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近红外超宽带光纤放大的研究进程分析.docx

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作者/来源：搬运工 | 发表时间： 2026年09月29日 | 作品编号： 221485398413445 | 17页 | 16.34KB | Word文件

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【摘要】近红外超宽带光纤放大的研究进程分析近年来，网络技术和5G通信的飞速发展对光通信的容量和速度，包括光纤放大的增益带宽提出了迫切要求.得益于制备技术的进步，石英光纤作为光信号传输介质具有覆盖1100∼1800nm范围的可用带宽.目前，光通信系统主要使用掺铒光纤放大器（erbium-dopedfiberamplifier,EDFA）进行信号放大.由于Er3+离子的4f电子跃迁特性，掺铒光纤的增益带宽只能覆盖C波段（1530∼1565nm）和L波段（1565∼1605nm)[1,2,3].拉曼放大器具有较宽的增益带宽，但需要极高的泵浦功率，且其结构比较复杂，导致其实际应用比较困难.因此，近年来研究人员致力于研发新型的宽带增益光纤. Bi掺杂、Bi/Er共掺以及量子点掺杂玻璃和光纤可以产生覆盖1.05∼1.80µm的超宽带荧光（荧光带宽最高可以达到400nm)[4]，有可能成为未来超宽带甚至全波段

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近红外超宽带光纤放大的研究进程分析近年来，网络技术和5G通信的飞速发展对光通信的容量和速度，包括光纤放大的增益带宽提出了迫切要求.得益于制备技术的进步，石英光纤作为光信号传输介质具有覆盖1100∼1800nm范围的可用带宽.目前，光通信系统主要使用掺铒光纤放大器（erbium-dopedfiberamplifier,EDFA）进行信号放大.由于Er3+离子的4f电子跃迁特性，掺铒光纤的增益带宽只能覆盖C波段（1530∼1565nm）和L波段（1565∼1605nm)[1,2,3].拉曼放大器具有较宽的增益带宽，但需要极高的泵浦功率，且其结构比较复杂，导致其实际应用比较困难.因此，近年来研究人员致力于研发新型的宽带增益光纤.Bi掺杂、Bi/Er共掺以及量子点掺杂玻璃和光纤可以产生覆盖1.05∼1.80µm的超宽带荧光（荧光带宽最高可以达到400nm)[4]，有可能成为未来超宽带甚至全波段光纤放大器的增益介质，从而提高石英光纤低损耗通信窗口的利用率，扩展传输容量，满足网络技术发展对带宽的需求.本文将从掺Bi光纤宽带放大、Er/Bi共掺光纤宽带放大、半导体量子点掺杂光纤宽带放大三方面介绍超光纤放大的最新研究进展.1、Bi掺杂光纤宽带放大在稀土离子中，未充满的4f子壳被完全充满的5s和5p部分屏蔽，可防止4f电子与基质环境发生相互作用，也就是稀土离子的自旋轨道相互作用决定其光谱性质.不同于稀土离子，Bi具有完全充满的内部子壳，其外层电子结构为(Xe)4f145d106s26p3，外部6s和6p电子与基质的相互作用较强，因此Bi离子的吸收、发射和增益特性对基质材料的依赖性较强.因为Bi离子的光谱同时受到自旋轨道相互作用和晶体场相互作用的影响，所以Bi离子具有价态多且价态受晶体场等外部因素影响显著的特点.尽管Bi离子的发光机理充满争议[5,6,7,8,9,10,11,12]，但Bi离子作为石英光纤的掺杂剂，自2001年Murata[5]首次报道Bi/Al共掺石英玻璃宽带发光性能以来一直受到广泛关注.