TDFA基本原理及多模包层泵浦技术在高性能TDFA中的应用

2019-11-03 18:27:31

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供稿：网友

光库通讯（珠海）有限公司郑鸿章葛强

　　摘要：工作于1450至1510nm的S-Band波长窗口TDFA是近年来光纤通信研究的热点。TDFA的实用化开拓了新的光纤通信窗口，对提高系统的通信容量与系统升级有着重大的实际意义。本文介绍了TDFA的基本原理、多模包层泵浦技术的技术原理及其在实现大功率增益平坦的实用TDFA的应用、及本公司的工程实用型S-Band TDFA的技术性能参数。

　　关键词：TDFA，掺铥ZrF4氟化物光纤，能级，DWDM

　　随着通信系统通信容量需求的飞速增长，如何进一步提高通信容量，满足这种日益增加的需求，已成为光纤通信研究的热点。目前，增加光纤通信容量的基本途径有四条：1）提高单信道数据传输速率至40Gb/s及以上；2）缩小密集波分复用的波长间隔至50GHz或更小；3）拓展新的传输窗口如S-Band；4）综合运用以上技术。其中，随着传输速率提高到40Gb/s及以上时，偏振模色散成为限制单信道传输速率的主要因素，偏振模色散是随机的，随外界的环境的变化而随时改变，进行补偿的难度和成本极高。而复用信道数量的增多，必然导致信道间隔的减小，从而使非线性效应增强，信道间隔过小时，四波混频（FWM）效应的影响将会引起信号在信道间的串扰，必须采取相应的抑制措施；另外，小的信道间隔还要求系统元件具有严格的波长稳定性，带来系统成本的上升。因此，开发新的传输窗口，拓宽利用光纤丰富的通信带宽资源，将是提高光通信容量最有效的方法。特别是S-波段(1450-1510nm)，光纤损耗低于0.25dB/km，又有TDFA对光信号进行放大，可与C-Band和L-Band的传输窗口很好的衔接，组成超宽带的光传输系统。本文重点介绍了应用在S-波段的掺铥(Tm)光纤放大器(TDFA)的技术原理，多模包层并行泵浦技术在实现高功率、增益平坦的TDFA中的应用，及本公司提供的高性能TDFA的详细技术参数。

　　一． TDFA的技术原理

　　1． 1.4μm波段掺铥氟化物光纤放大器(TDFA)的基本放大原理

　　掺Tm3+氟化物光纤放大器是的性能很大程度上是由TDF的物理特性决定的。通过对TDF的能级结构的分析，可以对制约TDFA性能的各种因素有一详细的了解。掺Tm氟化物光纤的能级结构如图1所示。

　　由图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级系统，3H4为上能级，3F4为下能级；用1200nm的泵浦光泵浦下在1.65μm波段的放大原理是基于三能级系统，3F4为上能级，3H6为下能级。要获得有效的1.4μm波段放大就必须抑制硅基TDF中3H4上能级到3H5的多声子迟豫的非辐射跃迁，而要获得有效的1.65μm波段的放大需要提高硅基TDF中3F4上能级的荧光寿命（0.5ms），采用基于ZrF4的氟化物玻璃的掺铥光纤（TDF）既可以满足1.4波段放大抑制3H4上能级到3H5的多声子迟豫的非辐射跃迁的要求，又可以将3F4能级的荧光寿命提高到10ms左右。本文将只较详细讨论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有一个很大的问题是3H4上能级的荧光寿命只有1.7ms，而3F4下能级的荧光寿命却有10ms，这是一个自终止系统，即在3H4上能级和3F4下能级之间不能形成有效的粒子数反转。因而如果得到高的增益，3F4下能级的粒子数必须以很快的速度抽空。

