CN1299161C - 用于可调谐激光器和宽带放大器的铋离子掺杂晶体 - Google Patents

Abstract

一种用于可调谐激光器和宽带放大器的铋离子掺杂晶体，其特征是在含有Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺2价离子或Na²⁺、K⁺、Cs⁺1价离子的基体晶体中掺入低价铋离子的晶体，其铋离子含量范围：0.001wt%—3wt%。本发明低价Bi离子掺杂的晶体经测试，在1000～1600nm的光通讯波段产生发光，并且具有长于100μs的荧光寿命，可望用于在光通讯波段的光放大和可调谐激光的输出。

Description

用于可调谐激光器和宽带放大器的铋离子掺杂晶体

技术领域

本发明涉及晶体，特别是一种用于可调谐激光器和宽带光放大器的铋离子掺杂晶体。

背景技术

随着光纤网络通讯的迅速发展，对应用于波分复用系统的光源及光纤放大器提出了更高的要求。现有的光源及放大器已不能完全满足要求，迫切需要开发在光通讯波段具有大范围可调谐激光器及全波段光放大器。就在光纤通讯中起重要作用的光纤放大器而言，现有的掺Er、掺Pr、掺Tm光纤放大器由于利用了稀土离子内壳跃迁的本质所决定，它们只能实现1.25～1.60μm整个光通讯波段的某个有限波段的光放大，即使将所有的不同泵浦激光源和不同稀土掺杂离子光纤组成的光纤放大器通过并联或串联方式组合起来，也不能实现整个光通讯波段的光放大。现在人们在探索掺杂Cr⁴⁺、Ni²⁺的晶体和玻璃材料，利用这些过渡金属离子的d-d跃迁在红外波段的发光，来实现光通讯波段的光放大和可调谐激光输出。但是无论是晶体还是玻璃中Cr⁴⁺的价态很难控制，制得的晶体或玻璃中的Cr离子常以Cr³⁺、Cr⁴⁺和Cr⁶⁺状态共存，而且三者离子之间存在能级交错，影响Cr⁴⁺在红外波段的辐射跃迁。而Ni²⁺掺杂玻璃与晶体的发光量子效率低，尚未见在室温附近实现激光振荡的报导。

最近日本大阪大学的研究小组和我们相继发现了掺Bi离子玻璃在红外波段具有较强发光并能在近红外通讯波段实现光放大。但是迄今为止有关发光的机理包括Bi离子的价态也尚未弄清。大阪大学的研究小组认为发光基于Bi⁵⁺离子的跃迁。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于可调谐激光器和宽带放大器的Bi离子掺杂晶体，该材料通过调整晶体生长气氛形成Bi离子稳定掺杂。这种低价铋掺杂晶体材料在800nm的激光激发下在1.2～1.6μm产生宽带发光，并且荧光寿命为100μs～1ms，可实现红外光通讯波段的可调谐激光输出和宽带光放大。

本发明的基础是：我们查阅了大量的文献表明：Bi⁵⁺只在含有高的光学碱度的碱金属氧化物(Li₂O、NaO)的化合物晶体中存在。而且在高温下Bi₂O₅、Bi₂O₃一般容易分解而成为低价态的铋(Bi²⁺、Bi⁺)氧化物。再者将含Bi³⁺溶液溶存到纳米多孔氧化硅玻璃中，在空气及氧化气氛中烧结后没有发现红外波段的发光，而在弱还原气氛下烧结获得的玻璃观察到较强的红外波段的发光。在强还原气氛下得到灰色的样品，主要由于玻璃Bi³⁺被还原为金属铋。基于此，我们认为低价态的Bi离子(Bi²⁺、Bi⁺)是产生红外发光的发光中心。而晶体比起玻璃来，由于活性离子具有固定的侧位，具有稍窄的线宽和高的发光量子效率，在此基础上我们发明了近红外光通讯波段具有可调谐激光输出和宽带光放大特性的Bi离子掺杂晶体材料。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于可调谐激光器和宽带放大器的铋离子掺杂晶体，其特征是在含有Ba2+、Sr2+、Ca2+2价离子或Na2+、K+、Cs+1价离子的基体晶体中掺入低价铋离子的晶体，其铋离子含量范围：0.001wt％-3wt％。

所述的基体晶体为硅酸盐、硼酸盐、锗酸盐、磷酸盐、铝酸盐、铌酸盐、镓酸盐或钼酸盐晶体。进一步具体而言，所述的基体晶体为Ca₂Y₈(SiO₄)₆O₂、α-BaB₂O₄、SrB₄O₇、CaY₂Mg₂Ge₃O₁₂、SrBPO₅、SrAl₂O₄、Ba₂NaNb₂O₁₅、Gd₂Ga₅O₁₂或SrMoO₄。

Bi掺杂的浓度(wt％)为0.001wt％至3wt％。浓度过低，荧光强度低，不利用激光产生。而浓度过高，会由于能量回游产生浓度淬灭。

晶体的基体组成为化学稳定性及热稳定性较好的氧化物系统及以氧化物为主的晶体系统。

为实现铋离子以低价离子形态存在，晶体中需要有低价Bi离子(Bi⁺、Bi²⁺)容易稳定存在的侧位。考虑离子半径匹配和电荷相容性，晶体基体主要为含有Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺等2价离子及Na²⁺、K⁺、Cs⁺等1价离子的晶体。在不含这类离子的晶体基体中通过离子共掺与离子的组合及控制晶体生长气氛也可以实现低价铋离子掺杂晶体。

基质晶体：Ca₂Y₈(SiO₄)₆O₂、α-BaB₂O₄、SrB₄O₇、CaY₂Mg₂Ge₃O₁₂、SrBPO₅、SrAl₂O₄、Ba₂NaNb₂O₁₅、Gd₂Ga₅O₁₂、SrMoO₄等硅酸盐、硼酸盐、锗酸盐、磷酸盐、铝酸盐、铌酸盐、镓酸盐、钼酸盐系统。

具体实施方式

具体实施例如表1所示。

本发明与以往作为可见发光荧光体的Bi³⁺离子掺杂晶体不同。通过选择适当晶体基体组分、控制基体的光学碱度以及调整铋的含量，并控制晶体生长的气氛，合成了低价Bi离子掺杂的晶体。这类晶体具体在800nm的激光(或其它光源)激发下，在1000～1600nm的光通讯波段产生发光，并且具有长于100μs的荧光寿命，实现了在光通讯波段的光放大和可调谐激光的输出。今后有望在光通讯等领域获得广泛的应用。

Claims (3)

1、一种用于可调谐激光器和宽带放大器的铋离子掺杂晶体，其特征是在含有Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺2价离子或Na⁺、K⁺、Cs⁺1价离子的基体晶体中掺入低价铋离子的晶体，其铋离子含量范围：0.001wt％-3wt％。

2、根据权利要求1所述的铋离子掺杂晶体，其特征在于所述的基体晶体为硅酸盐、硼酸盐、锗酸盐、磷酸盐、铝酸盐、铌酸盐、镓酸盐或钼酸盐晶体。

3、根据权利要求2所述的铋离子掺杂晶体，其特征在于所述的基体晶体为Ca₂Y₈(SiO₄)₆O₂、α-BaB₂O₄、SrB₄O₇、CaY₂Mg₂Ge₃O₁₂、SrBPO₅、SrAl₂O₄、Ba₂NaNb₂O₁₅、Gd₂Ga₅O₁₂或SrMoO₄。