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2009/05/29
作者：冯高锋 张立永
一、引言
由于光纤传输技术的不断发展，在传输领域中光传输已占主导地位。光纤存在巨大的潜在带宽，是实现高速、大容量传输的最理想的传输媒质。随着无水峰光纤的开发成功，克服了OH-的谐波吸收，从而使1280～1625nm范围内整个波段成为低损耗窗口，通过加大波分复用的密度，可以实现光纤通信系统的超大容量传输。掺铒光纤放大器（EDFA）由于在光纤低损耗窗口（1550nm）具有高增益，从而开创了C 波段（1530～1565nm）的密集波分复用技术。然而随着信息容量的不断扩大，人们开始关注O波段（1260～1360nm）作为传输窗口的可能性——常规光纤的最小色散值位于该波段。但是O波段缺少像EDFA那样可以实现有效放大该波段信号的器件。虽然Pr掺杂氟化物光纤放大器和Raman光纤放大器可以实现该波段的信号放大，但Pr掺杂氟化物光纤放大器难以与常规光纤熔接，Raman光纤放大器效率低、系统复杂。
日本大阪大学的Fujimoto等报道了铋离子掺杂玻璃在该波段具有超宽带发光，并在0.8 μm的激光抽运下实现了1.3 μm的光放大。Haruna等和Dvoyrin等采用MCVD法制备得到了铋掺杂光纤，Dianov等人在此基础上实现了连续激光输出。证明了铋掺杂光纤作为光纤放大器和光纤激光器增益材料的潜在应用价值。
二、铋掺杂光纤
铋掺杂光纤由Haruna等以及Dvoyrin等在2005年通过MCVD方法首先制备得到。光纤芯层中共掺Al2O3、GeO2和P2O5等。其中Bi和Al通过溶液法或者气相法加入。芯层直径为5～20μm。表1为采用MCVD方法制备的铋掺杂光纤预制棒。图1为Bi、Al的浓度分布和折射率剖面图，插图为光纤端面的SEM照片。铋掺杂光纤的吸收峰与同组分的铋掺杂玻璃相同。
图1 Bi、Al的浓度分布和折射率剖面图，插图为光纤端面的SEM照片
图2 铋掺杂光纤1、4和430的发射光谱（a）λex＝676nm（b）λex＝1064nm
用636nm波长激发铋掺杂光纤时，在750nm和1050～1200nm出现两个发光峰，FWHM分别为～100nm和～200nm。而在800～1000nm波长激发，只出现一个～1200nm的发光峰，随着Ge含量的增加，峰位向长波长移动，如图2所示。这与铋掺杂玻璃观察到的峰位在1250～1300nm的发光谱不同。Dvoyrin等人研究了不同温度（295K和77K）以及不同激发波长（800～1064nm）下的红外发光谱，如图3所示。温度下降，带宽减小。而发光积分面积和荧光寿命不变。当铋掺杂浓度较高时，随温度下降，发光峰在长波长处（延伸到1700nm）出现拖尾，发光积分面积增大约1.6倍。当用短波长激发时，发光谱由峰值位于1120nm和1300nm的两个发光峰组成，温度降低时，位于1300nm的发光峰变得明显。长波长处（1.35μm）的室温荧光寿命小于20μs，短波长处（1.1μm）的荧光寿命为750μs。
Haruna等人利用MCVD方法也同样制备得到了铋掺杂光纤，其芯层直径约为3～4μm。图4为铋掺杂光纤与常规单模光纤的截面图。掺铋光纤的芯层呈现暗红色，说明铋已掺入芯层当中。1550nm附近的背景损耗为0.034dB/m。808nm波长泵浦时，产生峰值位于1060nm的近红外发光，FWHM为192nm，荧光强度为20dBm。
（a）17，λex＝1064nm （b）5，λex＝1064nm（c）5，λex＝860nm，实线（295K），虚线（77K）
图3 铋掺杂光纤的发射光谱
图4 光纤截面图（a）掺铋光纤（b）常规单模光纤
三、铋掺杂光纤激光
俄罗斯科学院的Dianov等人利用MCVD的方法制备出了铋掺杂的铝硅酸盐玻璃光纤，成功实现了1150～1300nm的连续激光输出。在1064nm YAG：Nd激光泵浦下，实现了1146nm、1215nm、1250nm和1300nm波长的激光输出。铋激活光纤的截止波长为～1μm，泵浦波长处的吸收系数为55dB，采用截止波长为1.1μm的Bragg光栅作谐振腔。1146nm处最大输出功率为460mW，激光阈值为420mW，斜率效率为10.2％；1215nm处最大输出功率为420mW，激光阈值为890mW，斜率效率为14.3％，如图5所示。采用环形谐振腔同样得到了激光输出，在1064nm泵浦下，当泵浦功率刚刚超过激光阈值时，激光出现多种模式，发射峰的位置也不稳定；随着泵浦功率的增加，峰的数目减少，当泵浦功率远远超过激光阈值时，就仅剩下1172nm的峰了，如图6所示。从图6（a）可以看出，在100nm宽的光谱范围都观察到了激光现象，这说明铋激光的发光材料可以完全实现可调谐激光输出。