　　有三种方法预期可以解决这个问题。第一种方法就是在3F4能级与3H6 之间同时形成第二个波长（1.8μm）的辐射跃迁，称为双激光的方法，这种方法中，3F4下能级的粒子数被在1.8μm波长处的形成的激光给大量消耗掉了，从而引起3F4下能级的粒子数密度大为减少。第二种方法是图2所示的上转换泵浦方式，基态(3H6)Tm3+通过基态吸收被激发到3H5，再从3H5能级衰退到下能级3F4,然后又重新被激发到3F2高能级，再由3F2高能级通过非辐射跃迁到上能级3H4，用这种上转换泵浦方式，1.4μm波段的放大原理相当于一个三能级放大系统，3F4下能级就相当于虚拟的基态能级。这样就实现了3F4下能级粒子数的抽空，即实现了上能级3H4与3F4下能级之间的粒子数的反转。这种上转换，可以利用1060nm左右的单波长光泵浦，通过双光子效应来实现。

　　第三种方法就是利用共掺杂的方法，在TDF中掺进钬离子（Ho3+）作为接收离子，具体原理如图3所示。

　　这样，处于激发态的3F4能级上Tm3+的能量会转移到接收器离子（Ho3+）的5I7能级。从而使3F4能级上的粒子被迅速抽空。Ho3+作为一种最有效的接收器离子是因为它能显著的减少3F4能级的荧光寿命而对3H4能级荧光寿命的减少却很小。有报道显示，当在掺Tm3+ 浓度为0.5wt%的ZrF4氟基TDF中共掺杂1wt%的Ho3+,3F4能级的荧光寿命从11ms减少到1.2ms，而3H4上能级荧光寿命却只有轻微从1.7ms减少到1.5ms。从而可以形成有效的粒子数反转。

　　2．掺铥光纤放大器的性能与光路结构的关系

　　TDFA跟EDFA一样有前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种泵浦方式，不同的泵浦方式放大器具有不同的性能。由于在输入端有高的粒子数反转，因此前向泵浦有比较低的噪声；由于背景损耗小，因此后向泵浦具有较高的泵浦效率。由于激发态吸收(ESA)的存在，而且ESA会随着处于3H4能级的粒子数的增多而增强，因此必须保证局部的3H4粒子数密度不能太高，即泵浦光分布不能集中于某段光纤。所以，双向泵浦是最佳的泵浦方式：一方面保证了泵浦光比较均匀地分布于整个光纤，减小ESA的影响，提高功率效率；另一方面也能得到较低的噪声。有报道利用双向泵浦得到了比前向和后向泵浦高5dB的增益，强信号也得到了20%的功率转换效率，噪声指数(5.5dB)仅仅比前向泵浦高0.3dB。当泵浦功率一定时，在一定范围内，增益随光纤长度的增大而增加，当光纤长度为某一长度时有最大增益，超过这个长度，增益又随着光纤长度的增大而减小，即TDF的掺杂浓度、泵浦功率和光纤长度之间存在匹配问题。

　　3. 增益位移掺Tm3+光纤放大器(GS-TDFA)

　　由于TDFA的平均增益带宽只有35nm左右(1450-1485nm)，仅覆盖了石英单模光纤低损耗窗口S波段的一部分，因此，研制增益位移掺Tm光纤放大器(GS-TDFA)，增加TDFA放大带宽成为其研究的主要方向之一。TDFA与EDFA相类似，也可以通过低粒子数反转使平均增益带宽向长波段(1480-1510nm)移动，即所谓增益位移。对于单波长(1060nm)泵浦，由于3F4 / 3H4的泵浦效率比3H6 / 3F4的泵浦效率高得多，处于3F4的大部分粒子(70%)很快就被激发到3H4，因此不可能形成低粒子数反转状态。要实现低粒子数反转态，就必须提高3H6 / 3F4的泵浦效率。目前，能实现低粒子数反转态的技术主要有两种，一种是利用双波长泵浦，另一种是利用高掺杂浓度技术。

　　二．多模包层泵浦技术在高性能TDFA中的应用

　　由于TDFA的泵浦功率转换效率不高，要实现高增益、高饱和输出功率、宽带宽、增益平坦的DWDM用工程实用型的TDFA,就必须采用独特的多模包层泵浦技术。多模包层泵浦技术有三条：高功率、高可靠性的泵浦源，双包层泵浦的特殊掺稀土光纤，特殊的泵浦光与双包层泵浦光纤的耦合技术。现分别介绍如下。

