多組分寬帶摻餌玻璃光譜性質(zhì)及光纖放大特性研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對光纖通信容量和系統(tǒng)集成化的要求大大提高，這使得摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA)與波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用成為實(shí)現(xiàn)多波長和超長距離傳輸必不可少的條件。其中，EDFA已是提高WDM系統(tǒng)信道數(shù)和光纖通信容量的關(guān)鍵部件。目前，主要工作在C波段(1530～1565nm)區(qū)域并得到廣泛應(yīng)用的

2、傳統(tǒng)石英基EDFA已不能滿足系統(tǒng)的發(fā)展需求。因此，開發(fā)具有寬帶放大能力和極高單位長度增益的非石英基EDFA，直接實(shí)現(xiàn)C+L波段(1530～1610nm)區(qū)域?qū)拵o縫放大，這對于WDM系統(tǒng)光纖通信容量的擴(kuò)展以及系統(tǒng)集成化具有非常重要的實(shí)際意義。
　　 本論文結(jié)合當(dāng)前光纖通信技術(shù)的發(fā)展需求，選擇多組分寬帶碲酸鹽和鉍酸鹽重金屬氧化物玻璃作為研究對象，基于自主實(shí)現(xiàn)從“寬帶摻鉺玻璃→寬帶摻鉺玻璃光纖→寬帶摻鉺玻璃光纖放大器”整個流程的研究

3、考慮，圍繞多組分寬帶摻鉺玻璃光譜性質(zhì)的改性研究、多組分寬帶摻鉺玻璃光纖的研制和光譜性質(zhì)測試、寬帶摻鉺玻璃光纖穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)放大特性的理論研究三方面內(nèi)容開展工作。論文的主要研究工作如下：
　　 1.開展了單摻稀土鉺離子對于碲酸鹽玻璃光譜特性的影響研究
　　 WDM系統(tǒng)的集成化趨勢，需要盡可能地提高光纖放大器增益介質(zhì)中的稀土鉺離子(Er3+)摻雜濃度以便得到高的單位長度增益，但過高的鉺離子摻雜也會帶來一些負(fù)面效應(yīng)，影響到光纖放大

4、器的性能指標(biāo)。因此，本文首先開展了稀土鉺離子摻雜對于組分為TeO2-ZnO-La2O3(Na2O)碲酸鹽玻璃光譜特性的影響研究，深入研究了1.53μm波段熒光譜、熒光強(qiáng)度和熒光壽命隨鉺離子摻雜濃度的變化關(guān)系。為此，論文運(yùn)用Lorentz線型函數(shù)對測量到的熒光光譜進(jìn)行了擬合分解，建立了一個等效四能級模型分析了各譜線成分相對強(qiáng)度隨鉺離子摻雜濃度的變化關(guān)系，剖析了1.53μm波段熒光譜的展寬及其熒光主峰轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。同時，基于Forster-De

5、xter能量轉(zhuǎn)移理論，結(jié)合熒光俘獲效應(yīng)的影響，系統(tǒng)分析了激發(fā)態(tài)4I13/2能級上鉺離子無輻射能量衰減速率與其摻雜濃度的關(guān)系，從而指出了1.53μm波段熒光強(qiáng)度和熒光壽命在高摻雜濃度下發(fā)生猝滅的主要影響因素，并從無輻射能量轉(zhuǎn)移機(jī)理出發(fā)分析對比了玻璃中稀土鉺離子溶解性問題，計(jì)算得到了稀土鉺離子的臨界濃度和臨界相互作用距離參數(shù)，確定了最佳摻雜含量。
　　 2.開展了多稀土離子共摻對于碲酸鹽玻璃光譜特性的改性研究
　　 工作于1

