Tm3+掺杂碲酸盐S波段光放大材料研究

论文摘要

在大容量光纤通信系统中,传统的石英基质掺铒光纤放大器（EDFA）具有高增益、低噪声等许多优良的特性已得到广泛的应用,但是由于其只能在C波段（1.53μm-1.57μm）进行光放大且增益带宽只有35nm左右,仅仅覆盖了光纤低损耗窗口中的一小部分带宽,难以完全满足现代密集波分复用（DWDM）系统的要求。Tm3+掺杂光放大器可在S波段进行有效光放大,但由于Tm3+离子本征问题,存在两个主要的问题导致Tm3+离子掺杂玻璃在1.46μm（S波段）的辐射跃迁量子效率较低,首先在传统的具有高声子能量的硅酸盐玻璃基质中,Tm3+离子3H4能级辐射跃迁到3F4能级的几率较低；其次Tm3+上能级（3H4）的能级寿命小于下能级（3F4）的能级寿命,使得1.46μm的发光存在“自终结现象”,量子发光效率大大降低。因此本文选择具有低声子能量的碲酸盐玻璃作为研究对象,通过稀土离子共掺的形式可以大大降低下能级的能级寿命,从而提高材料的量子发光效率。由于Tm3+离子在S波段的光放大还是存在一定的局限性,为了实现更宽的波段范围的光放大,我们通过改变玻璃基质以及稀土离子共掺的方式,研究了Tm3+宽带发光特性,研究的成果对将来S波段Tm3+掺杂光放大材料的发展及器件化的应用具有一定的理论价值。绪论部分概述了光纤放大器的工作原理和研究进展。介绍了碲酸盐玻璃作为光纤放大器增益介质与传统石英基质及其他基质玻璃相比所具有的独特优点。从玻璃组成、结构、热稳定性、化学稳定性和光谱性质几个方面总结了国内外关于碲酸盐玻璃研究现状,理论解释碲酸盐玻璃作为将来光纤放大器用基质材料的合理性。第二章为实验部分,介绍了制备碲酸盐玻璃所需要的实验原料、仪器以及具体的实验操作过程。同时,对研究中选用的TeO2-K2O-Nb2O5-Ln2O3 （TKNL）碲酸盐玻璃物理性质、热学性能和光谱性能测试方法和步骤作了介绍。第三章为光谱理论部分,系统阐述了稀土离子在玻璃中光谱性质的基本概念,论文中涉及了一些光学的基础理论知识,其中包括Judd-Ofelt理论、McCumber理论、上转换发光机理、无辐射跃迁机理等。第四章为实验部分,选择Tm3+掺杂TKNL碲酸盐玻璃作为研究对象,理论研究了通过改变玻璃基质对Tm3+宽带发光特性的影响；研究了Er3+-Tm3+、Ho3+-Tm3+稀土离子共掺玻璃中红外宽带发光性能,通过稀土离子之间的能量传递机理的角度,分析、解释了稀土离子共掺对S波段发光带宽的影响。本章分为以下三部分：第一部分介绍了玻璃基质对Tm3+宽带发光的影响。碲酸盐玻璃因具有高折射率、低声子能量、良好的机械性能以及在0.4-6μm处有较高的红外透过率,有望作为宽带光放大基质材料。本研究选取Te02-K20-Nb2O5-Ln2O3（TKNL）的碲酸盐玻璃体系作为研究对象,发现该玻璃体系的ΔT=139℃,有很好的热力学性能,有利于光纤的拉制。利用Judd-Ofelt理论以及McCumber理论研究了Tm3+离子在该碲酸盐玻璃中的光谱性质,Tm3+在碲酸盐玻璃中三个光谱强度参量Ωt分别为：Q2=5.26×10-20cm2,Ω4=1.57×10-20cm2,Ω6=1.46×10-20cm2,这表明与其他玻璃相比该碲酸盐玻璃是一种更为理想的宽带光纤放大器用基质材料。本节还探讨了碱金属元素对玻璃J-O强度参数以及电偶级跃迁的影响。研究结果显示,Ω4/Ω6的比值越小,对铥离子在1.46μm（S波段）的发光带宽及获得光增益越有利。本研究对今后铥离子掺杂光放大材料的选择上具有指导意义。第二部分介绍了Ho3+-Tm3+共掺对Tm3+宽带发光的影响,并讨论了稀土离子间的能量传递过程。在Ho3+-Tm3+共掺TKNL碲酸盐玻璃体系中,研究了单掺Tm3+离子随浓度的变化的一系列光谱性质。通过测量荧光光谱和荧光寿命研究了Ho3+离子掺杂浓度对Tm3+离子1.46μm发光的影响,发现随着Ho3+离子浓度的增加,Tm3+离子1.46μm发光几乎没有变化,Tm3+离子1.8μm的发光明显减弱,而Ho3+离子2.02μm的发光先增强后降低。