掺稀土离子磷酸盐的研究Word文档格式.docx
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Gainofopticalfiberusingthetypeofmatrixmaterial,theuseofdifferenttypesofmatrixmaterialsontheperformancegain。
Er3+/Yb3+co-dopedphosphateglassfiberpreparationexperiments,phosphateglasseshavebeentheabsorptionspectrum,gainanalysis.
关键词:
磷酸盐、基质材料、增益分析、拉丝工艺、原理机制、Er3+/Yb3+、
Keywords:
phosphatesalt、Matrixmaterial、GainAnalysis、Wiredrawingprocess、Er3+/Yb3+
目录
摘要
Abstract
目录I
第一章绪论3
1.1引言3
1.2国内外的发展现状及趋势4
1.3EDFA增益放大的机理4
1.4本论文的研究目的、意义与内容4
1.4.1研究的目的与意义5
1.4.2研究内容5
第二章Er3+、Yb3+的能带理论和基质材料............................................................8
2.1Er3+的电子结构、Yb3+的敏化...............................................................................8
2.1.1Er3+的电子结构........................................................................................................8
2.1.2Yb3+的敏化9
2.2豫振荡时的变化情况....................................................................................10
2.2.1豫振荡时Er3+上能级粒子数的变化情况10
2.2.2豫振荡时功率的变化情况11
2.3激光基质材料11
2.3.1稀土元素掺杂铌酸锂基质材料11
2.3.2稀土元素掺杂玻璃基质材料11
2.3.3Er,Er-Yb共掺杂氧化铝(Al203)薄膜基质材料...............................................11
2.3.4稀土元素掺杂有机聚合物基质材料.................................................................12
第三章掺稀土离子磷酸盐玻璃光纤的制备和增益分析13
3.1Er3+/Yb3+共掺的磷酸盐玻璃基质材料的制备13
3.1.1实验原料及设备13
3.1.2制备过程13
3.2增益测试14
3.2.1结果分析与讨论......................................................................................15
3.3铒/镱共掺的磷酸盐玻璃的增益分析.........................................................16
3.3.1Er3+/Yb3+离子的掺杂浓度对光纤增益的影响..............................................16
3.3.2量子转换效率与增益之间的关系........................................................................17
第四章光纤的拉丝工艺与缺陷的分析23
4.1.制备光纤预制棒的方法..................................................................................23
4.1.1OVD法23
4.1.2VAD法23
4.1.3PCVD法23
4.1.4其他制备法..............................................................................................................24
