焦 艳，邵冲云，胡丽丽,3

1. 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，上海201800

2. 中国科学院大学，北京100049

3. 国科大杭州高等研究院，杭州310024

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1 100～1 800 nm 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-doped fiber amplifier, 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（1 530～1 565 nm）和L波段（1 565～1 605 nm）[1-3]. 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1.05～1.80 µm 的超宽带荧光（荧光带宽最高可以达到400 nm）[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[5-12]，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1 150～1 800 nm 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-doped alumino-silicate fiber, BASF）、铋掺杂磷硅酸盐光纤（bismuth-doped phosphor-silicate fiber, BPSF）、铋掺杂锗硅酸盐光纤（bismuth-doped germane-silicate fiber, BGSF）、掺铋高锗（GeO2的摩尔分数大于等于50%）硅酸盐光纤(bismuth-doped high germane-silicate fiber, 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1 150 nm、1 300 nm、1 450 nm、1 700 nm 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]Figure 1 Spectral regions covered by optical fibers with different matrix composition[13]

1.1 1 150～1 300 nm 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1 100～1 500 nm 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（modified chemical vapor deposition, MCVD）方法制备了第1 根Bi 掺杂铝硅酸盐光纤，并成功实现了1 150～1 300 nm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8 cm 长的掺Bi 铝硅酸盐光纤，当泵浦功率为152 mW、泵浦波长为810 nm 时，测得该光纤在1 308 nm 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5.8 dB. 同年，Seo 等[16]以相同的工艺制备了5 cm长的掺Bi 光纤，当泵浦波长为810 nm 时，测得该光纤在1 297 nm 和1 310 nm 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1 310 nm 处可以获得的最大增益为9.6 dB.

图2 （a）在1 308 nm 处的增益与泵浦功率的关系[15]；（b）在1 297 nm 和1 310 nm 处的增益与泵浦功率的关系[16]Figure 2 (a) Dependence of gain at 1 308 nm on pump power [15]; (b) Dependence of gain at 1 297 nm and 1 310 nm on pump power[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（300 K）和低温（77 K）条件下以波长为1 060 nm 的泵浦光来泵浦长度为30 m 的Bi 掺杂光纤，测得光纤在1 160 nm 和1 180 nm 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77 K 低温冷却条件下可以分别获得21.2 dB 和15.7 dB 的饱和增益，而在室温环境下可以分别获得6.3 dB 和5.5 dB 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300 K 和77 K 条件下，光纤在1 160 nm 和1 180 nm 处的增益与泵浦功率的关系[17]Figure 3 Dependence of gain at 1 160 nm and 1 180 nm on pump power at 300 K and 77 K[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1 047 nm 与1 120 nm 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350 mW、泵浦波长分别为1 047 nm 与1 120 nm 时，测得光纤在1 180 nm 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100 m 的掺Bi 光纤可以获得约8 dB 的最大增益；2）相比于1 047 nm 波长的泵浦光，采用1 1120 nm 波长的泵浦光可以将增益提高70%. 分别采用1 120 nm 的单向泵浦和1 120 nm+1 047 nm 的双向共同泵浦方式，得到该掺Bi 光纤在1 180 nm 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3.5 dB.

图4 （a）当泵浦波长分别为1 120 nm 和1 047 nm 时，损耗随泵浦功率的变化图；（b）当泵浦波长分别为1 120 nm 和1 047 nm 时，光纤在1 180 nm 处的增益与光纤长度的关系；（c）采用不同的泵浦方式在1 180 nm 处的增益与泵浦功率的关系[18]Figure 4 (a) Loss variation with pump power for 1 120 nm and 1 047 nm pump wavelengths;(b) Dependence of gain at 1 180 nm with 1 120 nm and 1 047 nm pumping respectively;(c) Dependence of gain at 1 180 nm on different pump methods[18]

1.2 1 270～1 460 nm 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-doped phospho-germanium-silicate fiber, BPGSF），以波长为1 230 nm 和808 nm 的泵浦光分别泵浦长度为30 m（光谱1 和3）和13 m（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13 dB 和5 dB.

图5 发射谱和开关增益随信号光波长的变化[19]Figure 5 Emission spectra and on/off gain with signal wavelength[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–30 dBm 且泵浦波长和功率分别为810 nm 和270 mW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1 340 nm 处可以获得的最大单通和双通信号增益分别为1.0 dB 和2.0 dB.

