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什麼是光纖放大器?

  光纖放大器是光纖通信網絡中的一個關鍵部件。雖然無線通信系統(4G、5G、…)獲得了極大的發展，但對於國家金融、保密、國防等，有線光纖通信系統仍然是極為重要和安全的一種主要手段。

  科技部2020年發布的國家重點研發計劃「寬帶通信和新型網絡」重點專項，針對光纖傳輸網幹線帶寬急劇增長的重大需求，聚焦單模光纖傳輸容量增長乏力的難題，將光傳輸系統的工作波長範圍拓展至全波段，開展全波段低噪聲光纖放大器研究。

  基於多材料體系的寬帶有源光纖，研究影響光放大器帶寬、噪聲、效率、串擾等問題的物理機制，確定獲得全波段、低噪聲光放大器的技術途徑，研製系列寬波段低噪聲光放大器，搭建全波段光纖傳輸系統。

目前的光纖放大器

  目前，主力光纖放大器是工作在常規C波帶(1530~1565 nm)的摻鉺光纖放大器(Erbium doped Fiber Amplifiers, EDFAs)。在短波帶S波帶(1460~1530 nm)，有摻銩光纖放大器(TDFAs)/增益移位的TDFAs。在長波帶L波帶(1565~1625 nm)，有少量的摻銩氟基光纖放大器等(但面市很少，L波帶的光纖放大器基本沒有解決)[1]。

  經過多年的研究和發展，這些傳統的、摻天然離子的光纖放大器的帶寬、增益和噪聲等關鍵指標已經到達極限，其根本原因是受限於離子能級、能級展寬以及螢光壽命等是固有的、不可改變的內秉屬性。

  面對通信主幹網帶寬等需求日益增長的重大挑戰，傳統光纖放大器的技術是否已走到了盡頭?下一代光纖放大器的出路何在?

量子點光纖放大器

  什麼是量子點?

  近年來人工納米晶體(量子點)發展迅速。量子點製備方式主要有兩種：一是物理法(例如分子束外延自組織生長);二是化學納米法。本文不涉及物理方法，只涉及納米化學法製備的量子點(膠體量子點)。量子點是準零維納米材料，人們通過控制生長條件來控制量子點粒徑，使之產生不同波長的吸收峰、輻射峰、斯託克斯頻移以及不同的全寬半高(FWHM)，這些特性是天然元素不具備的[2]。

  在紅外通訊波帶，有PbS、PbSe、CdSe、CdS和CdTe等，它們的吸收-輻射譜覆蓋了465~2340 nm的寬廣的波帶，其中鉛類的PbSe、PbS最具潛力。PbSe量子點直徑在4.5~9 nm之間，大致相當於3000~30000個原子的尺度。它的能級為非簡併，能級結構簡單(因而直接複合輻射螢光很強)，輻射-吸收波長位於紅外波段(1100~2340 nm)，斯託克斯頻移可達幾十納米(遠大於鉺離子)。

  對於直徑為~5.5 nm的PbSe量子點，其輻射峰和吸收峰分別位於1530 nm與1450 nm，輻射波長正好落在C波帶中心附近。隨著量子點粒徑的增加，波長會紅移，可擴展到L波帶，甚至L++U波帶;如果粒徑減小，則波長會向短波長的S波帶移動。

  量子點光纖

  目前，量子點光纖(Quantum dot doped fibers, QDFs)的實現主要有兩種技術路線：一是用化學氣相沉積等技術將PbS或PbSe量子點沉積在玻璃管內壁，經高溫熔融後形成量子點摻雜的玻璃棒，再經拉絲，製得玻璃基質的QDF。其光致螢光(Photoluminescence, PL)覆蓋了1100~1300 nm波長區，PL譜的半高全寬FWHM~130 nm。

  二是用紫外光刻技術，將PbS量子點分散於紫外固化(UV)膠中，製作單波導結構的QDF。在410 nm抽運下，測得PL中心峰波長1080 nm，PL譜的FWHM~200 nm。

  以上兩種技術尚停留在實驗室QDF製備觀測階段，還沒有實現技術指標有競爭力的光纖放大。

  量子點光纖放大器

  實驗室已經實現的量子點光纖放大器(Quantum dot doped fiber amplifiers, QDFAs)主要有以下幾種技術方案：

  一是基於熔錐型光纖耦合式結構的量子點光纖放大器。該技術利用大分子聚合物修飾PbS量子點的表面基團，將修飾後的PbS量子點塗敷在雙單模光纖熔錐耦合結構的外表面上，用瞬逝波激勵量子點來產生PL，從而實現對信號光的放大(圖1)。在中心峰波長為1550 nm、1440~1640 nm帶寬範圍內，對-63 dBm的入射信號光功率獲得了17 dB的穩定增益輸出。

圖1 瞬逝波激勵的雙單模光纖熔錐耦合結構量子點光纖放大器

  二是液態或液態固化纖芯的量子點光纖放大器。該技術方案早期以甲苯、正己烷等有機溶劑為本底，近年來以UV膠為纖芯本底，將PbSe或PbS膠體量子點混合後抽壓進空芯光纖，形成量子點光纖。

  由973 nm單模雷射器、隔離器、波分復用器、量子點摻雜光纖等構成全光路結構量子點光纖放大器(圖2)，在150 nm(1470~1620 nm，S+C+L)的寬波帶區間實現了信號光放大，其中1550 nm中心波帶區的帶寬達75 nm，開關增益為16~19 dB，噪聲係數低至~3 dB。

