（材料科学与工程专业论文）cr4掺杂透明微晶玻璃的近红外宽带发光和光放大.pdf

浙江大学硕士毕业论文摘要 摘要 计算机网络和数字通讯技术日益迅猛的发展要求使超大容量的信息传输和 超快速的实时信息处理成为信息社会光纤通讯领域两个方面重要内容。目前，光 纤制备技术的改进已经使光纤通讯的窗1 2 1 覆盖了1 2 1 7 p m 的近红外波段。然而 由于稀土离子发光峰窄的本质特征，传统的稀土离子掺杂光纤放大器表现出两个 突出问题：( 1 ) 有些波段处未有合适的光纤放大器；( 2 ) 利用一根光纤一个泵 浦源不能实现整个光通讯波段的光放大。稀土离子掺杂光纤放大器有限的增益带 宽限制了放大器信号传输时的通道数目，对于超大容量信息传输极为不利。如果 能够设计和制备出新型的红外增益材料，通过一根光纤就可实现多个波段甚至是 整个光通讯波段的光放大，势必会给光纤通讯技术的发展带来巨大的推动。 本文系统介绍了稀土离子、过渡金属离子、主族元素离子掺杂材料和以半导 体量子点作为近红外增益材料的研究进展，概括和讨论了近红外宽带增益材料目 前面临的问题，展望了其今后的发展趋势。于此基础上，我们围绕新型增益材料 研究的几个重要内容，如高效率、超长荧光寿命、环境温度敏感性和超宽带，介 绍了几种材料设计和构造的研究思路，开发出几种新型近红外宽带发光材料。通 过热分析、x 射线衍射、高分辨电镜、吸收光谱、荧光光谱等测试手段研究了这 些材料的微观结构和光学性能。本研究取得的一系列实验结果为新型宽带近红外 增益材料的开发和实用化奠定了基础。 1 制备t c r 4 + 掺杂的l i z z n s i 0 4 透明微晶玻璃。该微晶玻璃具有强烈的近红外 宽带发光( 中心位于1 2 1 0 n m ) 和超长的室温荧光寿命( 9 0 1 t s ) 。与其他c r + 掺杂 微晶玻璃相比，该材料具有超长的荧光寿命和较高的量子效率，这与c r 4 + 所处的 特殊晶体场环境有关。在l i 2 z n s i 0 4 晶体中特定的准对称四面体中心，c r 4 + 产生能 级分裂，其中3 t 2 ( 3 f ) 的最低支能级与1 e 的最高支能级产生混合效应，混合能级与 基态之间的电子跃迁产生长寿命的近红外宽带荧光。优化的析晶工艺和c ，在 l i 2 z n s i 0 4 纳米晶体中较高的量子效率，使该透明微晶玻璃可以实现室温宽带光 学增益。在单通道双波混频光路、在8 0 8 n m ：o 8 0 w 泵浦下获得1 2 7 5 n m 信号的光 学增益系数约1 2 7 c m 。 l i i 浙江大学硕士毕业论文摘要 2 制备t c r 4 + 掺杂的l i 2 m g s i 0 4 透明微晶玻璃，并研究该微品玻璃的光谱和 荧光特性。c r 4 + 掺杂的l i 2 m g s i 0 4 透明微晶玻璃与l i 2 z n s i 0 4 微晶玻璃同样具有超 长的荧光寿命。超长的寿命与特定晶体场下产生的混合能级与基态之间的电子跃 迁有关。该微晶玻璃的光谱和荧光特性对于环境温度敏感。随着测试温度升高， 近红外发光强度下降，发射峰发生蓝移，并且半高宽增大。这些现象均和光子 声子相互作用引起的非辐射跃迁相关。 3 制备了c r - n i 离子共掺的m 9 2 s i 0 4 透明微晶玻璃，并研究该微晶玻璃的光谱 和荧光特性。实验结果表明三种不同的过渡金属离子c r 3 + 、c r 4 + 和n i 2 + 分别产生中 心位于9 5 0 n m 、1 1 5 0 n m 和1 5 0 0 n m 的宽带发光，三个宽峰可以相互叠加形成半高 宽为7 0 0 n m 的超宽带近红外荧光，该荧光可完全覆盖整个光通讯窗e l 。然而c r 3 + 和c r 4 + 到n i 2 + 之问的能量传递过程以及n i 2 + 在m 9 2 s i 0 4 晶体中较低的量子效率使 材料整体的发光效率很低。通过活性离子异相分离实现能量传递阻抑、选择适合 掺杂离子达到更高量子效率的基体以及探索多种近红外宽带发光活性离子共掺 的单晶材料等方式可能获得发光效率更高的可覆盖整个光通讯窗口的新型增益 材料。 关键词：近红外、宽带发光、过渡金属离子、透明微晶玻璃、光纤放大器。 1 v 浙江大学硕士毕业论文 a b s ”a c t a b s t r a c t w i t ht h es p e e d yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dt e l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , s u p e r - h i g h c a p a c i t yi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n ds u p e r - h i g h - - s p e e ds i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sa r ed e m a n d e d r e c e n t l y ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e di n t h eo h 。