多组分宽带掺铒玻璃光谱性质及比较研究

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,但是由于其放大带宽只有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。因此,研究新型的EDFA基质材料,对实现能同时放大C+L波段信号的宽带EDFA非常重要。另外,随着DWDM技术的发展,光纤放大器的小型化要求,需要在单位长度内提高信号增益,这就需要开发高浓度掺杂的玻璃光纤基质。新型宽带掺铒碲酸盐和铋酸盐玻璃具有较宽的荧光有效线宽、较大的峰值发射截面和较好的稀土溶解特性,成为当前研究的热点。本文对多组分掺铒碲酸盐和铋酸盐玻璃各自进行了光谱性质的研究,并在荧光浓度猝灭、荧光俘获及玻璃中OH-根离子对于Er3+离子1.53μm波段荧光的影响等方面作了比较研究,并在此基础了上熔制了碲铋共存的新型宽带玻璃,分析了其光谱性质,为更好的选择掺铒光纤放大器基质玻璃材料提供了理论及实验基础。论文第一章主要介绍了光纤通信的发展概况以及波分复用系统和掺铒光纤放大器的研究与发展,然后简述了稀土离子掺杂的激光玻璃材料的特点和掺铒宽带玻璃基质材料的研究进展,最后提出了本文的研究内容、研究思路以及研究的目的及意义。论文第二章主要介绍了论文中涉及到的一些理论知识,其中包括Judd-Ofelt理论、McCumber理论、无辐射跃迁机理。论文第三章主要研究了Er3+掺杂的TeO2-ZnO-La2O3玻璃中引入Ce3+离子对光谱性能的影响。实验发现,Er3+离子在1.53μm处的荧光强度、受激发射截面、荧光半高宽都有所增加,而在975nm激发下的上转换发光强度却有所降低。分析了4I11/2能级和4I(13/2能级寿命的变化规律。论文第四章主要研究了B2O3组分对应用于1.53μm波段宽带放大掺Er3+:Bi2O3-GeO2- Ga2O3-Na2O玻璃光谱性质的影响。研究表明,随着B2O3组分的引入,Er3+离子4I11/2能级和4I13/2能级寿命都下降,4I13/2→4I15/2跃迁的量子效率减少,1.53μm波段荧光发射强度减弱,但进一步展宽了其荧光发射谱,荧光有效线宽增大。论文第五章主要对Er3+离子掺杂的组分为TeO2-ZnO-La2O3（TZL）碲酸盐玻璃和组分为Bi2O3-B2O3-GeO2-Na2O（BBGN）铋酸盐玻璃的荧光俘获和浓度猝灭效应进行了比较研究。结果发现,在Er2O3掺杂摩尔数相同的情况下,TZL玻璃比BBGN玻璃具有更为强烈的荧光俘获效应和浓度猝灭效应。论文第六章主要进行通氧除水处理,研究了玻璃中不同OH-根含量对Er3+离子掺杂的TeO2-ZnO-La2O3（TZL）碲酸盐玻璃和Bi2O3-B2O3-GeO2-Na2O（BBGN）铋酸盐玻璃光谱性质影响的比较。通过红外光谱的测试,计算了OH-根离子的浓度。随着通氧时间的增加,玻璃中OH-根离子浓度下降,导致Er3+离子的4I(13/2能级的荧光寿命和荧光强度相应增加。比较了碲酸盐和铋酸盐玻璃中OH-根与Er3+离子之间的相互作用参数KOH-Er,发现在相同的通氧除水时间处理下,碲酸盐玻璃的相互作用参数要小些。论文第七章主要进行了碲铋组分组合的新型宽带玻璃研制,研究了Er3+/Yb3+共掺TeO2-Nb2O5-Bi2O3（TNB）玻璃中Nb2O5组分含量的变化对Er3+离子光谱性质的影响。随着Nb2O5组分含量的增加,Er3+离子的光学强度参数Ωt（t=2,4,6）呈现出先增大后减少趋势。在TNB玻璃系统中Er3+离子有较大的FWHM×σe参数值,优于Er3+离子掺杂的硅酸盐和磷酸盐玻璃,且具有较好的热稳定性,因此有可能成为制备宽带掺铒光纤放大器的潜在基质材料。最后是本文的结论部分,概括了全文创新性理论及实验研究结果,同时指出了存在的不足以及需要改进的地方。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 掺铒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 掺铒光纤放大器（EDFA）的研究与发展
