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摘要2 0 0 4 掺铒多组份氧化物玻璃的制备及其光谱性质研究 邹快盛 导师：陆敏 摘要 光放大材料是光放大器的重要组成部分，它决定光放大器的光放大功率及平 坦增益带宽。本文介绍了掺铒离子多组份氧化物玻璃的制备方法及其光放大原理 包括影响其光放大作用的各种因素，如e r 3 + 的浓度猝灭，玻璃基质中e 一的溶解 性及其在1 5 0 0 r i m 增益波段的跃迁强度及增益带宽。 本文用高温熔融法制备了e r 3 十单掺和e f 3 + ：y b 3 + 共掺系列的锂硅酸盐 ( s i 0 2 a 1 2 0 3 一l i 2 0 ) 玻璃，测定了该e r ”：y b 3 + 共掺系列锂硅酸盐玻璃的吸收光谱 和荧光光谱。在室温下，用9 7 6 n m 半导体激光器泵浦这些掺铒玻璃，当e 一的浓 度为2 4 1 1 0 2 0 个c m 3 ( o 5 m o i ) ，y b 3 + 的浓度为2 1 7 x 1 0 2 1 个c m 3 ( 4 5 m 0 1 ) 时 该掺铒玻璃( e y - 6 ) 在1 5 5 0 n m 波段实现强的荧光发射，中心波长为1 5 3 9 9 # m ， 荧光半宽高( f w h m ) 为5 7 4 r a n 。进行了l i + - n a + 离子交换实验，并用j u d d o f e l t 理论计算了该玻璃( e y - 6 ) 的强度参量鲰( 硗，4 ，6 ，给出了铒离子的光谱特性 的计算结果。 研究结果表明，锂硅酸盐玻璃系统能接受较高的e r 弘、y b “掺杂率，获得的 e y - 6 玻璃有较宽的荧光线宽，有较佳的离子交换性能，是掺铒梯度折射率光放大 掺铒多组份氧化物玻璃的制备及其光谱性质研究邹快盛 器用理想的候选材料。 关键词：e r 3 + ；氧化物玻璃；光谱性质；梯度折射率；j u d d o f e l t 参量 i i 摘要2 0 0 4 p r e p a r a t i o n a n d o p t i c a ls p e c t r o s c o p y o f m u l t i - c o m p o n e n t o x i d e g l a s s e s d o p e d w i t he r 3 + i o n s k u a i s h e n gz o u ( o p t i c s ) d i r e c t e d b y ：m i nl u a b s t r a c t m a t e r i a l sw i t h l i g h ta m p l i f i c a t i o n i sam a i n p a r t o fl i g h t a m p l i f i e r , w h i c h d e t e r m i n et h ep o w e r e f f i c i e n c ya n d f l a tg a i nb a n d w i d t ho f l i g h ta m p l i f i e li nt h i sp a p e r t h em e c h a n i s mo f l i g h ta m p l i f i c a t i o na n dt h ep r e p a r a t i o nb a s e do i lm u l t i c o m p o n e n t o x i d eg l a s sd o p e dw i t he d + i o n sh a v eb e e nr e v i e w e d ，i n c l u d i n gt h e f a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ee f f i c i e n c yo f l i g h ta m p l i f i c a t i o n ，s u c ha sc o n c e n t r a “o nq u e n c h i n gf o r e r 3 + ，s o l u b i l i t yo fe d + i o n si nm u l t i c o m p o n e n tg l a s s e s ，t h e4 1 1 3 2 ，4 i 】mt r a n s i t i s t r e n g t h sa n db a n d w i d t h sf o re ? + d o p e d g l a s s e si n15 5 0 n mg m n i n g b a n d h i g h e r b i u m d o p e dm u l t i - c o m p o n e n to x i d e g l a s s e s a n d y b 3 + _ e r 3 + c o d o p e d l i t h i u ms i l i c a t eg l a s sf o ro p t i c sa m p l i f i e r sw e r ef a b r i c a t e db yt h et e c h n i q u eo f h i g h t e m p e r a t u r em e l t i n g a b s o r p t i o nf r o mt h e4 1 1 5 ，2g r o u n ds t a t e ，e m i s s i o ns p e c t r au n d e r t h ee x c i t a t i o no f9 7 6 n ml a s e rd i o d eh a v eb e e n p e r f o r m e da tr o o mt e m p e r a t u r eo nt h e s e m a t e r i a l s t h ei n t e n s ee m i s s i o np e a ki sl o c a t e da t 1 5 3 9 9 z m ，a n dt h ef u l l w i d t ha t h a l f - m a x i m u m ( f w h m ) i s 5 0 n m ，c o r r e s p o n d i n g t ot h e4 3 2 + 4 1 1 5 ，2t r a n s i t i o no ft h e e r pi o n ，w h e nt h ee ，+ ：y b 3 十一d o p e dc o n c e n t r a t i o na r e2 42 10 2 。i o n s c m 3 ( o 5 m 0 1 1 1 1 掺铒多组份氧化物玻璃的制备及其光谱性质研究邹快盛 a n d2 1 7 x 1 0 2 1i o n s c m 3 ( 4 5 m 0 1 ) ，r e s p e c t i v e l y l i + - n a + i o ne x c h a n g ee x p e r i m e n to n e y - 6g l a s si n d i c a t et h eg l a s sh a s p e r f e c ti o ne x c h a n g ec a p a c i t y o s c i l l a t o rs t r e n g t h s m e a s u r e df r o mt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ah a v eb e e na n a l y z e du s i n gt h ej u d d o f e l tt h e o r y t oe v a l u a t et h et h r e e i n t e n s i t yp a r a m e t e r sq 2 ，4 ，6 ) ，t h e i n f r a r e dl u m i n e s c e n t p r o p e r t y o fe r 3 + h a v eb e e nc a l c u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tl i t h i u ms i l i c a t eg l a s s ( e y - 6 ) i sa na t t r a c t i v em a t e r i a lf o r 1 5 5 # mg r a d i e n t r e f r a c t i v ei n d e x o p t i c a la m p l i f i e r s ，b e c a u s e i te x h i b i t sa h i 曲 s o l u b i l i t yf o re a n d y b 3 + i o n w i d e - b a n d t e n a b i l i t y , s u p e r i o ri o ne x c h a n g ec a p a c i t y k e y w o r d s ：e r b i u mi o n s ；o x i d eg l a s s e s ；s p e c t r o s c o p y ；g r a d i e n tr e f r a c t i v ei n d e x ； j u d d o f e l t p a r a m e t e r s 第一章引言2 0 0 4 第一章引言 掺杂e r ”离子( 4 1 电子结构) 的材料，可以用来制作激光激活介质和红外 到可见光的上转换材料，多年以来受到人们的广泛关注【卜8 1 。掺铒光纤放大器 ( e d f a s ) 的出现给全光通讯带来了历史性的发展机遇，它能对石英光纤的最低 损耗波段( 1 5 5 0 n m 波段) 的光信号实现有效放大，无疑是自然界的一大奇迹。 1 1 掺铒光纤放大器的发展 纵观最近十年的长距离通讯，它已从开始的单一信道低比特率发展到高达 4 0 g b i t s 速度的多信道系统。这种带宽的迅速膨胀是靠不断地榨取e d f a 之外的带 宽获得的。而且为了避免光纤的非线性损伤，e d f a 增益带宽以外的增益必须平 坦，即要求对于一个2 5 d b 的增益在整个增益范围内的增益平坦度 o 5 d b 。为了 达到此目的，在增益平坦技术中引入宽带宽、高效率增益的掺铒材料。 e r 3 + 离子的增益波段虽然能从1 5 3 0 n m 延伸到1 6 0 5 r i m ，但它还无法在单根光 纤中得以实现。通常是把c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 0 r i m ) 的e d f a 和l 波段( 1 5 7 0 1 6 0 5 n m ) 的放大器级联起来使用。c 波段优化的材料用于l 波段时效果并不好 因此不同增益波段的放大器最终选择材料的组分也有所不同。 e d f a 的增益谱取决于增益介质的粒子数反转情况，而粒子数反转情况又与 光纤的长度、泵浦功率、信号光功率有关【”。图1 1 表明了增益随粒子数反转的 变化情况。在粒子数低反转的状况下，掺铒光纤在1 4 0 0 - - 1 7 0 0 n m 这一波段基本 掺铒多组份氧化物玻璃的制备及其光谱性质研究邹快盛 上为损耗( 负增益) ，而仅在此波段的红端有极小的增益。随着反转粒子数的增加 正增益波段向短波长方向移动。我们还能看到波长越短，增益变化的速率越快。 主 。 茎。 旨 烹 瓯 毅 v 。 i n c r e w , i r g 1 4 , 0 01 4 5 01 9 0 0t 蜘1 6 1 6 5 , 0】謦0 d l 坩垤k n 母hf m 脚 圈1 1e d f a 增益谱形状随粒子数反转情况变化图 这种现象称为增益失衡，当放大器在偏离其设计点运行时，放大器的性能就会降 低很多。 掺铒光纤放大器的发展过程如图1 2 所示，常规波段( 通常称为c 波段) 位 于与增益峰值接近的波段范围内，这一波段从1 5 3 0 n m 一直延伸到1 5 6 2 n m ，也可 铀m 脚b o f 删h ”d 靠t 3 2 n m e 目删e dc b 日r 划 t h l t l 4 bn m s 畔抽m ：lf c + l 】 吐= b 4n m e 蜘n o d 8 0 m 螗n d 矗、t n m i n k _ r m e d d 恒b e n d a 2 t - 6 0 m n 图1 2 掺铒光纤放大器增益波段发展变化图 以通过调整玻璃的组分增加这一波段的带宽，c 波段放大器的粒子数反转水平为 0 , 6 0 6 5 ；长波段( 通常称为l 波段) 位于增益谱长波长一端的尾峰，这一波段 2 第一章引 言2 0 0 4 放大器的反转粒子数水平为0 4 ，且增益相当平坦，当调整基质材料的组分时可以 延伸这一波段。