掺杂光纤放大器

掺杂光纤放大器通常是掺杂稀土元素(如钕、铋或镨),光纤的基础材料可以是氟化物玻璃、标准的石英或碲酸盐玻璃。放大器的工作波长范围与基础材料和掺入元素有关。长途电信系统中最常用的光纤放大器是掺银光纤放大器,其掺杂少量银元素。DFA主要包括以下几个部分:泵浦光源、称合器、活性介质掺杂光纤、滤波器和光隔离器等。泵浦光通过光亲合器入射到掺杂光纤中,将大部分的基态离子泵浦到激发态,对于三能级系统处于激发态的离子会迅速无福射跃迁到亚稳态。离子的亚稳态寿命相对较长(达到毫秒量级)以至于亚稳态与基态之间的粒子数形成反转状态。如果信号光通过此掺杂光纤,在受激辐射作用下会产生大量与自身状态完全相同的光子,使得光信号的功率增大。WDM将泵浦光和信号光亲合进掺杂光纤,光隔离器可以保证光的单向传输,滤波器可以过滤掉放大器本身产生的自发福射以降低系统的引入的噪声。

掺稀土离子石英光纤放大器和激光器因体积小、光束稳定、功耗低等优点而得到广泛应用。掺铒光纤激光器与放大器由于其运转波长与光通讯的第三窗口(1. 55μm)相一致, 近几年发展迅速, 但由于随着铒浓度的进一步提高, E r3 +会发生聚集, 引发E r3 +对的上转换效应, 导致成对浓度淬灭, 直接影响了EDFA 的泵浦转换效率和增益提 。同时, 单纯掺铒光纤激光器使用的泵源受波长限制。随着研究的深入, 人们发现如果在Er3 +光纤中同时掺入Yb3 + , 由于Yb3 +具有很宽的吸收带(800 ~ 1064nm)和相当宽的激发带, 而且Yb3 +的吸收截面比E r3 +大得多, 不会出现浓度淬灭, 可以达到较高的Yb3 +浓度, 不会出现边缘效应, 容易吸收980nm 附近的泵浦能量, 从而提高E r3 +的掺杂浓度, 缩短光纤的长度。特别是Yb的2F5 /2的能带和E r的4 I11 /2能带非常接近, 而且E r的4 I11 /2能带上寿命比Yb的2F5 /2的能带上的寿命短的多, 所以其离子能量很容易从Yb的2F 5 /2的能带转移到E r 的4 I11 /2 能带上, 再无辐射跃迁到4 I13 /2 。最后辐射出光子, 回到4 I15 /2 。同时利用镱吸收曲线的长波长区的吸收, 拓宽了泵浦光源的范围, 除了使用980nm泵浦源外, 可以使用辐射1053nm 波长的大功率Nd∶YLF固体激光器作泵浦源, 大大提高了EDFA 的输出功率。采用双包层结构的Er -Yb共掺双包层光纤, 泵浦源输出的泵浦光直接耦合入直径为几十到几百微米的内包层中, 比传统的EDFA耦合面积增加了2 个数量级, 耦合效率远远高于传统的EDFA, 所以E r -Yb共掺双包层光纤的研究成为目前的研究热点。