除Er离子覆盖的波段外，迄今为止已公开报道的结果所示：掺Bi光纤放大器和激光器可覆盖1150∼1800nm的波长范围[4].如图1所示，对于诸如铋掺杂铝硅酸盐光纤（bismuth-dopedalumino-silicatefiber,BASF）、铋掺杂磷硅酸盐光纤（bismuth-dopedphosphor-silicatefiber,BPSF）、铋掺杂锗硅酸盐光纤（bismuth-dopedgermane-silicatefiber,BGSF）、掺铋高锗（GeO2的摩尔分数大于等于50%）硅酸盐光纤(bismuth-dopedhighgermane-silicatefiber,BHiGSF)等在不同基质中的Bi掺杂光纤，可以分别观察到荧光峰位于1150nm、1300nm、1450nm、1700nm的宽带发光光谱[13].以下分别介绍Bi离子在不同成分基质的玻璃光纤中的宽带放大特性.图1由不同基质组成的光纤覆盖的光谱区域[13]1.11150∼1300nm波段的Bi掺杂铝硅酸盐光纤放大器2001年，Murata等[5]经研究发现Bi/Al共掺石英玻璃在1100∼1500nm范围具有宽带红外发光性质.2005年，Dianov等[14]利用改进的化学气相沉积（modifiedchemicalvapordeposition,MCVD）方法制备了第1根Bi掺杂铝硅酸盐光纤，并成功实现了1150∼1300nm的激光输出.此后，Bi掺杂光纤成为人们关注的热点.2006年，Seo等[15]利用改进的管棒法制备了8cm长的掺Bi铝硅酸盐光纤，当泵浦功率为152mW、泵浦波长为810nm时，测得该光纤在1308nm处的增益与泵浦功率的关系如图2(a）所示，从图中可以看出最大增益为5.8dB.同年，Seo等[16]以相同的工艺制备了5cm长的掺Bi光纤，当泵浦波长为810nm时，测得该光纤在1297nm和1310nm处的增益与泵浦功率的关系如图2(b）图所示.从图中可以看出，在1310nm处可以获得的最大增益为9.6dB.图2(a）在1308nm处的增益与泵浦功率的关系[15];(b）在1297nm和1310nm处的增益与泵浦功率的关系[16]2011年，Chapman等[17]首先采用表面等离子体化学气相沉积方法制备了掺Bi铝硅酸盐光纤.然后分别在室温（300K）和低温（77K）条件下以波长为1060nm的泵浦光来泵浦长度为30m的Bi掺杂光纤，测得光纤在1160nm和1180nm处的增益与泵浦功率的关系如图3所示.从图中可以看出，在77K低温冷却条件下可以分别获得21.2dB和15.7dB的饱和增益，而在室温环境下可以分别获得6.3dB和5.5dB的最大增益，从而证明了该掺Bi光纤的增益对温度的依赖性较大.图3在300K和77K条件下，光纤在1160nm和1180nm处的增益与泵浦功率的关系[17]2015年，Thipparapu等[18]采用MCVD方法制备了Bi掺杂铝硅酸盐光纤.当泵浦波长分别为1047nm与1120nm时，该掺Bi光纤的损耗与泵浦功率的关系如图4(a）所示，从图中可以看出其非饱和损耗分别占相应波长损耗的65%和35%.当泵浦功率为350mW、泵浦波长分别为1047nm与1120nm时，测得光纤在1180nm处的增益与长度的关系如图4(b）所示.从图中可以看出：1）采用100m的掺Bi光纤可以获得约8dB的最大增益；2）相比于1047nm波长的泵浦光，采用11120nm波长的泵浦光可以将增益提高70%.分别采用1120nm的单向泵浦和1120nm+1047nm的双向共同泵浦方式，得到该掺Bi光纤在1180nm处的增益与泵浦功率的关系如图4(c）所示，可以看出双向共同泵浦方式可以进一步将增益提高3.5dB.