掺铋光纤近红外发光机制理论及实验研究

High-performance devices are highly desired by the development of broadband optical communications. A hot topic in this field is related with the high efficient active material, which will solve the realization of broadband optical fiber amplifier in the range of 1100-1700nm. According to the requirement of applications and key problem above, this project will insist on the tight combination of theoretical investigations and experimental studies, and include four contents: (1) Dynamic diffusion mechanism of Bi-related centers in bismuth-doped optical fiber. (2) Light-emitting center calibration in bismuth-doped fiber. (3) The luminescence mechanism of Bi-X co-doped optical fiber. (4) Experimental study of Bismuth-active-center properties of Bi-doped optical fiber. The project will solve the problem about the change in valent state of bismuth and spectral characteristics for Bi-doped optical fiber, and light-emitting center and transfer mechanism for Bi-X co-doped optical fiber, in order to comprehensively clarify near infrared luminescence mechanism. The expected investigations will play an important role in improving the performance of Bi-doped optical fiber, pushing the application of Bi-doped optical fiber amplifier, and promoting the development of broadband optical communication finally.

为了满足宽带光通信发展对高性能器件的要求，研究高效有源材料，以实现覆盖整个光通信波段的宽带光纤放大器，成为本领域的热点。掺铋光纤的近红外发光光谱覆盖了1100-1600nm的范围，成为宽带光通信领域的关键材料。根据上述应用需求和关键问题，本项目坚持理论与实验研究紧密结合的方式，提出了四个主要研究内容：（1）铋基团在掺铋光纤中扩散的动力学机制；（2）掺铋光纤发光中心标定及发光光谱研究；（3）铋-X共掺光纤的发光机理研究；（4）掺铋光纤超宽带发光特性的实验研究。本项目将解决掺铋光纤中多价态铋转换与光谱关联性问题，和铋-X共掺结构的发光中心及转移机制问题，理论与实验研究相结合，全面澄清掺铋光纤的近红外发光机制。本项目的预期研究成果将有望大幅提升掺铋光纤性能，推动掺铋光纤在全波段通信中的应用，并最终推动宽带光通信的发展。

本项目以满足未来宽带光通信系统的应用需求为研究导向，以解释掺铋光纤近红外发光的发光机制为研究重点。基于分子动力学和密度泛函理论等计算方法，系统地研究了铋基团在掺铋光纤中扩散的动力学机制、掺铋光纤发光中心标定及发光光谱研究、铋-X共掺光纤的发光机理研究和掺铋光纤超宽带发光特性的实验研究。对于铋基团在掺铋光纤中扩散的动力学机制，系统研究了间隙Bi0原子在石英光纤中的扩散和平衡位置，明确了间隙Bi0原子的发光机制；设计了不同价态铋离子与多种缺陷中心相互作用的石英光纤模型，系统分析了不同结构之间的转换路径和缺陷扩散机制，通过分析不同结构的光学跃迁模式，明确了含缺陷掺铋光纤的发光机制。为进行掺铋光纤发光中心标定及发光光谱研究，构建了多种不同价态的铋离子掺杂石英光纤模型，系统研究了其电子结构和光学性质，并初步明确了掺铋光纤中低价态铋离子的发光机制。为研究铋-X共掺光纤的发光机理，设计了铋/铝、铋/磷和铋/铒共掺石英光纤模型，研究了其几何结构、电子结构和光学特性等性质，明确了不同元素共掺下的光学跃迁模式，分析了不同元素对掺铋石英光纤光谱特性的影响。为研究掺铋光纤超宽带发光特性，本项目系统研究了铋/铒共掺光纤近红外及可见光的荧光特性，并在不同温度、不同泵浦和淬火冷却等多种条件下，研究了铋/铒共掺光纤的超宽带光谱特性，同时也对铋/铒共掺光纤中存在的BAC-X的光学特性进行了系统分析。本项目从理论和实验研究两方面出发，解决了掺铋光纤中多价态铋转换与光谱关联性问题、铋-X共掺结构的发光中心及转移机制问题等关键科学问题。我们的研究在提升掺铋光纤性能、推动掺铋光纤在全波段通信中的应用以及推进宽带光通信的发展等研究领域提供了很大的指导作用。