　　1．泵浦源

　　多模包层泵浦方式中采用的宽面多模二极管泵浦源具有单模泵源一些无法比拟的优点，具体表现在：

　　1）高功率

　　一个多模泵浦二极管可辐射出高达5瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤放大器。

　　2）无需热电冷却器

　　这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，无须用热电冷却器对其进行温度控制。

　　3）很宽的泵浦波长范围

　　高功率的光纤放大器内的包层泵浦光纤掺杂铥元素，有一个很宽且又平坦的光谱吸收区，因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置

　　4）高可靠性

　　多模泵浦二极管比单模泵浦二极管可靠性要高很多。其很宽的有源区结构（1X100µm）使得激光器的截面上的光功率密度很低而且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管可靠运行寿命超过100万小时。该种泵浦源的可靠性测试数据见图4。

　　2．多模并行包层泵浦技术

　　多模并行包层泵浦光路结构如图5所示，

　　ipG公司设计出一个用特殊工艺制成的树叉型包层光纤以及特殊的多模-单模树型光纤耦合技术，多模泵浦光就从这个大的光纤叉口导入，对树叉型光纤内的一条细小的掺杂稀土元素（例如铥）的单模包层光纤泵浦。当泵浦光每次横穿过单模光纤纤芯时，就被稀土元素的原子所吸收，所吸收的能量用于放大沿纤芯传播的光信号。若在多模包层泵浦光纤的纤芯材料中掺杂不同的稀土元素，例如掺杂铒，铥，镨，镱等不同的稀土元素即会使得光纤放大器能放大多种不同的波长输入光信号。

　　三．本公司提供的高性能S-Band DWDM TDFA光电模块的详细技术参数

　　本公司作为IPG Photonics在华的总代理，提供的高性能S-Band DWDM TDFA光电模块，采用独特的多模边泵浦树型包层泵浦光纤的技术，并提供冗余的泵浦功率设计，使IPG公司生产的TDFA具有独一无二的高功率和高可靠性;另外由于其采用非制冷多模泵源，不须要热电冷却器对其进行温度控制，因而其控制电路相对采用普通的泵浦激光器的TDFA，应用时要大为简单可靠。其具体性能参数见表1和图7。

　　其增益、噪声指数与波长的关系见图7。

　　四．结语

　　本文介绍了IPG公司采用多模包层泵浦技术研制生产已实现商品化的目前世界上输出功率最大，性能最优，可靠性最高的掺铥光纤放大器（TDFA）。随着光纤通信容量的增长和WDM技术的发展，光纤通信对带宽的需求越来越大，S-波段的TDFA作为C-波段EDFA的自然扩展受到了越来越多的重视，这极大地促进了S-波段TDFA，特别多模包层泵浦技术的出现，使高功率、高性能、高可靠性的TDFA商品化成为现实。S-波段光纤TDFA及其与C-波段、L-波段光纤放大器共同组成的超宽带混合光纤放大器作为下一代光纤放大器，是进一步扩大光纤通信容量的必由之路，必将获得更大发展。

　　参考文献

　　1. Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices, And applications

　　2. Optical Fiber Communications: PRinciples and Practice

　　3. IPG公司内部文献

　　4. T. Komukai, T. Yamamoto, T. Sugawa, et al, “Upconversion Pumped Thulium-doped fluoride fiber amplifier and laser Operating at 1.47mm”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 31, no.11, pp.1880~1889, 1995

　　5. T. Komukai, T. Yamamoto, T. Sugawa, et al, “1.47mm band Tm3+ doped fluoride fiber amplifier using a 1.064mm upconversion pumping scheme”, Electron. Lett., vol. 29, no. 1, pp. 110~112, 1993

　　6. R. M. Percival and J. R. Williams, “Highly efficient 1.064mm upconversion pumped 1.47mm thulium doped fluoride fiber amplifier”, Electron. Lett., vol. 30, no. 20, pp. 1684~1685, 1994

　　7. F. Roy, D. Bayart, and P. Baniel, “Novel pumping schemes for thulium doped fiber amplifier”, Tech. Dig. OFC’00, paper WA6, 2000

　　
摘自　光库通讯网站

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