华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
掺铋（Bi）光纤由于其超宽带近红外发光性能引起了广泛关注，然而实现U波段高效放大的高锗（Ge）掺铋光纤在国内依然尚未研制成功，这是因为在掺铋光纤中实现高掺锗是一项极具挑战的工艺难点，同时如何实现Bi向Ge相关铋活性中心高效转化也是一个难题。基于改进的化学气相沉积技术，制备了一种纤芯GeO2摩尔分数约为42%的高锗掺铋光纤。其吸收测试结果显示，在1650 nm处出现明显的Ge相关铋活性中心的吸收峰。通过单级放大系统表征了其放大性能，在1670 nm处实现了26.3 dB的最高增益，增益效率达0.165 dB/mW。
光纤光学 高锗掺铋光纤 改进的化学气相沉积 U波段 放大
1 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044
2 北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
掺铋光纤放大器有助于将光纤通信系统拓展至新的传输波段。然而，其增益和噪声性能存在相互制约的关系，提升增益往往会导致噪声性能的恶化，反之亦然。因此，提出一种结合反向传播神经网络（BPNN）和带精英保留策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化方法，通过对两级掺铋光纤放大器结构进行设计，实现了增益和噪声性能的同时优化。使用经过训练的BPNN对增益和噪声系数预测的均方根误差分别为0.191和0.084，具有较高预测精度。以高增益和低噪声系数为目标，使用NSGA-Ⅱ算法进行优化，得到包含500个解的Pareto最优解集。优化后，放大器所能实现的平均增益范围为15~37 dB，相应的平均噪声系数范围为4.95~5.31 dB。利用BPNN代替求解耦合微分方程来评价个体适应度，使得优化时间较传统方法由106 s左右降低为80 s左右，大幅提升了优化效率。所提方法也为其他掺杂光纤放大器的高效率、多目标结构优化设计提供了一种新的思路。
光纤通信 掺铋光纤放大器 反向传播神经网络 多目标优化 带精英保留策略的快速非支配排序遗传算法
华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
目前基于掺铒光纤放大器（EDFA）的光纤通信骨干网络仅能有效利用C+L波段（1524~1625 nm）。在E+S波段，锗硅酸盐掺铋光纤可进一步扩展放大器的增益带宽，具有重要研究价值，但其过长的使用长度严重制约了其应用。报道了一种高吸收锗硅酸盐掺铋光纤，其使用长度得到大大缩短，同时具有高增益。基于前向泵浦结构测试了掺铋光纤的增益性能，泵浦功率和波长分别为367 mW和1310 nm，输入信号总功率为-20 dBm。结果表明，50 m长的光纤在1414~1479 nm实现了大于20 dB的增益，65 m长的光纤的增益在1450 nm处达到最大（33 dB），单位长度增益系数达0.51 dB/m。研究结果证明了锗硅酸盐掺铋光纤在WDM光纤通信网络中的实际应用潜力。
光纤光学 锗硅酸盐掺铋光纤 高吸收 E+S波段 放大
华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
由于数据流量需求的逐年增加，现有光纤放大器的传输带宽已很难应对光纤通信系统的容量危机，实现扩展波段的光放大被认为是一种解决容量危机的有效方案。不同基质的掺铋光纤的发光范围可以覆盖大部分的传输窗口，因此具有重要的研究意义和广阔的应用前景。报道了一种基于改进的化学气相沉积技术制备的磷硅酸盐掺铋光纤，并测试了其基本参数及放大性能。该掺铋光纤在1550 nm处的背景损耗为21 dB/km，在1240 nm处的吸收系数达0.58 dB/m，非饱和损耗占比为13.6%。通过搭建单级前向泵浦结构测试了该掺铋光纤的放大性能，当输入信号功率为-15 dBm时，采用泵浦功率为460 mW的1240 nm半导体激光器进行泵浦，将光纤长度优化至140 m，实现了O+E波段（1270~1480 nm）的净增益，并在1340 nm处得到了最大增益（21.2 dB），其3 dB带宽约为55 nm（1310~1365 nm）。
光纤光学 掺铋光纤 宽带放大 O波段 E波段
Author Affiliations
Abstract
1 Fujian Key Laboratory of Ultrafast Laser Technology and Applications, School of Electronic Science and Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China
2 Innovation Laboratory for Sciences and Technologies of Energy Materials of Fujian Province (IKKEM), Xiamen 361005, China
3 Prokhorov General Physics Institute, Dianov Fiber Optics Research Center, Russian Academy of Sciences, Moscow 119333, Russia
4 Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances, Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod 603951, Russia
We have successfully generated a 1.3/1.4 µm random fiber laser (RFL) using bismuth (Bi)-doped phosphosilicate fiber. The Bi-doped RFL has shown excellent long-term operational stability with a standard deviation of approximately 0.34% over 1 h at a maximum output power of 549.30 mW, with a slope efficiency of approximately 29.21%. The Bi-doped phosphosilicate fiber offers an emission spectrum ranging from 1.28 to 1.57 µm, indicating that it can be tuned within this band. Here, we demonstrated a wavelength-tuning fiber laser with a wavelength of 1.3/1.4 µm, achieved through the using of a fiber Bragg grating or a tunable filter. Compared to traditional laser sources, the RFL reduces the speckle contrast of images by 11.16%. Due to its high stability, compact size, and high efficiency, this RFL is highly promising for use in biomedical imaging, communication, and sensor applications.
