光纤放大器-光子学设计基础（第2版）

本节需要的主题内容：

i）稀土掺杂（本书第7章）

ii）光学泵浦（本书第6章）

iii）粒子数反转（本书第6章）

iv）受激发射（本书第6章）

v）半导体激光器（本书第7章）

在本书第6章，讨论过激光器的基本工作原理。已经知道，激光器基本上就是一个放大器，具有正反馈使其振荡。由此得出，应用同样原理可以设计一个光学放大器，所需要的内容基本上就是正反馈的翻版。

光学放大的第一个要素是产生粒子数反转，为此，如本书2.4节讨论，必须“泵浦”（即填充）合适的能量级。制造光纤用的石英（掺杂很少几种低浓度杂质）不具有合适的能级结构。该材料是含有一系列键能结构的非结晶介质，从而导致很宽的、相互重叠的能级，本身不能提供有效粒子数反转需要的确切跃迁。

在光纤材料中掺入“稀土”离子可以克服上述问题。稀土元素在化学元素周期表中是化学性质相似的一个系列（因此很难将它们分离），从镧（原子序号57）到镥（原子序号71）涉及15种元素。其化学性质近似的原因，是它们的最外层电子结构相同。也就是说，这些结构通过与其他原子外层结构的反应确定了其化学特性。沿该系列向高原子序号看，原子序号（核内的质子数）增大，必须增加更多的电子以补偿。区分稀土元素（与周期表中其他系列）具体性质的方法就是将这些电子增加到原子内壳层，因为这些电子通常要比外层的能量低，即有更为合适的低于外层电子能量的能级。

所有这些因素如何有利于形成光学放大器呢？

如果将稀土元素用作硅材料中的掺杂物，那么就以各种键连接强度与最外层电子相互反应而存在于非结晶硅的晶格中。实际上，对于这种具体的晶格结构，稀土元素是主动地“失去”外层电子，转换成三价离子（即Er³⁺、Nd³⁺、Pr³⁺）。但是，真正的重要之处是外层电子的重新配置使未填满的内层基本上（并非完全）不受影响。所以，这些内层能级仍然相当有潜力用作粒子数反转。此外，即使所有稀土元素的外层结构都相似，内层能级也完全不同。如果能够为所有这些元素提供各种需要的能量，就可以获得各种放大的光学频率。

现在介绍如何利用上述内容设计一个光学放大器。“共轴”光纤放大器的基本结构如图10.32所示。该图表示，信号在一条光纤通信干线内被放大。该信号没有离开光纤，因此没有与电子中继放大器有关的耦合损失。若经过中继放大器，信号就被探测，经过电放大，然后对一个新的激光源进行调制以便继续向前传输。

图10.32　共轴光纤通信放大器示意图

重新思考图10.32所示情况，注意到，在放大器处的“泵浦”能量被耦合到光纤介质中。这是一段掺有合适（为了适合被放大的光学波长）稀土离子的线路兼容光纤。(www.xing528.com)

泵浦的作用是在共轴传播放大后的信号时产生粒子数反转。

例如，现在讨论在硅晶格中掺杂铒（Er）（掺杂度为百万分之几（ppm））的能级图（见图10.33）。泵浦能量将Er⁺从第一级激发到第二级，然后快速退变到第三级。这一级第3级是亚稳态级（根据量子理论，“禁止”其衰退到第1级），所以该离子在此停留时间较长（几十微秒）。因而使第3级的离子数大于第1级，离子数得到反转。通过由3→1的向下跃迁，能量为hν₁₃的光子激发产生同相光子。由此，以hν₁₃入射的光子被放大，这些内容已经在本书第6章做过介绍。现在，详细介绍几个与光纤放大器有关的新特性。

图10.33　掺杂铒光纤放大器的基本能级动态图

首先，用什么能量源作为泵浦，光束如何耦合到光纤中？

很清楚，由于能量hν₁₂一定要大于hν₁₃（第2级比第3级高），所以泵浦波长必须比被放大的波长小。

图10.34　掺杂铒的光纤放大器中受激态吸收的机理

作为例子，掺杂铒光纤放大器（Erbium-Doped Fibre Amplifier，EDFA）工作波长是1550nm（该波长接近于硅材料具有最小衰减时的波长）。能级图显示，使亚稳态级占有粒子数的常用泵浦波长是800nm。非常稳定的砷化镓（GaAs）半导体激光器发射该波长的光，所以应用特别方便。然而，存在一个问题就是，这种现象称为受激态吸收（Excited-State Absorption，ESA），如图10.34所示。在800nm处的泵浦辐射能够将放大的亚稳态（第3级）离子提升到更高的第4级，从而减少了第3级的粒子数，降低了放大器的效率（效率=每瓦泵浦功率的光学增益）。有两种方法可以解决该问题：第一，利用不同的波长，可能是980nm和1480nm。没有适合于980nm的良好泵浦源。虽然有适合于1480nm的光源，但波长接近于1550nm，分开两种波长相当困难。尽管如此，如果需要大的增益，仍常使用1480nm的光源。第二，将Er⁺掺杂在不同的玻璃结构中。为此，一直研究氟化玻璃。由于晶格的相互作用不同，能级也不同，所以在没有受激态吸收影响下，可以使用800nm辐射。然而，这些玻璃要比石英玻璃难制造。

当然，对于目前已经安装好的通信光纤，最广泛使用的波长是1300nm。如果是石英材料，该波长下的衰减很低（不会像1550nm那样低），并且群速色散最小。然而，生产1300nm石英光纤放大器的一个基本问题是，该波长下的光子能非常有效地与此频率下的声子（声音振动）耦合，所以能量转移是非辐射的。使用含镨的掺杂氟的光纤可以克服这个问题，然而，掺杂镨氟化光纤放大器（Praseodymi-um-Doped Fluoride Fibre Amplifier，PDFFA）的性能仍然不如掺杂铒石英放大器。

其性能实质是什么？

以典型的掺杂铒石英光纤放大器为例，可以得到一个图10.35所示的增益光谱。这表示在约40nm波长范围内有一个20～40dB（10²～10⁴功率放大）的并非完全一样的增益，对应着约5000GHz的频率范围。具有如此宽增益带宽的原因在于熔凝石英晶格的无序性。虽然，光学上起作用的能级低于外层能级，但在某种程度上受到铒原子与石英分子间连接键的影响，并且该连接键的强度变化很大，导致线性Er³⁺能级扩散，从而引起一系列的光子跃迁，进而使一些波长获得增益。使用光谱宽度约0.01nm的窄线宽半导体光源，就意味着利用同一个放大器，可以在一根光纤中使用几种不同的载体波长。对于典型的以掺杂铒石英光纤放大器为基础的系统，可能有多达100个这样的载体。这种系统称为波分复用系统，显然可以使任何光纤的带宽-距离乘积增大两个数量级。下面就详细地讨论这些系统。

图10.35　掺杂铒石英光纤放大器的增益光谱