e l i m i n a t i o no fs i l i c a f i b e r s ，a n d a sar e s u l t ，t h et e l e c o m m u n i c a t i o n t r a n s m i s s i o nh a sb e e ne x t e n d e dt ot h er a n g ef r o m1 2t o1 7i n n h o w e v e r , t h e c o n v e n t i o n a lr a r e - - e a r t h d o p e df i b e ra m p l i f i e r so n l yw o r ko nc e r t a i nb a n d sb e c a u s eo f n a t u r ee h a r c t e r i s t i e so ff - fe l e c t r o n i c 仃a n s i t i o n sf r o mr a r e e a r t hi o n s n a r r o w w a v e l e n g t hr e g i o n sc a nb eu s e da sg a i nr e g i o nb yr a r e - e a r t h d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ， s u c ha sc ( 1 5 3 0 1 5 6 5n m ) ，l ( 1 5 7 0 - 1 6 0 5n m ) ，a n ds ( 1 4 5 0 1 5 2 0n m ) b a n d sb y e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r s t h en a r r o wg a i nr e g i o ns e t sl i m i t a t i o nf o rt h en u m b e r s o fs i g n a lc h a n n e l ，w h i c hm a k e ss e r i o u st r o u b l ef o rs u p e r - h i g h c a p a c i t yi n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n i fo p t i c a la m p l i f i c a t i o nc a nb er e a l i z e di nab r o a d e rb a n de v e ni nt h e w h o l et e l e c o m m u n i c a t i o nw i n d o wb yo n eo p t i c a lf i b e r ，s i g n a lt r a n s m i s s i o nr a t ec a nb e e n h a n c e ds u b s t a n t i a l l y , a n dg r e a tr e v o l u t i o no ft e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc a nb e b r o u g h to u t t h i st h e s i sp r o v i d e sac o m p r e h e n s i v er e v i e wo nt h el u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c s o fr a r e - e a r t h ，t r a n s i t i o n - m e t a la n d m a i n g r o u p i o n sd o p e dm a t e r i a l s ，g i v e sa n o v e r v i e wo ft h er e c e n tp r o g r e s sa n dp r o b l e m s ，a n dp u t sf o r w a r d st h e i rf u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n s b a s e do nt h a tr e v i e w , s e v e r a lt y p i c a la n di m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c sa r e a d d r e s s e dt od e v e l o pn o v e ll i g h ts o u r c e ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c e ，l o n gl u m i n e s c e n c e l i f e t i m e ，t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e ，a n ds u p e r b r o a d b a n d s o m en e w r e s e a r c hi d e a so n d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fm a t e r i a l sa r ep r e s e n t e d ，a n ds o m en o v e lb r o a d b a n d n e a r - i n f r a r e dl u m i n e s c e n tm a t e r i a l sa r ed e v e l o p e d t h e r m a la n a l y s i s ( d t a ) ，x r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( t e m ) ，a b s o r p t i o ns p e c t r a ，a n d p h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r o s c o p y ( p l ) w e r eu s e d t o s t u d y t h es t r u c t u r ea n d l u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l s as e r i e so fi m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa n d i n n o v a t i v er e s u l t sw i t hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ew e r eo b t a i n e d t r a n s p a r e n tg l a s sc e r a m i c sc o n t a i n i n gc r 4 + d o p e dl i 2 z n s i 0 4n a n o c r y s t a l l i t e sa r e v 浙江大学硕士毕业论文 a b s t r a c t p r e p a r e d t h eg l a s sc e r a m i c ss h o wi n t e n s eb r o a d b a n dn e a r - i n f r a r e dl u m i n e s c e n c e ( c e n t e r da t 1210n m ) a n dl o n gl u m i n e s c e n c el i f e t i m e ( 9 0 肛s ) a tr o o mt e m p e r a t u r e t h es u p e rl o n gl u m i n e s c e n c el i f e t i m ea n dh i g hq u a n t u me f f i c i e n c yo ft h ep r e s e n t g l a s sc e r a m i c sa rec o n t r i b u t e db ya c t i v ec e n t e rc r 4 + i n c o r p o r a t e da ts p e c i f i cd i s t o r t e d t e t r a h e d r o n i nt h eg i v e nt e t r a h e d r a lc r y s t a lf i e l d ，t h el o w e s ts u b l e v e lo f3 t 2 ( 3 f ) i s m i x e dw i t ht h et o ps u b - l e v e lo f1 e ，a n de l e c t r o n i ct r a n s i t i o nb e t w e e nt h em i x e dl e v e l a n dg r o u n ds t a t ep r o d u c e st h el o n gb r o a d b a n dn e a r - i n f r a r e dl u m i n e s c e n c e o p t i c a l g a i nc a nb er e a l i z e db yc r 4 + _ d o p e dl i 2 z n s i 0 4g l a s sc e r a m i c sa tr o o mt e m p e r a t u r ed u e t oa d v a n c e dc e r a m i n gp r o c e s sa n dh i g he f f i c i e n c yo fc r 4 + i nl i 2 z n s i 0 4c r y s t a l s i n s i n g l e - p a s st w o - w a v e - m i x i n gc o n f i g u r a t i o n ，o p t i c a lg a i ne f f i c i e n c yo f1 2 7c m 。