图4(a）当泵浦波长分别为1120nm和1047nm时，损耗随泵浦功率的变化图；（b）当泵浦波长分别为1120nm和1047nm时，光纤在1180nm处的增益与光纤长度的关系；（c）采用不同的泵浦方式在1180nm处的增益与泵浦功率的关系[18]1.21270∼1460nm波段的Bi掺杂磷硅酸盐和磷锗硅酸盐光纤放大器2008年，Bufetov等[19]采用MCVD方法制备了Bi掺杂磷锗硅光纤（bismuth-dopedphospho-germanium-silicatefiber,BPGSF），以波长为1230nm和808nm的泵浦光分别泵浦长度为30m（光谱1和3）和13m（光谱2和4）的BPGS光纤，测得光纤的发射谱和开关增益随信号波长的变化如图5所示，获得的开关增益分别为13dB和5dB.图5发射谱和开关增益随信号光波长的变化[19]2011年，Norizan等[20]拉制了Bi掺杂磷锗硅光纤.当输入信号功率为–30dBm且泵浦波长和功率分别为810nm和270mW时，测得单通和双通BDFA在不同信号光波长下的信号增益如图6所示，在1340nm处可以获得的最大单通和双通信号增益分别为1.0dB和2.0dB.图6单通和双通BDFA在不同信号光波长下的信号增益[20]2010年，Dianov等[21]报道了在1300∼1500nm宽带范围的Bi掺杂磷锗硅光纤.当泵浦波长分别为1230nm和1318nm、泵浦功率在200∼300mW范围时，在1320nm和1440nm波长处获得的净增益大于20dB，放大器的3dB带宽大于30nm，噪声指数为4∼6dB，如图7所示.2016年，Thipparapu等[22]用MCVD方法制备了Bi掺杂的磷硅酸盐光纤.当采用泵浦波长为1267nm、功率为360mW以及泵浦波长为1240nm、功率为400mW的双向泵浦方式时，得到该光纤的增益与信号光波长之间的关系如图8(a）所示.从图中可以看出，当注入信号光功率为–10dBm时，在1320∼1360nm范围可获得大于22dB的平坦增益以及小于6dB的噪声指数.图8(b）给出了在1300nm和1340nm处的增益和噪声指数与输入信号光功率的关系，当信号光功率为–30dBm时，可以获得的最大增益分别为29dB和15dB，最小噪声指数分别为3dB和5dB，该光纤放大器的增益效率为0.06dB/mW.图7(a）当泵浦波长为1230nm时，光纤的净增益和噪声指数与信号光波长的关系；（b）当泵浦波长为1318nm时，光纤的净增益和噪声指数与信号光波长的关系；(c)1320nm处的净增益与泵浦功率的关系；(d)1440nm处的净增益与泵浦功率的关系[21]图8(a）采用波长为1267nm和1240nm的双向泵浦方式时增益与信号光波长的关系（插图为1320∼1360nm范围内放大器的平坦增益特性）；（b）在1300nm和1340nm处的增益和噪声指数与输入信号光功率关系[22]2020年，Khegai等[23]采用MCVD方法制备了Bi掺杂的磷硅酸盐光纤.在不同泵浦波长情况下，增益与信号光波长之间的关系如图9(a）所示，显然可以通过调整泵浦波长实现增益峰值位置的宽调谐.分别使用1200nm和1270nm的单波长泵浦方式，得到增益峰值波长和增益带宽随泵浦波长的变化如图9(b）所示，从图中看出可以获得约为55nm的宽增益.采用波长分别为1180nm和1270nm的双向泵浦方式，固定1180nm的泵浦功率而增加1270nm泵浦功率，得到增益峰值波长和带宽随1270nm泵浦功率和损耗的变化情况如图9(c）所示，可见光纤的增益峰值波长向长波方向偏移并出现增益谱展宽.