快速提升通信容量，掺Bi玻璃光纤“出手”了！

1.华南理工大学材料科学与工程学院发光材料与器件国家重点实验室

自诺贝尔奖获得者高锟提出可用玻璃光纤代替传统电缆传输线，利用光波导传输光信号的方法来实现信息传输以来，人们就一直致力于优化现有光纤的性能和探索新的光纤激光介质材料。目前，用于光通信系统的光纤激光器和光放大器的增益光纤多见于稀土离子掺杂玻璃光纤，如1 μm（Yb³⁺）、1.5 μm（Er³⁺）和2.0 μm（Tm³⁺Ho³⁺）。

然而，稀土离子固有的f-f跃迁导致较窄的传输带宽已经无法满足日益剧增的网络数据传输需求。故而，迫切需要探索新颖、高效、宽带可调谐的掺杂材料作为光纤增益介质，尤其是在1150~1500 nm的光谱范围内，以用于设计新型激光器和光纤放大器。

Bi拥有完全不同于常见稀土元素(如Yb、Er、Tm等)的电子结构，其电子构型为(Xe)4f¹⁴5d¹⁰6s²6p³，外部的6s和6p电子受基质玻璃影响，因此表现出依赖于基质玻璃的吸收和发射性质，同时也使Bi离子表现出多种价态，例如+1、+2、+3和+5。这就使得无法准确地判断到底是哪种价态的Bi离子导致了Bi的近红外发光。目前，普遍比较认可 Bi 的近红外发光来源低价态的Bi+和Bi0。

实现玻璃中高效发光是获得高增益光纤的关键，为了寻找适合光纤拉制的新型Bi激活玻璃，研究人员们开展了一系列关于如何增强Bi掺杂玻璃近红外发光强度及拓宽其发射带宽的研究。在掺Bi玻璃中，Bi离子特殊的电子结构使其发光特性表现出对所处环境的高度敏感性，这为调控和增强Bi的发光提供了一些方法。

1）调控玻璃结构

通过改变玻璃组分来增强玻璃网络刚性，局域电荷分布，使Bi发光中心稳定存在，从而增强Bi的近红外发光，是一种获得高效发光掺铋玻璃的常见方法。

2）构造局域还原环境

考虑到掺Bi玻璃中产生近红外发光主要来自低价的Bi离子，因此在玻璃网络中构造局域还原环境以诱导形成更多低价Bi离子近红外发光中心，成为获得高效发光玻璃的另一有效手段。

3）高能射线辐照

目前，Bi掺杂玻璃材料在1000~1600 nm范围内一般只表现出单带发射，发射峰集中在O-band，位于1300 nm以前，而常用的通信C、L、U-band却只有光谱尾部能覆盖。因此，为了解决现有通信容量危机，开发新型超宽带光纤放大器，拓展Bi掺杂玻璃的光谱带宽具有重要意义。目前，光谱拓宽主要通过以下方式来实现。

1）离子共掺

在玻璃中共掺稀土离子是掺Bi玻璃中拓展带宽最直接的方法，且已被大量研究所证实。如Bi-Er共掺玻璃，Bi-Er-Nd共掺玻璃和Bi-Er-Tm共掺玻璃均实现了超宽带的近红外发光，可覆盖了O-U整个通信波段，如图1所示。

图1  (a) Bi和Er单掺玻璃及Bi-Er共掺玻璃在808 nm激发下的近红外发射光谱；(b) Bi、Er和Nd单掺玻璃及Bi-Er-Nd共掺玻璃808 nm激发下的近红外发射光谱；(c) Bi、Er和Tm单掺玻璃在808 nm激发下的近红外发射光谱；(d) Bi-Er-Tm共掺玻璃在 808 nm 激发下的近红外发射光谱

 2）诱导多Bi中心

1）改良的化学气相沉积法

改良的化学气相沉积法 (Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD) 是一种在高质量的石英基管内部沉积更高纯度的SiO₂，并掺入可调节折射率或改变粘度的其他高纯物质(如GeO₂、P₂O₅、SiO_1.5F等)，从而获得具有不同折射率芯层和包层的光纤预制棒制备方法，如图2所示。这种方法灵活性强，原料的纯度可控，制备的光纤纯度较高，损耗较低，现已成为高品质通信光纤用预制棒的主要方法之一。考虑到Bi离子发光特性，通过在光纤中共掺入不同的元素(Al、P、Ge)从而可以获得不同工作波段的铋光纤。