图6 单通和双通BDFA 在不同信号光波长下的信号增益[20]Figure 6 Signal gain for single-pass and double-pass BDFAs at different signal wavelengths[20]

2010年，Dianov 等[21]报道了在1 300～1 500 nm 宽带范围的Bi 掺杂磷锗硅光纤. 当泵浦波长分别为1 230 nm 和1 318 nm、泵浦功率在200～300 mW 范围时，在1 320 nm 和1 440 nm 波长处获得的净增益大于20 dB，放大器的3 dB 带宽大于30 nm，噪声指数为4～6 dB，如图7 所示.

图7 （a）当泵浦波长为1 230 nm 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1 318 nm 时，光纤的净增益和噪声指数与信号光波长的关系；(c)1 320 nm 处的净增益与泵浦功率的关系；(d) 1 440 nm 处的净增益与泵浦功率的关系[21]Figure 7 (a) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength pumped at 1 230 nm;(b) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength pumped at 1 318 nm;(c) Dependence of net gain at 1 320 nm on pump power; (d) Dependence of net gain at 1 440 nm on pump power[21]

图8 （a）采用波长为1 267 nm 和1 240 nm 的双向泵浦方式时增益与信号光波长的关系（插图为1 320 ∼1 360 nm 范围内放大器的平坦增益特性）；（b）在1 300 nm 和1 340 nm 处的增益和噪声指数与输入信号光功率关系[22]Figure 8 (a) Dependence of gain on signal wavelength with bi-directional pumping by 1 267 nm and 1 240 nm (Inset shows flat gain characteristics of amplifier from 1 320～1 360 nm); (b) Dependence of gain and noise figure on input signal power at wavelengths of 1 300 nm and 1 340 nm[22]

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1 267 nm、功率为360 mW 以及泵浦波长为1 240 nm、功率为400 mW 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–10 dBm 时，在1 320～1 360 nm 范围可获得大于22 dB 的平坦增益以及小于6 dB 的噪声指数. 图8（b）给出了在1 300 nm 和1 340 nm 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–30 dBm 时，可以获得的最大增益分别为29 dB 和15 dB，最小噪声指数分别为3 dB 和5 dB，该光纤放大器的增益效率为0.06 dB/mW.

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1 200 nm 和1 270 nm 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55 nm 的宽增益. 采用波长分别为1 180 nm 和1 270 nm 的双向泵浦方式，固定1 180 nm 的泵浦功率而增加1 270 nm 泵浦功率，得到增益峰值波长和带宽随1 270 nm 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1 270 nm 的损耗为3.5 dB 时，增益值大于20 dB，噪声指数为7 dB.

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1 270 nm 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]Figure 9 (a) Dependence of gain on signal wavelength at different pump wavelength;(b) Dependence of gain peak wavelength and gain bandwidth for various pump wavelengths; (c)Gain peak wavelength and gain bandwidth as a function of pump power and loss at 1 270 nm; (d) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength at different pump power[23]

2020年，Wang 等[24]用MCVD 方法制备了Bi 掺杂的磷硅酸盐光纤. 在1 345∼1 460 nm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20 dB.在1 420 nm 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–30 dBm 时，在1 420 nm 处的最大增益为31 dB，噪声指数为4.8 dB.在–40℃～+60℃ 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℃ 时，在1 370 nm 处的增益和噪声指数分别为33 dB 和4 dB. 在1 420 nm 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℃∼60℃ 范围内，与温度相关的增益为–0.015 dB/℃.

图10 （a）在1 345～1 460 nm 范围内的增益和噪声指数谱；（b）在1 420 nm 处的增益和噪声指数与信号光功率之间的关系；（c）在–40℃～+60℃ 的温度范围内，增益和噪声指数与信号光波长的关系；（d）在1 420 nm 处的增益和噪声指数与温度的关系[24]Figure 10 (a) Gain and noise spectrum from 1345～1 460 nm; (b) Gain and noise figure with signal power at 1 420 nm; (c) Dependence of gain and noise figure on signal wavelength in the temperature range from –40℃ to +60℃; (d) Dependence of gain and noise figure on temperature at 1 420 nm[24]

1.3 1 310～1 550 nm 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1 230 nm、泵浦功率分别为340 mW 和35 mW 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340 mW 时，在1 440 nm 处获得的最大增益为8 dB，3 dB 增益带宽为40 nm.

图11 泵浦功率分别为340 mW 和35 mW 时，增益与信号光波长的关系[25]Figure 11 Dependence of gain on signal wavelength at pump power of 340 mW and 35 mW[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1 310 nm 激光二极管泵浦、输入信号光功率为–20 dBm 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180 mW 时，在1 427 nm 处获得的最大增益为34 dB，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59 mW 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3 dB 带宽约为40 nm，在1 427 nm 处的增益为24 dB，噪声指数为6 dB.