4.2预制棒的拉丝工艺24
4.3溶酸法制备光纤25
4.3.1酸溶机理25
4.3.2酸溶法光纤传像25
4.4光纤缺陷形成的原因...............................................................................................26
4.4.1玻璃材料................................................................................................................26
4.4.2拉丝工艺................................................................................................................26
4.4.3环境条件................................................................................................................27
结论27
参考文献28
致谢30
第一章绪论
1.1引言
引言
随着计算机网络和其它数据传输服务的飞速发展,长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀,光纤接入网以其标准化、综合化、宽带化、数字化等先进的特性,迅速在全国得到普及应用,未来的光纤网络的发展将聚会有源、无源网络的优势的纵深方向发展[,具有体积小、效率高、增益高、频带宽、噪声低、稳定性好、连接耦合损耗低、价格低、及其偏振不敏感等诸多优点的掺Er3+有源玻璃光纤及其放大器在现代光纤通信中的作用日渐显著。
而传统的掺Er3+石英光纤放大器由于其较小的增益带宽(30nm)已不能满足高速大容量信息传输的要求。
当前,锁模技术虽然也引起了很大重视,但这种系统的平均能量较低,而磷酸盐激光玻璃材料可以实现大的能量输出。
为了获得带宽,增益平坦的掺Er3+光纤放大器,满足波分复用(WDM)系统的发展要求,各国研究者都在寻找新的掺Er3+玻璃基质材料[1]。
磷酸盐玻璃,特别是氟磷酸盐玻璃,具有较好的化学稳定性和热稳定性、较低的声子能量、较宽的红外透过性能和大的非均匀展宽特性,使其成为很有前景的实现宽带高增益放大掺Er3+玻璃的理想介质材料,磷酸盐玻璃对Er3+离子溶解度可以到达几十万ppm,单位长度增益高。
因此,人们做了很多工作来研制新的光纤放大材料,其中掺Er3+磷酸盐玻璃因具有较大的受激发射截面,高的稀土可溶性,良好的化学稳定性。
因此,掺稀土离子的磷酸盐玻璃光纤受到越来越多研究者的青睐。
磷酸盐玻璃是一种非常具有吸引力的基质材料.这是因为它不同于氟化物和硅基材料,它几乎融合了所有需要的优良特性,例如:
可以用于离子交换、增益高、可调谐带宽、上转换损耗低。
此外磷酸盐玻璃还展示出了较高的对稀土离子的可溶解性,这就意味着我们可以在一个较小的放大器装置中掺进高浓度的激活离子,产生较强的输出信号。
但由于Er3+吸收使一半以上的粒子反转积聚到上能级是很困难的.因此需要掺人敏化剂Yb3+。
Yb3+和Er3+的半径非常相近,Er3+、Yb3+之间小的间隔提供了一个非常有效的间接抽运的机理[2~3]。
在掺人Yb3+时,可允许掺人高浓度的Er3+,并且,Yb3+的吸收截面比Er3+使得对Er3+运的效率大大提高:
同时一般掺入Yb3+浓度要比Er3+高1~2个数量级,可以认为每个Er3+的周围被几个Yb3+包围。
消除了来自Er3+能级的离子成对现象引起的浓度淬灭效应:
另外Yb3+在830~1100nm之间有很宽的光强的吸收带,这使得对抽运波长的选择性增加:
同时Yb3+发射谱和Er3+的吸收谱之间的重叠较大.这也使得从Yb3+到Er3+能量转换更有效[4]。
1.2国内外的发展现状与趋势
1987年,英国南安普敦大学和美国AT&
TBell实验室发表了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55μm波长处的光增益的报道,这标志着掺铒光纤放大器(EDFA)的研究取得突破性进展.短短几年时间,EDFA迅速走向实用化,并且在越洋长途光通信系统中得到应用.这期间由于光纤放大器的问世,在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量提高了整整一个数量级,而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间.这表明了光放大器的巨大作用,也为光纤通信展现了无限广阔的发展前景[5]。
