一種基于長周期波導光柵與介質薄膜的寬帶波導放大器研究

陳海燕,黃春雄,李繼軍,吳耀德 (長江大學物理科學與技術學院湖北荊州434023)

近些年來,工作在1.55μ m波段的Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃寬帶波導放大器引起人們廣泛關注[1,2]。Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃波導放大器 (EYCDWA)的增益平坦帶寬由Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃基質決定,其具有非均勻加寬特性,導致其本征增益平坦帶寬較小,滿足不了市場的需求。為了增加Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃波導放大器的增益平坦寬帶,常采用的解決方案有:利用增益飽和特性技術[3]、新型寬帶光波導放大器材料技術[4]、多層介質薄膜濾波技術[5～7]以及長周期波導光柵[8,9]等。其中,外部濾波技術如多層介質薄膜濾波與長周期波導光柵能有效地壓縮1532nm附近的增益峰且具有較大靈活性而倍受青睞。前期工作表明[5～9],多層介質薄膜以及長周期波導光柵的透射譜與EYCDWA的反增益譜不匹配,導致單個多層介質薄膜或長周期波導光柵的優勢不夠明顯。為此,筆者研究了一種基于長周期波導光柵與多層介質薄膜聯合濾波器的Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃寬帶波導放大器,并討論了聯合濾波器的透射譜對放大器增益平坦的影響。

1 寬帶波導放大器結構與理論模型

圖1為所提出基于長周期波導光柵與多層介質薄膜聯合濾波器的Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃寬帶波導放大器的結構示意圖。長周期波導光柵直接制作在波導上[10],介質薄膜蒸鍍在放大器的輸出端面上。

長周期波導光柵的諧振波長可表示為:

式中,λ0為長周期波導光柵的諧振波長;Λ為光柵周期;n0與nm分別為導模與m階包層模的有效折射率。

長周期波導光柵的傳輸函數[10]可表示為:

圖1 寬帶波導放大器結構示意圖

式中,TLPWG為長周期波導光柵的傳輸函數;Lg為光柵長度,κ為光柵耦合系數;λ為入射信號光波長。

多層介質薄膜的傳輸函數[6]可表示為:

式中,TM MTF(λ,λ01)表示多層介質薄膜的傳輸函數;a為插入損耗;λ01為多層介質薄膜的中心波長;c為濾波帶寬。

由式(1)～(3)可得長周期波導光柵與多層介質薄膜聯合濾波器的傳輸函數T:

參照EYCDWA的反增益譜,調整多層介質薄膜以及長周期波導光柵的相關參數,如光柵長度、周期、介質薄膜層數與層厚度等,使之相匹配。EYCDW A的本征增益譜可利用重疊積分-龍格-庫塔方法求解相關速率與傳輸方程得到[11]。當Er與Yb的摻雜濃度分別為1.51×1026m-3與1.95×1027m-3,泵浦源 (0.98μ m)功率為180mW 時,理論計算得到放大器的本征增益譜如圖2所示。從圖上可以看出,在1528nm～1570nm范圍內,放大器的增益抖動十分大。除了在1532nm附近有一個強增益峰外,還有一些次增益峰。

圖2 波導放大器的理論計算增益譜

寬帶波導放大器的增益譜可表示為:

式中,Gain(λ)、Gainin(λ)分別為放大器的平坦與本征增益譜。

從式 (5)可以看出,理論計算得到放大器的本征增益譜,選擇適當的長周期波導光柵及多層介質薄膜的透射函數,即可得到實際所需要的平均增益及增益平坦帶寬。

2 結果與討論

在下面的分析中 (除特殊說明外),相關計算參數為玻璃襯底折射率為1.5288,波導折射率為1.5488,包層折射率為1.5368,κ=3.14×10-4μ m-1,波導厚度為 2μ m。當 a=0.9,λ01=1565nm,λc=14nm,p=1,λ0=1532nm,Lg=2.5mm 以及 Λ=28μ m時,長周期波導光柵及多層介質薄膜的傳輸譜如圖3所示。從圖3可以看出,單個多層介質薄膜或長周期波導光柵的透射譜與EYCDWA的反增益譜不匹配,通過調整多層介質薄膜或長周期波導光柵的相關參數也不能改善這一狀況。

圖3 長周期波導光柵及多層介質薄膜的傳輸譜

聯合濾波器傳輸譜對EYCDW A增益平坦的影響可用圖 4來描述。當 λ0=1525nm,Lg=4.5mm,Λ=100μ m,a=0.9,λ01=1550nm,λc=14nm,p=5時,放大器的增益平坦譜與濾波器的傳輸譜如圖4(a),此時聯合濾波器傳輸譜與EYCDW A的反本征增益譜不匹配,導致在30 nm帶寬內放大器增益抖動在±5dB。然而,通過調整相關參數,如當λ0=1530nm,Lg=4.8mm,Λ=100μ m,a=0.9,λ01=1565nm,λc=10nm,p=1時,聯合濾波器傳輸譜與EYCDW A的反本征增益譜 (圖4(b))相匹配,在30nm帶寬內放大器增益抖動在±1dB以下。如果進一步調整相關參數,會得到較大的增益平坦帶寬。

圖4 平坦增益譜與聯合濾波器傳輸譜

3 結 語

提出了一種基于長周期波導光柵與多層介質薄膜聯合濾波器的Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃寬帶波導放大器,通過調整長周期波導光柵與多層介質薄膜的相關參數,可以控制EYCDWA增益平坦度。當λ0=1530nm,Lg=4.8mm,Λ=100μ m,a=0.9,λ01=1565nm,λc=10nm,p=1 時, 聯合濾波器傳輸譜與EYCDWA的反本征增益譜相匹配,在30nm帶寬內放大器增益抖動在±1dB以下。研究結果對長周期波導光柵與多層介質薄膜聯合濾波器的制作具有理論指導作用。

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