掺镨光纤放大器的关键技

掺镨光纤放大器的关键技术及其在系统中的应用

如何对现有的CATV系统进行低成本的改造及进一步发掘已大量铺设的光纤通信系统潜力是广电系统与电信系统运营商非常关注的问题，因为已大量铺设的G.652光纤，零色散点在1.3μm波长附近，色散限制影响小，不需采用色散补偿技术，可以降低系统的复杂性，特别是可以节约大量投资。主要问题是在1.3μm波长处光纤损耗大，如能提供波长为1.3μm 的光纤放大器，则已大量铺设的1.3μm波长光纤CATV系统与光纤通信系统就可以实现扩容升级，具有重要的经济意义。掺镨光纤放大器（PDFA）的问世正迎合了这种需要。

一．掺镨光纤放大器的原理

掺镨光纤放大器（PDFA）是工作于1300nm波长的，以掺镨光纤作为增益介质，以1017nm

附近波长的激光器作为泵浦光源的一种光纤放大器。PDFA的特性主要决定于掺镨光纤的吸收和发射特性，即光谱特性，而其光谱特性则决定于镨离子（Pr3+ ）的能级结构。

1．掺镨光纤的能级结构

掺镨光纤采用氟玻璃作为基质材料，这种掺杂光纤的能级结构如图1所示，是一种准四能级系统。1G4，1D2和3P0的能级寿命为110，350，和58μs。泵浦光子的基态吸收（GSA）发生在3H4能级和1G4能级之间，同时泵浦光子在1G4 -3P0能级间及1G4-1D2 间产生激发态吸收 (ESA)以及在亚稳能级1G4和基态3H4能级间产生受激辐射（1050nm附近很强的ASE）。信号光子被1G4-3H5 产生的1310nm的受激辐射光放大，信号光子同时被3H4-3F4 GSA 和 1G4-1D2 ESA吸收。另外由于1G4-3H5能级之间的能量差与1G4-1D2能级之间的能量差是相互匹配的，因而在（ 1G4-1D2）与（ 1G4-3H5）的交互变换跃迁的效应，这种效应会使亚稳能级 1G4上的粒子数减少，从而使增益特性变差。泵浦光子因激发态吸收而跃迁到3P0能级及1D2能级的粒子后发生迟豫跃迁而转移到1G4上，其泵浦分路系数分别为 B64=2%

和 B54=9%。

在上述的放大机理中，在1G4能级的Pr3+离子因为多声子迟豫而非常容易跃迁到3F4能级。因此，要提高放大的效率，就要求必须尽量减少1G4-3F4的非辐射跃迁。其能级间隔为3000（1/cm），通过选择声子能量尽可能小的玻璃基质可以减少1G4-3F4的能级间隔，从而可以减少1G4-3F4的非辐射跃迁。正是基于低的多声子迟豫率和低的损耗光纤制造技术，ZrF4氟化物玻璃基质的PDF适合制造PDFA。

2．掺镨光纤的光谱特性

掺镨光纤的光谱特性如图2所示

σ14为泵浦吸收截面，由图可以看出泵浦带较宽，中心波长在1015 nm处。σ41为自发辐射截面，峰值波长在1050nm附近。σ42为发射截面，中心波长在1310nm处，提供信号光的放大。σ45为激发态吸收（ESA）截面，产生了一个峰值在1380nm附近的激发态吸收带，其短波长延伸至1290nm，因而能将波长大于1290nm的信号吸收，限制了放大期的性能。σ13即为基态吸收（GSA）截面，其峰值波长为1440nm。从图2可以看出放大器的长波长部分性能会受到σ13和σ45的影响。

图2 掺镨ZBLAN光纤的发射和吸收截面

二．实现工程实用型PDFA的关键技术

实现PDFA的主要困难是受激辐射跃迁中能级1G4-3F5的量子效率很低，因而如果要实现较高的增益，则需要很高的泵浦功率。实现能工程化应用的PDFA的技术关键有四个：优化的掺镨光纤、掺镨光纤与普通光纤的连接技术、高功率高可靠性的小型化的泵浦源、优化的PDFA的结构。

1．掺镨光纤的优化

掺镨光纤的优化主要是减少激发态的Pr3+由1G4-3F4的多声子迟豫跃迁，以提高量子效率。最初报道的PDF的需要180mW的泵源功率才能达到5.3dB的信号增益，增益系数只有

0.05dB/mW。要解决这个问题，最有效的方法就是使用声子能量很低的玻璃基质。而目前掺镨ZBLAN光纤的小信号增益系数可达到0.22dB/mW。据报道硫化物玻璃、 InF4氟化物玻璃、

混合卤化物玻璃已可以达到更高的放大效率。

另一个较为实用的方法是通过优化PDF的参数。如优化芯径的掺镨浓度，有实验数据显示：掺镨浓度为1000ppm，长度为7m的PDF与掺镨浓度500ppm，长度为14m的PDF在1017nm

波长的泵源泵浦下，前者更易达到增益饱和，相应的小信号增益也较低。此外，提高光纤的数值孔径，减少PDF的散射损耗也可以显著提高增益系数。

2．掺镨光纤与普通光纤的连接技术

由于掺镨光纤的数值孔径很大（Δn：2.5~3.7%），芯径较细（Φ：4~5μm）；而普通的光耦合器与光隔离器用的单模光纤的数值孔径很小（Δn：0.3%），芯径较粗（Φ：8~9μm），而且两种光纤的成分不同，因而其直接熔接时损耗很大。而采用特殊的V-groove连接技术和TEC熔接技术，可以将PDF与普通光纤的连接损耗降低到0.3dB左右。

3．高功率、高可靠性的泵浦源

能进行工程化应用的掺镨光纤放大器的最关键的技术之一就是高功率、高可靠性、紧凑型的泵浦源。相应实验表明，峰值泵浦波长在1017nm附近，但整个-3dB增益的泵浦带宽很宽，达到从988nm到1033nm整个45nm的泵浦范围。图3为计算的归一化效率与泵浦源波长的关系。计算条件为：信号光波长为1300nm、输入信号功率为0dBm，PDF长度对每种泵浦波长都进行了优化。计算结果表明归一化效率的最大值与实验结果很好的吻合，而>70%的归一化效率的泵浦波长范围为980nm至1051nm。

由于上述很宽泵浦波长范围，意味着工作在最佳波长附近的1017nm普通半导体激光器、MOPA 半导体激光器、1047nm的Nd：YLF固体激光器、1029nm的Yb：YAG固体激光器、和1010nm 至1030nm的掺钇光纤激光器都可以用于PDFA的泵源。其中最有优势同时业已商用的泵源类型是LD、MOPA-LD和Nd：YLF激光器。

4．PDFA光路结构

在相同的其它条件下，PDFA的光路结构对其性能有很大的影响。如采用双向泵浦可以将增益系数从前向泵浦的0.21dB/mW提高到0.24dB/mW。因而对光路结构进行优化设计，则可以