在不同泵浦功率条件下，净增益和噪声指数与信号光波长之间的关系如图9(d）所示.从图中可以看出，当光纤在1270nm的损耗为3.5dB时，增益值大于20dB，噪声指数为7dB.图9(a）在不同的泵浦波长下，增益与信号光波长的关系；（b）增益峰值波长和增益带宽与不同泵浦波长的关系；（c）增益峰值波长和增益带宽随1270nm处的泵浦功率和损耗的变化；（d）在不同的泵浦功率下，净增益和噪声指数与信号光波关系[23]2020年，Wang等[24]用MCVD方法制备了Bi掺杂的磷硅酸盐光纤.在1345∼1460nm范围的增益和噪声指数谱如图10(a）所示，由图可知该光纤放大器获得的增益均大于20dB.在1420nm处的增益和噪声指数与信号光功率的关系如图10(b）所示，从图中可以看出增益随着输入光功率的增加而逐渐降低，噪声指数则基本不变.当信号光功率为–30dBm时，在1420nm处的最大增益为31dB，噪声指数为4.8dB.在–40◦C∼+60◦C的温度范围内，增益和噪声指数与信号光波长的关系如图10(c）所示.由图可知，随着温度的降低，增益逐渐增加而噪声指数逐渐减小.当温度为–40◦C时，在1370nm处的增益和噪声指数分别为33dB和4dB.在1420nm处的增益和噪声指数与温度的关系如图10(d）所示，可以看出在–40◦C∼60◦C范围内，与温度相关的增益为–0.015dB/◦C.图10(a）在1345～1460nm范围内的增益和噪声指数谱；（b）在1420nm处的增益和噪声指数与信号光功率之间的关系；（c）在–40◦C～+60◦C的温度范围内，增益和噪声指数与信号光波长的关系；（d）在1420nm处的增益和噪声指数与温度的关系[24]1.31310∼1550nm波段的Bi掺杂石英和锗硅酸盐光纤放大器2011年，Bufetov等[25]采用管棒法制备了Bi掺杂石英光纤.当泵浦波长为1230nm、泵浦功率分别为340mW和35mW时，增益与信号光波长的关系如图11所示.由图可知，当泵浦功率为340mW时，在1440nm处获得的最大增益为8dB,3dB增益带宽为40nm.图11泵浦功率分别为340mW和35mW时，增益与信号光波长的关系[25]与其他基质成分光纤的增益性能相比，石英光纤的增益相对较低.为提高其增益性能，Melkumov等[26]于2011年在石英基质中引入GeO2制备了铋锗硅酸盐光纤.当采用1310nm激光二极管泵浦、输入信号光功率为–20dBm时，不同泵浦功率的增益与信号光波长之间的关系如图12(a）所示.由图可知，当泵浦功率为180mW时，在1427nm处获得的最大增益为34dB，这是目前报道中所有Bi掺杂光纤类型的最大增益值.当泵浦功率为59mW时，净增益和噪声指数与信号光波长之间的关系如图12(b）所示.由图可知，放大器的3dB带宽约为40nm，在1427nm处的增益为24dB，噪声指数为6dB.图12(a）不同泵浦功率的增益与信号光波长的关系；（b）净增益和噪声指数与信号光波长的关系[26]2019年，Mikhailov等[27]报道了增益大于6dB且带宽超过80nm的Bi掺杂石英光纤放大器.当泵浦波长为1195nm、泵浦功率为800mW时，在输入信号光的功率不同的情况下，增益和噪声指数与信号光波长的关系如图13所示.由图可知，当输入信号光功率为–10.4dB时，增益最大，噪声指数最小，该放大器在1296nm处的增益为19dB，噪声指数为5dB.2020年，Dvoyrin等[28]采用MCVD方法制备了Bi掺杂锗硅酸盐光纤.当泵浦波长为1350nm时，不同泵浦功率的增益与信号光波长之间的关系图14(a）所示.