光通信掺Er～（3+）玻璃放大器的光学及增益特性研究

【摘要】：二十一世纪是全光网络的世纪，为了满足光通信中不同应用对光纤放大器性能的要求，新型掺铒光放大器材料成为光通信领域的一个研究热点。关于这方面的研究，本文所作的工作主要包括三大方面的内容： 1．首次制备了一系列新型的Er~(3+)／Yb~(3+)共掺铌磷酸盐玻璃(NbP:EY)、Er~(3+)／Yb~(3+)共掺铅铌磷酸盐玻璃(PbNbP:EY)、Er~(3+)／Yb~(3+)共掺钽磷酸盐玻璃(TaP:EY)和掺Er~(3+)钨碲酸盐玻璃(WTe:Er)。 2．根据MC原理和J-O理论分析了上述四种玻璃的光谱和增益带宽特性；用差热分析法(DTA)研究了它们的热稳定性。光谱分析结果显示，NbP:EY和TaP:EY玻璃具有更大的σ_e~(peak)和FWHM，其值分别为6.94×10~(-21)cm~2、50nm和6.88×10~(-21)cm~2、52nm，表明这两种玻璃的宽带放大特性优于目前报道的常规磷酸盐玻璃、铝磷酸盐玻璃和硅玻璃。PbNbP:EY玻璃中的Er~(3+)具有更高的~4I_(13／2)能级寿命(为9.11ms)，这对降低EDFA的抽运阈值功率极为有利。差热分析表明三种磷酸盐玻璃的转变温度分别为560℃，559℃和633℃，比常规磷酸盐玻璃的值提高了250～300℃，说明新型的磷酸盐玻璃具有良好的热稳定性，极大地降低了光纤的外部环境或高功率信号传输对光纤的热损伤的影响。同时克服了磷酸盐玻璃不易用离子交换技术制备光波导的困难。WTe:Er玻璃的σ_e~(peak)和FWHM分别增大到9.5×10~(-21)cm~2和86nm，比传统的碲酸盐玻璃的值有了极大的提高，玻璃的上转换发光现象明显减小。此外，差热分析表明WTe:Er玻璃的热稳定性也有所提高。 3．数值模拟了NbP:EY玻璃和WTe:Er玻璃光纤放大器的增益特性。对NbP:EY玻璃光纤放大器而言，当泵浦功率为200mW，输入信号功率为-30dBm时，波长1536nm处的峰值增益达到34dB，获得单位长度上的增益约为4dB／cm。表明所研制的NbP:EY玻璃是短长度高增益光纤放大器和光波导放大器的理想增益材料。对WTe:Er玻璃光纤放大器增益特性的数值模拟结果显示，当输入功率增加到0dBm时，3dB增益带宽增达到65nm，平均信号增益仍在20dB以上。WTe:Er光纤放大器在1556nm波长附近提供了极宽的平坦增益带，信号放大能力延伸至1600nm波长之外，显示了WTe:Er玻璃光纤放大器在L波段的潜在应用价值。