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题名	超宽带光纤放大器用新型铋掺杂激光玻璃的研究
作者	彭明营
学位类别	博士
答辩日期	2006
授予单位	中国科学院上海光学精密机械研究所
导师	邱建荣
关键词	铋 激光玻璃 光纤放大器 发光材料
中文摘要	信息化进程的加快要求不断提高光通讯网络的数据传输容量，而要提高传输容量，一个比较有效的方法就是增加传输系统的信道数。光纤放大器的增益带宽直接决定着信道的数目，增益带宽愈大，信道数目就愈多。过去为了获得宽带的光纤放大器，人们主要将目光放在稀土离子，譬如Er3+, Tm3+或Pr3+激活的发光材料上。但由于这些发光材料位于近红外波段（1.0~1.6μm）的发光主要基于稀土离子的4f内壳层电子间的禁戒跃迁，所以这些稀土离子激活的光纤放大器的工作带宽很难突破100nm。虽然拉曼光纤放大器能够有效地克服稀土离子掺杂的光纤放大器所固有的缺点，实现宽带放大，但是这种类型的放大器要实现宽带光放大需要有多个不同波长的泵浦源，需要泵浦源具有很高的泵浦功率，需要较为复杂的设计结构，因此很少单独使用此类光放大器来实现通讯信号的放大。在现有的通信系统中，要实现石英光纤整个通讯窗口的光信号同时放大，必须将数个放大器，譬如稀土离子掺杂的光纤放大器和拉曼光纤放大器，联合使用才能达到。如果用一个超宽带光纤放大器能够实现位于1.2~1.6μm波段的光信号的同时放大，这无疑将会给未来的数据传输系统带来一场新的革命。而要研制这种新型的超宽带光放大器件，首当其冲的是开发位于1.2~1.6μm波段的发光材料。 在本论文工作中，首次发现了一组铋离子激活的新型发光材料并对其发光机理进行了初步研究。这类铋离子激活的发光材料室温下在808nm激光器的泵浦下能够产生位于1.2～1.6mm区间的具有超宽带和长寿命的荧光，其发光性质不同于文献中报道过的二价Bi2+或三价Bi3+掺杂的发光材料的。获得的主要成果如下： 1、 首次发现在808nm半导体激光器泵浦下铋铝共掺的锗酸盐(GAB)，磷酸盐(PAB)与硼酸盐(BAB)玻璃，室温下皆能够产生荧光寿命>200ms、峰值位于1300nm附近(第二通讯窗口)、覆盖1200~1600nm的超宽荧光（荧光半高宽FWHM>300nm）；不同的是GAB玻璃的吸收光谱中有四个主要的吸收带，分别位于500, 700, 800和1000nm附近，而PAB与BAB玻璃的吸收光谱则主要有两个明显的吸收带，分别位于460，700nm附近； 2、 在随后的深入实验中，我们首次发现808nm激光激发下铋硼共掺，铋镓共掺，铋钽共掺的锗酸盐与硅酸盐玻璃也能够产生类似于铋铝共掺锗酸盐玻璃的吸收与近红外宽带发射。 3、 首次发现基质组成，合成样品所用的原料以及玻璃的熔融温度对此类铋离子激活的光学玻璃的发光性质有很大的影响，譬如在铋铝共掺的锗酸盐玻璃中，随着激活离子铋的浓度由0.01mol.%逐渐增加至2.0mol.%，发射峰的位置从1100nm红移至1310nm，峰位漂移达200nm之大，这表明要合成具有优异光学性质的玻璃，要从玻璃组成，原料，合成条件譬如熔制温度，熔制氛围等诸方面进行优化；首次研究了共掺剂对近红外发光的作用，譬如铝Al3+离子能够很好的将铋离子近红外发光中心分散开来，起到分散剂的作用。 4、 目前铋激活激光玻璃的发光机理尚不清楚，我们对此进行了初步探索；在三价以及五价铋离子化合物的漫反射光谱中，没有观察到类似GAB的吸收带，而在含有两价铋离子的SrB4O7：Bi化合物的漫反射光谱中则同时观察到了类似GAB的吸收与近红外宽带发射；将铋激活光学玻璃的发光性质与气相中BiO分子的仔细比较后，我们认为这种近红外宽带发射有可能源于以BiO形式存在的二价铋离子；如此，在这些铋离子激活的玻璃中观察到的位于~500, 700, 800和1000nm附近的吸收则可分别归属为X1®(H, I), X1®A2, X1®A1 和 X1®X2跃迁，而位于750nm, 1300nm附近的发射应对应于A2®X1与X2®X1。 