  上述摻PbS量子點的量子點光纖放大器的帶寬、C波帶增益平坦度、噪聲係數等指標優於常規的EDFAs，L波帶增益平坦度略低於經優化的多光纖結構的EDFAs，但光纖的穩定性還需經受考驗。

圖2 PbS-QDFA示意圖，其中SLED為寬帶光源、ISO為隔離器、WDM為波分復用器、LD為抽運雷射二極體、FOFC為光纖快連器、QDF為PbS量子點光纖。

工作原理：信號從寬帶光源出發，經A點和ISO，經B點進入WDM。另一路抽運光從LD出發進入WDM，信號光和抽運光經WDM之後，通過FOFC進入增益光纖QDF，信號光在抽運光的激勵下得到放大，至E點輸出。

  三是玻璃纖芯基底的量子點光纖放大器，有高溫玻璃和低溫玻璃之分。從技術性能指標、穩定性、成熟性以及與當前光纖工業技術兼容等方面來看，玻璃基底的量子點光纖放大器最有前途。另外還有一些零星技術，例如微波導結構的量子點光纖放大器、以飛秒雷射來處理玻璃基底中的量子點使之均勻等等。下面主要介紹用高溫熔融法製備的玻璃纖芯基底摻PbSe的量子點光纖放大器[3]。

  用高溫熔融法，在1400℃環境下製備鈉硼鋁矽酸鹽玻璃，玻璃中含有量子點的前驅體PbO和ZnSe。將玻璃拉絲，玻璃絲退火(~550℃)若干小時，量子點在退火過程中生長-晶化，製備成量子點光纖。

  圖3為PbSe量子點玻璃光纖(下)的形貌，圖中還給出了與普通光纖(上)的形貌比較。PbSe量子點光纖呈棕色，量子點均勻分布在光纖中，摻雜體積比可控在(0.2~2)%。量子點粒徑及粒徑分布跟熱處理條件有關，熱處理溫度越高、時間越長，量子點粒徑越大;反之則反。量子點的數密度、粒子數分布、斯託克斯頻移主要跟基礎玻璃配方以及熱處理條件有關。

圖3 量子點光纖(下)與普通光纖(上)的形貌比較

  量子點光纖放大器的組成跟圖2相同，其中UV膠基底的PbS-QDF替換為玻璃基PbSe-QDF。量子點光纖放大器的工作波長取決於量子點粒徑(或熱處理條件)。表1給出了高溫熔融法製備的鈉硼鋁矽酸鹽玻璃基PbSe量子點PL峰值波長和中心粒徑之間的關係。

表1 高溫熔融法製備的鈉硼鋁矽酸鹽玻璃基PbSe量子點的PL峰值波長隨粒徑的變化

  由表1可見，量子點的PL峰值波長可以覆蓋相當寬廣的領域(O+E+S+C+L)，幾乎覆蓋了全通信波帶。PL輻射強烈，斯託克斯頻移可寬達~100 nm，PL譜FWHM~200 nm。對於中心粒徑為4.76 nm的量子點，其構成的量子點光纖放大器實測的中心波長為1310 nm、帶寬~80 nm、增益~15 dB、噪聲低至~3.3 dB[3]。

  如果採用中心粒徑為5.88 nm的量子點，工作波長區可擴展到L波帶。跟C波帶EDFAs相比，量子點光纖放大器的帶寬更寬、噪聲更低、增益相當、抽運閾值功率相當(<~10 mW)。與倏逝波激勵的錐形光纖放大器相比，這裡量子點光纖放大器的增益大、抽運閾值功率低，容易形成激射並形成光放大。

  QDFA之所以具有寬帶、低噪聲等優勢，除了採用的增益介質量子點本身有強螢光輻射之外，關鍵在於量子點可以人工操控：通過控制量子點的粒徑及粒徑分布可以移動和擴大工作波長區;通過改變基礎玻璃配方和熱處理工藝可加大斯託克斯頻移，從而減小PL光的吸收和增強有效發射、降低噪聲;通過控制熱處理條件可改變粒子數密度以及粒子數分布，從而達到激勵閾值而又不至於很快飽和等等。而這些操作，對於天然的稀土離子的EDFAs是無法做到的。

  結論

  量子點光纖放大器為解決全波帶、低噪聲光纖通信的重大需求提供了一種全新的途徑和實現方案。目前，量子點光纖放大器在實驗室已經實現，國內外還沒有相應的產品出現，尚未進入工業化生產。本文作者也希望通過此文向公眾和工業界作科普介紹，以期引起關注，突破瓶頸，在工業規模水平上形成新一代的光纖放大器技術。

  參考文獻

  [1] 程成,程瀟羽.光纖放大原理及器件優化設計[M].北京:科學出版社,2011.

  [2] 程成,程瀟羽.量子點納米光子學及應用[M].北京:科學出版社,2017.

  [3] Cheng, C, Wang F J, and Cheng X Y. PbSe quantum-dot-doped broadband fiber amplifier based on sodium-aluminum-borosilicate-silicate glass[J]. Optics and Laser Technology, 2020,122(2):105812.

  文/程瀟羽，浙江大學光電科學與工程學院;程成，浙江工業大學光電子智能化技術研究所