曾经有人提出运行在中等粒子数反转的状况、横跨c 波段和l 波 段的中间波段，但在实际应用时由于这一波段的增益波动较大，导致这一波段并 不存在。 1 1 1 c 波段e d f a s c 波段的e d f a s 是指运行在1 5 3 0 n m 1 5 6 0 n m 波长范围内的掺铒光纤放大 器，放大器设计人员设计这样的带宽主要基于以下因素考虑： ( 1 ) e r 3 + 离子在基质玻璃材料中的本征谱 ( 2 ) 生产具有特定深度和斜率的增益平坦滤波器的能力 ( 3 ) 可用的泵浦源。 因此希望放大器用基质玻璃有较宽的带宽、较平坦的增益，以减少滤波器的 数量，降低泵浦功率。c 波段的e d f a 最初设计为单波长运行，后来才发展到在 铒离子的增益峰值1 5 3 2 n m 波长范围内( 即1 5 5 0 h m 波段) 运行，在这一波段单 模光纤的损耗最小1 0 m j 。 第一根掺铒光纤的制造来源于锗硅酸盐基质玻璃，这种玻璃的性能类似于传 输用的石英光纤，然而，这种基质玻璃的c 波段的谱线非常窄，且易于发生严重 的浓度猝灭效应【1 3 】，因此后来选择铝掺杂锗硅酸盐玻璃替代了这种材料f 1 4 】。铝硅 酸盐放大器无需滤波的带宽为1 8 t m a ”。”，当适当地选择增益平坦滤波器时，这 掺铒多组份氧化物玻璃的制备及其光谱性质研究邹快盛 种玻璃材料在c 波段的增益带宽可达到3 2 n m ，在此带宽范围内，约4 5 d b 的滤 波深度就可使2 6 d b 增益的长距离光放大器的增益平坦化1 2 0 2 2 】。 基于z b l a n ( z r f 4 - b a f 2 一l a f 3 - a 1 f 3 n a f 3 ) 组成的氟锆酸盐光纤曾被作为无 需滤波器的宽带e d f a 最好的材料，这种材料的增益平坦度非常好。b a y a r t 等2 3 】 的实验获得了增益波动不超过5 的2 5 n m 带宽，这一提高超过了铝硅酸盐的5 0 ， 三个类似这样带宽的放大器级联，能达到1 2d b 的平坦增益，而这是数个石英基 质e d f a 级联也无法达到的结果。 在c 波段，氟锆酸盐光纤仍然是增益最为平坦的材料，然而它的有用带宽也 仅是前面提到的2 5 r i m ，虽然通过混合铝硅酸盐放大器，其增益带宽可以扩展到2 8 n l n 2 5 1 ，很明显通过改变放大器的结构，使用增益平坦滤波技术，使得这种材料 的优势并没有发挥出来，因而掺铒氟锆酸盐光纤放大器在商业运作上并不成功。 1 1 2 l 波段e d f a s c 波段增益带宽最大的限制在于增益平坦滤波器都难以对付的增益波动，一 般增大带宽的方法是使用分立波段( s 波段) 结构。在这种结构中放大器放大两 不同波段的信号，每一波段的增益平坦度和噪声指数依次得到优化。据介绍l 波 段放大器的这种性质与c 波段的差异还是比较大的，这是因为l 波段放大器的 增益比类似带宽的c 波段放大器增益更为平坦，但问题是l 波段的增益系数较 低，c 波段放大的自发性辐射( a s e ) 会产生自饱和很低的效率，最终由于信号光 4 第一章引言1 2 0 0 4 的激发态吸收( e s a ) 限制了增益带宽。 较低的增益系数又会使放大器的设计长度增加，从而导致l 波段e d f a 产生 非线性问题【“1 ，因此l 波段应用的高浓度铒光纤容易产生一定的非线性损伤， 况且很高的e r ”离子浓度会导致离子之间的浓度猝灭效应，这对光放大效应是非 常不利的，同时还会增加猝灭位置的能量转移，因此搞清楚高掺杂稀土离子浓度 光纤的损耗机制，l 波段的放大器比c 波段放大器更加重要。 l 波段e d f a 于2 0 世纪9 0 年代初发明【2 7 l 之后，曾一度沉寂多年，主要是因 为c 波段放大器在效率和带宽上都有极为优异的性能，后来仅仅是因为担心c 波 段的带宽很快就要耗尽，使得科学家们重新开始研究l 波段的放大器。 