在1999年Kigre公司通过对铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤的研究制的能使光纤的单位增益3dB/cm,这使得为光纤在通信方面的应用的更紧一步的发展。
2001年铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤长度3.6cm,信号增益18dB亚利桑那大学光学中心。
同一年里,Kigre公司MM-2铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤长度4cm,信号增益20dB/cm.。
2003年南安普敦大学制的了高功率可调谐铒/镱共掺光纤激光器,980nm抽运,输出可调谐范围1533~1600nm,输出功率6.7W。
美国NPPhotonic公司在2002年报道了用掺Er3+磷酸盐玻璃光纤放大器的增益,噪声等特性,采用的光纤参数为:
铒离子参杂浓度3.5%(质量分数),纤芯直径为5um,光纤数值孔径0.2,光纤放大器的增益,噪声,信号饱和功率等性质的进行了研究。
他们在71mm长的磷酸盐玻璃光纤获得了21dB的增益,单位长度增益为3dB/cm.2004年美国高级计划研究署得到了高功率单频窄带铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤输出信号波长1552nm,芯径30μm,输出功率83W[7~8]。
国内华南理工大学光通信材料研究所采用独创的空心管法浇制的了多组分玻璃光纤预制棒,在此基础上率先在国内研制出高浓度铒/镱共掺磷酸盐光纤(纤芯直径7um,数值孔径为0.2)。
利用980nm半导体激光器抽运长度为1.5cm磷酸盐光纤,在1.5um的通信窗口对小信号实现了3.8dB的净增益,单位长度增益2.5dB/cm,比目前商用石英放大器高两个数量级。
1.3EDFA增益放大的机理
在传统的EDFA中的有多个能级,所以在在抽运功率下存在转化,如果掺杂的浓度越高,有更加明显的效应。
此外,存在的Er3+离子对以及浓度抑制,对信号的增益有很大影响。
如果仅仅掺Yb3+光纤放大器不仅有较宽的增益宽带外,而且有较高的能量的输出以及良好的能量转换效率。
相比起传统的EDFA,掺Yb光纤,不会出现受激吸收以及由离子间能量转换所引起的浓度抑制[9]。
通过高浓度的掺杂可以提高较短的光纤的增益。
与Er3+相比,Yb3+只存在低能级2F7/2与激发态能级2F5/2,它们分别有4个和3个子能级,而且Yb3+的吸收谱和发射谱主要取决于玻璃光纤的物质组成。
在磷酸盐玻璃中,Yb3+的荧光寿命通常约为1.5ms。
除此外,在早期的报道中,铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤放大器对其荧光寿命Yb3+的掺杂浓度影响很小。
具有一强烈吸收峰在975nm的抽运功率条件下[9]。
原则上掺Yb3+高浓度的条件下,也会上变换,即相邻两个Yb3+之间进行能量转换发射一个绿光波长的光子,但此效应由于很微弱,对增益的影响不大,因此一般不给于考虑。
抽运波长和信号的受激态吸收,或由于离子与离子之间能量转换引起的浓度抑制在EDFA中比较明显,但由于Yb3+只有两个能级,因此,在铒/镱共掺 酸盐玻璃光纤放大器中一般可以忽略[3~6]。
为了能使单位长度光纤的增益达到提高,可通过提高掺杂Yb3+的浓度来起激励作用,可在很短的光纤上得到较大的增益。
如果Yb3+浓度足够的高,,则在Yb3+系统中由于能量的快速迁移。
使Yb3+均处于激发态,受激Yb3+(施主)将能量转移至相邻的Er3+(受主),由于Er3+处于抽运能级4I11/2,且在磷酸盐玻璃中的4I11/2能级的寿命很短,因此快速跃迁至亚稳态4I13/2,阻止了能量的后向传输(能量从Er3+转换到Yb3+),当信号光通过光纤时,产生光放大[6]。
而在所有的玻璃材料中,磷酸盐玻璃是一种具有较高溶解度的材料(掺杂浓度可高达CEr=1.2×
1027m-3),而且能够有良好的化学稳定性和较高的增益。
因而可以进行高浓度的离子掺杂。
