エルビウム添加ファイバ増幅器のゲイン特性

要約：エルビウム添加ファイバ増幅器は、Lフリー980nm InGaAs / InGaAsP / InGaP高出力量子井戸レーザーによって励起されました。 20mWのポンプ電力では、ゲインは33dB、最大ゲイン係数は6.7dB / mW、飽和出力電力は6dBmです。 ゲインは、ファイバの長さとポンプ出力の関数としてであり、出力電力の関数としてもあります。

1はじめに

光通信技術の深い発展により、直接光増幅技術としてのエルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）の開発が今日の研究の主流になりました。 EDFAは、エルビウム添加ファイバと通信ファイバの互換性、低結合損失、良好な安定性、高ゲイン、高帯域幅、高効率、低ノイズ、偏光依存性なし、および単純な構造を備えています。 その小さなサイズのため、使いやすく、高い実用的価値。 したがって、コヒーレント光通信、光アーク副通信、量子光通信など、全光ファイバ通信を実現するための重要なコンポーネントです。 これは、世界中の科学者、特に近年注目を集めている半導体レーザーで励起されたエルビウム添加ファイバ増幅器の注目を集めています。 実験により、980 nmの発光波長を持つ半導体レーザーが、エルビウム添加ファイバ増幅器の最適なポンプ源であることが示されています。 980nmには励起状態の吸収がないだけでなく、高いポンピング効率、高速応答、および量子変換効率が100％に近いため、高ゲイン係数、低ノイズ、高飽和出力の利点があります。

図 1 EDFA構造の概略図。

実験用ポンプ光源は、グループが開発した980 nmのアルミニウムを含まないInGaAs / InGaAsP / InGaP高出力量子井戸レーザーです。信号源は、波長が1.48〜1.58μmの外部共振器型レーザーダイオードです。信号光とポンプ光は、コンバイナを介してエルビウム添加ファイバに入ります。エルビウムドープファイバのコア径は2μm、セリウムドーピング濃度は200 ppm、開口数は0.3です。図1は、EDFAデバイスの構造を示しています。偏光の影響を受けない2つの光アイソレータを使用して、レーザー発振を防ぎ、自然放出（ASE）フィードバックを増幅します。狭帯域光フィルタは、エルビウム添加ファイバに吸収されないASEおよびポンプ光を除去し、増幅器のゲイン帯域幅を拡大します。図2にゲインスペクトルを示します。図から、1.533 nmと1.553 nmの周囲に2つのピークがあることがわかります。そのため、これら2つの波長を信号波長として比較します。図3は、2つの信号波長のファイバ長とゲイン係数の関係を示しています。所定のポンプ出力に対して、増幅器の最大ゲインは最適なファイバ長に対応します。 980 nmのポンプ波長、12 mWのポンプ出力、および-38 dBmの信号出力では、1.533 nmおよび1.553 nmの信号波長の最適なファイバ長は両方とも12 mであり、対応する最大ゲイン係数はそれぞれ6.7および5.7 dB / mWです。ファイバの長さが最適値を超えると、ゲイン係数は急速に低下します。その理由は、アンプの最適な長さを超える部分はポンピングされず、増幅された信号を吸収するためです。図4は、ゲインの関数としてのポンプ出力を示しています。ポンプパワーが20mW、信号パワーが38dBm、ファイバ長が12m、信号波長が1.533μm、ゲインが33dB、しきい値パワーが1.3mWの場合。信号の波長は1.553μm、ゲインは23 dB、スレッショルドパワーは1 mWです。図5は、出力電力とゲインの関係を示しています。飽和出力電力は、ゲインが3dBに低下すると6dBmです。

新しいレーザー利得材料- 急速加熱および冷却

カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）の研究者が、超短パルス（理論的には7.7 fsという低出力）の高出力パルスを利用可能な新しいレーザー材料、Ndドープアルミナ結晶を開発したことが報告されています。優れた耐熱衝撃性を備えた、より小型で強力なレーザーの製造に。

これを達成するために、エンジニアは高濃度のセリウムイオンをアルミナ結晶に溶解するための新しい材料処理戦略を考案しました。最後に、レーザー材料研究の分野で最初のイットリウムアルミナレーザー利得媒質が製造されました。

 

Ｎｄ（ドーパント）およびアルミナ（ホスト材料）は、今日の最先端の固体レーザ材料のうち最も広く使用されている２つの成分である。しかしながら、Ｎｄとアルミナを組み合わせてレーザー媒体を調製することは大きな課題を提示する：それらのサイズは相容れない。アルミナ結晶は通常チタンやクロムのような小さなイオンを含んでいますが、Ndイオンはかさばっています。

セリウムアルミナ混合物を調製するための鍵は、２つの固体を急速に加熱および冷却することである。伝統的に、研究者たちはドープアルミナを他の材料と一緒に溶融させ、それから混合物をゆっくり冷却して結晶化させることによってドープアルミナを作ってきました。ポスドク研究員のエリアス・ペニラ氏は、「ストロンチウムイオンを結晶化中にアルミナから除去する傾向があるため、ストロンチウムイオンをドーパントとして使用するには遅すぎる」と語った。したがって、彼の解決策は加熱および冷却工程をスピードアップすることである。痰イオンの漏出を防ぐため。

新しい方法は、アルミナとセリウム粉末の加圧混合物を１２６０℃に達するまで３００℃／分の速度で急速に加熱することを含む。この温度は、高濃度のセリウムをアルミナ結晶格子に溶解させるのに十分な温度である。固溶体をこの温度で５分間保持し、次いで３００℃／分の速度で急冷した。研究者たちは、X線回折と電子顕微鏡を使って、イットリウムアルミナ結晶の原子構造を評価しました。そのレーザー能力を実証するために、研究者達はまた、806 nmの赤外光で結晶を光学的に励起しました。この材料は、１０６４ｎｍの波長を有する増幅光を放出する。

試験を通して、研究者らはまた、ビスマスアルミナの耐熱衝撃性が主要な固体レーザー利得材料Nd：YAGのそれよりも24倍高いことを示した。機械工学教授のJavier Garay氏は、次のように指摘しています。「これは、材料が破損する前にこの材料をより多くのエネルギーでポンピングできることを意味します。

チームは現在、この新しい材料を使った新しいレーザーの開発に取り組んでいます。