分析了Tm3+和Ho3+之间可能的能量传递过程。研究结果表明一定浓度内Ho3+的共掺有效的降低了Tm3+离子3F4能级粒子数,而对3H4能级粒子数影响不大,使得Tm3+上能级与下能级的粒子数反转成为可能,这说明通过与Ho3+共掺,可获得更好的光放大性能。第三部分介绍了Er3+-Tm3+共掺对Tm3+近红外发光的影响,并讨论了稀土离子共掺对发光带宽的影响。在Er3+-Tm3+共掺TKNL碲酸盐玻璃体系中,通过Er3+离子的吸收光谱计算了三个J-O强度参数Ω=7.21×10-20cm2,Ω4=1.45x10-20cm2,Ω6= 1.21×10-20cm2;Er3+-Tm3+共掺TKNL玻璃在1.3μm-1.8μm范围内有超宽带发光,其荧光半高宽为185nm,大大超过了铒单掺玻璃的70 nm,且其发光带宽随着Tm3+浓度的增加而增宽。通过稀土离子浓度对红外及可见区发光强度的变化,我们讨论了Er3+-Tm3+共掺体系中能量传递的机理。本研究结果显示Er3+-Tm3+在该碲酸盐玻璃体系中有望实现S+C+L波段的超宽带光放大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 掺稀土光纤放大器和波分复用系统的概况
• 1.1.1 光纤通信的发展与波分复用系统
• 1.2 掺稀土光纤放大器的研究与发展
• 1.3 现代大容量通信系统对掺稀土光纤放大器的要求
• 1.3.1 掺稀土光纤放大器研究现状
• 1.4 碲酸盐玻璃作为光纤放大器增益介质的优点
• 1.4.1 碲酸盐玻璃与传统石英基质相比较所具有的优点
• 1.4.2 碲酸盐玻璃与其它玻璃基质相比较所具有的优点
• 1.5 本课题研究的目的及意义
• 1.6 课题来源及研究内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 课题研究的内容
• 第二章 碲酸盐玻璃的制备和性能测试
• 2.1 碲酸盐玻璃样品制备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 样品制备过程
• 2.2 实验样品性能测试
• 2.2.1 差热分析
• 2.2.2 密度测试
• 2.2.3 折射率测试
• 2.2.4 吸收光谱测试
• 2.2.5 荧光光谱测试
• 第三章 光谱理论部分
• 3.1 Judd-Ofelt理论
• 3.2 McCumber理论
• 3.3 上转换发光机理
• 3.3.1 激发态吸收
• 3.3.2 能量传递
• 3.4 无辐射跃迁机理
• 3.4.1 能量转移和浓度猝灭
• 3.4.2 无辐射跃迁中声子的作用
• 第四章 实验部分
• 4.1 引言
• 4.2 碲酸盐玻璃实验研究
• 3+单掺碲酸盐玻璃'>4.2.1 Tm³⁺单掺碲酸盐玻璃
• 4.2.1.1 差热分析
• 4.2.1.2 吸收光谱
• 4.2.1.3 Judd-Ofelt光谱理论分析
• 3+碲酸盐玻璃的光谱性质的影响'>4.2.2 碱金属氧化物对掺Tm³⁺碲酸盐玻璃的光谱性质的影响
• 4.2.2.1 吸收光谱
• 4.2.2.2 Judd-Ofelt光谱理论分析
• 4.2.2.3 荧光光谱分析
• 4.2.3 小结
• 3+-Tm³⁺共掺碲酸盐玻璃'>4.3 Ho³⁺-Tm³⁺共掺碲酸盐玻璃
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 吸收光谱
• 4.3.3 荧光光谱分析
• 4.3.4 小结
• 3+-Tm³⁺共掺碲酸盐玻璃'>4.4 Er³⁺-Tm³⁺共掺碲酸盐玻璃
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 吸收光谱
• 4.4.3 Judd-Ofelt光谱理论分析
• 4.4.4 荧光光谱分析
• 4.4.5 小结
• 第五章 结论
• 第六章 实验中存在的不足及今后研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录:攻读硕士学位期间发表论文及专利