掺铋纳米双包层放大光纤研制及应用

This project is based on double clad fiber enhanced optical energy transmission characteristics as well as improved Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) to develop nanometer bismuth-doped double-clad fiber amplifier, which is expected to meet the demand for the broader bandwidth in optical communication. The main contents are as follows: (1) Effects of different combinations of bismuth atoms on the luminescence properties will be investigated using density functional theory (DFT) in order to explore its luminescence mechanism; (2) Optical field will be calculated by using the finite-difference time-domain method (FDTD) in order to study the energy transmission mechanism and the optimum structure of the fibre; (3) The key technique of fibre fabrications will be explored according to a number of important parameters, such as the doping concentration and double cladding structure; (4) A range of parameters, such as the gain, signal-to-noise ratio and gain bandwidth will be measured in order to design and build broadband fiber amplifier system test platform. This research will benefit the fabrication of broad bandwidth optical fibre in the future.

本项目基于双包层光纤增强光能量传输特性及改进的化学气相沉积法（MCVD），研制掺铋纳米双包层放大光纤，以满足实现光通信领域宽放大光谱带宽的需求。主要研究内容为：（1）利用密度泛函理论（DFT），研究铋原子的不同组合态对其发光中心性质的影响，探索其发光机理；（2）运用时域有限差分方法（FDTD），计算掺铋双包层光纤光场能量，研究掺铋纳米双包层光纤结构模型增强光能量传输机理，实现纳米双包层光纤传输的最佳结构；（3）根据理论计算的铋掺杂态、掺杂浓度以及双包层结构等重要参数，结合改进的化学气相沉积法（MCVD）研制掺铋纳米双包层光纤，研究制备掺铋纳米双包层放大光纤的关键技术；（4）进而设计并搭建宽带光纤放大系统的测试平台，对其放大增益、信噪比、增益带宽进行测定。该项目的研究将为探索带宽宽的放大光纤提供理论和实验依据。

在未来高速光纤通信系统中，为了扩展系统带宽及提升系统速率，能覆盖全光通信窗口的铋掺杂宽带光纤放大器应运而生。本项目将铋作为掺杂源，构建掺铋纳米材料模型，理论计算掺铋光纤模型的铋的受激辐射及内包层光强性能，揭示其在光纤基质中的发光中心原理以及发光机理；采用双包层新型光纤结构，制备掺铋二氧化硅材料纳米双包层放大光纤，利用其宽带发射波长特性，对光纤性能参数进行测定。.围绕项目研究内容，主要开展了以下工作，并取得相关成果：.1.对掺铋光纤纳米材料的掺杂结构、光学吸收以及发光机理进行研究。主要通过构建掺铋纳米材料模型，采用密度泛函理论对不同组态铋的发光中心性质及发光原理进行计算分析，探索研究光纤基质中铋的掺杂机理，分析铋原子的受激辐射、包层内光场等参数，实现在950-1350 nm波长范围内的光放大。.2.对掺杂光纤纳米材料的掺杂结构、相关缺陷、电子和光学性质进行研究。主要通过构建锗、铝、氟掺杂光纤缺陷材料模型，采用密度泛函理论对掺杂杂质粒子与缺陷反应机制和钝化效应进行计算分析，探索研究杂质粒子掺杂在光纤材料中的存在结构，探索相应模型引起的杂质缺陷态以及对光学吸收的影响。.3.对量子信息处理方面进行了研究。通过构建量子器件与量子信息处理模型，提出了不同的制备方案，研究结果有助于扩展量子通信的信道容量。.4.对异质结构、新型二维锗杂化钙钛矿、锡烯纳米网状结构材料、二维GeSe2等新型材料进行理论计算，研究其电子特性、稳定性及光学等性质，探索其在能源、电池、光电子器件等领域的应用。.5.采用改进的MCVD方法制备掺铋二氧化硅光纤，建立宽带光纤放大系统测试平台，对光纤性能参数，如放大增益、信噪比、增益带宽进行了实验测定，并验证了理论模型的合理性。.课题的研究成果表明，课题组在项目完成的过程中紧扣项目计划内容，取得了丰富的研究成果，具有学术价值及科学意义。