L+波段光放大用掺铒磷酸盐玻璃及光纤的研究

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在最近几十年间,长距离光纤通信技术实现了巨大的突破,如何进一步扩大通信容量一直都是该领域的一个重点研究问题。特别是在1450 nm到1650 nm波长区域,由于传统的掺铒光纤放大器(EDFA)以石英为主要增益介质,其稀土离子掺杂浓度低、较小的增益带宽等问题极大地限制了通信技术的进一步发展。与此同时,随着基础工业和集成光学的高速发展,高增益、低成本、小尺寸的光纤放大器逐渐受到人们的青睐,在民用和军用领域都有着广泛的应用。因此,探求一种新型高增益、宽带宽的基质玻璃对于光纤通信领域及光纤放大器的发展都具有重要意义。磷酸盐玻璃光纤与传统石英光纤相比,其因为稀土掺杂浓度高、单位长度增益大因而便于集成化、形成范围大且光谱性质易于控制的优点,受到了各国光纤研究机构的重点关注。本论文将L+波段(1600 nm到1630 nm)光放大用掺铒磷酸盐玻璃作为研究对象,以拓宽掺铒磷酸盐玻璃在L+波段荧光带宽为目的,分析了掺铒磷酸盐玻璃的光谱性能。并通过改变玻璃组分的方法对掺铒磷酸盐玻璃的抗析晶性能进行提升,以保证光纤的成功拉制。本论文使用传统熔融法制备了Al2O3-Ba O-Na2O-Li2O-P2O5-Er2O3(B系列)体系的掺铒磷酸盐玻璃,详细研究了B系列玻璃中不同含量Ba O取代P2O5对掺铒磷酸盐玻璃在L+波段(1600-1603 nm)光谱性能的影响规律。通过比较归一化的荧光光谱发现,随着Ba2+含量的增加,L+波段的平坦度逐渐提升,当Ba O引入量分别为28 mol%(B28)、31 mol%(B31)时,其在L+波段的平坦度相近且优于其他样品。通过拉曼光谱对比分析对玻璃结构变化做出了解释,随着Ba2+含量的增加,构成磷酸盐玻璃的主要基团由磷氧四面体Q~2转变为~1Q,Er3+局域环境发生显著改变,致使不同Ba2+含量的样品在L+波段的光谱性质迥异。在B系列玻璃基础上外掺B2O3提升玻璃的抗析晶性能,并用Zn O替换Ba O对玻璃地抗析晶性能和光谱性能改进,得到了Al2O3-Zn O-Na2O-Li2O-P2O5-Er2O3(Z系列)体系的玻璃。通过析晶实验对不同Zn O含量的玻璃样品进行热处理,结合差热分析,证实了Zn O含量为28 mol%的玻璃(Z28)抗析晶性能最佳。此外,将Z28与B28玻璃的光谱性质进行对比,证实了Z28玻璃在L+波段的放大性能同样优于B28玻璃。以Z28玻璃为纤芯组分设计包层组分并制备光纤,芯包折射率差为0.005,光纤的数值孔径约为0.125。通过光纤的荧光光谱测试证实了该磷酸盐光纤在L+波段的增益明显高于石英光纤。本工作在玻璃制备过程中创新性地使用了石英玻璃坩埚以及石墨模具,在磷酸盐玻璃除水流程及退火处理中发挥了重要作用,对于磷酸盐玻璃的制备具有一定的指导意义。该项工作成功制备了用于L+波段光放大的掺铒磷酸盐玻璃及光纤,同时确保了玻璃具有优异的光谱性质以及成纤性能,对高性能光放大材料的设计与制备提供了重要参考。
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