1 i s o b t a i n e dp u m p e db ya n8 0 8n ml a s e rd i o d ew i t ho 8 0wp u m p i n gs o u r c e t r a n s p a r e n tg l a s sc e r a m i c sc o n t a i n i n gc r a + - d o p e dl i 2 m g s i 0 4n a n o - c r y s t a l l i t e s a lep r e p a r e d ，a n dt h e i rs p e c t r a la n dl u m i n e s c e n tp r o p e r t i e sa l ee x a m i n e d a st h es a m e a sc r 4 + - d o p e dl i 2 z n s i 0 4g l a s sc e r a m i c s ，c r 4 + _ d o p e dl i 2 m g s i 0 4g l a s sc e r a m i c ss h o w l u m i n e s c e n c el i f e t i m em o r et h a nt e nt i m e sl o n g e rt h a no t h e rk i n d so fg l a s sc e r a m i c s ， w h i c hi sa l s oa t t r i b u t e db yt h ee l e c t r o n i ct r a n s i t i o nb e t w e e ns p e c i f i cm i x e dl e v e la n d g r o u n ds t a t e t h es p e c t r a la n dl u m i n e s c e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h eg l a s sc e r a m i c ss h o w o b v i o u st e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e a st h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h e e m i s s i o ni n t e n s i t yd e c r e a s e s ，t h ee m i s s i o nb a n ds h i f t sb l u e - w a r d ，a n dt h ef u l lw i d t ha t h a l fm a x i u mo ft h el u m i n e s c e n c ei se n l a r g e d t h e s ep h e n o m e n aa r er e l a t e dw i t h n o n - r a d i a t i v et r a n s i t i o n so r i g i n a t e db yp h o t o n p h o n o ni n t e r a c t i o n s t r a n s p a r e n tg l a s sc e r a m i c sc o n t a i n i n gc r - n i c o d o p e dm 9 2 s i 0 4n a n o c r y s t a l l i t e s a lep r e p a r e d ，a n dt h e i rs p e c t r a la n dl u m i n e s c e n tp r o p e r t i e sa lee x a m i n e d t h er e s u l t s s h o wt h r e eb r o a de m i s s i o nb a n d sc e n t e r e da t9 5 0 ，115 0 ，a n d15 0 0n ma r eo r i g i n e d f r o md i f f e r e n tk i n d so ft r a n s i t i o n m e t a li o n sc r 3 + ，c r 4 + ，a n dn i 2 + ，r e s p e c t i v e l y t h e s e b r o a de m i s s i o nb a n d so v e r l a pt o g e t h e ra n ds u p e r b r o a d b a n dn e a r - i n f r a r e d l u m i n e s c e n c ew i t l lf i l l lw i