通常Yb的掺杂浓度为Er3+浓度的10倍以上,借助高浓度的Yb3+掺杂,可以有效地隔开相邻的Er3+,从而使Er3+形成离子对的机率大大减小,极大地降低了上变换,同时降低了浓度抑制,有利于提高增益[7]。
理论分析磷酸盐玻璃光纤放大器的增益可达6dB/cm,目前较好的可达3dB/cm左右[5~6]
1.4本论文的研究目的、意义与内容
1.4.1研究的目的与意义
随着计算机网络和其它数据传输服务的飞速发展,长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀,光纤接入网以其标准化、综合化、宽带化、数字化等先进的特性,迅速在全国得到普及应用,未来的光纤网络的发展将聚会有源、无源网络的优势的纵深方向发展[,具有体积小、效率高、增益高、频带宽、噪声低、稳定性好、连接耦合损耗低、价格低、及其偏振不敏感等诸多优点的掺Er3+有源玻璃光纤及其放大器在现代光纤通信中的作用日渐显著。
而传统的掺Er3+石英光纤放大器由于其较小的增益带宽(30nm)已不能满足高速大容量信息传输的要求。
为了获得带宽,增益平坦的掺Er3+光纤放大器,满足波分复用(WDM)系统的发展要求,各国研究者都在寻找新的掺Er3+玻璃基质材料[10]。
1.42研究内容
掺稀土离子磷酸盐玻璃光纤在光通信及光电子等领域中的特殊需求日渐明显,最关键的原因是因为石英光纤本身的特性决定了其无法用来做宽带光纤,因此,掺稀土离子的磷酸盐玻璃光纤受到越来越多研究者的青睐。
磷酸盐玻璃具有较好的化学稳定性和热稳定性,并具有较宽的红外透过性能和大的非均匀展宽特性,是宽带高增益掺铒放大光纤玻璃的理想材料[11]。
第二章Er3+、Yb3+能带理论和基质材料
2.1Er3+的电子结构、Yb3+的敏化
2.1.1Er3+的电子结构
Er3+的电子结构为[Xe]4ƒN-15s25p6s0,[Xe]代表元素氙的满壳层结构,其4ƒ和6s分别失去1个和2个电子,而5s和5p6均未发生任何变化。
由于剩余的N-1个内层电子受到5s和5p形成的外壳层屏蔽作用,使得4ƒ一4ƒ的光谱特性(荧光特性与吸收特性)不易受到宿主玻璃外场的影响[12]。
Er3+的能级结构如图2—6所示。
Er3+的吸收过程:
从基态4I12/15——>
4I9/2(对应于800nm波长);
4I15/2——>
4I15/2(对应于980nm波长);
4I13/2(对应于1480nm波长)。
荧光过程:
4I13/2——>
4I15/2(对应于1530nm波长);
4S2/3——>
4I15/2(对应于550nm波长)。
磷酸盆玻璃基质中较大的声子能量增加了从4I11/2——>
4I13/2的跃迁几率[25]。
2.1.2Yb3+敏化
注入到磷酸盐玻璃中的铒离子越多,离子间的距离就会越近,增加了形成离子团的可能性。
当离子团中的离子被激发时,就会相互交换能量,从而降低银离子受激辐射的效率[13]。
为了降低Er3+浓度淬灭的影响,提高发光效率,引入Yb3+离子。
Yb3+一方面作为弥散剂可以抑制Er3+簇的形成,另一方面又可以作为敏化剂为Er3+提供一种有效的间接泵浦方式。
Er3+—Yb3+共接系统中,Yb3+吸收大部分泵浦光,然后将能量通过弛豫过程快速传给邻近的Er3+。
图2—8为Er3+、Yb3+的能级及相互间能量转换示意图。
用于Er3+掺杂的Yb3+离子有三个特点:
①Yb3+是典型的二能级系统。
其受激态能级F5/2能有效地把能量传给Er3+的4I11/2;
②Yb3+的离子半径与Er3+的离子半径相近,每个Er3+离子周围有几个Yb3+离子,使能量转换更有效;
③与Er3+一样,Yb3+也有聚集行为[26]。
由于两者相似,聚集即使发生的话,也不是在两个或多个Er3+离子中间,而是在一个离子和多个离子中间。
这些特性增强了从Yb3+到Er3+的能量转换效率,减小了Er3+离子的上转换。
磷酸盐玻璃基质中较大的声子能量增加了4I11/2——>
4I13/2的跃迁几率,这阻止了从Er3+—Yb3+能量反向传递,这使得磷酸盐玻璃是Er3+—Yb3+共掺系统的理想基质[13]。
2.2.1弛豫振荡时Er3+上能级粒子数的变化情况
Er3+接受Yb3+扩散的能量后,上能级的粒子数将不断增加,当粒子数达到一定程度时,开始产生弛豫振荡,图3给出了弛豫振荡时Er3+上能级粒子数的变化情况1从图中可以看出:
在时间为288μs时,Er3+开始弛豫振荡,弛豫振荡时最大粒子数约为2.4860×
1025/m3,至388μs时振荡达到稳态,稳态时,Er3+上能级的粒子数为2.4827×
1025/m3.
