Spectroscopic properties of fluorophosphate glass

Spectroscopic properties

of fluorophosphate glass

with high Er3+ concentration

ABSTRACT Fluorophosphate glass with 4 mol.% ErF3 content

was prepared. The different scanning calorimetry was

conducted. Raman spectrum, infrared transmission spectrum,

absorption spectrum were measured. Fluorescence spectrum

and lifetime of emission around 1.53 μm were measured under

970 nm laser diode excitation. The metaphosphate content in

the composition is limited, but the maximum phonon energy of

glass amounts to 1290 cm−1, and is comparatively high. The

full width at half maximum is about 56 nm, and is wider than

for most of the materials investigated. The measured lifetime of

4I13/2 → 4I15/2 transition, contributed by the high phonon energy,

inefficient interaction of Er3+ ions, and low water content,

amounts to no less than 7.36 ms though the Er3+ concentration

is high. This work might provide useful information for the

development of compact optical devices.

1 Introduction

In recent years researchers have paid a great deal

of attention tominiature rare earth-doped glass devices. Compact

devices such as microchip lasers, amplifiers, lossless

splitters, and waveguide lasers have already been demonstrated

[1–5]. Among them erbium-doped glass waveguides

have been of particular interest because of their potential for

use as active elements in integrated optical devices for optical

communication system.

Miniature devices, which are only a few centimeters in

length, require the glass to provide a gain per unit length

as large as possible. The gain per unit length is linear proportional

to NEr ×τ ×σemi, where NEr is the concentration

of Er3+ ions, τ is the fluorescence lifetime of Er3+: 4I13/2 →

4I15/2 transition and σemi is the stimulated-emission cross section,

so in order to obtain high gain per unit length, the concentration

of Er3+ ions should be as high as possible. However,

the concentration is limited by the concentration quenching.

Generally the concentration of Er3+ ions for the onset of concentration

quenching is no more than 1–2×1020 ions/cm3

for tellurite glasses or phosphate glasses [6, 7]. Above the

concentration, the lifetime decreases sharply with the increase

of Er3+ concentration. The fluorescence lifetime of

Er3+: 4I13/2 → 4I15/2 transition is a critical factor not only

because it contributes to high gain properties, but also because

a long lifetime permits the required high population

inversion to be obtained under steady-state conditions by exertion

of modest pump power [8]. In this paper, a glass with

considerably high Er3+ concentration as well as long fluorescence

lifetime was obtained. The Er3+ concentration is

7.45×1020 ions/cm3, and the measured lifetime amounts to

no less than 7.36 ms.

Спектроскопические свойства
фторофосфатного стекла с высокой концентрацией Er 3 +.
Извлечение.
Фторофосфатное стекло с содержанием в 4 мол.% ERF3 было подготовлено. Была проведена различная сканирующая калориметрия. Были измерены Спектр комбинационного рассеяния, инфракрасный спектр пропускания,
спектр поглощения. Спектр флуоресценции
и время жизни излучения около 1,53 мкм были измерены при возбуждении
970 нм лазерного диода. Содержание метафостфатов в
составе ограничено, а максимальная энергия фонона в
стекле составляет 1290 см-1, что является сравнительно высокой величиной.
Полная ширина на половине максимума составляет около 56 нм, и это шире, чем
для большинства исследованных материалов. Измеренные времена жизни
4I13 / 2 → 4I15 / 2 перехода, способствовали высокой энергии фононов,
неэффективному взаимодействию ионов Er3 + и низким содержанием воды,
составляющему не менее 7,36 мс, хотя концентрация Er3 +
высока. Эта работа может дать полезную информацию для
разработки компактных оптических устройств.
1 Введение
В последние годы ученые уделяют большое
внимание мелким устройствам из редкоземельных легированных стекла. Компактные
устройства, такие как лазеры на микрочипах, усилители без потерь на расщепление и волноводные лазеры уже были показаны.
Среди них есть эрбиево-волноводное стекло, которое
имело особый интерес, поскольку их потенциально используют в качестве активных элементов в интегрально-оптических устройствах для оптической
системы связи.
Миниатюрным устройствам, которые составляют всего лишь несколько сантиметров в
длину, требуется стекло для обеспечения коэффициента усиления на единицу длины
как можно большего. Коэффициент усиления на единицу длины линейно пропорционален
NEr × × τ σemi, где NEr является концентрация
из ионов Er3 +, τ является временем жизни флуоресценции Ег3 +: 4I13 / 2 →
4I15 / 2 перехода и σemi есть стимулированное излучение в поперечном сечении,
так чтобы получить высокий коэффициент усиления на единицу длины, концентрация
ионов Er3 + должна быть как можно выше. Тем не менее,
Концентрация ионов ограничена из-за концентрационной закалки???.
Как правило, концентрация ионов Er3 + для начала концентрации
закалки не более 1-2 × 1020 ионов/см3
для теллуритовых или фосфатных стекол [6, 7]. Выше этой
концентрации, время жизни резко падает с увеличением
Er3 + концентрации. Время жизни флуоресценции
Er3 +: 4I13 / 2 → 4I15 / 2 перехода является важным фактором не только
потому, что вносит свой вклад в высокие свойства коэффициента усиления, но и потому,
что для длительного времени жизни требуется высокая инверсная плотность, которая будет получена в стационарных условиях при напряжении
умеренной мощности накачки [8]. В этой статье, стекло
с достаточно высокой концентрации Er 3 +, а также длительным временем жизни флуоресценции было получена. Er3 + концентрация составляет 7,45 × 1020 ионов/см3, и измеряемое время жизни составляет не менее 7,36 мс.