d t ha th a l fm i x i u mo f7 0 0n mi so b s e r v e d t h e s u p e r b r o a d b a n de m i s s i o nc a nc o v e rt h ef u l lt e l e c o m m u n i c a t i o nw i n d o w h o w e v e r , e n e r g yt r a n s f e rf r o mc r 3 + a n dc r 4 + t on i 2 + ，a sw e l la sl o wq u a n t u me f f i c i e n c yo f n i 2 + i nm 9 2 s i 0 4c r y s t a l sm a k e st h et o t a ll u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c yt o ol o w 、，l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位做储躲产越袅签字吼矿年弓 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 乎战鼍 导师签名： 踯弭荛 签字日期：矿尸年；月厂z 日 签字日期：1 印口午) 月j 1 月 浙江人学硕士毕业论文致谢 致谢 在硕士论文即将完成之际，衷心的感谢我的导师邱建荣教授对我的精心指 导。从选题方向的确定，研究计划的制定，实验工作的开展到实验结果的整理和 分析，邱老师都能言传身教，给与了悉心指导和无私帮助，使我能够通过硕士期 间的学习在各方面提升一个台阶。特别是邱老师严谨的治学态度，不懈的创新精 神，对科研工作的巨大热情，平易近人的工作作风，坚持快乐的生活态度为这个 光子材料实验室树立了严谨、求是的科学工作者的完美形象。邱老师以身作则的 教育方式更是给我留下了深刻的印象，所有这一切都对我这几年的科研工作和人 生认识产生了非常积极的影响。 感谢浙江大学材料系翁文剑教授、韩高荣教授、钱国栋教授、樊先平教授、 王智宇教授、洪樟连教授、张孝彬教授、乔旭升老师在基础知识的学习和专业技 能的指导上的悉心付出。 感谢华东师范大学的曾和平教授、武愕副教授在合作研究中的指导和帮助； 十分感谢池英芝在合作研究中的巨大帮助。感谢a r i z o n as t a t eu n i v 的姜南博士在 论文修改方面提供的无私帮助。感谢浙江师范大学郭海老师为论文撰写提出的宝 贵建议。 感谢课题组杨护成师兄、叶松师姐、徐晓秋师姐、n a r a y a n a o 币兄、周时凤师 兄、吴伯涛师兄、朱斌师兄、刘晓峰师兄、董国平师兄、罗进师姐、王玺师兄、 王丽师姐、黄纬师兄、陈景鑫师兄、马志军师兄、刘寅和林耿在实验上的帮助和 生活上的关心。 感谢课题组腾宇师弟、关淼嘉师弟、周佳佳师妹、解君华师妹、谭德志师弟、 许贝贝师弟、杨荣师弟等给予的帮助和支持。感谢浙大光子材料实验室、上海光 机所邱老师和所有成员共同营造的积极的科研氛围和轻松的交流环境。 感谢浙江大学材料分析测试中心的胡秀荣老师、陈林深老师、曾跃武老师、 何海平老师、毛建拥博士等在材料分析测试工作中给与的帮助。 浙江大学硕士毕业论文 致谢 最后，特别感谢我的家人和亲戚朋友，是他们的无私奉献和鼓励使我j i r 孵u 完 成了学业。 庄逸熙 二零一零年二月 求是园 浙江大学硕士毕业论文 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 以光子或者光电子代替电子作为信息载体是今后信息技术发展的必然选择。 信息时代要实现三大目标，即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。上个世纪8 0 年代，掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ， e d f a ) 的广泛使用取代了传统的光电光的中继方式，使光波分复用( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术成为现实，大大推动了信息化时代的历史进程。 然而e d f a 等稀土掺杂光纤放大器，只能够在有限的波段范围实现光放大，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。另 一方面，光纤制备技术的改进已经使光纤通讯的可用窗e l 覆盖了1 2 1 7 “m 的整 个近红外波段。基于此，人们提出了一个设想：使用一根光纤，一个泵浦源，实 现整个光通讯波段光放大。如果上述超宽带光放大的目标能够实现，无疑会给光 通讯技术带来一场新的革命。 1 2 问题的提出 过渡金属相对稀土离子通常表现出更宽的光谱特性。最近二十年内，研究者 在多种不同晶体材料中发现了以过渡金属离子，特别是以c r 4 + 和n i 2 + 等作为发光 中心的近红外宽带发光。其中c r 4 + 掺杂镁橄榄石和y a g 晶体性能优异，目前已经 通过多种泵浦方式实现了室温下连续和脉冲激光输出。