4 4 l 帅 i 掣： 4 l 毗 圈1 , 3e r 3 + 离子激发态吸收能级图 g a 遮 1 5 0 0 - 1 6 2 0 咖 l 波段的带宽问题并不是因为增益波动，而是因为e r 3 + 离子从4 ，1 3 t 能级4 1 92 掺铒多组份氧化物玻璃的制备及其光谱性质研究邹快盛 能级之间跃迁，从而产生对信号光的激发态吸收( 如图1 3 所示) 激发态吸收的峰 值位于1 6 9 0n m 附近，它的很宽的尾峰一直向短波长方向延伸，在掺铝硅基e d f a 光纤中，这种激发态吸收的短波长尾峰会影响l 波段1 6 0 5n m 以上波长的增益。 然而，在碲酸盐和锂硅酸盐中，波长范围是能达到1 6 2 0a m 的，由此在这些材料 中产生的增益带宽将比掺铝硅基e d f a 大l5 n m 。 1 1 3 s 波段e d f a s s 波段放大器的研究包括两个阶段，第一阶段是在2 0 世纪9 0 年代初硅基 e d f a 获得突破不久以后，基于铥掺杂光纤放大器所做的大量研究：第二阶段是 最近几年又开始研究的所谓的增益位移型掺铥光纤放大器放大1 5 7 0 1 6 0 0 n m 波段，它与普通的e d f a 组合起来可以得到带宽约8 0 r i m 的宽带放大器。 图1 4t m 3 + 离子能级图 铥离子的能级图如图1 4 所示，在增益波段( 1 4 5 0 1 5 2 0 h m ) 的有效能级跃 6 第一章引言2 0 0 4 迂为3 f 4 3 h 4 ，它的光谱与e r 3 + 离子完全不同，它的跃迂并不会中止于基态，面 是中止于自身有较长的亚稳念寿命的高能级。由于更容易向3 h ，能级和3 h 6 能 级跃迁，前一种跃迁趋势要求基质光子能量低，而后一种跃迁趋势要求有一个能 维持高基态粒子数的泵浦方案。考虑到分支比问题，8 0 0 ，1 4 6 0 ，和2 3 0 0n m 波长 跃迁的分支比为0 8 9 ，0 0 8 和0 0 3 ，3 h 4 能级长的荧光寿命使得正常泵浦条件下 的跃迁自动中止。因此必须想法减少低能级的粒子数，增加高能级的反转粒子数， 早期的研究者们研究了几种成功的方案，所选择的基质玻璃为z b l a n 氟锆酸盐 玻璃，其3 f 。能级的荧光寿命约为1m s ，3 地能级的荧光寿命约为1 0m s 。 现行最简单的激发方式是1 0 6 0n m 上转换泵浦方案，这种方案1 0 6 0 t l i i l 波长 的基态吸收非常弱，且离子从3 h 4 能级到3 f 2 能级跃迁吸收非常强，因此这种方 案克服了这两个与跃迁相关的问题，弱的基态吸收使得很少量的离子被激发到高 能念，而强的介质吸收使得跃迁到上能级的反转粒子可以很快地反复跃迁，况且 通过小型y a g ( 钇铝石榴石) 激光器或高功率n d 掺杂光纤激光器很容易获得 稳定的1 0 6 0t l i l l 波长的激光。 p e r c i v a la n dw i l l i a m s 2 8 1 利用1 5 5m w 的发射泵浦源在从1 4 5 3 n m 到1 4 8 8 n m 的3 5n i l l 带宽范围内获得了超过1 8d b 的峰值增益。在数值孑l 径为0 4 的单 根光纤中实现了0 2 5d b m w 小信号增益系数，k o m u k a i 等【2 9 | 和r o s e n b l a t t 等1 3 0 1 获得了类似的结果。 掺铒多纽份氧化物玻璃鲍制备及其光谱性质研究邹快盛 另外一种现在重点考虑的泵浦方案是利用7 9 5n m 二极管激光器直接激发3 f 4 能簇，主要是因为它可以利用二极管激光器泵浦。然而还存在两个问题，一是 8 0 0n i t l 波长的放大的自发辐射( a s e ) ，二是跃迁自终止问题。在t d f 中掺进 钬离子( h 0 3 + ) 作为接收离子，具体原理如图1 5 所示。这样，处于激发态的3 f 4 能级上t m 3 + 的能量会转移到接收器离子( h 0 3 + ) 的5 1 7 能级。从而使3 f 。能级上的 粒子被迅速抽空。h 0 3 + 作为一种最有效的接收器离子是因为它能显著的减少3 f 4 能级的荧光寿命，而对3 h 4 能级荧光寿命的减少却很小。