超宽带、高增益掺铋石英光纤及其光放大特性研究

With the application needs of ultra-broadband, high-speed optical fiber communication technologies development and fiber optic devices, a new type of bismuth-doped materials of luminescence characterics are attracted. Why the activated center is of luminous in the near-infrared range is hot and difficulties in the fiber optic fields. This project studies the radiation mechanism on bismuth-doped optics fiber of different valence bond structures from the molecular micro-structure level, using quantum chemical Density Functional Theory, and builds energy level models of the different bismuth ions coupling effect.At the same time,we will investigate the interaction mechanism between irradiation and silica fiber materials, and establish the coupling theory models for bismuth-doped fiber activation center of ultra-broadband ,high-gain characteristics. Thereby, by technology combiling betweem atomic layer deposition (ALD) and modified chemical vapor deposition (MCVD), the dopant material is to uniform dispersion good, precise control of the dopent concentration in silica fiber materials. Then by the irradiation, light annealing special processing techniques, adjusting the activation center valence bond structures and improving its stability,we will fabricate a type of bismuth-doped optical fibers of ultra-broadband, high-gain optical amplification in the 1100-1500nm range, to meet the needs of next generation ultra-broadband, high-speed optical fiber communication,the unconventional optical fiber lasers and other opto-electronics industry development.

随着超宽带、高速传输光纤通信发展与光纤器件的应用需求，一种新型掺铋发光介质材料引起世人关注，其激活中心为什么在近红外波段发光的本质特征一直是国际光纤研究领域的热点与难点。本项目利用量子化学密度泛函理论，从分子微结构角度，研究具有不同价健结构的掺铋石英光纤在近红外波段的光辐射机理，并建立不同耦合效应条件下，铋离子的能级结构模型；同时，研究辐射对石英光纤的作用机理，建立掺铋光纤激活中心具有超宽带、高增益特性的耦合结构理论模型。据此，通过原子层沉积（ALD）与改良化学气相沉积(MCVD)技术融合，在石英基质光纤材料内实现均匀分散、浓度精确可控的纳米掺杂，然后通过辐射、"光退火"等特殊处理技术，调节激活中心的价健结构，并增强其稳定性，研制出掺铋石英放大光纤，实现1100nm-1500nm波段的超宽带、高增益光放大功能，以满足下一代超宽带、高速传输光纤通信、非常规光纤激光器及其它光电子产业发展。

随着光纤通信技术的快速发展，人们对通信的带宽、容量的需求越来越高。尤其最近几年，视频业务的迅猛发展，物联网与云计算应用，导致互联网中网传输容量有限、带宽严重不足，甚至出现“容量危机”。因此，高可信下一代互联网的网络架构中需要具有超高速、超带宽、超大容量的通信系统。在此研究背景下，提出了本项目研究。. 本项目从理论上建立了铋掺杂石英光纤的光谱能级结构模型。从物质的本征结构揭示了不同价态铋离子结构对掺铋石英光纤在近红外区发光贡献的光辐射机理，这为研究与制造更好的且具有特殊荧光光谱特性的掺铋硅基石英光纤提供了新的思路。同时，拓展性的研究了稀土掺杂元素铈掺杂与铒掺杂光纤的能级结构与光辐射特性。这些理论研究都为稀土掺杂与主族金属离子掺杂石英放大光纤的制备奠定了重要的理论基础。. 本项目利用原子层沉积(ALD) 掺杂技术结合化学气相沉积(MCVD)工艺制备了Bi/Al共掺与Bi/Er共掺石英光纤，并对光谱特性进行测试与分析。初步获得1100-1650 nm宽带荧光光谱，同时实现了1400-1600 nm范围的信号放大，增益带大于100 nm，同时，也初步获得铋掺杂放大石英光纤与铋掺杂光纤放大系统。. 本项目研究辐射对掺铋石英光纤的光谱特性影响。获得辐射诱导增强铋/铝共掺石英光纤荧光光谱特性的重要结论，从而，揭示掺杂铋离子本征电子结构特征对掺杂石英光纤在近红外区的超宽带光辐射发光的本质机理。. 本项目利用铋/铒共掺石英光纤开发出具有特殊用途的超宽带光纤激光器，超宽带放大自发辐射光源，其辐射范围可以覆盖1200-1600nm，将在国民生产、军事国防、物联网光纤传感技术等方面都将发挥重要的作用，为我国经济建设的发展做出重要贡献。