较高的量子效率和可调谐 的宽带荧光，说明以c r 4 + 作为激活离子的单晶和晶体复合材料有希望成为实现近 红外宽带甚至整个光通信窗口的光学增益介质。c r 4 + 掺杂材料是一类具有良好发 展前景和应用潜力的光学功能材料。对于该类材料在光纤器件上的潜在应用，要 求使用高效的活性离子掺杂的透明块体材料。 c r 4 + 掺杂透明块体材料主要包括两类：一类是以c r 4 + 为激活中心的单晶。c r 4 + 掺杂单晶具有较高的光学活性，然而制各单晶材料需要使用纯度极高的原料，同 时耗费大量的能量和时间。另一类是晶体复合材料。通过一定制备工艺，例如通 浙江大学硕士毕业论文1 绪论 过适当的热处理，获得含有纳米晶体的c r + 掺杂透明微晶玻璃复合材料。c r 4 + 掺 杂透明微晶玻璃在制备工艺上的优势使其较单晶更可能成为光纤放大器的激活 介质。 目前对于c r 4 + 掺杂材料的研究主要围绕于单晶，相对而言有关c r 4 + 掺杂透明 微晶玻璃材料的研究报道相对较少。同时，目前所研究的c r 4 + 掺杂微晶玻璃在光 谱覆盖、荧光寿命、非辐射跃迁、激发态吸收、量子效率和温度敏感性等问题仍 然需要深入研究。开发新型的具有更好光谱和荧光特性的c r 4 + 掺杂微晶玻璃是当 前该领域重要和迫切的科学工作。制备新型潜在微晶玻璃增益介质要求在材料的 设计中充分考虑上述问题，以获得新型的c r 4 + 掺杂透明微晶玻璃在其中一个或多 个方面较其他微晶玻璃材料性能表现更为优异。 1 3 本文的工作 本文工作中，我们从原料成分的调配、形核剂量的使用、热处理工艺的优化 制备出析晶比例较大同时光学透过率良好的微晶玻璃材料；选择适当晶体以调控 活性中心c r 4 + 光谱位置以及荧光寿命；考虑c r 4 + 掺杂微晶玻璃材料的温度敏感性； 探索通过多种过渡金属离子共掺方式实现超宽带发光等思路寻求获得光学性能 更优良的c r 4 + 激活透明微晶玻璃材料；并通过热分析、x 射线衍射、高分辨电镜、 吸收光谱、荧光光谱等测试手段研究了这些材料的微观结构和光学性能。具体而 言，本文工作在以下方面较该领域的研究有所创新： 1 通过玻璃成分和工艺的调控，在硅酸盐玻璃中析出l i 2 z n s i 0 4 或l i 2 m g s i 0 4 纳米晶体作为c r 4 + 的晶体环境。这两种晶体中的s i o 四面体空位为c r 4 + 提供了特 定的晶体场。含有这两种纳米晶体的c r 4 + 掺杂透明微晶玻璃材料的是为荧光寿命 相比其他c r 4 十掺杂微晶玻璃长一个数量级以上。 2 通过有效的控制纳米晶体的尺寸和分布，得到荧光效率较高的c r 4 + 掺杂 l i z z n s i 0 4 透明微晶玻璃。并在c r + 掺杂微晶玻璃材料中首次演示了室温下 1 2 7 5 1 3 5 0 n m 范围的光学增益。 3 考虑过渡金属离子对于环境温度的敏感性，研究y c r 4 + 掺杂l i 2 m g s i 0 4 微 晶玻璃在不同环境温度的光谱和荧光特性。 2 浙江大学硕士毕业论文 1 绪论 4 提出通过多种过渡金属离子共掺微晶玻璃以大幅度增宽其发光带宽，制备 了c r - n i 共掺i 构m 9 2 s i 0 4 纳米晶体的透明微晶玻璃。m 9 2 s i 0 4 体中同时含有八面 体和四面体空位，可以为不同过渡金属离子所容纳。在c r - n i 离子共掺m 9 2 s i 0 4 微晶玻璃中实现了可完整覆盖整个光通讯窗口的超宽带近红外发光。 2 超宽带m 触太用艟* # # * 究* 月 2 超宽带光放大用发光材料的研究进展 2 1 光纤通讯发展历史及光通讯窗口简介 现代光纤通讯的原型可以追溯到i8 7 0 年著名的t y n d a l i 实验j i ，实验如图21 。 在重力作用f ，水从高的容器中流入位置低的容器过程中形成了水柱，j o h n t r n d a l l 将一束太阳光引 水柱，该光束沿着水柱以“z ”字形近全反射式传播。 1 8 8 0 年，b e l l 将该原理应用于传输光信号，他演示了一套命名为“p h o t o p h o n e ” 的光声传播系统，基于该系统而建立的“f r e e - s p a c eo p t i c a ll i n k s 日前仍得到广泛 的应儿j 。但是该研究直到2 0 世纪初都进展不大其原因主要有两点：一是采_ l j 的 光为非相f 一光源；二是没有理想的光传输介厦。 鬻 w a t e rf l o w i n go u t0 fb a s i n f i g u r e2i j o h nt y n d a l l se x p e r i m e n t ：t y p i c a lt o t a li n t e m a lr e f l e c t i o nd e m o n s t r a t i o n 2 0 世纪中期，光纤技术经历了高速发展的时期。美国光学公司的b r i a n o b r i e n 和皇家科学技术学院i y , 3 n a r i n d e rk a p a n y 同时提山丁利用全玻璃光纤传输光信号。 其原理同是基于t y n d a l l 实验的光学仝反射。