由图可知该光纤放大范围覆盖1425∼1500nm；当泵浦功率为1955mW时，在1425∼1500nm范围内可获得大于11.6dB的增益，在1425∼1475nm范围内可获得大于20dB的增益，在1445nm处的最大增益为27.9dB.不同泵浦功率的噪声指数与信号光波长的关系如图14(b）所示，从图中可以看出，当泵浦功率为1425mW时，噪声指数最低，在1470∼1500nm范围的噪声指数为5dB.图13当输入信号光的功率不同时，增益和噪声指数与信号光波长的关系[27]图14(a）不同泵浦功率的增益与信号光波长的关系；（b）不同泵浦功率的噪声指数与信号光波长的关系[28]1.41640∼1770nm波段的Bi掺杂高锗硅酸盐光纤放大器2016年，Firstov等[29,30]首次报道了光谱范围为1640∼1770nm的BHiGSF放大器.当采用1550nm商用激光二极管泵浦时，增益和噪声指数随波长的变化情况如图15(a）所示.由图可知，BDFA在1710nm处的最大增益为23dB,3dB带宽为40nm，最小噪声指数约为7dB.当泵浦波长为1550nm时，在1700nm处的增益随泵浦功率的变化情况如图15(b）所示，可以看出增益效率为0.1dB/mW.图15(a）增益和噪声指数随信号光波长的变化；（b）当泵浦波长为1550nm时，在1700nm处的增益随泵浦功率的变化图[29-30]2016年，Dianov等[31]报道了可实现1625∼1775nm范围增益的BHiGSF放大器.当泵浦功率为300mW、泵浦波长为1568nm时，增益和噪声指数与信号光波长的关系如图16所示，从图中可以看出该光纤在1710nm处获得的最大增益为23dB，最低噪声指数为7dB.图16增益和噪声指数与信号光波长的关系[31]综上所述，Bi掺杂光纤可以在1150∼1770nm的波长范围内用作光纤放大器的增益介质.增益大小和波长范围与掺Bi光纤基质玻璃组成和Bi相关活性中心的发射波长密切相关.表1总结了Bi掺杂光纤放大器的主要类型及其增益特性.BAS光纤放大器在1180nm处的增益大于20dB，可应用于激光导星以及可见激光（倍频得到590nm激光）.同时，可以调整Bi掺杂光纤中的基质玻璃组成（添加P和Ge），获得1280∼1500nm的增益宽带.当Ge的掺杂含量较高时，可以将宽带延展到1700nm.然而，Bi离子激发态吸收和非饱和损耗会导致掺铋光纤的激光和增益性能下降，因此所用Bi掺杂含量普遍较低[32].尽管BDFA已经导入通信测试平台进行应用测试，但Bi掺杂光纤的近红外发光机理仍然充满争议，这些都是Bi掺杂光纤激光器以及宽大放大器进入实用阶段前亟待解决的问题[33].此外，泵浦源功率仍然不够高，大部分放大器组件需要定制，导致掺铋宽带光纤放大器制作成本过高.表1不同基质成分的Bi掺杂光纤放大器的增益性能2、Bi/Er共掺宽带放大得益于现代无水光纤制备技术的发展，石英光纤在1100∼1800nm波长范围内都具有优良的透光能力[34].然而，目前建立在掺铒光纤(EDF)技术基础上的波分复用(wavelengthdivisionmultiplexing,WDM)光纤通信骨干网络只能在约80nm带宽的C+L波段(1520∼1620nm)范围内实现光放大，且光谱资源的利用率不到20%，因此迫切需要开发新的超宽带光纤技术.如图17所示，迄今为止没有有效的稀土掺杂放大器和激光器可以高效地覆盖1260∼1625nm的波段.本节将讨论在1260∼1625nm波段关于Bi/Er共掺超低损耗光纤放大器和激光器的研究进展.