6、.53μm波段的摻鉺光纖放大器通常采用1480或980nm波長進(jìn)行泵浦。采用980nm波長泵浦，光纖放大器具有低的噪聲系數(shù)，同時也存在著Er3+離子吸收較弱、上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象嚴(yán)重而引起的泵浦效率較低缺陷。本文從提高980nm泵浦效率和Er3+離子1.53μm波段熒光特性出發(fā)，開展了Er3+、Yb3+(鐿)、Ce3+(鈰)多稀土離子共摻對于組分為TeO2-ZnO-La2O3-Nb2O5碲酸鹽玻璃光譜特性的影響研究。論文通過具體分析Yb3+/

7、Er3+離子間能量傳遞過程，研究了Yb3+離子摻雜對于Er3+離子1.53μm波段熒光和上轉(zhuǎn)換發(fā)光的增強(qiáng)作用，并給予了理論模擬。通過分析Er3+/Ce3+離子間的能量傳遞過程，研究了Ce3+離子摻雜對于1.53μm波段熒光增強(qiáng)和上轉(zhuǎn)換發(fā)光的抑制作用。從而指出相對于Er3+/Yb3+雙摻形式，Er3+/Yb3+/Ce3+三摻是提高980nm泵浦效率和1.53μm波段熒光強(qiáng)度一種更加有效的組合摻雜方式。在此基礎(chǔ)上，論文對基于聲子輔助的Er3

8、+/Ce3+離子間能量傳遞過程，首次提出了通過提高玻璃基質(zhì)聲子能量，減少能量傳遞過程中的能量失配程度，來進(jìn)一步提高Er3+/Ce3+離子間能量傳遞速率的思想，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了很好的印證。
　　 3.開展了單摻鉺離子情形下鉍酸鹽玻璃熒光衰減特性研究
　　 OH-根離子不僅產(chǎn)生了石英傳輸光纖中1385nm波長附近的“水吸收峰”，同時也是摻鉺玻璃中Er3+離子1.53μm波段熒光的一個主要猝滅中心。本文從測量分析Er3+離子1.

9、53μm波段熒光衰減行為這一角度入手，開展了Bi2O3-B2O3-GeO2-Na2O-Er2O3鉍酸鹽玻璃中OH-根離子與Er3+離子相互作用機(jī)理以及對Er3+離子熒光特性的影響研究。研究指出，Er3+離子與玻璃中殘留的OH-根離子間能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致低摻雜濃度下Er3+離子熒光呈現(xiàn)出明顯的非指數(shù)衰減特征，運(yùn)用Inokuti-Hirayama公式擬合得到了Er3+離子與OH-根離子間能量轉(zhuǎn)移參數(shù)。同時，在玻璃高溫熔融過程中注入干燥氧氣進(jìn)行了除

10、水處理研究，除水處理能明顯減少玻璃中殘留的OH-根離子含量，從而提高Er3+離子1.53μm波段熒光強(qiáng)度以及摻鉺光纖中的信號增益，而其熒光呈現(xiàn)出近似單一的指數(shù)衰減特征。
　　 4.開展了低聲子能量摻鉺鉍酸鹽玻璃中激發(fā)態(tài)吸收的抑制研究
　　 激發(fā)態(tài)吸收常發(fā)生在980nm泵浦下的一類低聲子能量摻鉺重金屬氧化物玻璃中，它的存在制約了泵浦光轉(zhuǎn)換效率的提高從而影響到Er3+離子1.53μm波段熒光特性。本文通過在組分為Bi2O3-

11、GeO2-Ga2O3-Na2O一類低聲子能量摻鉺鉍酸鹽氧化物玻璃中分別引入Ce3+離子和B2O3組分，研究比較了這兩種措施對于激發(fā)態(tài)吸收的抑制效果以及對于Er3+離子1.53μm波段熒光的作用。研究發(fā)現(xiàn)，適量Ce3+離子或B2O3組分的引入，分別通過能量轉(zhuǎn)移和多聲子弛豫方式提高了Er3+：4I11/2→4I13/2能級間無輻射弛豫速率，從而使得4I11/2能級E廣離子熒光壽命相應(yīng)減小，激發(fā)態(tài)吸收得到有效抑制。同時，Ce3+離子的引入進(jìn)一

