TDFA及多模包層泵浦在高性能TDFA中的應用

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　　隨著通信系統通信容量需求的飛速增長，如何進一步提高通信容量，滿足這種日益增加的需求，已成為光纖通信研究的熱點。

目前，增加光纖通信容量的基本途徑有四條：1）提高單信道數據傳輸速率至40Gb/s及以上；2）縮小密集波分復用的波長間隔至50GHz或更��；3）拓展新的傳輸窗口如S-Band；4）綜合運用以上技術。其中，隨著傳輸速率提高到40Gb/s及以上時，偏振模色散成為限制單信道傳輸速率的主要因素，偏振模色散是隨機的，隨外界的環境的變化而隨時改變，進行補償的難度和成本極高。而復用信道數量的增多，必然導致信道間隔的減小，從而使非線性效應增強，信道間隔過小時，四波混頻（FWM）效應的影響將會引起信號在信道間的串擾，必須采取相應的抑制措施；另外，小的信道間隔還要求系統元件具有嚴格的波長穩定性，帶來系統成本的上升。因此，開發新的傳輸窗口，拓寬利用光纖豐富的通信帶寬資源，將是提高光通信容量最有效的方法。特別是S-波段(1450-1510nm)，光纖損耗低于0.25dB/km，又有TDFA對光信號進行放大，可與C-Band和L-Band的傳輸窗口很好的銜接，組成超寬帶的光傳輸系統。本文重點介紹了應用在S-波段的摻銩(Tm)光纖放大器(TDFA)的技術原理，多模包層并行泵浦技術在實現高功率、增益平坦的TDFA中的應用，及本公司提供的高性能TDFA的詳細技術參數。
　　
　　一． TDFA的技術原理
　　1． 1.4μm波段摻銩氟化物光纖放大器(TDFA)的基本放大原理
　　
　　摻Tm3+氟化物光纖放大器是的性能很大程度上是由TDF的物理特性決定的。通過對TDF的能級結構的分析，可以對制約TDFA性能的各種因素有一詳細的了解。摻Tm氟化物光纖的能級結構如圖1所示。
　　
　　由圖1可以看出：TDFA如果用790nm的泵浦光的泵浦下在1.4μm波段的放大原理是基于四能級系統，3H4為上能級，3F4為下能級；用1200nm的泵浦光泵浦下在1.65μm波段的放大原理是基于三能級系統，3F4為上能級，3H6為下能級。要獲得有效的1.4μm波段放大就必須抑制硅基TDF中3H4上能級到3H5的多聲子遲豫的非輻射躍遷，而要獲得有效的1.65μm波段的放大需要提高硅基TDF中3F4上能級的熒光壽命（0.5ms），采用基于ZrF4的氟化物玻璃的摻銩光纖（TDF）既可以滿足1.4波段放大抑制3H4上能級到3H5的多聲子遲豫的非輻射躍遷的要求，又可以將3F4能級的熒光壽命提高到10ms左右。本文將只較詳細討論1.4μm波段的放大原理。
　　　
　　而工作在1.4μm波段用0.79μm泵浦的氟化物TDFA有一個很大的問題是3H4上能級的熒光壽命只有1.7ms，而3F4下能級的熒光壽命卻有10ms，這是一個自終止系統，即在3H4上能級和3F4下能級之間不能形成有效的粒子數反轉。因而如果得到高的增益，3F4下能級的粒子數必須以很快的速度抽空。
　　
　　有三種方法預期可以解決這個問題。第一種方法就是在3F4能級與3H6 之間同時形成第二個波長（1.8μm）的輻射躍遷，稱為雙激光的方法，這種方法中，3F4下能級的粒子數被在1.8μm波長處的形成的激光給大量消耗掉了，從而引起3F4下能級的粒子數密度大為減少。第二種方法是圖2所示的上轉換泵浦方式，基態(3H6)Tm3+通過基態吸收被激發到3H5，再從3H5能級衰退到下能級3F4,然后又重新被激發到3F2高能級，再由3F2高能級通過非輻射躍遷到上能級3H4，用這種上轉換泵浦方式，1.4μm波段的放大原理相當于一個三能級放大系統，3F4下能級就相當于虛擬的基態能級。這樣就實現了3F4下能級粒子數的抽空，即實現了上能級3H4與3F4下能級之間的粒子數的反轉。這種上轉換，可以利用1060nm左右的單波長光泵浦，通過雙光子效應來實現。
　　　
　　第三種方法就是利用共摻雜的方法，在TDF中摻進鈥離子（Ho3+）作為接收離子，具體原理如圖3所示。
　　　
　　這樣，處于激發態的3F4能級上Tm3+的能量會轉移到接收器離子（Ho3+）的5I7能級。從而使3F4能級上的粒子被迅速抽空。Ho3+作為一種最有效的接收器離子是因為它能顯著的減少3F4能級的熒光壽命而對3H4能級熒光壽命的減少卻很小。有報道顯示，當在摻Tm3+ 濃度為0.5wt%的ZrF4氟基TDF中共摻雜1wt%的Ho3+,3F4能級的熒光壽命從11ms減少到1.2ms，而3H4上能級熒光壽命卻只有輕微從1.7ms減少到1.5ms。從而可以形成有效的粒子數反轉。
　　
　　2． 摻銩光纖放大器的性能與光路結構的關系
　　
