[科普中国]-稀土掺杂光纤

光纤激光器可分为基于非线性效应的光纤激光器和基于稀土离子受激辐射的掺杂光纤激光器。按照掺杂元素的不同，光纤激光器可以分为掺镱（Yb）、掺铒（Er）、掺铥（Tm）和掺镨（Pr）等稀土。1

背景简介自从英籍华裔学者高锟在1966年指出利了用光导纤维进行信息传输的可能性,光纤的制作及应用至今仍然是相关领域研究的热点。1970年,美国制作出全球第一条损耗低于20 dB/km的光纤,这成为了光纤能够真正应用于信息传输的里程碑。1987年,英国南安普顿大学在多次研制掺银光纤(EDF: Erbium Doped Fiber)的基础上,首先制造出了工作在1.54 mn的掺铒光纤放大器(EDFA: Erbium Doped Fiber Ainplifier),EDFA的发明使得长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能。3

除了光纤损耗以外,光纤中的非线性以及光纤色散等效应也严重制约了光纤通信向更高速率、更大容量和更长距离方向的发展。现在的商用光纤的损耗已经降到很低的水平,并且各种光放大器也解决了长距离传输中信号中继的问题。对于光纤色散,传统的光纤色散分段补偿技术,在数据传输率超100 Gb/s时,对整个系统的色散补偿难以精确实现。而光正交频分复用(0-0FDM: Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing)具有优良的抗色散能力,近些年成为了光通信研究的热点。从1996年开始,有少量的工作将OFDM应用到光通信领域。但直到2001年,研究人员才认识到OFDM在光通信中抗色散的价值。随后的0-0FDM技术发展迅猛:2008年,澳大利亚墨尔本大学实现了在1000 km长度的普通单模光纤中传输107 Gb/s的高速信号;2009年,墨尔本大学实现了 1 Tb/s相干的光OFDM (CO-OFDM: Coherent Optical OFDM)系统,在单模光纤上传输了 600在2012年的最新报道中,NEC美国实验室结合密接波分复用技术(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing),实现了单模光纤传输距离为 165 km 的 101.7 Tb/sOFDM系统,在实验中采用了偏振复用以及128正交幅度调制。尽管如此,0-0FDM系统也有其亟需解决的问题。对于超100 Gb/s的高速光通信系统,常釆用更密集的光载波和较高阶的高阶光调制来获得更高的系统容量。由于更密集的光载波意味着需要的光功率越大,从而带来更大的非线性损伤,并且超100 Gb/s系统的非线性损伤对系统性能的影响较低速系统更为严重。如为减小非线性损伤而降低每个载波的光功率,那么对于同样的光纤链路超100 Gb/s系统所能达到光信噪比(OSNR:Optical Signal Noise Ratio)会降低,无电中继传输距离会被缩短,从而不能满足超长距离传输的应用要求。在保证输入光功率不变的前提下,为了减小光纤中非线性效应的影响,必须增大光纤的有效模场面积。使用具有大芯径的多模光纤可以达到增大模场面积的效果,但是多模光纤存在模间色散,其衰减也比单模光纤大，不利于实现长距离的光传输。近期基于多模或少模光纤的0-0FDM的文献报道,给出的传输距离从几百米到几公里不等都不足以实现长距离传输。因此必须通过合理的设计,降低整个芯区的有效折射率来获得大的有效模场面积,同时保证光纤在工作波长为单模运转,这在介绍大模场面积掺银光纤时将详细说明。3

特种光纤不仅在光通信领域发挥着巨大的作用,在其他相关领域,稀土掺杂特种光纤也扮演了重要的角色。随着工艺的进步,稀土掺杂光纤在近些年得到了很大的发展。3

工作原理利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大。实现光放大的条件是有源光纤中的稀土离子的粒子数反转。在热平衡状态时, 稀土离子各能级的粒子数服从玻耳兹曼统计分布, 即在热平衡条件下, 高能级的粒子数恒小于低能级的粒子数。当频率ν=ΔE/h (ΔE为2个能级间的能量差, h为普朗克常数) 的光通过该掺稀土光纤时, 受激吸收光子数恒大于受激辐射的光子数, 因此处于热平衡状态下的光纤只能吸收光子。只有当外界向掺稀土光纤供给能量 (称为激励或泵浦过程) 使光纤中的稀土离子处于非热平衡状态时, 才能实现粒子数反转, 因此泵浦过程是光放大的必要条件。2

优点稀土掺杂光纤对于光纤激光器、放大器和传感器等各种应用具有很大的吸引力。它的特点是具有圆柱形波导结构,芯径小,很容易实现高密度泵浦,使激射阈值低,散热性能好,其芯径大小与通信光纤很匹配,祸合容量及效率高,可形成传输光纤与有源光纤的一体化,是实现全光通信的基础。随着集成光学和光纤通信的发展,需要有微型的激光器和放大器。而稀土掺杂光纤放大器能直接放大光信号,有利于大容量、长距离通信,使光纤通信取得更大的发展。4

应用稀土掺杂光纤放大器，基本构件都包括增益光纤、泵浦光、波分复用器/光耦合器等。增益光纤是在石英光纤的纤芯中, 掺入一些三价稀土金属元素, 如Er (铒) 、Pr (镨) 、Tm (铥) 等, 形成的一种特殊光纤, 它是掺杂光纤放大器中核心部分;泵浦光用来向稀土元素提供能量, 使稀土元素实现粒子数反转, 这是产生光放大的必要条件之一;波分复用器 (或光耦合器) 的作用是将信号光与泵浦光进行复合;为了防止器件和焊点的反射, 降低光纤放大器的噪声指数, 增加稳定性, 一般还在其输入和输出端加入光隔离器;为了提高系统的信噪比, 通常在输出端加入光滤波器。实用的光纤放大器中, 还包括带自动调整功能的泵浦源驱动电路、自动温控和自动功率控制等保护功能的辅助电路。有的辅助电路中还具有通过计算机通信协议完成人机对话和对放大器的网络监控功能。2

本词条内容贡献者为:

尚轶伦 - 副教授 - 同济大学数学科学学院