但是由于早期的玻璃光纤损耗很大， 并不可能进行长距离传输，其实际应局限于医学上镜像的传输，如纤维内窥镜。 为了克服早期玻璃光纤的臣大光损耗，科学家们给玻璃光纤包覆额外的包层以防 浙江大学硕士毕业论文2 超宽带光放大用发光材料的研究进展 止光信号泄露。包层与光纤之间的折射率差异确保光信号全部在光纤中反射( 图 2 2 ) 。包层方式使光纤技术快速在机械制造中大型器件焊接内窥等领域得到应 用；同时纤维内窥镜技术也得到进一步发展，腹腔镜手术成为二十世纪最重要的 医学成就之一。 c l a d d i n g c o r o l i g h t n o l i g h tl o s t c l a d d i n ga l l o w s c o m p l e t ei n t e r n a lr e f l e c t i o n w i t h o u tc l a d d i n g , l i g h t s r a d u a l l yl e a k so u t f i g u r e2 2o p t i c a lf i b e rw i t hc l a d d i n g 激光技术的发展促进了光纤光学工业的出现。1 9 5 7 年，哥伦比亚大学的研究 生g o r d o ng o u l d 提出利用激光作为信号的载体。这一想法在当时引起了贝尔实验 室c h a r l e st o w n e s 和a r t h u rs c h a w l o w 的注意并不久之后就得到了他们的实验证 明。激光器经历1 9 6 0 年红宝石激光器和氦氖激光器，1 9 6 2 年半导体激光器的等 几代的发展，成为光纤光学最重要的工作部件之一。 19 6 6 年，英国标准光通讯实验室的c h a r l e sk a o 发表了一篇在光通讯领域上具 有里程碑意义的研究论文。该论文提出如果光纤的损耗能控制在2 0 d b k m 以下， 其可作为长距离光通讯中光信号的传输介质【2 1 。此后，在1 9 7 0 年，美国康宁公司 的r o b e r tm a u r e r 、d o n a l dk e c k 和p e t e rs c h u l t z 首先制备了损耗在2 0 d b k m 以下玻 璃光纤，使远距离光纤通讯成为可制3 1 。 由于光纤的吸收和散射会导致光信号的衰减，光纤的色散将使光脉冲发生畸 变导致误码率增高，信号传输质量降低，限制了通信距离。为了满足长距离传输 的需要，必须在光纤线路上加入中继器，用以补偿光信号的衰减和对畸变信号进 行整形。最先采用的是光一电一光的中继方式，该套系统由于涉及到光电转化， 增加了系统的复杂性，从而限制了光通讯技术的发展。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初 研制成功的掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r , e d f a ) ，被认为是光 浙江大学硕士毕业论文2 超宽带光放大用发光材料的研究进展 纤通信发展史上的另一个里程碑。它取代了传统的光一电一光的中继方式，实时 在线的特点不仅简化了光通讯系统，而且大大增加了传输距离，目前已被广泛应 用于1 5 5 9 m 波段的光纤通信系统。基于e d f a 的技术不仅解决了衰减对光网络传 输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1 5 5 i r t m 波段的波分复用技术，从而使 超高速、超大容量、超长距离的波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， w d m ) 、全光传输和光孤子传输等成为现实。 在过去的研究中，基于e d f a 的w d m 技术发展的同时推动了光通讯技术的发 展。w d m 系统一个很大的潜在优势是可实现大容量信息传输，即其容许多信道 信息传输。另一方面，光纤通讯技术发展的同时，材料学家一直致力于低损耗光 纤的制各研究，特别是干法光纤制备技术的突破已经使低损耗通讯窗口得到了拓 展。图2 3 对比了不同时期所制备光纤的损耗图。目前先进的光纤制备技术已经 将各个通讯窗口连接起来，从而能够同时传输近红外多个波段的光信号。但是， 能否像所期望的那样实现真正意义上的超宽带光通讯，还依赖于宽带光纤放大器 的研究，从材料学的角度考虑，即为增益材料的设计和制各。 o 曼量 雾 曩 萝 匿 薯 鏖 、 重 5 嚣爹 f i 雪 、 尝 璧毫 t 蓄 蓄 、 鹱 睡 te a r l y1 9 8 i ，长 l 酉 、 冒 i ll 。、 t 1 i 。 j i 6l ll f i 蹩 ； 一 - 一 一l l 蓄 露 追 1 9 o 摹 、 ；，- t 瞎 一 jb + 。 - | ， 、 1 一 m o ci e r n弋 、 r 7 ：| 。 l l ! 夕 f i b e r 、 h 、，_ 。八 ， l 一一l o 。7 0 80 91 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 。