5、 首次发现808nm激光激发下铋酸盐玻璃也能够产生位于1.2~1.6μm的宽带发光，在其中添加Sb2O3后，这种近红外宽带发射消失；但是用γ射线或飞秒激光辐照这种含Sb2O3的铋酸盐玻璃后，再次观察到了近红外发射以及类似PAB与BAB玻璃的吸收；我们认为这是由于三价的Bi3+离子在高能γ射线或超短脉冲飞秒激光辐照后被还原为两价的BiO。 6、 最近英国学者Batchelor等人发现在铝硅酸盐玻璃中通过添加Bi2O3可以大幅提高Cr4+离子在其中的发光强度，并将位于1200~1600nm区间的荧光归属于Cr4+离子的发光，但在实验中我们发现此宽带近红外发光应该归属于铋而不是Cr4+离子，并且增加Cr离子的浓度对于近红外发光不利; Batchelor等人在单掺Cr2O3的铝硅酸盐玻璃中在514nm激发下观察到了占据弱晶场环境的三价铬离子的发射（700-1200nm），我们在这个样品中分别利用532nm和808nm做泵浦源没有观察到类似的宽带发射。 7、 在铋铝共激活的硅酸盐玻璃，GAB，BAB以及PAB玻璃样品中，仅观察到了近红外宽带发射，而在掺杂Bi2O3的ZnO-Al2O3- SiO2玻璃中同时观察到了来自三价铋离子的发射以及BiO的近红外宽带发射，并且将后者进行热处理后三价铋离子的发射峰消失，只剩下近红外宽带发光；研究结果进一步表明对铋掺杂的玻璃进行晶化处理不利于其在近红外区的宽带发光。 8、 在实验中发现，这类铋离子激活的发光材料的激发态吸收不严重，这为实现光放大提供了便利。实验数据也表明适当添加铋离子能够有效抑制稀土离子诸如铒离子的上转换发光，从而大大提高位于C与L波段的发光效率，这为有效地提高目前正在使用的EDFA的性能开辟了另一途径。 9、 这种铋激活的激光玻璃具有优异的光学性质，以94.5GeO2·5Al2O3·0.5Bi2O3(GAB1)玻璃为例，其在808nm的吸收截面( sab ) 为1.61×10-20cm2，在1280nm附近的发射截面( sem )为1.55×10-20cm2，与EP6型掺铒磷酸盐激光玻璃商品在1540nm附近的受激发射截面相当( em=0.8×10-20cm2)，GAB1的带宽特性sem×FWHM为499×10-20cm2·nm，远优异于铒离子掺杂的硅酸盐玻璃的22×10-20cm2·nm，GAB1的增益特性sem×t为4.23×10-24cm2·s，亦好于Cr掺杂的镁橄榄石的2.85×10-24cm2·s，以及钛宝石的1.4×10-24cm2·s。这表明铋掺杂的激光玻璃作为一类新型发光材料，极有望用作光通讯领域中超宽带光放大器以及超宽带可调谐激光器的增益介质。 这些铋离子激活的光学玻璃的近红外宽带发光不仅覆盖1400nm的通讯窗口（E+S带），而且也覆盖其他O, C 和L带，这使得使用一个光纤放大器来实时在线对整个光通讯窗口的光信号进行同时放大成为可能；这些铋激活的光学玻璃亦有可能成为工作波长为1400nm的光纤放大器的增益介质。当然，这类发光材料在给我们展示其优异性质的同时，也留给我们一些待解之谜，譬如发光机理以及能否实现在1.2~1.6μm区间任意波长的光放大等。相信随着这些谜团的不断揭开，设计与开发基于此类材料的光学器件将成为可能。
语种	中文
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.siom.ac.cn/handle/181231/15485]
专题	上海光学精密机械研究所_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	彭明营. 超宽带光纤放大器用新型铋掺杂激光玻璃的研究[D]. 中国科学院上海光学精密机械研究所. 2006.

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