铋掺杂硅磷酸盐玻璃近红外发光性质及机理研究

论文摘要

随着通信业务量的迅猛增长,人们急切的要求提高密集波分复用系统的传输容量,有效提高密集波分复用系统传输容量的方法之一就是拓宽光纤放大器的增益带宽,因此探索发光能够覆盖1200-1600 nm区域的新材料作为宽带光纤放大器的增益介质成为关键的一步。最近几年,更多的研究集中在稀土离子掺杂的材料。但是,由于稀土离子的4f轨道电子跃迁受到外层电子的屏蔽,发光带宽很难超过100 nm。最近Fujimoto等人发现铋掺杂的硅酸盐玻璃在800 nm激发下可以得到发光中心在1300nm的宽带近红外发光。这一发现引起了国内外研究者的极大兴趣,产生近红外发光的铋离子掺杂晶体,硅酸盐玻璃,磷酸盐玻璃,锗酸盐玻璃,等等相继被报道。铋离子掺杂玻璃近红外发光带宽比较宽,超过200 nm,荧光寿命也很长,如果采用铋离子掺杂材料作为光放大增益介质,有望达到一根光纤,一个激发源就能实现整个光纤通信窗口的光放大的目的。然而,铋离子掺杂玻璃作为一种新型材料,自身还有一些问题需要解决,铋离子的近红外发光机理尚不明确。由于光学碱度影响多价态离子的价态,而近红外发光性质又取决于掺杂离子的价态,因此本文研究了铋离子近红外发光性质随光学碱度的变化规律,探讨了铋离子近红外发光机理。首先研究了不同激发源下光学碱度对铋离子掺杂碱金属磷酸盐玻璃和碱土金属硅磷酸盐体系近红外发光性质的影响。发现在690 nm和808 nm半导体的激发下,铋掺杂碱金属磷酸盐和碱土金属硅磷酸盐玻璃的近红外发光峰位分别为1100nm左右和1260 nm左右,半高宽也有很大的不同,而且随着光学碱度的增加,690 nm激发下的近红外发光强度减弱,而808 nm激发下的近红外发光强度反而增强。本文推测,所研究的玻璃体系中,铋离子近红外发光或许来自两种不同价态的发光中心。本文还发现铋离子掺杂碱土金属硅磷酸盐玻璃在532 nm半导体激光器激发下,近红外发光谱图可以进行高斯分峰,两个高斯峰分别对应于690 nm和808 nm激发下的近红外发光谱图,而且两个高斯峰的强度变化趋势相反。铋离子掺杂的碱金属铝磷酸盐玻璃在532 nm激发下的近红外发光谱图可以进行分峰,分峰结果类似于铋离子掺杂碱土金属硅磷酸盐玻璃在532 nm半导体激发下的近红外发光分峰结果。这更进一步说明,铋离子掺杂的近红外发光或许源于两种不同价态的铋离子。对比了不同激发源下近红外发光性质随光学碱度变化规律的不同,结合光学碱度理论探讨了铋离子掺杂玻璃的近红外发光机理。研究过程中,本文发现铋离子近红外发光性质不仅受光学碱度的影响,还与玻璃微结构有关。因此,本文接着研究了玻璃网络结构变化对铋离子掺杂硅磷酸盐玻璃近红外发光性质的影响,发现随着SiO2含量增加半高宽和峰位都发生了变化,并对这种变化做出了解释,690和808 nm激发下的近红外发光强度随着SiO2含量增加都增强。发现随着玻璃网络中间体B203含量增加,690 nm激发下的近红外发光强度增强,而808 nm激发下的近红外发光强度表现出相反的变化趋势。对上面的发光现象本文从微结构角度进行了解释,并从微结构角度探讨了铋离子近红外发光机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤通信的发展历程
• 1.2 光纤通信的特点
• 1.3 光纤通信窗口
• 1.4 光通信系统的结构
• 1.5 稀土掺杂的光纤放大器
• 1.5.1 铒离子掺杂的光纤放大器（EDFA）
• 1.5.2 镨掺杂的光纤放大器
• 1.5.3 铥掺杂的光纤放大器
• 1.6 拉曼光纤放大器（Raman Fiber Amplifier RFA）
• 1.7 半导体光放大器
• 1.8 新型光纤放大器增益材料的探索
• 1.8.1 过渡金属离子掺杂光纤放大器增益材料
• 1.8.2 半导体量子点的红外宽带发光
• 2np¹电子构型的金属离子'>1.8.3 ns²np¹电子构型的金属离子
• 1.9 课题研究目的与意义
• 1.10 研究方法
• 1.11 课题来源及研究内容
• 1.11.1 课题来源
• 1.11.2 课题研究内容
• 1.12 本文的创新点
• 第二章 实验方法及理论基础
• 2.1 实验研究方法
• 2.1.1 实验所用原料
• 2.1.2 样品制备方法
• 2.1.3 性能表征
• 2.2 理论准备
• 2.2.1 吸收光谱
• 2.2.2 激发光谱
• 2.2.3 发射光谱
• 2.2.4 发光和猝灭
• 2.2.5 光学碱度理论
• 第三章 光学碱度对铋掺杂铝磷酸盐玻璃近红外发光性质影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 第四章 玻璃结构对铋掺杂硅磷酸盐玻璃近红外发光性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 玻璃形成体对铋离子掺杂硅磷酸盐玻璃近红外发光性质影响
• 4.3.1 结果与讨论
• 4.4 玻璃中间体对铋掺杂钡硼硅磷酸盐玻璃近红外发光性质的影响
• 4.4.1 结果与讨论
• 4.4.2 小结
• 第五章 铋离子掺杂玻璃近红外发光机理研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 高价态铋离子
• 5.1.2 低价态铋离子
• 5.1.3 其它发光中心
• 5.2 铋离子掺杂磷酸盐玻璃和硅磷酸盐玻璃近红外发光机理探讨
• 5.3 小结
• 第六章 总结
• 6.1 本文总结
• 6.2 存在的不足及今后的工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士期间发表论文目录