12、步提高了4I13/2能級Er3+離子總量子效率，增強(qiáng)了1.53μm波段熒光強(qiáng)度。而B2O3組分的引入雖在一定程度上削弱了1.53μm波段熒光強(qiáng)度，但進(jìn)一步展寬了其熒光發(fā)射譜。
　　 5.開展了新型多組分寬帶摻鉺玻璃光纖研制和光纖光譜性質(zhì)研究
　　 在對多組分摻鉺玻璃光譜性質(zhì)改性研究基礎(chǔ)上，本文選擇合適的玻璃組分配比開展了新型寬帶摻鉺玻璃光纖的研制工作。論文利用自主的實(shí)驗(yàn)條件，采用旋轉(zhuǎn)澆鑄法和管棒組合法工藝研制了多組分寬帶

13、碲酸鹽和鉍酸鹽玻璃光纖預(yù)制棒，拉制出了包層直徑為125.μm、纖芯直徑分別為5.1μm和5.6μm的多組分寬帶摻鉺碲酸鹽和鉍酸鹽玻璃光纖，并對得到的摻鉺光纖進(jìn)行了傳輸損耗和放大自發(fā)輻射(ASE)譜測試，1310nm波長處的傳輸損耗分別達(dá)到了3.7dB/m和3.4dB/m，ASE譜覆蓋了C+L波段區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，論文鑒于多組分摻鉺鉍酸鹽玻璃光纖與石英傳輸光纖熔化溫度相差極大的特點(diǎn)，采用非對稱熔接工藝進(jìn)行了兩者的熔接嘗試，為下一步研制出高

14、質(zhì)量寬帶摻鉺玻璃光纖和光纖放大器積累了一定的工藝基礎(chǔ)。
　　 6.開展了多組分寬帶摻鉺玻璃光纖穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)放大特性的理論研究
　　 為進(jìn)一步了解多組分寬帶摻鉺玻璃光纖的放大特性，同時為后續(xù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化寬帶摻鉺光纖放大器提供理論依據(jù)，本文從穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)放大特性兩個方面展開了系統(tǒng)的理論研究：1)建立了一個綜合考慮E廣離子能量轉(zhuǎn)移和激發(fā)態(tài)吸收效應(yīng)、以鉍酸鹽玻璃基摻鉺光纖作為增益介質(zhì)的鉍基摻鉺光纖放大器(Bi-EDFA)理論模型，分析

15、比較了1480和980nm波長泵浦下放大器的穩(wěn)態(tài)增益和噪聲特性以及隨信號輸入功率、光纖長度的變化關(guān)系。同時，鑒于放大器內(nèi)部存在著極大的由放大自發(fā)輻射產(chǎn)生的ASE噪聲，論文從抑制噪聲和再次利用噪聲角度出發(fā)，對放大器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：①利用光隔離器抑制后向傳輸?shù)腁SE噪聲，提高了放大器信號增益并降低了噪聲系數(shù)。②利用光環(huán)形器引導(dǎo)前級放大產(chǎn)生的ASE噪聲光泵浦一段后級低摻雜鉍酸鹽摻鉺光纖，顯著提高了放大器L波段信號增益；2)對于以碲酸鹽玻璃基摻

16、鉺光纖作為增益介質(zhì)的碲基摻鉺光纖放大器(Te-EDFA)，理論研究了輸入狀態(tài)突變時放大器輸出端信號功率的瞬態(tài)響應(yīng)特性以及瞬態(tài)響應(yīng)隨信號輸入功率、泵浦功率的演變關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，論文從抑制輸出信號瞬態(tài)響應(yīng)幅度出發(fā)，提出了調(diào)理脈沖輸入信號階躍型邊沿為漸變型邊沿的功率變化方式思想。研究揭示，提出的理論方案可以有效地抑制放大器輸出端信號功率的瞬態(tài)響應(yīng)幅度。
　　 最后，總結(jié)了全文研究工作和創(chuàng)新之處，指出了論文不足以及有待進(jìn)一步深入研究的