光敏有源光纤是一种重要的特种功能光纤,是将光敏性和光放大性能集于一体的一类光纤,在WDM光纤通信网、光纤光栅激光器、光纤传感和检测等领域有着极其广泛的应用前景和巨大的应用价值。本文以研究、开发多组分光敏有源光纤用玻璃(纤芯和包层玻璃)为研究目标,对多系统玻璃进行了研究。基于对光敏有源光纤纤芯玻璃激光刻写的光敏性、玻璃的光放大性能,以及光纤包层玻璃的选择、纤芯和包层玻璃的匹配性、光敏有源光纤可激光刻写性质几方面的研究分析,筛选出了光敏性强、光谱性质优良的多组分光敏有源光纤用玻璃,包括：可紫外激光刻写的多组分铋硅酸盐光敏有源光纤和多组分锑硅酸盐光敏有源光纤玻璃；可800nm红外激光刻写的多组分铋硅酸盐光敏有源光纤玻璃。研究了玻璃的组成、结构和性能(包括成玻性、热稳定性、光谱性能等)的关系。采用几种途径选择了光纤包层玻璃,使包层玻璃不仅折射率和热学性能与纤芯匹配,并为实现光敏有源光纤的激光刻写设计了有效的途径。在有源光放大方面探索了铋离子超宽带荧光机制和荧光的强化方法,为铋离子超宽带荧光应用于光敏有源光纤创造了条件。这些研究为光敏有源光纤的拉制、应用和工业化生产奠定了理论基础。本文取得的主要结论和创新点如下： (1)筛选出具有强光敏性铒掺杂的多组分光敏有源玻璃-铋硅酸盐玻璃(Na2O-Bi2O3-B2O3-SiO2),在KrF准分子激光器照射下,紫外光致折射率变化最大为6×10-4。铒掺杂多组分铋硅酸盐玻璃也有优良的光谱性质,随玻璃组成的变化,1.5μm荧光半高宽(FWHM)由45nm变化到78nm,Er3+离子4I13/2能级荧光寿命在2.4ms-0.5ms之间,峰值发射截面由7.88×10-21cm2变化到8.49×10-21cm2,此发射截面与铒掺杂的碲酸盐玻璃相当。因此,铒掺杂的铋硅酸盐玻璃成为优良的多组分光敏有源光纤的纤芯材料。 采用同族元素替换方法构成此光纤的包层玻璃:Na2O-Sb2O3-B2O3-GeO2,使纤芯和包层在折射率、Tg温度和热膨胀系数相匹配,且包层玻璃相对纤芯玻璃吸收边蓝移,使多组分铋硅酸盐光敏有源光纤构成>50nm宽紫外刻写窗口。可实现对多组分铋硅酸盐光敏有源光纤Bragg光栅的有效刻写。 (2)研制了多组分铒掺杂锑硅酸盐光敏有源光纤用玻璃(Na2O-Sb2O3-B2O3-SiO2)。多组分铒掺杂锑硅酸盐玻璃光敏有源光纤纤芯玻璃具有强的光敏性：6×10-4,并且在1.5μm处具有优良的光谱性质：大的荧光半高宽(FWHM=71～90nm)和发射截面(σpe=6.27×10-21～5.68×10-21cm2),以及较长的Er3+离子4I13/2能级荧光寿命(t=0.3～1.0ms)。选择了铒掺杂多组分锑硅酸盐玻璃光敏有源光纤纤芯玻璃和包层玻璃的匹配方法：纤芯玻璃和包层玻璃为同基质玻璃(Na_2O-Sb_2O_3-B_2O_3-SiO_2),纤芯玻璃共掺杂Er_2O_3/Bi_2O_3。Er_2O_3掺杂赋予光纤光放大性能:Bi_2O_3掺杂使纤芯玻璃吸收边相对包层玻璃红移,构成100nm宽的紫外刻写窗口,可实现光纤光栅的在线紫外刻写。并且Bi2O3增加了纤芯折射率,形成单模光纤。此包层和纤芯玻璃的选择使光纤纤芯和包层的匹配过程简化,达到较理想的匹配效果。 (3)通过对800nm红外飞秒脉冲激光对玻璃作用的研究,测定了碲钨酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、铋硅玻璃、磷酸盐玻璃和氟磷玻璃的损伤阈值。对玻璃损伤阈值的脉冲能量,分析了红外激光照射后玻璃的结构变化和激光斑处玻璃组成的分布规律,并导致玻璃折射率的改变(多光子吸收)。并在此基础上,根据红外激光对铋硅酸盐玻璃的作用规律,选择了与纤芯玻璃同系的玻璃构成光纤包层玻璃。由于800nm飞秒激光能透过包层玻璃仅在激光焦点处(令位于纤芯)产生显著的多光子吸收,在拉制的多组分掺铒铋硅酸盐光敏有源光纤可实现800nm红外飞秒激光刻写光纤Bragg光栅。 (4)通过实验研究,发现了强化Bi离子掺杂玻璃1.3μm处超宽带荧光的有效方法,在玻璃中通过共掺杂Bi_2O_3/MO(MO=CeO_2、As_2O_3或Y_2O_3)或在高温纯氧气氛中氧化玻璃都能强化Bi掺杂玻璃超宽带红外荧光的强度,强化的荧光展示了精细的多峰结构。并且根据在玻璃基质中不同的共掺杂方式以及控制玻璃的熔制气氛对铋离子红外荧光特性的影响,初步判定了荧光铋离子所处的价态。铋离子超宽带荧光的强化,为铋离子超宽带荧光应用于光敏有源光纤创造了条件。