CN117810799A - 一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，属于光纤通讯技术领域。掺铋铝硅酸盐光纤放大器包括泵浦激光器、波分多路复用器、掺铋铝硅酸盐光纤，掺铋铝硅酸盐光纤的两端通过SMF780纤维分别与波分多路复用器、数字功率计进行连接，数字功率计监控传输的泵浦功率，采用光谱分析仪反向记录被放大后的信号光；掺铋铝硅酸盐光纤位于制冷环境中。本发明采用上述掺铋铝硅酸盐光纤放大器，通过对掺铋铝硅酸盐光纤进行低温处理，在830nm泵浦的1100nm‑1350nm范围内获得明显的发光增强，量子效率提高了1.3倍。
Description
技术领域
本发明属于光纤通讯技术领域，尤其是涉及一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器。
背景技术
元素掺杂光纤在放大小信号光方面具有较大的应用前景，其中铋掺杂的光纤被认为是极具潜力的一种超宽带近红外荧光材料。铋的超宽带发光受益于与硅(BAC-Si)、磷、铝(BAC-Al)、锗(BAC-Ge)等配合的各种铋活性中心(BAC)的形成。在这些BACs中，BAC-Si和BAC-Ge的发光特性和能级已经得到了确定，中心发光波长分别为1430和1650nm。BAC-Al的中心发光波长与泵浦波长密切相关，覆盖了1.1μm-1.3μm相对较宽的波长范围，因此对BAC-Al光谱性质的研究具有挑战性。基于Al2O3-SiO2的掺铋光纤的激光效率((η～25％))是掺铋激光器中最低的，因此对掺铋铝硅酸盐纤维(BDF)的光谱性质进行研究，对提高其在超发光光源、光纤通信、传感和天体物理学中的应用具有非常重要的意义。
温度在BACs的形成中起着重要的作用。在适当的热退火过程下，BACs的浓度可以增加，从而使发光强度和增益系数在1400nm-1650nm(BAC-Si和BAC-Ge)范围内提高。但是对低温条件下BACs的光谱性质研究比较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，通过对掺铋铝硅酸盐光纤进行低温处理，在830nm泵浦的1100nm-1350nm范围内获得明显的发光增强，为掺铋铝硅酸盐光纤的应用提供新思路。
为实现上述目的，本发明提供了一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，包括泵浦激光器、波分多路复用器、掺铋铝硅酸盐光纤，掺铋铝硅酸盐光纤的两端通过SMF780纤维分别与波分多路复用器、数字功率计进行连接，数字功率计监控传输的泵浦功率，采用光谱分析仪反向记录被放大后的信号光；掺铋铝硅酸盐光纤位于制冷环境中。
优选的，所述制冷环境为77K的液氮环境，将掺铋铝硅酸盐光纤完全浸入1L的液氮杜瓦瓶中，保持掺铋铝硅酸盐光纤的低温环境。
优选的，所述掺铋铝硅酸盐光纤包括以下质量百分比的组分：34.46％的Si、19.09％的Ge、46.25％的O、0.15％的Bi和0.05％的Al。
优选的，所述掺铋铝硅酸盐光纤的长度为1-5cm。
优选的，所述泵浦激光器的波长为830nm。
掺铋铝硅酸盐光纤的制备方法为：将铋和氧化铝通过原子ALD法与Bi(thd)3和Al(CH3)3前体一起沉积在纯二氧化硅管(Heraeus 300)中，将掺杂的二氧化硅预制棒拉入直径为4.6μm的纤芯和直径为124μm的包层的光纤中，得到掺铋铝硅酸盐光纤。
本发明所述的一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，在液氮环境下对BDF进行低温处理，使得830nm的泵送条件下促进了BAC-Al(II)在1300nm处的光学跃迁，在近红外光谱范围内产生更高的发光效率和更大的带宽，量子效率提高了1.3倍。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器实施例的结构示意图；
图2为本发明一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器实施例中BDF在可见光和近红外区域的小信号吸收光谱；
图3为实施例和对比例中BDF在405nm、532nm波长激光泵浦下的发光光谱；
图4为实施例和对比例中BDF在532nm波长激光泵浦下发光强度与泵浦输入功率的关系图；
图5为实施例和对比例中BDF在980nm波长激光泵浦下的发光光谱；
图6为实施例和对比例中BDF在830nm波长激光泵浦下的发光光谱；
图7为实施例和对比例中830nm波长激光泵浦下BAC的光谱高斯分解。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例
如图1所示，一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，包括泵浦激光器、波分多路复用器、掺铋铝硅酸盐光纤，掺铋铝硅酸盐光纤的两端通过SMF780纤维分别与波分多路复用器、数字功率计进行连接，数字功率计监控传输的泵浦功率，采用光谱分析仪反向记录被放大后的信号光；掺铋铝硅酸盐光纤位于制冷环境中。