随后，一系列铋掺杂光纤激光相继实现输出，包括cw高功率激光，调Q和锁模激光，倍频激光等。Bufetov等人利用磷锗硅光纤实现了1300～1470nm波段的激光输出。
Razdobreev等实现了在1150～1225nm范围的全光纤铋掺杂激光运转，输出波长可以通过合适的Bragg光纤光栅调节，1200nm处的斜率效率达24％。Razdobreev等研究发现铋掺杂预制棒的发光谱对激发波长较为敏感，830nm激发时发光谱较宽。而拉丝后其发光谱对激发波长的敏感度下降，1300nm波段的发光谱消失。并推断是拉丝过程中激活中心的价态或者其局域环境发生了改变而导致的。Truong等进行了进一步的实验，在H2气氛中热处理铋掺杂光纤发现，其发光强度明显减弱。推断该荧光淬灭现象可能是由于铋激活离子被还原为铋金属或铋团簇。在铝掺杂玻璃中存在两种发光中心，一种是热稳定的，对应于1.15μm的发光，而另一种为热不稳定的，对应于1.3μm的发光，该中心在退火或拉丝后会减少或消失。
铋掺杂光纤激光的斜率效率通常都小于30％，这可能是由于不饱和吸收引起的。同时已报道的铋掺杂光纤浓度一般低于0.005wt％。因此一般需要较长的光纤来获得增益。
图5 激光输出功率随泵浦功率的变化关系
图6 铋掺杂光纤激光谱线随泵浦功率变化关系
四、结束语
铋掺杂硅基光纤能够产生覆盖1000～1600nm的超宽近红外发光。其吸收带位于500～1000nm，可以采用多种激光器泵浦。而且通过线宽压缩和倍频可以使激光输出位于橘黄光波段，平均功率可以达到瓦级。位于该波段的激光器可以用于眼科和整容手术，其超宽的增益带宽和可调谐性可以应用于产生超短脉冲激光。1050nm和1300nm的宽带放大自发辐射（ASE）可以用于光相干层析技术。铋掺杂光纤的增益峰值位于单模光纤色散最小值附近，有望成为该通讯波段的超宽带光纤放大器用增益材料。
由于光纤传输技术的不断发展，在传输领域中光传输已占主导地位。光纤存在巨大的潜在带宽，是实现高速、大容量传输的最理想的传输媒质。随着无水峰光纤的开发成功，克服了OH-的谐波吸收，从而使1280～1625nm范围内整个波段成为低损耗窗口，通过加大波分复用的密度，可以实现光纤通信系统的超大容量传输。掺铒光纤放大器（EDFA）由于在光纤低损耗窗口（1550nm）具有高增益，从而开创了C 波段（1530～1565nm）的密集波分复用技术。然而随着信息容量的不断扩大，人们开始关注O波段（1260～1360nm）作为传输窗口的可能性——常规光纤的最小色散值位于该波段。但是O波段缺少像EDFA那样可以实现有效放大该波段信号的器件。虽然Pr掺杂氟化物光纤放大器和Raman光纤放大器可以实现该波段的信号放大，但Pr掺杂氟化物光纤放大器难以与常规光纤熔接，Raman光纤放大器效率低、系统复杂。
日本大阪大学的Fujimoto等报道了铋离子掺杂玻璃在该波段具有超宽带发光，并在0.8 μm的激光抽运下实现了1.3 μm的光放大。Haruna等和Dvoyrin等采用MCVD法制备得到了铋掺杂光纤，Dianov等人在此基础上实现了连续激光输出。证明了铋掺杂光纤作为光纤放大器和光纤激光器增益材料的潜在应用价值。
二、铋掺杂光纤
铋掺杂光纤由Haruna等以及Dvoyrin等在2005年通过MCVD方法首先制备得到。光纤芯层中共掺Al2O3、GeO2和P2O5等。其中Bi和Al通过溶液法或者气相法加入。芯层直径为5～20μm。表1为采用MCVD方法制备的铋掺杂光纤预制棒。图1为Bi、Al的浓度分布和折射率剖面图，插图为光纤端面的SEM照片。铋掺杂光纤的吸收峰与同组分的铋掺杂玻璃相同。
表1 铋掺杂光纤预制棒
| 试样 | 芯层组分（mol. %） | 铋浓度（at. %），掺杂方法 | 1000nm处的损耗（dB/m） |
| 1 | 88.2 SiO2-1Al2O3-6.6 GeO2-4.2P2O5 | <0.02，溶液掺杂 | 0.2 |
| 4 | 83.8 SiO2-15Al2O3-1.2GeO2 | <0.02，溶液掺杂 | 2.1 |
