全球工业互联网、云计算以及光通信产业的快速发展对通信光纤数据传输的容量和带宽提出了更高要求。如何拓展密集波分复用系统中掺Er光纤放大器(EDFA)单纤的传输带宽是目前亟需解决的关键问题。L波段(L-band)EDFA与成熟商用C波段(C-band)EDFA的波长相邻，且位于通信光纤的最低损耗窗口，因而成为最有可能实现商用的新型扩展波段光纤放大器。限制L-band EDFA增益带宽的主要因素是Er^3＋离子在L-band存在发射截面低以及激发态吸收(ESA)严重等问题。近年来，研究人员针对该问题展开了L-band扩展掺Er光纤的研究。2020年，加拿大Laval大学采用C-band光源进行同带泵浦，将掺Er石英光纤的20 dB增益带宽波长扩展至1620 nm，有效提升了泵浦效率。2021年，华中科技大学在Er/Yb共掺石英光纤纤芯中引入质量分数为21%的P₂O₅，将20 dB增益带宽波长扩展至1623 nm。这一方法从优化纤芯材料的角度拓展了Er/Yb共掺石英光纤的L-band增益带宽。

最近，中国科学院上海光学精密机械研究所从纤芯材料出发，采用可实现高Er^3＋离子掺杂浓度的磷酸盐玻璃作为光纤基质，通过稀土离子局域环境调控以及光谱整形，在自研掺Er磷酸盐光纤中实现了10 dB以上的L-band扩展单级放大增益。放大器采用掺Er磷酸盐光纤与无源匹配石英光纤异质熔接的全光纤方案(每个熔接点的损耗为0.3 dB)，结构如图1所示。其中，掺Er磷酸盐光纤由管棒法制备的预制棒拉制而成，光纤的纤芯直径为6 μm，包层直径为125 μm，数值孔径为0.17，纤芯中Er₂O₃的质量分数为3.5%，背景损耗为0.5 dB/m@1300 nm，长度为1.3 m；采用976 nm LD双向泵浦，泵浦功率均为400 mW。获得的L-band扩展增益光谱如图2所示。增益光谱中位于1581 nm和1620 nm处的最低增益均为11 dB，增益光谱平坦，体现出了磷酸盐光纤成分在L-band扩展放大上的优势。虽然增益尚待优化，但这是国内首次基于掺Er磷酸盐光纤实现L-band扩展放大10 dB以上的增益。本文为L-band EDFA研发所需的新型增益光纤材料提供了解决方案。后续本研究团队将进一步优化Er^3＋离子浓度和纤芯成分，以提高光纤的增益性能。

图 1. 掺Er光纤放大器结构图(ISO：隔离器；WDM：波分复用器；LD：激光二极管；OSA：光谱分析仪)

Fig. 1. Structural diagrams of EDFA ( ISO: isolator; WDM: wavelength division multiplexer; LD: laser diode; OSA: optical spectrum analyzer)

下载图片 查看所有图片

图 2. 单级EDFA增益随波长的变化

Fig. 2. Gain of one-stage EDFA versus wavelength

下载图片 查看所有图片