• 1.3 现代大容量通信系统对掺铒光纤放大器的要求
• 1.3.1 掺铒光纤放大器（EDFA）研究现状
• 1.4 稀土离子掺杂激光玻璃概况
• 1.4.1 稀土离子掺杂激光玻璃材料特点
• 1.4.2 掺铒宽带基质玻璃材料研究进展
• 1.5 本论文的研究目的及思路
• 1.5.1 本论文的研究内容
• 1.5.2 本论文的研究思路
• 1.5.3 本论文的研究目的及意义
• 2 光谱理论部分
• 2.1 Judd-Ofelt 理论
• 2.2 McCumber 理论
• 2.3 无辐射跃迁机理
• 2.3.1 能量转移和浓度猝灭
• 2.3.2 无辐射跃迁中声子的作用
• 3+)/Ce³⁺共掺TeO₂-ZnO-La₂O₃玻璃光谱性质研究'>3 Er³⁺)/Ce³⁺共掺TeO₂-ZnO-La₂O₃玻璃光谱性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 玻璃样品的制备
• 3.2.2 玻璃样品的测试
• 3.3 结果与讨论
• 3+离子在碲酸盐玻璃中的吸收光谱'>3.3.1 Er³⁺离子在碲酸盐玻璃中的吸收光谱
• 3.3.2 荧光光谱
• 3.3.3 能量转移效率
• 3.4 小结
• 2O₃对掺铒Bi₂O₃-GeO₂-Ga₂O₃-Na₂O 玻璃光谱性能的影响'>4 B₂O₃对掺铒Bi₂O₃-GeO₂-Ga₂O₃-Na₂O 玻璃光谱性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 玻璃样品的制备
• 4.2.2 玻璃样品的测试
• 4.3 结果与讨论
• 4I_11/2能级激发态吸收及抑制'>4.3.1⁴I_11/2能级激发态吸收及抑制
• 3+离子⁴I_13/2能级量子效率及荧光光谱'>4.3.2 Er³⁺离子⁴I_13/2能级量子效率及荧光光谱
• 4.3.3 荧光有效线宽
• 4.4 小结
• 5 掺铒铋酸盐和碲酸盐玻璃的荧光俘获和浓度猝灭效应
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 玻璃样品的制备
• 5.2.2 玻璃样品的测试
• 5.3 结果与讨论
• 3+的4113/2能级荧光光谱和荧光寿命'>5.3.1 Er³⁺的4113/2能级荧光光谱和荧光寿命
• 3+的能量转移'>5.3.2 BBGN 和TZL 玻璃中Er³⁺的能量转移
• 5.4 小结
• 6 OH-对掺铒碲酸盐和铋酸盐玻璃光谱特性的影响研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 玻璃样品的制备
• 6.2.2 玻璃样品的测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 红外透射光谱
• 3+离子的荧光光谱和荧光寿命的影响'>6.3.2 OH-根对Er³⁺离子的荧光光谱和荧光寿命的影响
• 3+的荧光衰减特性'>6.3.3 Er³⁺的荧光衰减特性
• 6.4 小结
• 3+/Y6³⁺共掺TeO₂-Nb₂O₅-Bi₂O₃玻璃光谱性质的研究'>7 Er³⁺/Y6³⁺共掺TeO₂-Nb₂O₅-Bi₂O₃玻璃光谱性质的研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验
• 7.2.1 玻璃样品的制备
• 7.2.2 玻璃样品的测试
• 7.3 结果与讨论
• 3+的吸收光谱及J-O 理论分析'>7.3.1 TNB 玻璃中Er³⁺的吸收光谱及J-O 理论分析
• 7.3.2 荧光光谱和发射截面
• 7.3.3 玻璃的热稳定性
• 7.4 小结
• 8 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