图2  (a)利用MCVD法制备掺铋光纤预制棒示意图；(b) MCVD制备的各种铋光纤的主要发光范围和寿命图

2） 熔芯法

熔芯法，也叫管内熔融法和纤芯熔融法，早期概念于1995年由Ballato等人首次提出。这种方法制备光纤的基本特征是：在光纤高温拉制过程中，包层处于软化状态，而纤芯处于熔融态，且在高速拉丝过程中可快速冷却，跨过析晶温度点，从而可成功将光纤预制棒拉制成光纤，如图3所示。这种方法破除了需要同质芯包材料的限制，只要满足拉制温度和折射率条件则可成功拉制成相应的光纤，极大地拓展了预制棒中芯包材料的选择(如陶瓷、玻璃、粉体、金属等均可作为纤芯材料)。这同样也推动了研究人员对Bi掺杂多组分玻璃光纤的探索。

图3  (a) 熔芯法制备光纤的示意图；(b) 熔芯法制备的铋掺杂光纤的端面实物图及元素分布图

3）管棒法

管棒法是另一种常见Bi光纤制备方法，如图4所示，分别熔制大块纤芯玻璃和包层玻璃，再按目标芯包比加工成合适尺寸的纤芯棒和包层套管，将纤芯棒插入包层套管中组成预制棒，再经拉丝塔升至合适温度拉制成相应的Bi光纤。

目前，大部分掺Bi光纤均是基于MCVD法制备的石英基光纤，且通过调整纤芯组分可以在Bi掺杂光纤中实现800~1800 nm范围内的超宽带发光。基于不同纤芯组分的掺铋石英基光纤则开发了一系列不同波段的光纤激光器和放大器。Bi光纤激光和放大器的波长可以覆盖1160~ 1775 nm区域，不仅包括稀土激活光纤激光所能覆盖的区域，而且也弥补了当今光纤激光在其他通信波段的空白。Bi光纤已然成为新一代激光介质，在超宽带光放大器及可调谐激光器领域展示出重大潜力，也非常符合未来大容量高速度光通信的发展需求。

然而，Bi 光纤激光也存在一些问题。目前所制备的Bi光纤中Bi的掺杂浓度非常低，从而导致需用较长的光纤长度才能实现有效的激光输出和光信号放大，这不利于器件的集成化。其次，MCVD法制备的Bi光纤均是基于石英基质，且需要极高的温度(>2000 °C)，这将导致Bi光纤中Bi的严重挥发。且Bi近红外发光中心的形成对温度、气氛以及Bi掺杂浓度等工艺参数非常敏感，从而较难在其他光纤制备技术中获得有效稳定的Bi光纤。因此，需要通过优化玻璃组分，探索新方法实现低Bi浓度掺杂下的高效发光，推动Bi光纤和激光的实际应用。

此外，鉴于目前关于研制Bi掺杂多组分光纤的报道较少，且仍没有在多组分玻璃光纤中实现Bi激光输出和光信号放大，急需通过新技术、新方法探究可实现高效、稳定、宽带近红外发光，且适合拉制光纤的Bi掺杂多组分玻璃，再利用传统的熔芯法或管棒法在更低的温度拉制成相应的Bi掺杂多组分光纤，继而实现Bi光纤激光。这将为Bi光纤激光的实用化，以及Bi光纤激光器和放大器的商业化开辟一条崭新的道路。

另外，最大的问题就是对于Bi的近红外发光机理尚不清楚，仍需要探索新理论、新方法进行分析来阐明Bi离子掺杂发光材料的发光机制。尽管Bi掺杂玻璃光纤材料还存在不少问题，但这既是机遇也是挑战，相信通过大量的实验探索结合理论验证可以有效地解决这些问题。

本文已获作者授权，改写自《红外与激光工程》上发表的“超宽带发光铋掺杂玻璃及光纤的研究进展”一文，点击文末阅读原文查看原论文。