图17各种掺杂元素的光谱范围以及石英基光纤的低损耗光谱[34]为了高效利用1000∼1700nm的光通信窗口，Kuwada等[35]报道了荧光范围在1160∼1570nm的超宽带Bi/Er共掺的石英玻璃.2012年，MinhHau等[36]报道了荧光带为1190∼1920nm的Bi/Er/Tm超宽带镧铝硅酸盐玻璃.同年，Luo等[37]成功制备了第1根Bi/Er共掺的石英光纤（bismuth/erbiumco-dopedfiber,BEDF），其宽带覆盖范围为1100∼1570nm.2015年，Sathi等[38]成功制备了第1根Bi/Er/Yb共掺的硅酸盐光纤.2013年，Zhang等[39]报道Bi/Er共掺光纤的开关增益.具有不同Bi含量的Bi/Er共掺杂光纤样品的开关增益与信号光波长的关系如图18所示.对于BEDF光纤来说，如果Bi的掺杂量越高，光纤在1300∼1600nm范围的增益以及在930∼1310nm范围的激发态吸收强度越高；反之，其增益和激发态吸收强度越低.图18具有不同Bi含量的Bi/Er共掺杂光纤样品的开关增益与信号光波长的关系[39]2016年，Yan等[40]对比了830nm和980nm泵浦下BEDF的光纤性能.分别采用波长为830nm和980nm的单向泵浦方式时，开关增益与信号光波长的关系如图19(a）所示.由图可知，在830nm泵浦条件下，可以在1410nm处实现正增益，且在1350∼1470nm范围内的开关增益大于3dB/m，而在980nm泵浦条件下不能实现正增益.当采用830nm+980nm的双向共同泵浦方式时，开关增益与信号光波长的关系如图19(b）所示.由图可知，虽然980nm泵浦会大大抑制1410nm处BAC-Si的增益，但是提高了1540nm处的增益和1080nm处的激发态吸收强度.图19(a）分别采用波长为830nm和980nm的单向泵浦方式时的开关增益与信号光波长的关系;（b）采用830nm+980nm的双向共同泵浦方式时的开关增益与信号光波长的关系[40]2017年，Firstov等[41]采用MCVD方法制备了Bi/Er共掺的锗硅酸盐光纤.当泵浦波长为1460nm时，Bi/Er共掺杂的净增益和噪声指数以及Bi掺杂光纤的净增益与信号光波长的关系如图20所示，由图可知该光纤实现了1530∼1770nm范围内增益不小于15dB的宽带光放大，在1700nm处的最大增益约为26dB.图20Bi/Er共掺杂的净增益(圆形)和噪声指数(菱形)以及Bi掺杂光纤的净增益谱(红色实线）与信号光波长关系.插图为估算(实线)以及实际测试(虚线)所得的ESA光谱[41]2018年，Zhao等[42]用MCVD方法制备了Er单掺（erbium-dopedfiber,EDF）、Bi单掺（bismuth-dopedfiber,BDF）以及Bi/Er共掺（BEDF）的光纤.在泵浦波长为830nm、泵浦功率为40mW的条件下，BEDF、BDF、EDF的开关增益与信号光波长的关系如图21所示.由图可知，与EDF和BDF相比，BEDF光纤中的铋与基质铝相互作用产生的铋红外活性中心（bismuthactivecenterwithAl,BAC-Al）可以显著增强Er3+离子在1536nm处的开关增益（增加5.2dB/m）和荧光寿命（11.5ms).图21BEDF、BDF和EDF的开关增益与信号光波长的关系[42]2019年，Zhao等[43]首次观察到热淬火对BEDF的影响.当泵浦波长为830nm、泵浦功率为35mW时，在500◦C淬火前后的开关增益与信号光波长的关系如图22所示.由图可知，BEDF光纤在500◦C下热淬火2min后，铋离子与硅基质相互作用的活性发光中心BAC-Si增加，导致在1140nm处的荧光显著增强.BAC-Si的增加使得1400nm处的增益从1dB/m增加到2.5dB/m.