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]Figure 12 (a) Dependence of gain on signal wavelength for various pump powers; (b) Dependence of net gain and noise figure on signal wavelength[26]

2019年，Mikhailov 等[27]报道了增益大于6 dB 且带宽超过80 nm 的Bi 掺杂石英光纤放大器. 当泵浦波长为1 195 nm、泵浦功率为800 mW 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–10.4 dB 时，增益最大，噪声指数最小，该放大器在1 296 nm 处的增益为19 dB，噪声指数为5 dB.

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1 350 nm 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1 425～1 500 nm；当泵浦功率为1 955 mW 时，在1 425～1 500 nm 范围内可获得大于11.6 dB 的增益，在1 425～1 475 nm 范围内可获得大于20 dB 的增益，在1 445 nm处的最大增益为27.9 dB. 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1 425 mW 时，噪声指数最低，在1 470～1 500 nm 范围的噪声指数为5 dB.

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]Figure 13 Dependence of gain and noise figure on signal wavelength for various input signal powers[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]Figure 14 (a)Dependence of gain on signal wavelength for various pump powers;(b)Dependence of noise figure on signal wavelength for various pump powers[28]

1.4 1 640～1 770 nm 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1 640～1 770 nm 的BHiGSF 放大器. 当采用1 550 nm 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1 710 nm 处的最大增益为23 dB，3 dB 带宽为40 nm，最小噪声指数约为7 dB.当泵浦波长为1 550 nm 时，在1 700 nm 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0.1 dB/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1 550 nm 时，在1 700 nm 处的增益随泵浦功率的变化图[29-30]Figure 15 (a) Gain and noise figure as a function of signal wavelength; (b) Gain at 1700 nm versuspump power at 1550 nm[29-30]

2016年，Dianov 等[31]报道了可实现1 625～1 775 nm 范围增益的BHiGSF 放大器. 当泵浦功率为300 mW、泵浦波长为1 568 nm 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1 710 nm 处获得的最大增益为23 dB，最低噪声指数为7 dB.

图16 增益和噪声指数与信号光波长的关系[31]Figure 16 Dependence of gain and noise figure on signal wavelength[31]

综上所述，Bi 掺杂光纤可以在1 150～1 770 nm 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1 180 nm 处的增益大于20 dB，可应用于激光导星以及可见激光（倍频得到590 nm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1 280～1 500 nm 的增益宽带. 当Ge 的掺杂含量较高时，可以将宽带延展到1 700 nm. 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Table 1 Gain performance of Bi-doped fiber amplifiers with different host composition

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1 100～1 800 nm 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(wavelength division multiplexing, WDM)光纤通信骨干网络只能在约80 nm 带宽的C+L 波段(1 520～1 620 nm)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1 260～1 625 nm 的波段. 本节将讨论在1 260～1 625 nm 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]Figure 17 Spectral ranges of various doping elements as well as low-loss spectrum of silica-based optical fibers[34]

为了高效利用1 000～1 700 nm 的光通信窗口，Kuwada 等[35]报道了荧光范围在1 160～1 570 nm 的超宽带Bi/Er 共掺的石英玻璃. 2012年，Minh Hau 等[36]报道了荧光带为1 190～1 920 nm 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/erbium co-doped fiber, BEDF），其宽带覆盖范围为1 100～1 570 nm. 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1 300～1 600 nm 范围的增益以及在930～1 310 nm 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]Figure 18 Dependence of on-off gain of Bi/Er co-doped fiber with different Bi concentrations on signal wavelength[39]

2016年，Yan 等[40]对比了830 nm 和980 nm 泵浦下BEDF 的光纤性能. 分别采用波长为830 nm和980 nm 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830 nm 泵浦条件下，可以在1 410 nm 处实现正增益，且在1 350～1 470 nm 范围内的开关增益大于3 dB/m，而在980 nm 泵浦条件下不能实现正增益. 当采用830 nm+980 nm 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980 nm 泵浦会大大抑制1 410 nm 处BAC-Si 的增益，但是提高了1 540 nm 处的增益和1 080 nm 处的激发态吸收强度.

图19 （a）分别采用波长为830 nm 和980 nm 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830 nm+980 nm 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]Figure 19 (a) Dependence of on-off gain on signal wavelength under 830 nm or 980 nm single pumping; (b) Dependence of on-off gain on signal wavelength under 830 nm and 980 nm dual pump[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1 460 nm 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1 530～1 770 nm 范围内增益不小于15 dB 的宽带光放大，在1 700 nm 处的最大增益约为26 dB.

