[发明专利]一类稀土掺杂的硫卤玻璃、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一类稀土掺杂的硫卤玻璃、制备方法及应用，更确切地说涉及一种红外发光材料、可见-红外光学透过材料，特别是涉及通讯窗口多波段光放大用掺稀土硫卤玻璃、制备方法及应用。属于稀土掺杂光放大材料领域。

背景技术

光纤放大器是实现全光通信的核心技术之一，也是密集波分复用(DWDM)发展的关键因素。工作于1.55μm波段的掺铒石英光纤放大器(EDFA)已取得巨大的商业效益。但随着实际应用中对带宽需求的不断上升，EDFA开始显现出其带宽不大(约30nm)的局限性。同时，位于1.3μm波段的通讯窗口越来越引起人们的关注，这是因为石英玻璃光纤在1.3μm波段的色散极小，并且目前我国已铺设的有线电视光纤网90％以上均工作在此波段。最近，光纤制造工艺的改进使石英光纤在1.2～1.7μm整个波长范围内均具有较低的损耗。研制在此波长范围内多波段具有较高增益的稀土掺杂光纤放大器将有利于开拓新的传输窗口，从而充分利用光纤低损耗窗口，扩充光纤网的通信容量。

但是由于这些红外波段所对应的稀土离子发射上能级和最近邻下能级间的能隙较小，使得这些红外发射在高声子能量基质玻璃(如氧化物玻璃、氟化物玻璃)中较弱，甚至猝灭，从而导致能级寿命短，量子效率低，反转粒子数比率低，增益低等缺点。

硫卤玻璃由于具有较大的折射率，导致受激发射截面大，因而有利于提高光纤放大器的增益系数。并且此类玻璃优良的透红外性能和低声子能量等特点使得稀土离子无辐射跃迁小，激发态寿命长，量子效率高。另外硫卤玻璃具有较好的玻璃形成能力和较高的化学稳定性等特点，使此类玻璃成为高增益红外光纤放大器的理想候选材料。

发明内容

本发明的目的在于，提供一类稀土掺杂的硫卤玻璃、制备方法及多波段放大中的应用。

发明构思：

硫卤玻璃是一种在硫系玻璃中引入卤素后形成的一类玻璃，其特点是具有较低的光学损耗，较高的稀土离子溶解度，低声子能量(＜350cm^-1)。以它们作为基质材料可降低稀土离子能级间的多声子弛豫几率，延长能级发光寿命，提高量子效率。由于某些在高声子能量材料中猝灭的稀土离子红外发光可能在低声子能量基质材料中出现。这使得在低声子硫卤玻璃中双掺或者多掺稀土离子，实现1.2～1.7μm波长范围内多波段的高量子效率光放大成为可能。已有报道，在Ge-As-Ga-S硫化物玻璃光纤中，Pr³⁺和Er³⁺共掺实现了在1.31μm和1.55μm的双波段的光放大(S.H.Park，D.C.Lee，J.Heo.J.Appl.Phys，2002，91，9072～9097)。而硒基硫卤玻璃声子能量更低，量子效率更高，透红外性能更好，通过稀土离子双掺杂或多掺杂，有可能成为一种理想的红外多波段光放大基质材料。

技术方案：

本发明是在硒基硫卤基质玻璃中掺杂稀土元素而形成红外多波段光放大的玻璃材料。该系统玻璃的设计兼顾了玻璃的热稳定性能、力学性能、可见-红外的光学透过性能。

本发明所指的稀土掺杂硒基硫卤玻璃的化学组成(摩尔数)为：

xGeSe₂-yGa₂Se₃-zKX，其中X＝Cl，Br或I，且x+y+z＝1，0.2≤x＜1，0＜y≤0.4。掺杂的稀土离子为Ho³⁺、Dy³⁺、pr³⁺、Sm³⁺、Er³⁺、Tm³⁺中的两种或者三种，掺杂浓度摩尔百分比为0.01％～2％。其中Ge用来作为玻璃形成体；Ga用来提高稀土元素的掺入量和分散性；KX用来调节玻璃的光学性质。

上述掺稀土硒基硫卤玻璃制备方法包括如下步骤：

(1)将Se原料放入石英安瓿中，抽真空的同时加热至200-300℃保温，将硒的氧化物除去，提纯Se；

(2)将KCl、KBr或KI原料放入石英安瓿中，抽真空的同时加热至400-500℃保温，除去吸附水和结合水；

(3)将步骤(1)和(2)处理后的Se，KCl、KBr或KI中的一种，与稀土金属及高纯Ga、Ge按组成式配比称量后放入安瓿中，烘烤抽真空至10^-3～10^-4乇，且在氢氧火焰上封接；