| 5 | 96.7 SiO2-3.3Al2O3 | 0.15，溶液掺杂 | ≈20 |
| 17 | 94.2 SiO2-5Al2O3-0.8GeO2 | <0.02，气相掺杂 | 2.2 |
| 25 | 98 SiO2-2Al2O3 | <0.02，气相掺杂 | 1.06 |
| 33 | 95 SiO2-5Al2O3 | <0.02，溶液掺杂 | 1.8 |
| 430 | 75 GeO2-19 SiO2-5 Ta2O5-1 P2O5 | <0.02，气相掺杂 | ～0.02 |
图1 Bi、Al的浓度分布和折射率剖面图，插图为光纤端面的SEM照片
图2 铋掺杂光纤1、4和430的发射光谱（a）λex＝676nm（b）λex＝1064nm
Haruna等人利用MCVD方法也同样制备得到了铋掺杂光纤，其芯层直径约为3～4μm。图4为铋掺杂光纤与常规单模光纤的截面图。掺铋光纤的芯层呈现暗红色，说明铋已掺入芯层当中。1550nm附近的背景损耗为0.034dB/m。808nm波长泵浦时，产生峰值位于1060nm的近红外发光，FWHM为192nm，荧光强度为20dBm。
（a）17，λex＝1064nm （b）5，λex＝1064nm（c）5，λex＝860nm，实线（295K），虚线（77K）
图3 铋掺杂光纤的发射光谱
图4 光纤截面图（a）掺铋光纤（b）常规单模光纤
三、铋掺杂光纤激光
俄罗斯科学院的Dianov等人利用MCVD的方法制备出了铋掺杂的铝硅酸盐玻璃光纤，成功实现了1150～1300nm的连续激光输出。在1064nm YAG：Nd激光泵浦下，实现了1146nm、1215nm、1250nm和1300nm波长的激光输出。铋激活光纤的截止波长为～1μm，泵浦波长处的吸收系数为55dB，采用截止波长为1.1μm的Bragg光栅作谐振腔。1146nm处最大输出功率为460mW，激光阈值为420mW，斜率效率为10.2％；1215nm处最大输出功率为420mW，激光阈值为890mW，斜率效率为14.3％，如图5所示。采用环形谐振腔同样得到了激光输出，在1064nm泵浦下，当泵浦功率刚刚超过激光阈值时，激光出现多种模式，发射峰的位置也不稳定；随着泵浦功率的增加，峰的数目减少，当泵浦功率远远超过激光阈值时，就仅剩下1172nm的峰了，如图6所示。从图6（a）可以看出，在100nm宽的光谱范围都观察到了激光现象，这说明铋激光的发光材料可以完全实现可调谐激光输出。
随后，一系列铋掺杂光纤激光相继实现输出，包括cw高功率激光，调Q和锁模激光，倍频激光等。Bufetov等人利用磷锗硅光纤实现了1300～1470nm波段的激光输出。
Razdobreev等实现了在1150～1225nm范围的全光纤铋掺杂激光运转，输出波长可以通过合适的Bragg光纤光栅调节，1200nm处的斜率效率达24％。Razdobreev等研究发现铋掺杂预制棒的发光谱对激发波长较为敏感，830nm激发时发光谱较宽。而拉丝后其发光谱对激发波长的敏感度下降，1300nm波段的发光谱消失。并推断是拉丝过程中激活中心的价态或者其局域环境发生了改变而导致的。Truong等进行了进一步的实验，在H2气氛中热处理铋掺杂光纤发现，其发光强度明显减弱。推断该荧光淬灭现象可能是由于铋激活离子被还原为铋金属或铋团簇。在铝掺杂玻璃中存在两种发光中心，一种是热稳定的，对应于1.15μm的发光，而另一种为热不稳定的，对应于1.3μm的发光，该中心在退火或拉丝后会减少或消失。
铋掺杂光纤激光的斜率效率通常都小于30％，这可能是由于不饱和吸收引起的。同时已报道的铋掺杂光纤浓度一般低于0.005wt％。因此一般需要较长的光纤来获得增益。
图5 激光输出功率随泵浦功率的变化关系
图6 铋掺杂光纤激光谱线随泵浦功率变化关系
四、结束语
铋掺杂硅基光纤能够产生覆盖1000～1600nm的超宽近红外发光。其吸收带位于500～1000nm，可以采用多种激光器泵浦。而且通过线宽压缩和倍频可以使激光输出位于橘黄光波段，平均功率可以达到瓦级。位于该波段的激光器可以用于眼科和整容手术，其超宽的增益带宽和可调谐性可以应用于产生超短脉冲激光。1050nm和1300nm的宽带放大自发辐射（ASE）可以用于光相干层析技术。铋掺杂光纤的增益峰值位于单模光纤色散最小值附近，有望成为该通讯波段的超宽带光纤放大器用增益材料。