图20 Bi/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]Figure 20 Net gain (circle) and noise figure (rhombus) spectra of Bi/Er codoped fiber, as well as net gain spectrum of Bi-doped fiber is indicated by a solid red line. Inset shows ESA spectra of erbium estimated (solid) and measured (dotted)[41]

2018年，Zhao 等[42]用MCVD 方法制备了Er 单掺（erbium-doped fiber, EDF）、Bi 单掺（bismuth-doped fiber, BDF）以及Bi/Er 共掺（BEDF）的光纤. 在泵浦波长为830 nm、泵浦功率为40 mW 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（bismuth active center with Al，BAC-Al）可以显著增强Er3+离子在1 536 nm 处的开关增益（增加5.2 dB/m）和荧光寿命（11.5 ms）.

图21 BEDF、BDF 和EDF 的开关增益与信号光波长的关系[42]Figure 21 Dependence of on-off gain on signal wavelength for BEDF, BDF and EDF[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830 nm、泵浦功率为35 mW 时，在500℃ 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℃ 下热淬火2 min 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1 140 nm 处的荧光显著增强. BAC-Si 的增加使得1 400 nm 处的增益从1 dB/m 增加到2.5 dB/m.

图22 在500℃ 淬火前后的开关增益与信号光波长的关系[43]Figure 22 Dependence of on-off gain on signal wavelength before and after 500℃ quenching[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（excited state absorption,ESA）和上转换过程（up conversion, 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2 Bi/Er共掺光纤的增益特性Table 2 Gain properties of Bi/Er co-doped fibers

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（quantum dots, 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-doped germano-silicate fiber,PbGSF）. 对于40 m 长的PbGSF，当泵浦波长为1 058 nm 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800 mW 时，在1 120～1 200 nm 范围内的宽带增益最大，且在1 140 nm 处的最大开关增益为10 dB.

图23 PbGSF 的开关增益与信号光波长的关系. 插图为在1 140 nm 和1 180 nm 处的增益与泵浦功率的关系[46]Figure 23 Dependence of on-off gain on signal wavelength for PbGS fiber. Inset shows gain withdifferent pump power at the wavelengths 1 140 nm and 1 180 nm[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（PbS quantum dot fiber amplifier, SQDFA）. 采用980 nm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1 200～1 400 nm 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1 200～1 400 nm 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140 mW 时，在1 310 nm 处可获得10 dB 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]Figure 24 (a)Output spectra of input signal only,pump only and signal with pump;(b)Dependence of gain on signal wavelength of SQDFA with different pump power[47]

2014年，Sun 等[48]通过比较油酸量子点（oleic acid-quantum dots, OLA-QD）包裹与油胺量子点（oleamine-quantum dots, 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980 nm、泵浦功率为100 mW时，基于OLAm-QD 和OLA-QD 的光纤放大器在1 550 nm 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1 550 nm 处OLAm-QD 和OLA-QD 的最大增益分别为5.06 dB 和7.56 dB. 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1 550 nm 处大于5 dB 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1 550 nm 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]Figure 25 (a) Dependence of gain at 1 550 nm on pump power for fiber amplifiers based on OLAm-QD and OLA-QD; (b) Temperature-dependent gain of QD-based optical fiber amplifiers[48]

2018年，Wu 等[49]基于原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）技术将PbS 沉积在锥形光纤的表面. 当泵浦波长为980 nm 时，保持信号光功率1 mW 不变而让泵浦功率从25 mW 增加到200 mW，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1 150～1 700 nm 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200 mW 时，在1 560 nm 处的最大增益约为5.6 dB.

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]Figure 26 (a)Photoluminescence spectrum of PbS thin film optical fiber with different pump power;(b) Dependence of output signal on pump power[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（PbS dot doped fiber, 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160 mW 时，在1 086 nm 可获得的最大增益为9.5 dB，3 dB 增益带宽为300 nm. 在1 086 nm、1 179 nm 和1 304 nm 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160 mW 时，在1 086 nm、1 179 nm 和1 304 nm处获得的增益分别为9.5 dB、7.0 dB 和6.0 dB. 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120 mW 时，在1 050～1 350 nm 范围可以获得开关增益和净增益分别为7.1～15.0 dB 和6.0～9.2 dB.

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150 nm，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

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]Figure 27 (a) Dependence of net gain of PQDF on signal wavelength with different pump powers;(b) Net gain versus pump power at three active centers; (c) Dependence of on-off gain and net gain on signal wavelength[50]

表3 QD和EDF的增益特性对比Table 3 Comparison on gain properties of QD and EDF

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.