图22在500◦C淬火前后的开关增益与信号光波长的关系[43]综上所述，Bi/Er共掺光纤是最有潜力实现覆盖O-,E-,S-,C-以及L-波段宽带放大的材料.对高含量的Er3+而言，Bi/Er共掺可以减轻铒离子团簇的程度，提高其发光效率.然而，BEDF光纤中Er3+离子和Bi相关活性中心的激发态吸收（excitedstateabsorption,ESA）和上转换过程（upconversion,UC）导致BEDF的荧光和增益不够高[39,44].由于荧光峰位置及带宽取决于泵浦波长以及缺陷位点，单波长泵浦时不足以有效实现全波段、超宽带放大.在不同泵浦条件下，Bi/Er共掺光纤的增益特性汇总如表2所示.表2Bi/Er共掺光纤的增益特性3、半导体量子点红外宽带放大随着纳米技术的飞速发展，量子点（quantumdots,QD）凭借高量子产率、易于制备、禁带宽度小、波尔半径大以及近红外宽带发光中心波长可调谐等优点，在激光、可饱和吸收体、生物标签和发光二极管等领域具有潜在的应用前景.近年来，半导体量子点作为增益材料的研究也逐渐开展起来.2000年，Klimov等[45]率先报道了纳米晶量子点的光学增益和受激发射，证明了窄带激发的发射光谱可通过量子点大小进行调谐并且具有清晰的阈值行为.这些结果清楚地证明了量子点激光器及放大器的可行性.2009年，Bufetov等[46]采用MCVD技术制备了Pb掺杂的锗硅酸盐光纤（Pb-dopedgermano-silicatefiber,PbGSF）.对于40m长的PbGSF，当泵浦波长为1058nm时，PbGSF的开关增益与信号光波长的关系如图23所示.由图可知，当泵浦功率为800mW时，在1120∼1200nm范围内的宽带增益最大，且在1140nm处的最大开关增益为10dB.图23PbGSF的开关增益与信号光波长的关系.插图为在1140nm和1180nm处的增益与泵浦功率的关系[46]2010年，Pang等[47]结合胶体与溶胶凝胶技术制备了PbS量子点光纤放大器（PbSquantumdotfiberamplifier,SQDFA）.采用980nm波长的激光二极管作为泵浦源，在单独输入信号光、单独输入泵浦光以及同时输入信号光和泵浦光情况下的信号输出频谱如图24(a）所示.由图可知，SQDFA可实现在1200∼1400nm范围的放大效果.在不同的泵浦功率条件下，SQDFA的增益与信号光波长的关系如图24(b）所示.由图可知，在1200∼1400nm的波长范围内，总增益随泵浦功率的增加而逐渐增加，当泵浦功率为140mW时，在1310nm处可获得10dB的增益.图24(a）在单独输入信号光、单独输入泵浦光以及同时输入信号光和泵浦光情况下的信号输出频谱；（b）在不同泵浦功率下SQDFA的增益与信号光波长的关系[47]2014年，Sun等[48]通过比较油酸量子点（oleicacid-quantumdots,OLA-QD）包裹与油胺量子点（oleamine-quantumdots,OLAm-QD）包裹的硫化铅（PbS）量子点，发现油酸包裹量子点的热稳定性及增益性能更好.在室温下，当泵浦波长为980nm、泵浦功率为100mW时，基于OLAm-QD和OLA-QD的光纤放大器在1550nm处的增益与泵浦功率的关系如图25(a）所示，由图可知其增益均随泵浦功率的增加而增加.在1550nm处OLAm-QD和OLA-QD的最大增益分别为5.06dB和7.56dB.基于QD的光纤放大器的增益与温度之间的关系如图25(b）所示，可以看出OLA-QD光纤放大器实现了在1550nm处大于5dB的稳定增益，且增益不随加热和冷却而变化；相反，OLAm-QD光纤放大器的增益则在加热后降低，冷却后增加.