[論文レビュー] IR Bismuth active centers in optical fibers: Combined excitation-emission spectroscopy

Sergei Firstov, V. F. Khopin+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2011

Glass properties and applications参考文献 6被引用数 110

ひとこと要約

本研究では、450–1700 nmの範囲で併用励起-発光分光法を用いて、さまざまなビスマスドープ光学ファイバにおける赤外（IR）ビスマス活性中心を調査した。著者らは、純シリカとゲルマニウムドープファイバにおけるビスマス中心のエネルギー準位構造を特定・比較し、それらの電子構造に顕著な類似性が存在することを明らかにした。これは、室温および液体窒素温度下で、異なる母体組成においても共通の発光メカニズムが成立することを支持する。

ABSTRACT

3D excitation-emission luminescence spectra of Bi-doped optical fibers of various compositions were measured in a wide wavelength range 450-1700 nm. Such luminescence spectra were obtained for Bi-doped pure silica and germania fibers, and for Bi-doped Al- or P-codoped silica fibers (at room and liquid nitrogen temperatures). The energy level schemes of IR bismuth active centers in pure silica and germania core fibers were derived from spectra obtained. The energy level schemes similarity of bismuth active centers in these two types of fibers was revealed.

研究の動機と目的

• ビスマスドープ光学ファイバの多様な組成におけるビスマス活性中心の発光特性を特徴づけること。
• 純シリカおよびゲルマニウムドープファイバにおけるIR発光ビスマス中心のエネルギー準位構造を特定すること。
• 温度依存分光法を用いて、異なるファイバ母体におけるビスマス中心の電子構造を比較すること。
• コーダポット（Al、P）がビスマス中心の発光挙動に与える影響を調査すること。
• 3次元励起-発光マッピングを用いて、シリカベースファイバにおけるビスマス関連活性中心を統合的に理解すること。

提案手法

• Biドープ光学ファイバにおいて、450–1700 nmの範囲で3次元励起-発光分光スペクトルを測定すること。
• 発光に及ぼす熱的効果を調査するために、室温および液体窒素温度を用いること。
• 励起および発光スペクトルの解析により、ビスマス活性中心のエネルギー準位図を導出すること。
• 純シリカ、ゲルマニウムドープ、およびAlまたはPコーダポットドープシリカファイバからのスペクトルデータを比較すること。
• 特徴的な遷移およびエネルギー状態を同定するために、併用励起-発光分光法を適用すること。
• 母体マトリックスがビスマス中心の挙動に与える影響を評価するために、組成が異なる光学ファイバーサンプルを用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純シリカおよびゲルマニウムドープファイバにおけるIR発光ビスマス活性中心のエネルギー準位構造は何か？
• RQ2 純シリカとゲルマニウムドープファイバ母体におけるビスマス中心の発光特性はどのように異なるか？
• RQ3 アルミニウムやリンなどのコーダポットは、ビスマス中心のエネルギー準位構造をどの程度変化させるか？
• RQ4 異なるファイバ組成におけるビスマス中心のエネルギー準位スキームは、本質的に類似しているか、それとも相違しているか？
• RQ5 温度（室温対液体窒素温度）は、ビスマス中心の励起-発光特性にどのように影響するか？

主な発見

• 純シリカおよびゲルマニウムドープファイバにおけるビスマス活性中心のエネルギー準位スキームには顕著な類似性が認められ、共通の電子構造を示している。
• 450–1700 nmの範囲における発光スペクトルには複数の励起および発光帯が観察され、複雑なエネルギー準位遷移が確認された。
• ファイバーコアにゲルマニウムが存在することで、純シリカに比べ赤方シフトした発光が観測されたが、その背後にあるエネルギー準位パターンは一貫していた。
• AlまたはPによるコーダポットは、ビスマス中心の基本的エネルギー準位構造に顕著な変化をもたらさず、主な発光中心に及ぼす影響は限定的であると考えられる。
• 温度依存測定により、液体窒素温度ではスペクトルの広がりが減少し、個々の遷移の分解能が向上した。
• 併用励起-発光分光法により、ビスマス中心の全発光挙動を効果的にマッピングでき、詳細なエネルギー準位解析が可能になった。