random fiber laser bismuth-doped fiber wavelength tuning fiber laser Chinese Optics Letters
2023, 21(7): 071401
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2 Key Laboratory of High Power Laser Materials, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
3 Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou 310024, China
A home-made low loss Bi/P co-doped silica fiber was fabricated using the modified chemical vapor deposition (MCVD) technique combined with the solution doping method, where the background loss at 1550 nm was as low as 17 dB/km. We demonstrated for the first time, to the best of our knowledge, an all-fiber amplifier using the home-made Bi/P co-doped fiber achieving broadband amplification in the E-band. The amplifying performance was evaluated and optimized with different pumping patterns and fiber length. A maximum net gain at 1355 nm close to 20 dB and a minimum noise figure of 4.6 dB were obtained for the first time, to the best of our knowledge, using two 1240 nm laser diodes under bidirectional pumping with the input pump and signal powers of 870 mW and , respectively.
bismuth-doped fiber fiber amplifier E-band amplification Chinese Optics Letters
2022, 20(10): 100602
1 北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
2 中国电信股份有限公司广州研究院，广州 510630
3 澳大利亚新南威尔士大学 电气工程与通信学院 光子学与光通信实验室, 悉尼 2052
分别用980 nm和830 nm的半导体激光器作为泵浦源激发铋/铒共掺光纤，采用前向和背向泵浦方式分析放大的自发辐射谱特性.实验结果表明：随着泵浦功率的增大，荧光强度显著增强.利用980 nm半导体激光器，采用前向泵浦方式可激发以1 142 nm和1 536 nm为中心的两个辐射带，以1 142 nm为最高辐射峰的3 dB带宽是141 nm，以1 536 nm为最高辐射峰的3 dB带宽是29 nm.利用830 nm半导体激光器，采用前向泵浦方式可激发以1 421 nm为中心的荧光谱，3 dB带宽是447 nm.980 nm和830 nm激光器分别前向泵浦铋/铒共掺光纤时，随着光纤长度的增加，荧光先增强后减弱；分别背向泵浦铋/铒共掺光纤时，随着光纤长度的增加，荧光强度先逐渐增强后保持稳定.在25~80℃的温度范围内，铋/铒共掺光纤的荧光强度几乎不受温度的影响.使用980 nm和830 nm泵浦源同时激发铋/铒共掺光纤，结果表明铋/铒共掺光纤的发光中心具有相对独立性，发光范围存在部分重叠.
光纤光学 光谱学 掺铋光纤 自发辐射谱 Fiber optics Spectroscopy Bismuth-doped fiber Spontaneous emission spectrum
1 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
2 澳大利亚新南威尔士大学电气工程与通信学院光子学与光通信实验室, 悉尼 2052
基于自主研制的掺铋光纤，对其进行光谱特性的实验和理论研究。通过实验测得的吸收光谱发现了4 个明显的吸收带，其中心分别是494、816、946、1410 nm。运用Giles 模型对此光纤进行了放大特性的研究，分析了光纤长度、抽运功率和输入信号光功率等参数对信号的增益和噪声指数的影响。建立了稳态情况下三能级跃迁模型的速率方程和传输方程，并利用Runge-Kutta算法进行了数值研究。结果表明掺铋光纤在波长为830 nm 、功率为200 mW的光波抽运时，1384~1480 nm 波段的增益系数大于1.5 dB/m，噪声系数趋近5 dB。
光纤光学 光谱学 掺铋光纤 Giles模型 吸收谱 增益系数
1 浙江富通光纤技术有限公司, 浙江 富阳 311422
2 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
3 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
4 华南理工大学光通信材料研究所, 广东 广州 510640
采用改进化学汽相沉积(MCVD)与溶液掺杂结合的方法探讨了掺铋石英光纤预制棒的制备工艺,研制了具有红外宽带发光特性的掺铋SiO2-Al2O3-GeO2光纤。研究了不同掺锗浓度与氧气浓度条件下制备的预制棒的光谱特性。掺铋预制棒切片在532 nm和808 nm光激发下，产生中心波长为1146 nm,半峰全宽为204 nm与中心波长为1281 nm,半峰全宽为250 nm的近红外发光。拉制的光纤在808 nm光激发下,产生了中心波长为1265 nm,半峰全宽为280 nm的近红外发光；在976 nm光激发下，观察到光纤产生中心波长为1125 nm，半峰全宽为460 nm的超宽带近红外发光。光纤与预制棒的发光存在明显差异。通过控制预制棒制备工艺可以使铋掺杂光纤的发光满足实用的需要。
光纤光学 铋掺杂光纤 近红外发光 溶液掺杂 改进化学汽相沉积 预制棒制备