图3弛豫振荡时Er3+上能级粒子数的变化情况
2.2.2豫振荡时功率的变化情况
根据方程(4)和Er3+上能级粒子数的变化,可求得激光功率随时间变化的情况,如图4所示1
图4 输出功率随时间变化的图形
Fig.4Changesofoutputpowerwithtime
从图4可以看出:
在时间为288μs时,输出激光功率开始弛豫振荡,弛豫振荡时的最大功率约为38.6W,到390μs时,振荡趋于稳定,稳态时的功率值约为5.2W,最大量子转换效率为52%,接近于理论计算值(63%),与稳态分析时的计算值相吻合[25]。
2.3激光基质材料
用于光波导放大器的激活掺杂粒子一般是Nd(工作波长为1.06Pm)、Er和Er-Yb联合掺杂(工作波长为1.55Pm)等。
光波导放大器的基质一般是铌酸理、石英—硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氧化物薄膜以及有机聚合物等。
2.3.1稀土元素掺杂铌酸锂基质材料
在铌酸锂基质材料中掺杂稀土元素制作成光波导放大器与激光器,其优点是可以将放大器、调制器与激光器方便地集成在一块芯片上。
缺点是这类器件的稀土元素掺杂浓度不能太高、荧光效率低、增益较小,并且对偏振很敏感。
2.3.2稀土元素掺杂玻璃基质材料
在激光放大研究领域中,多数选择玻璃作为掺杂的宿主基质,主要起因于高功率激光放大输出要求的驱使。
目前,制作光波导放大器的玻璃材料主要是稀土元素案掺杂的石英——硅酸盐玻璃与磷酸盐玻璃,掺杂的稀土元素主要是Nd、Er3+以及Er-Yb共掺。
工作于1.55Mm光通信波段的掺Er3+以及Er-Yb共掺硅酸盐玻璃与磷酸盐玻璃备受关注。
和硅酸盐玻璃相比,Er3+在磷酸盐玻璃中具有溶解度较高、受激发射截面大、荧光寿命长、不易发生荧光淬灭,上转换强度较弱等特点,尤其是与A1、Yb共掺还可大大提高Er3+在磷酸盐玻璃中的溶解度以及泵浦效率,使得磷酸盐Er玻璃是制作高性能、超短长度的光波导放大器的首选材料。
2.3.3Er,Er-Yb共掺杂氧化铝(Al203)薄膜基质材料
Er在氧化铝(Al203)薄膜基质材料中具有较大的溶解度,在磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃中常加入适量的A12O3来提高Er的溶解度。
掺Er氧化铝薄膜常用溅射或离子注入等方式在Si上获得,制作工艺复杂、设备昂贵,且增益很低以致有时观察不到,用Yb与之共掺所获得的增益也很有限。
2.3.4稀土元素掺杂有机聚合物基质材料
基于聚合物基质材料的光波导放大器是一种替代无机波导放大器的廉价替代品。
用于光放大的稀土元素掺杂有机聚合物基质材料的研究在20世纪90年代初期,理论研究表明它是一种很有前景的材料,传输损耗低、与光纤的耦合损耗也小。
但稀土元素在有机聚合物中的溶解度非常小且不能直接掺杂,使得这类器件的制作非常复杂。
在聚合物中掺杂稀土元素有两种方法;
—是将稀土元素装入有机类聚合体中以提供同等位置来束缚稀土元素,并把其与周围离子屏蔽起来。
这些联合体也导致相应的高吸收衰减的相关基团出现,从而极大地增加了泵浦功率。
二是把掺杂稀土元素的Si以与聚合物制作工艺相结合,将掺杂聚合物与掺Er硅胶质球结合形成波导。
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- 稀土 离子 磷酸盐 研究