陳海燕,黃春雄,李繼軍,吳耀德 (長江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(dǎo)放大器引起人們廣泛關(guān)注[1,2]。Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃波導(dǎo)放大器 (EYCDWA)的增益平坦帶寬由Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃基質(zhì)決定,其具有非均勻加寬特性,導(dǎo)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(dǎo)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(shù)[3]、新型寬帶光波導(dǎo)放大器材料技術(shù)[4]、多層介質(zhì)薄膜濾波技術(shù)[5～7]以及長周期波導(dǎo)光柵[8,9]等。其中,外部濾波技術(shù)如多層介質(zhì)薄膜濾波與長周期波導(dǎo)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(zhì)薄膜以及長周期波導(dǎo)光柵的透射譜與EYCDWA的反增益譜不匹配,導(dǎo)致單個多層介質(zhì)薄膜或長周期波導(dǎo)光柵的優(yōu)勢不夠明顯。為此,筆者研究了一種基于長周期波導(dǎo)光柵與多層介質(zhì)薄膜聯(lián)合濾波器的Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃寬帶波導(dǎo)放大器,并討論了聯(lián)合濾波器的透射譜對放大器增益平坦的影響。

1 寬帶波導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)與理論模型

圖1為所提出基于長周期波導(dǎo)光柵與多層介質(zhì)薄膜聯(lián)合濾波器的Er-Yb摻雜磷酸鹽玻璃寬帶波導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。長周期波導(dǎo)光柵直接制作在波導(dǎo)上[10],介質(zhì)薄膜蒸鍍在放大器的輸出端面上。

長周期波導(dǎo)光柵的諧振波長可表示為:

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

長周期波導(dǎo)光柵的傳輸函數(shù)[10]可表示為:

圖1 寬帶波導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)示意圖

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

多層介質(zhì)薄膜的傳輸函數(shù)[6]可表示為:

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

由式(1)～(3)可得長周期波導(dǎo)光柵與多層介質(zhì)薄膜聯(lián)合濾波器的傳輸函數(shù)T:

參照EYCDWA的反增益譜,調(diào)整多層介質(zhì)薄膜以及長周期波導(dǎo)光柵的相關(guān)參數(shù),如光柵長度、周期、介質(zhì)薄膜層數(shù)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(guān)速率與傳輸方程得到[11]。當(dāng)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(nèi),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(dǎo)放大器的理論計算增益譜

寬帶波導(dǎo)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(dāng)?shù)拈L周期波導(dǎo)光柵及多層介質(zhì)薄膜的透射函數(shù),即可得到實際所需要的平均增益及增益平坦帶寬。

2 結(jié)果與討論

在下面的分析中 (除特殊說明外),相關(guān)計算參數(shù)為玻璃襯底折射率為1.5288,波導(dǎo)折射率為1.5488,包層折射率為1.5368,κ=3.14×10-4μ m-1,波導(dǎo)厚度為 2μ m。當(dāng) 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(dǎo)光柵及多層介質(zhì)薄膜的傳輸譜如圖3所示。從圖3可以看出,單個多層介質(zhì)薄膜或長周期波導(dǎo)光柵的透射譜與EYCDWA的反增益譜不匹配,通過調(diào)整多層介質(zhì)薄膜或長周期波導(dǎo)光柵的相關(guān)參數(shù)也不能改善這一狀況。

圖3 長周期波導(dǎo)光柵及多層介質(zhì)薄膜的傳輸譜

聯(lián)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(dāng) 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(lián)合濾波器傳輸譜與EYCDW A的反本征增益譜不匹配,導(dǎo)致在30 nm帶寬內(nèi)放大器增益抖動在±5dB。然而,通過調(diào)整相關(guān)參數(shù),如當(dāng)λ0=1530nm,Lg=4.8mm,Λ=100μ m,a=0.9,λ01=1565nm,λc=10nm,p=1時,聯(lián)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(nèi)放大器增益抖動在±1dB以下。如果進一步調(diào)整相關(guān)參數(shù),會得到較大的增益平坦帶寬。

圖4 平坦增益譜與聯(lián)合濾波器傳輸譜

3 結(jié) 語

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

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