　　TDFA跟EDFA一樣有前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦三種泵浦方式，不同的泵浦方式放大器具有不同的性能。由于在輸入端有高的粒子數反轉，因此前向泵浦有比較低的噪聲；由于背景損耗小，因此后向泵浦具有較高的泵浦效率。由于激發態吸收(ESA)的存在，而且ESA會隨著處于3H4能級的粒子數的增多而增強，因此必須保證局部的3H4粒子數密度不能太高，即泵浦光分布不能集中于某段光纖。所以，雙向泵浦是最佳的泵浦方式：一方面保證了泵浦光比較均勻地分布于整個光纖，減小ESA的影響，提高功率效率；另一方面也能得到較低的噪聲。有報道利用雙向泵浦得到了比前向和后向泵浦高5dB的增益，強信號也得到了20%的功率轉換效率，噪聲指數(5.5dB)僅僅比前向泵浦高0.3dB。當泵浦功率一定時，在一定范圍內，增益隨光纖長度的增大而增加，當光纖長度為某一長度時有最大增益，超過這個長度，增益又隨著光纖長度的增大而減小，即TDF的摻雜濃度、泵浦功率和光纖長度之間存在匹配問題。
　　
　　3. 增益位移摻Tm3+光纖放大器(GS-TDFA)
　　
　　由于TDFA的平均增益帶寬只有35nm左右(1450-1485nm)，僅覆蓋了石英單模光纖低損耗窗口S波段的一部分，因此，研制增益位移摻Tm光纖放大器(GS-TDFA)，增加TDFA放大帶寬成為其研究的主要方向之一。TDFA與EDFA相類似，也可以通過低粒子數反轉使平均增益帶寬向長波段(1480-1510nm)移動，即所謂增益位移。對于單波長(1060nm)泵浦，由于3F4 / 3H4的泵浦效率比3H6 / 3F4的泵浦效率高得多，處于3F4的大部分粒子(70%)很快就被激發到3H4，因此不可能形成低粒子數反轉狀態。要實現低粒子數反轉態，就必須提高3H6 / 3F4的泵浦效率。目前，能實現低粒子數反轉態的技術主要有兩種，一種是利用雙波長泵浦，另一種是利用高摻雜濃度技術。
　　
　　二．多模包層泵浦技術在高性能TDFA中的應用
　　由于TDFA的泵浦功率轉換效率不高，要實現高增益、高飽和輸出功率、寬帶寬、增益平坦的DWDM用工程實用型的TDFA,就必須采用獨特的多模包層泵浦技術。多模包層泵浦技術有三條：高功率、高可靠性的泵浦源，雙包層泵浦的特殊摻稀土光纖，特殊的泵浦光與雙包層泵浦光纖的耦合技術�，F分別介紹如下。
　　
　　1． 泵浦源
　　
　　多模包層泵浦方式中采用的寬面多模二極管泵浦源具有單模泵源一些無法比擬的優點，具體表現在：
　　
　　1）高功率
　　
　　一個多模泵浦二極管可輻射出高達5瓦的光功率，多個多模泵浦二極管并行設置，即可允許設計出很高功率輸出的光纖放大器。
　　
　　2）無需熱電冷卻器
　　
　　這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，無須用熱電冷卻器對其進行溫度控制。
　　
　　3）很寬的泵浦波長范圍
　　
　　高功率的光纖放大器內的包層泵浦光纖摻雜銩元素，有一個很寬且又平坦的光譜吸收區，因此，泵浦二極管不需任何類型的波長穩定裝置
　　
　　4）高可靠性
　　
　　多模泵浦二極管比單模泵浦二極管可靠性要高很多。其很寬的有源區結構（1X100μm）使得激光器的截面上的光功率密度很低而且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來，泵浦二極管可靠運行壽命超過100萬小時。該種泵浦源的可靠性測試數據見圖4。
　　　
　　2．多模并行包層泵浦技術
　　
　　多模并行包層泵浦光路結構如圖5所示
　　　
　　IPG公司設計出一個用特殊工藝制成的樹叉型包層光纖以及特殊的多模-單模樹型光纖耦合技術，多模泵浦光就從這個大的光纖叉口導入，對樹叉型光纖內的一條細小的摻雜稀土元素（例如銩）的單模包層光纖泵浦。當泵浦光每次橫穿過單模光纖纖芯時，就被稀土元素的原子所吸收，所吸收的能量用于放大沿纖芯傳播的光信號。若在多模包層泵浦光纖的纖芯材料中摻雜不同的稀土元素，例如摻雜鉺，銩，鐠，鐿等不同的稀土元素即會使得光纖放大器能放大多種不同的波長輸入光信號。
　　　
　　三． 本公司提供的高性能S-Band DWDM TDFA光電模塊的詳細技術參數
　　本公司作為IPG Photonics在華的總代理，提供的高性能S-Band DWDM TDFA光電模塊，采用獨特的多模邊泵浦樹型包層泵浦光纖的技術，并提供冗余的泵浦功率設計，使IPG公司生產的TDFA具有獨一無二的高功率和高可靠性;另外由于其采用非制冷多模泵源，不須要熱電冷卻器對其進行溫度控制，因而其控制電路相對采用普通的泵浦激光器的TDFA，應用時要大為簡單可靠。其具體性能參數見表1和圖7。
　　　
　　其增益、噪聲指數與波長的關系見圖7。
　　
　　四． 結語
　　本文介紹了IPG公司采用多模包層泵浦技術研制生產已實現商品化的目前世界上輸出功率最大，性能最優，可靠性最高的摻銩光纖放大器（TDFA）。隨著光纖通信容量的增長和WDM技術的發展，光纖通信對帶寬的需求越來越大，S-波段的TDFA作為C-波段EDFA的自然擴展受到了越來越多的重視，這極大地促進了S-波段TDFA，特別多模包層泵浦技術

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