0 w a v e l e n g t h ( u m ) f i g u r e2 3f o u rw a v e l e n g t hr e g i o n so fo p t i c a lf i b e r 光纤通讯技术对于信息产业、信息时代发展的重要性毋庸置疑。近几十年来， 6 8 7 6 5 4 3 2 1 一ex盛i)一瞬协。一一西udo 浙“大学顼* n 女2 超宽带光 用牲光研r * 月 仝世界对十数掷：信息处理和传输的使用量呈现爆炸性的增k 。通过i n t e m e t 实现全 世界范嗣内快捷、广泛的通讯交流和信息共享为知识的传播、科技的发展和文化 的融含发挥了极大的推进作用。信息时代人类已经无法离开电脑操作技术和通讯 传输技术。超高窖最数据存储、高快速信息处理和超人容嚣信号传输已经成为当 今社会发展的核心，同时成为了信息时代发展程度的标志。嘲24 是近二十年光 纤传输辑量的发展，即使光纤传输速率以几年十倍的增长速率快速发展，日| 的 光纤 输速率离信息实时在线处理的要求仍需要进步提升。 1 0h b s i 0 0m b l sig b ，s1 0g b ，s1 0 06 b s1t b l s c h a n n e id a t ar a t e f i g u r e2 4 t h eg r o 州ho f o p t i c a l f i b e r t r a n s m i s s i o nc a p a c i t y 2 2 各类近红外波段增益材料介绍 2 2i 稀土离广掺杂光纤放大器 光纤放大器用增益材料的研究从_ 【 j 于e d f 的e r ”离子掺杂材料开始，之肝人 们对稀十活惟离于掺杂材料进行了系统研究，j 甜f 制铁褂r 多种用于窄波段光艘 大的增益材料，主要有e r ，p r ，n d h o 和t m 等i 价鞴上离了掺杂的玻璃。i 斟25 给h 最半要的三种用于光纤放大器增益材料的稀十离子p r 、e ，+ , t t i t m 3 + 的电子 弛北埔8 4 ： 芒ou面ccmu z o ； 浙江大学硕士毕业论文2 超宽带光放大用发光材料的研究进展 跃迁示意图。 m f i g u r e2 5e l e c t r o n i ct r a n s i t i o n so f p r 3 + ，e r 3 + a n dt m 3 + e r 3 + 离子掺杂材料在最初所能实现的低损耗窗口( 1 5 5 0 n m ) 处有发光，并容 易实现高效的增益，因此相关的研究较多 ，6 1 。r 4 + 离子在1 3 0 0 n m 波段有对应的 电子跃迁，相应掺杂材料制成的光纤放大器为p d f a ( p r a s e o d y m i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 。由于早期的光纤制备技术在该波段也实现了一个低损耗窗口，它对 于e r 3 + 离子掺杂的光纤放大器是一个很好的补充1 7 , 8 1 。但是，为提高p ，离子在 1 3 0 0 n m 波段的辐射跃迁效率，通常需要选用特殊的材料基质，如氟化物玻璃体 系，该玻璃体系的不稳定性在一定程度上限制了p d f a 的应用1 9 。t m ”离子在 1 4 8 0 n m 和1 6 5 0 n m 两个波段都有发光【加】，其能级构造较为复杂，也可以在8 0 0n m 和1 2 3 0 n m 波段处出现发光【l 。因此，通过材料设计协调各能级跃迁以获得所需 要的特定波段的高效率发光是该离子作为光纤放大器发光离子很关键的一步。现 已通过y b 3 + 离子共掺的方法在1 4 8 0 n m 处获得了超过1 0 d b 的增益，该实验结果表 明1 m 3 + 离子掺杂材料制成的t d f a ( t h u l i u m d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ) 也可能是一种 性能优异的光纤放大器。 图2 6 综合了上述三种稀土离子光纤放大器的工作波段，这些波段分布于硅酸 盐光纤的低损耗窗口中。然而随着通讯技术的发展，研究人员意识到窄带宽的光 纤放大器已经不能满足实际的需要，近几年，英国的南安普顿大学、利兹大学、 日本京都大学、美国康宁公司、罗格斯大学等开展了利用稀土离子掺杂研制宽带 8 浙大学颈* m 论z2 超竟* 光太月精光# 究m r 光纤放大器的研究工作，并取得了一定进展，例如在碲酸盐基质玻璃中获得稀土 离子增益带宽明显的宽化m 。3 1 ”。 w a v e l e n g t h ( n m ) f i g u r e2 6 t h e l o s ss p e c t r a o f s i l i c a f i b e ra n dv a r i o u sk i n d so fr a r e e a r t h d o p e d o p t i c a la m p l i f i e r s 以稀上离子作为发光中心研制宽带增益材料的另外个方法是通过发光峰 位位于不司波段的稀土离f 共掺，提高有效带宽”】。如h a e m ij e o n g , 等( 1 7 1 在e ， 和t m “共掺的二氧化硅光纤中获得增益超过3 d b ，带宽为9