辐照和热处理对Bi/Ge掺杂二氧化硅光纤的放大特性及缺陷结构的影响

本研究通过X射线辐照和热退火处理，探究了Bi/Ge共掺杂光纤的缺陷演变与光增益性能的关系，揭示了Ge相关缺陷主导的宽带损耗机制及Si缺陷的稳定作用，证实热退火可部分恢复性能，为优化光纤辐射抗性提供理论依据。

Ciying Chen|Jinmin Tian|Mengting Guo|Xin Li|Yiming Zhu|Chongyun Shao|Meng Wang|Fan Wang|Ning Zhou|Chunlei Yu|Lili Hu

中国科学院上海光学精密机械与物理研究所特种玻璃与光纤研究中心，先进激光与光电功能材料部门，中国上海201800

摘要

铋活性中心（BACs）控制着掺铋光纤的增益性能，其性能直接与缺陷动态相关。本研究探讨了X射线辐照对Bi/Ge共掺光纤的影响。通过结合原位增益测量和电子顺磁共振（EPR）光谱分析发现，尽管辐照会降低增益幅度，但光谱轮廓保持不变，显示出材料具有固有的抗辐射能力。宽带损耗是由于锗相关缺陷的增加所致，而相对稳定的硅缺陷则保持了光谱形状。85°C的热退火可以减少缺陷并部分恢复增益，但室温老化会引发特定锗中心的缺陷再生。本工作阐明了铋掺杂光纤的抗辐射机制以及缺陷工程的关键作用。

引言

人工智能（AI）、云计算、物联网（IoT）和高清视频传输等技术的快速发展推动了全球数据流量的指数级增长，从而对光纤通信系统的传输容量提出了更高要求[1]。广泛使用的掺铒光纤放大器（EDFA）的增益带宽有限（约9.6 THz），严重限制了系统容量[2]、[3]、[4]。因此，开发超宽带近红外发光活性光纤和新型光纤放大器以覆盖更多通信频段已成为光通信领域的重要科学和技术挑战。2005年，Dvoyrin等人首次通过改进的化学气相沉积（MCVD）工艺制备了掺铋二氧化硅光纤，并观察到了宽带近红外发光现象，为掺铋光纤（BDFs）作为有前景的超宽带增益介质奠定了基础[5]、[6]。后续研究迅速发展，出现了多种掺杂配置。除了单一铋掺杂外，还开发了与锗、铝、磷等元素共掺杂的系统[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。这些掺杂元素改变了二氧化硅玻璃基体的局部配位环境，形成了不同的铋活性中心（BACs），这是调控BDFs光学特性的核心机制[13]、[14]、[15]。

目前已发现的铋活性中心（BACs）主要包括BAC-Si、BAC-Ge和BAC-Al，它们具有不同的能级结构，从而产生不同的发光特性。例如，BAC-Si在1440 nm左右发光，而BAC-Ge在1700 nm左右发光。值得注意的是，这些BACs的形成和稳定性高度依赖于玻璃基体的缺陷状态[16]。具体而言，玻璃网络中的缺陷会通过非辐射复合过程抑制BAC的发光，从而降低光纤的增益性能[17]。因此，明确缺陷对BDFs的调控机制对于优化器件性能至关重要。辐照是一种成熟的诱导和调控基于二氧化硅材料缺陷的方法，也是研究BACs性质和稳定性的有力工具，因为它可以通过调节缺陷状态等机制来改变材料结构和光学特性[18]、[19]、[20]、[21]。Kir’yanov等人在2011年进行了开创性的研究，首次系统研究了高能电子辐照对Bi/Ge共掺二氧化硅光纤（BGSF）的影响[22]。他们的研究揭示了光学特性的变化趋势，为后续的辐照效应研究奠定了基础。关于稀土掺杂光纤的抗辐射性的研究进一步证实，暴露于高能辐射环境（如γ射线、X射线、质子或电子束）可以诱导缺陷中心的形成和转变[9]、[23]、[24]、[25]。热退火作为一种补充策略，可以通过驱动相变和缺陷复合来 reversibly 调整这些辐照引起的变化[26]、[27]、[28]。目前关于辐照对掺铋光纤影响的研究主要集中在高锗掺杂或单一铋掺杂的光纤上，而对于与当前C波段兼容的低锗掺杂光纤的系统研究尚不足，其微观机制也尚未明确。

为填补这一空白，本研究旨在探讨X射线辐照对BGSF性能的影响。首先进行了原位测量，实时捕捉辐照下光学性能的动态变化，为光纤的功能退化行为提供了直接证据。随后采用电子顺磁共振（EPR）光谱技术系统追踪辐照过程中Ge/Si相关缺陷的演变，阐明了辐射剂量、缺陷形成机制与观察到的增益衰减之间的关联。同时，采用85°C等温退火处理以平衡缺陷修复效率和光纤完整性（避免有机涂层损坏），评估了辐照诱导缺陷的可逆性，并为实际调控策略提供了实验依据。

实验部分

实验

本研究使用通过MCVD工艺结合溶液掺杂方法制备的光纤，其纤芯/包层直径为8/125 μm，纤芯中的铋和锗浓度分别为530 ppm和8 mol%。对于这种低锗掺杂的BGSF，主要关注与硅相关的铋活性中心（BAC-Si），因为它们是主要的发光和增益活性物种[15]。选择X射线作为辐照源，是因为其剂量率可控且与原位光学测量方法兼容

结论

本研究系统探讨了X射线辐照和热处理对BGSF放大性能及缺陷演变的影响。主要研究发现，X射线辐照会导致光纤性能显著下降，表现为BAC-Si的吸收系数降低、未饱和损耗比增加以及随辐照剂量增加而逐渐降低的光学增益。EPR光谱分析证实了这种性能恶化现象与缺陷状态密切相关

作者贡献声明

Ciying Chen：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、概念构思。Jinmin Tian：撰写——审稿与编辑、实验研究。Mengting Guo：撰写——审稿与编辑、资源协调。Xin Li：数据分析、数据管理。Yiming Zhu：资源获取、实验协助。Chongyun Shao：资源协调、资金争取。Meng Wang：资源协调、资金争取。Fan Wang：资源协调、资金争取。Ning Zhou：资源协调。Chunlei Yu：撰写——审稿与编辑、资源协调、概念构思。Lili Hu：撰写——

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢以下机构对本研究的财政支持：国家自然科学基金（项目编号62405341）、国家自然科学基金（项目编号52450255）、上海市自然科学基金（项目编号24ZR1474500）以及上海市探索者计划（项目编号24TS1415800）。