Bi离子掺杂硅酸盐玻璃的近红外超宽带发光性质及机理的研究

论文摘要

实现超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储是信息时代要实现的三大目标。信息载体以光电子或者光子代替电子是今后信息技术发展的趋势。上世纪80年代,掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifiers, EDFA）的发明广泛应用于长距离光通信,使光波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）技术成为现实,大大推动了通信技术的发展。然而由于稀土离子内层电子跃迁的制约,其增益带宽难以超过100 nm,这限制了光纤通信的传输容量。随着光通讯技术的迅猛发展,其所能提供的增益频谱范围已经不能满足实际需要。2001年,Fujimoto在铋掺杂玻璃中观测到覆盖整个低损耗通讯窗口的超宽带近红外发光,这一发现使人们对铋掺杂玻璃引起广泛的兴趣。铋掺杂玻璃具有带宽宽,荧光寿命长等优点,一旦铋掺杂玻璃应用于光放大器用基质材料,能够只用一根光纤实现整个低损耗光通讯窗口的光信号放大。然而,目前对于铋离子宽带发光的机理尚不清楚,同时铋离子掺杂玻璃本身有一些问题需要克服,因此,需要从玻璃基质对铋离子宽带发光的影响出发,探讨铋离子宽带发光的机理,从而选取更加优异的基质材料,解决铋离子宽带发光面临的问题,进而实现性能更加优异的宽带发光。。本文选取铋掺杂硅铝酸盐玻璃为研究对象,考察了玻璃基质的结构变化对铋离子宽带发光特性的影响。一方面,在硅酸盐玻璃体系中,我们研究发现玻璃网络结构体Al2O3浓度发生改变时,铋离子的红外超宽带发光强度、荧光带宽以及荧光寿命等都随之发生变化。另一方面,在本课题组前期工作的基础上,通过改变玻璃中网络修饰体,发现碱土金属离子半径的变化对红外发光强度的影响规律。我们从玻璃微结构变化对铋离子宽带发光机制进行了分析,得出玻璃中存在着不同价态的铋离子构成的发光中心,在不同波长激光照射下得到不同波长的近红外宽带发光。上述研究结果对Bi离子的超宽带光放大材料器件的研究提供了理论支持。本文在绪论中介绍了光纤通信的发展,光纤放大器的种类和工作的基本原理,以及目前应用的几种稀土光纤放大器和拉曼光纤放大器；其次介绍了铋离子掺杂玻璃的研究现状,指出其存在的科学问题；最后介绍了铋掺杂玻璃红外光放大材料的研究现状,并阐述了本文研究铋掺杂玻璃红外发光性质的目的和意义。在第二章实验部分中,主要介绍了实验研究的目的和研究方法,实验研究方法包括：实验所用的药品纯度、样品制备方法、光学性能表征等。第三章研究了Al203浓度变化对SiO2-Al2O3-CaO光学性质的影响及网络修饰体离子半径的变化对SiO2-Al2O3-RO玻璃体系发光性质的影响。研究发现,在808 nm半导体激光器激发下,在上述铋掺杂铝硅酸盐玻璃体系中都发现了荧光中心位于1.3μm,半高宽超过200 nm,荧光寿命超过500μs的超宽带近红外发光,几乎覆盖了整个低损耗光通讯窗口。随着玻璃基质中网络修饰体离子半径的增加,在808 nm激光激发下,近红外发光强度增强,这与本课题组提出的光学碱度理论相悖。由此,我们认为光学碱度理论不能完全解释铋离子掺杂硅酸盐玻璃的近红外发光现象。玻璃组分产生微结构的变化可能是影响铋离子近红外发光性质的一个重要因素。由第三章提出的推论,第四章我们从玻璃基质的微观结构对Bi离子红外发光的影响的角度出发,探讨了对铋离子超宽带发光变化产生影响的因素。实验制备了不同Si02含量铝离子浓度变化的硅酸盐玻璃体系,通过改变玻璃网络形成体组分来改变硅酸盐玻璃的微观结构,并对其光谱性质进而进行测试、比较和分析,得出铋离子宽带发光随玻璃基质微结构变化而变化的规律。第五章总结了本实验的研究结果、存在的问题以及今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 光通信简介
• 1.1.2 光通信的发展历史
• 1.2 光纤通信系统
• 1.2.1 光纤通信系统的构成
• 1.2.2 光光纤通信窗口及其损耗
• 1.3 光纤放大器
• 1.3.1 什么是光纤放大器
• 1.3.2 光纤放大器的结构和原理
• 1.3.3 光纤放大器的分类及介绍
• 1.4 铋掺杂玻璃中Bi离子发光性质
• 1.4.1 铋离子掺杂光放大材料的发现
• 1.4.2 铋离子在不同价态的光谱特性
• 1.5 本文的研究目的和研究方法
• 1.5.1 研究的目的
• 1.5.2 研究方法
• 1.6 本文的主要研究工作
• 1.7 本文的创新点
• 第二章 实验的研究方法
• 2.1 实验所使用的药品
• 2.1.1 实验所使用的药品及纯度
• 2.2 玻璃基质的选择与组分设计
• 2.2.1 玻璃组分的选择依据
• 2.2.2 本研究中所采用的玻璃组分设计
• 2.3 样品的制备
• 2.4 光谱测试
• 2.4.1 吸收光谱测试
• 2.4.2 荧光光谱测试
• 2.4.3 近红外发射光谱测试
• 2.4.4 荧光寿命
• 2.5 光学碱度理论
• 第三章 铋离子掺杂硅铝酸盐玻璃发光性质的变化
• 2O₃浓度变化对硅酸盐玻璃体系光学性质的影响'>3.1 Al₂O₃浓度变化对硅酸盐玻璃体系光学性质的影响
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 实验
• 3.1.3 结果与分析
• 3.1.4 小结
• 3.2 不同碱土金属对铋掺杂硅铝酸盐玻璃发光性质的影响
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 实验
• 3.2.3 结果与分析
• 3.2.4 小结
• 3.3 总结
• 第四章 玻璃基质组分变化对铋离子掺杂硅酸盐玻璃红外发光性质的影响及分析
• 4.1 玻璃结构介绍与相关理论
• 2O₃浓度变化对不同SiO₂含量铋杂硅酸盐玻璃的近红外发光性质的影响'>4.2 Al₂O₃浓度变化对不同SiO₂含量铋杂硅酸盐玻璃的近红外发光性质的影响
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 实验
• 4.2.3 结果与分析
• 4.2.4 小结
• 4.3 铋掺杂硅酸盐体系网络形成体变化对红外发光性质的影响
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 实验
• 4.3.3 结果与分析
• 4.3.4 小结
• 4.4 总结
• 第五章 总结
• 5.1 本文总结
• 5.2 存在不足与今后研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表论文目录
• 附录B 攻读硕士期间发表专利