极高和宽带放大能力的小型化掺铒光纤放大器 ,适合于 WDM 系统的集成化需求 。 关 键 词 : 光纤通信 ; 铋酸盐玻璃基质 ; 掺铒光纤放大器 ; 放大特性 ; 数值模拟 中图分类号 : TN929. 11 ; TQ171. 1 文献标识码 : A
放大带宽的石英基质掺铒光纤放大器 ( EDFA) 已不 带放大特性 ,是实现 C + L 波段宽带放大的理想增
能满足未来宽带网络的需求 ,人们迫切需要在现有 益介质[4 ] 。基于 Te2EDF 的碲基掺铒玻璃光纤放大
C 波段基础上向 L 波段 (15702 1610nm) 区域扩展 , 器 ( Te2EDFA) 相对于组合式宽带放大器具有结构
suitable for WDM system application wit h a high signal gain per unit lengt h and amplifying bandwidt h.
Key words : fiber communication ; bismut h2based glass ; EDFA ; amplifying characteristics ; numerical simulation
实现 C + L 波段宽带同时放大 。目前 ,实现 C + L 波 简单 ,体积小 ,成本低 ,性能稳定和增益无“死区”的
段宽带放大主要采用两类技术方案 :一类是将工作 优点 。然而 , Te2EDF 略欠理想的物化性能与机械
在不同波段区域的光纤放大器进行组合 ,例如将 C 强度 ,比较严重的上转换发光现象 ,以及昂贵的原材
2270
5. 4 0. 011
4 F9/ 2 →4 I 15/ 2 4 I 13/ 2 4 I 11/ 2 4 I 9/ 2
15318 8782 5068 2798
3405. 3 173. 2 121. 2
4. 3
0. 919 0. 047 0. 033 0. 001
Ω2 = 3 . 85 ⅹ10 - 20cm2 , Ω4 = 1 . 83 ⅹ10 - 20cm2 , Ω6 = 1 . 11 ⅹ10 - 20cm2 , δrms = 0 . 49 ×10 - 7
6536
10250 3714
A / s- 1
A ed
A md
237. 5 91. 4
298. 7
42. 7 25. 9
β
1 0. 813 0. 187
4 I 9/ 2 →4 I 15/ 2
12520 369. 3
0. 783
4 I 13/ 2
5984 97. 0
0. 206
4 I 11/ 2
42
图 2 铋酸盐玻璃中 Er3 + 离子的吸收和发射截面谱
2 理论模型
前面分析可知 ,铋酸盐掺铒玻璃具有优异的光
谱性质 ,存在着潜在的宽带放大能力 。为了进一步
了解其作为放大器增益介质时的宽带放大特性以及
为后续研制提供理论依据 ,有必要作进一步的理论
模拟 。
在泵浦光和
信号光作用下 ,铋
基玻璃光纤中
射截面是其具有较大折射率的缘故 ,高折射率能够 增强稀土离子格点处的局域晶体场 ,从而导致较强 的辐射跃迁 。
表 1 Er3 + 离子在铋酸盐玻璃中的 A 、β、τ和Ωt
Transition
4 I 13/ 2 →4 I 15/ 2 4 I 11/ 2 →4 I 15/ 2
4 I 13/ 2
Energy / cm - 1
41
光 学 技 术 第 34 卷
容易对其进行机械加工以及光纤拉制 ,而且相对于 碲基掺铒玻璃光纤而言 ,更重要的一点是铋基掺铒 玻璃光纤 (Bi2EDF) 可以实现与普通石英传输光纤 的直接熔接 ,加上廉价的原材料价格使其成为一种 更加令人关注的新型宽带掺铒光纤放大器与光纤激 光器候选材料 。本文通过对铋基掺铒玻璃的制备及 相关光谱性质的测试 ,进行了以 Bi2EDF 作为增益 介质的铋基掺铒光纤放大器 (Bi2EDFA) 的理论研 究 ,系统地研究了放大器在不同输入条件下的放大 特性 ,这对于了解 Bi2EDFA 的放大行为以及为后续 铋基掺铒玻璃光纤及放大器的实际研制提供了理论 和实验基础 。目前 ,对于 Bi2EDFA 的这方面理论研 究还是不多 。
τ / ms
3. 04
2. 72
2. 12
0. 27
图 1 铋酸盐玻璃中 Er3 + 离子的吸收光谱
稀土离子在玻璃基质中的光谱参数如强度参数 Ωt ( t = 2 ,4 ,6) 、自发辐射几率 A 、荧光分支比 β和 辐射寿命τ等可根据实验测得的吸收光谱由 J udd2 Ofelt 理论得到[6 ,7 ] ,如表 1 所示 。可以看出 ,与铝酸 盐玻璃 、锗酸盐玻璃 、硅酸盐玻璃相比[8 ] ,铋酸盐玻 璃中具有更大的强度参数 Ω6 。大的 Ω6 参数使得 Er3 + 离子在能级4 I13/ 2 →4 I15/ 2间具有比较强的电偶 极跃迁谱线强度 ,这样 Er3 + 离子更容易实现宽带发 射。
Er3 + 离 子 的 跃 迁
行为可以借鉴于
碲酸盐玻璃光纤 中 Er3 + 离 子 的 四 能 级 模 型[10 ] 。考
图 3 1480nm 泵浦下 Bi2EDFA 中 Er3 + 三级级示意图
虑到铋基玻璃中玻璃形成体 B2O3 组分具有较大的 声子能量 (～1400cm - 1) 以及能级间4 I9/ 2 →4 I11/ 2 较 小的能量间隔 (～2270 cm - 1) ,可以认为激励到4 I9/ 2 能级上的 Er3 + 离子将通过无辐射跃迁迅速返回到
光 学 技 术 第34
200
பைடு நூலகம்
卷第1 8年1
期 月
OP
T
ICAL
TECHN IQU E VJoanl..34 N2o00. 18
文章编号 : 100221582 (2008) 0120041204
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