图25(a）基于OLAm-QD和OLA-QD的光纤放大器在1550nm处的增益与泵浦功率的关系；（b）基于QD的光纤放大器的增益与温度的关系[48]2018年，Wu等[49]基于原子层沉积（atomiclayerdeposition,ALD）技术将PbS沉积在锥形光纤的表面.当泵浦波长为980nm时，保持信号光功率1mW不变而让泵浦功率从25mW增加到200mW，采用后向泵浦法得到PbS薄膜光纤的荧光谱如图26(a）所示，可获得1150∼1700nm的荧光.输出信号与泵浦功率的关系如图26(b）所示.由图可知，当泵功率达到200mW时，在1560nm处的最大增益约为5.6dB.图26(a）在不同泵浦功率下PbS薄膜光纤的荧光谱；（b）输出信号与泵浦功率的关系[49]2019年，Zheng等[50]采用原子层沉积技术制备了PbS量子点掺杂的石英光纤（PbSdotdopedfiber,PQDF）.具有不同泵浦功率的PQDF的净增益与信号光波长的关系如图27(a）所示.由图可知，该光纤具有超宽带发光性质和平坦增益，当泵浦功率为160mW时，在1086nm可获得的最大增益为9.5dB,3dB增益带宽为300nm.在1086nm、1179nm和1304nm这3个活跃中心的净增益与泵浦功率的关系如图27(b）所示，且这些净增益都随着泵浦功率的增加而增加.当泵浦功率为160mW时，在1086nm、1179nm和1304nm处获得的增益分别为9.5dB、7.0dB和6.0dB.开关增益和净增益与信号光波长的关系如图27(c）所示.当泵浦功率为120mW时，在1050∼1350nm范围可以获得开关增益和净增益分别为7.1∼15.0dB和6.0∼9.2dB.综上所述，与稀土元素相比，量子点具有出色的光学特性.某些类型的量子点，如PbS和PbSe，都具有很强的发射光谱，其光谱带宽可达150nm，显然比稀土元素的光谱宽得多.QD尺寸的细微变化会导致能级和能隙的较大变化，从而使光谱中的发射和吸收位置可调.然而，量子点掺杂光纤放大器的最大增益值不尽如人意，这主要归因于MCVD工艺过程中较难实现对QD含量的精确控制，同时热稳定性依然很差，导致其应用困难.目前，量子点掺杂光纤需要进一步优化制备工艺，以减少缺陷态的产生，降低光纤的损耗.表3对比了量子点掺杂光纤与掺铒光纤的增益性质，可见量子点掺杂光纤放大器在增益带宽方面体现出明显优势，但其增益远小于掺铒光纤的增益.4、结语随着高速率、大容量通信系统的不断发展，近红外超宽带光纤放大器的应用研究显得日益迫切而重要.尽管Bi掺杂、Bi/Er共掺以及半导体量子点这3类光纤离实用化还有一段距离，但其最新研究结果显示它们非常符合未来大容量高速度光通信的发展需求，是近红外超宽带放大的优选材料.超宽带放大材料未来研究方向的重点是如何提高超宽带光纤单位长度的增益，在提高活性离子含量的同时降低光纤损耗和激发态吸收，以及优化泵浦功率、泵浦波长和放大器结构设计等.相信随着研究的深入以及研发端和应用需求端的强耦合，超宽带光纤放大器在增益性能方面将获得极大的提升，并最终广泛应用于光纤通信系统、光接入网及国防等领域.图27(a）具有不同泵浦功率的PQDF的净增益与信号光波长的关系；（b)3个活跃中心的净增益与泵浦功率的关系；（c）开关增益谱和净增益与信号光波长的关系[50]表3QD和EDF的增益特性对比焦艳,邵冲云,胡丽丽.近红外超宽带光纤放大的研究进展[J].应用科学学报,2020,38(04):520-541.基金:国家自然科学基金(No.61775224,No.61875216);上海市自然科学基金(No.18ZR1444400)资助.