制冷环境为77K的液氮环境。将掺铋铝硅酸盐光纤完全浸入1L的液氮杜瓦瓶中，保持掺铋铝硅酸盐光纤的低温环境。
掺铋铝硅酸盐光纤包括以下质量百分比的组分：34.46％的Si、19.09％的Ge、46.25％的O、0.15％的Bi和0.05％的Al。
掺铋铝硅酸盐光纤的长度为2cm。
掺铋铝硅酸盐光纤的制备方法为：将铋和氧化铝通过原子ALD法与Bi(thd)3和Al(CH3)3前体一起沉积在纯二氧化硅管(Heraeus 300)中，将掺杂的二氧化硅预制棒拉入直径为4.6μm的纤芯和直径为124μm的包层的光纤中，得到掺铋铝硅酸盐光纤。
对比例
本对比例与实施例的不同之处在于，将掺铋铝硅酸盐光纤设置在300K的常温环境中。
利用单色仪锁相放大器系统，采用传统的回切方法测量实施例中制备的BDF的小信号吸收光谱。BDF在可见光和近红外区域的小信号吸收光谱如图2所示。可以看出，存在两组与BAC相关的吸收带，即500nm、700nm和1000nm处的BAC-Al吸收带，以及816nm和1400nm处的BAC-Si吸收带。
对实施例和对比例中BDF在405nm和532nm的可见波长激光泵浦下的发光光谱进行研究，结果如图3所示。结果表明，在两种泵浦波长下，都存在一个以1100nm为中心的BAC-Al主要发光带。在405nm泵浦下BAC-Ge(950nm)、BAC-Si(1430nm)发光带被激发。在532nm泵浦下，只有BAC-Al的一个主要发光峰。在液氮温度的冷却作用下，在两个泵浦波长下，均观察到BAC-Al主峰的半峰宽(FWHM)变窄20nm。带宽变窄主要是由于在相对较低的温度下均匀展宽的抑制和减弱效应。
对532nm可见波长激光泵浦下的发光强度与泵浦输入功率的关系进行了研究，结果如图4所示。结果表明，在室温和液氮环境下，BAC-Al的综合发光强度随着泵浦功率的增加而稳步增加，当泵浦功率超过5mW时接近饱和。量子效率并没有真正随温度的变化而变化，这表明BDF在与温度相关的实际光谱应用中具有稳定和良好的光谱性能。
对BDF在室温和液氮环境下，在980nm的泵送条件下的发光光谱进行研究，结果如图5所示。结果与短泵浦波长相似，低温对BAC-Al的光谱形状没有太大的影响，只是带宽从126nm缩小到106nm。
对BDF在室温和液氮环境下，在830nm的泵送条件下的发光光谱进行研究，结果如图6所示。结果表明，在830nm泵送条件下，发光光谱的形状发生了显著的变化，在1000-1350nm范围内的发光带显著的增加和加宽。BAC-Si的发光带在室温和液氮条件下形状保持不变，只是半峰宽从105nm降低到82nm。在室温和液氮条件下，BAC的发光强度随着泵浦功率的增加而增加，并且在最大泵浦功率100mW时没有显示饱和。在830nm下泵浦实现了多个BAC的光学跃迁，有助于宽带光谱发光。
为了更清楚的阐明光谱变化，将高斯分解对发光光谱进行分析，分解结果如图7所示。结果表明，在1100nm左右的BAC-Al(I)发光带和在1430nm左右的BAC-Si外；还有另一个在1300nm左右的发光带，被标记为BAC-Al(II)。通过对BDF进行液氮冷却处理，在1300nm处的BAC-Al(II)发射显著增强，桥接了BAC-Al(I)和BAC-Si之间的发光，有利于提高BDF的带宽和发光强度。BDF在830nm泵浦下，量子效率提高了1.3倍。低温下泵送830nm左右促进了BAC-Al(II)在1300nm处的光学跃迁，从而在近红外光谱范围内产生更高的发光效率和更大的带宽。
将BDF从液氮环境中取出后放置在室温环境下进行测试，BAC的发光光谱恢复到原始室温的状态，低温处理可以实现BDF发光的可逆增强。
因此，本发明采用上述掺铋铝硅酸盐光纤放大器，通过对掺铋铝硅酸盐光纤进行低温处理，在830nm泵浦的1100nm-1350nm范围内获得明显的发光增强，量子效率提高了1.3倍。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，其特征在于：包括泵浦激光器、波分多路复用器、掺铋铝硅酸盐光纤，掺铋铝硅酸盐光纤的两端通过SMF780纤维分别与波分多路复用器、数字功率计进行连接，数字功率计监控传输的泵浦功率，采用光谱分析仪反向记录被放大后的信号光；掺铋铝硅酸盐光纤位于制冷环境中。
2.根据权利要求1所述的一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，其特征在于：所述制冷环境为77K的液氮环境。
3.根据权利要求1所述的一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，其特征在于：所述掺铋铝硅酸盐光纤包括以下质量百分比的组分：34.46％的Si、19.09％的Ge、46.25％的O、0.15％的Bi和0.05％的Al。
4.根据权利要求1所述的一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，其特征在于：所述掺铋铝硅酸盐光纤的长度为1-5cm。
5.根据权利要求1所述的一种掺铋铝硅酸盐光纤放大器，其特征在于：所述泵浦激光器的波长为830nm。
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