Bi摻雜高磷石英基光纖實現E波段放大

郭夢婷, 田晉敏,2, 王 璠, 陽求柏,3, 邵沖云, 王 孟, 張 磊, 崔淑珍, 于春雷,4*, 胡麗麗,4*

(1. 中國科學院上海光學精密機械研究所 強激光材料重點實驗室， 上海 201800; 2. 中國科學技術大學， 安徽 合肥 230026;3. 中國科學院大學， 北京 100049; 4. 國科大杭州高等研究院， 浙江 杭州 310024)

多媒體應用、云計算和因特網的飛速發展對光纖通訊網絡的數據承載能力提出了苛刻的要求，光纖系統擴容迫在眉睫。為有效利用石英基質的低損耗窗口，亟需尋找一種可實現超寬帶發光的石英基增益介質。2001年，日本Fujimoto在Bi/Al共摻硅酸鹽玻璃中實現了半高寬為300 nm的近紅外發光，自此Bi摻雜光纖成為關注熱點[1]。英國南安普頓和俄羅斯經過多年研發，目前已實現O、E和U波段的寬帶放大及激光輸出[2-8]。上海光機所、上海大學、浙江大學、華南理工大學、華中科技大學等開展了大量Bi離子摻雜寬帶發光機理及Bi摻雜玻璃、光纖性能研究[9-15],但尚未有低損耗Bi摻雜高磷石英基光纖制備及其在近紅外波段的寬帶凈增益放大報道。此外，Bi摻雜光纖放大器泵浦波長特殊，泵浦源也是限制國內Bi摻雜光纖放大器發展的重要因素之一。

本文采用改進的化學氣相沉積結合溶液摻雜技術制備Bi摻雜高磷石英基玻璃光纖，為實現E波段放大，共摻雜P2O5含量7.2%(摩爾分數)，光纖在1 550 nm的背景損耗約為18 dB/km，采用截斷法測試的損耗譜如圖1所示。采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀(Thermo iCAP 6300)表征纖芯中P2O5含量。以已知Bi含量的溶膠凝膠結合高溫燒結技術制備的石英玻璃為標樣，在相同測試條件下，采用電子探針顯微分析儀(EPMA, JXA8230)測試標樣玻璃和纖芯中Bi元素分布情況，根據強度比推算纖芯中Bi元素質量分數約為0.02%。實驗制備了6/125 μm的單模光纖，纖芯和包層在632.8 nm處的折射率差約為0.006 5。采用上海光機所馮衍團隊崔淑珍搭建的可調諧拉曼激光器泵浦自制Bi摻雜高磷石英基光纖，在1 355～1 380 nm波段實現凈增益。

圖1 摻鉍高磷石英基光纖吸收譜

為驗證自制低損耗摻鉍高磷石英基光纖的放大性能，搭建了圖2所示的一級放大光路。以可調諧拉曼激光器為泵浦源反向泵浦Bi摻雜高磷石英基光纖，泵浦波長為1 240 nm，2#位置的泵浦光功率約為358 mW。種子源為可調諧半導體激光器(Santec，1 355～1 485 nm)，種子光經隔離器(ISO)和波分復用器(WDM)耦合進光纖，1#位置的種子光功率約為-30 dBm。

圖2 摻鉍高磷石英基光纖放大器光路圖

圖3(a)為1 240 nm、358 mW泵浦條件下，采用75，80，85，90 m四種不同長度摻鉍高磷石英基光纖搭建的放大器在不同信號光波長處的凈增益。光纖長度為85 m時，該放大器在1 355 nm處實現了最高5.14 dB的凈增益。雖然增益和增益平坦性尚待優化，但這是國內首次基于國產摻鉍石英光纖實現近紅外波段的凈增益放大。由圖3(b)可知，當信號光波長更短時，增益有望更高，但受測試裝置限制無法表征更短波長的增益性能，后續將進一步優化光纖性能和測試條件以提高增益及其平坦度。

圖3 (a)采用不同長度摻鉍高磷石英基光纖搭建的放大器在不同波長處的凈增益;(b)采用85 m 摻鉍高磷石英基光纖搭建放大器放大前后信號譜。

本文采用改進的化學氣相沉積技術結合液相摻雜工藝制備了低損耗Bi摻雜高磷石英基光纖，并基于該光纖在E波段實現了凈增益，在1 355 nm波長處的最高增益為5.14 dB，后續將進一步優化該光纖的增益性能。

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