有报道显示，当在掺t m 3 + 浓度为0 5 w t 的z r f 4 氟基t d f 中共掺杂1 w t 的h 0 3 + 3 f 4 能级的荧光寿命从1l m s 减少到1 2 m s ，而3 h 4 上能级荧光寿命却只有轻微从1 7 m s 减少到1 5 m s 。从而可 以形成有效的粒子数反转。 t m 3 h o 卜 图1 5 铥钬共掺原理图 5 如 一 3 1 4 5 1 5 5 工6 5 1 7 5 1 8 弧 弧 他 第一章引言2 0 0 4 1 2 掺铒梯度折射率材料及器件 v r 3 + 掺杂光纤放大器( e d f a s ) 的出现对光纤通讯系统的发展产生了巨大的 影响，自从e d f a 于1 9 8 7 年首次进入商用以来，它就成为长距离光纡通讯的关 键元件，而且它的应用使得光纤通讯系统的容量至少增加了两个数量缴( 从 1 0 3 g b i t s k m 到1 0 5 g b i t s k i n ) 。然而，随着全光网络的发展，下一代光网络业务 模式将由静态向动态发展，新型环形结构的光城域网和光纤接入网对光放大器的 要求将不同于长距离点对点式结构通讯网络。例如，城域网中光信号传输距离较 短，它们所需要的增益比长距离通讯系统要小得多。相反，光城域网内大量的元 器件进行开关、复用解复用、上下信号等引起的信号衰减，光城域网内大量的节 点处的连接器及光纤之间的绞结与接续引起的信号衰减却比长距离通讯大很多。 因此，光城域网内总的节点损耗占总损耗的绝大部分，而由于距离引起的传输损 耗则占很小的一部分。在新型动态配置光分插复用城域网和光纤接入网中，大量 节点的存在意味着为了补偿这样的节点损耗需要大量的光放大器。因此，光放大 器在光城域网( 局域网) 和光纤接入网将有巨大的应用潜力。然而，普通的掺铒光 纤放大器由于体积庞大、价格昂贵而不适合用在这里。 梯度折射率激光材料是种新型光放大器材料，它集梯度折射率材料和激光 材料的特性于一身，其透镜不仅具有梯度折射率棒透镜的聚焦性能，而且在合适 的泵浦光的作用下，对1 5 5 0 n m 或1 3 1 0 n m 波段光信号具有非谐振放大作用，是 掺铒多组份氧化物玻璃的制备及其光谱性质研究邹快盛 光纤通信领域全光通信中光信号放大的理想材料。用这种材料做成的仅几厘米长 的具有有效增益的自聚焦微透镜替代常觑e d f a s 内大量的环形光纤，将会使光放 大器的结构更简单而且经济实用，这对目前的光放大器的发展将是一个重大突破。 梯度折射率激光材料及透镜的研究目前还未见报导。但是，梯度折射率透镜 在光纤通信领域，由于它的耦合及对接效率高已得到了广泛的应用。由梯度折射 率激光玻璃材料制成的透镜用于全光通信中的光信号放大器，其原理如图1 6 所 示，在激光材料中，由于受激发射前后两部分光波具有相同的频率和相位，因此 杯发折射率掺舛材料 系浦光1 一 信号，慨2 唧嫦，它1 焉研对色2 图1 6 梯度折射率掺铒材料光放大原理图 在掺铒梯度折射率透镜中，被放大的光波仍按原光线的正弦轨迹运行。当这种透 镜的长度为 l = n p 2 ( 式中：n 为自然数，p 为自聚焦透镜的周期长度)( 卜1 ) 时，光波到达透镜的另一端面时可实现聚焦，并实现与光纤的直接耦合。从而达 到光信号的放大及聚焦功能。这神掺铒微透镜与常规掺铒光纤相比具有如下特点： ( 1 ) 光程较短( 掺铒光纤放大器光纤长2 1 0 m ，掺铒梯度折射率透镜长0 0 4 o 1 m ) ，使得系统结构简单 i o 第一章引言2 0 0 4 ( 2 ) 制作该透镜所选择的多组份氧化物玻璃系统的铒离子掺杂浓度较高( 常规掺 铒光纤掺杂浓度为6 0 0 p p m ，多组份氧化物玻璃的掺杂浓度可达3 x 1 0 4 p p m ) 单位长度增益较大 ( 3 ) 根据梯度折射率材料的传光特性，自发辐射极少能耦合入光纤，因此噪声小： ( 4 ) 泵浦和信号光纤位置不相交，易实现正向、逆向端面泵浦 ( 5 ) 可与光纤实现直接对接和耦合，无需另加光准直器 ( 6 ) 易于实现对双向传输光信号的放大。 因此，这种材料将有重大的应用价值。尤其是随着全光网络的发展，在光城 域网( 局域网) 、光纤接入网等要求光放大器小型化、低嗓音、更经济、更好的稳 定性的地方，这种材料将是最佳选择。由这种材料做成的掺铒梯度折射率微