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随着计算机网络及其它新的数据传输业务的飞速发展，提高光波分复用系统的传输容量和速率成为迫切需要。传统的稀土离子掺杂光纤放大器，由于受到f-f跃迁的限制，增益带宽一般为35nm左右，严重限制了波分复用系统的进一步发展。因此，对超宽带光纤放大器的研究显得十分重要。目前对光纤放大器放大区域的展宽主要有两种方法：一种是开发拉曼光纤放大器(RFA)，通过多泵浦的复用达到宽带放大的目的，但泵浦数目的增多又给其实际应用带了困难，它不仅提高了系统的成本，而且还增加了系统的复杂度。另一种方法是利用掺铒光纤放大器(EDFA)和FRA相结合构造宽带放大器，这样可以节省所需泵浦数并能在较宽(80～100nm)的波长范围实现放大，然而，这样也会使得工艺变得非常复杂，而且还会造成严重的光信号损失。因此开发单波长激发新型超宽带光纤放大器具有重要意义。
铋掺杂玻璃在400～1100nm波长范围内的任意波长处激发，会发射覆盖1000～1700nm波长范围内的超宽带红外发光，荧光的最大值半高宽(FWHM)约300nm，荧光寿命约为几百微秒。铋掺杂玻璃这种超宽带光学性能表明它是一种非常有前途的潜在超宽带光放大材料，它们很有可能成功解决目前稀土离子掺杂光纤放大器和拉曼光纤放大器所面临的放大带宽不足和多波长激发的缺点。本论文以铋掺杂玻璃在光通信窗口区域的超宽带荧光和光学放大为课题，系统的研究了玻璃成份，工艺参数，和激发波长对铋掺杂玻璃的超宽带荧光和光放大性能的影响，研究了吸收光谱和荧光光谱特性，提出了铋掺杂玻璃的红外发光机理，优化了玻璃组份，成功的实现了铋掺杂玻璃的光放大。
在碱土金属硅酸盐玻璃中，观察到发光峰在400nm，640nm和1300nm附近的3个发光带，位于400nm的发光来自Bi3+，640nm的发光来自Bi2+离子，而1300nm发光的起源至今尚不能确定。但是随着碱性的增强1300nm发光强度明显减弱，当碱金属氧化物加入玻璃后，1300nm的红外荧光出现瘁灭，这些荧光强度的减弱是因为玻璃碱性的增强降低了红外活性中心的浓度。根据光学碱度理论，我们认为红外活性中心是低价的铋离子，例如Bi+。
以前关于铋掺杂玻璃红外发光的报道中，Al3+,Ga3+，和B3+等3价离子被一致认为是红外发光必不可少的成分，但并不清楚这些离子的真正作用。为了研究清楚这些离子的作用，笔者设计了铋掺杂的BaO-SiO2玻璃体系并研究了它们的红外发光特性，发现在没有Al3+等3价离子存在的情况下，也有红外发光，否定了以前认为Al3+等3价离子是铋的红外发光必不可少的组份这一推断，并否定了红外发光来源于Al3+·Bi+复合体这一观点，笔者认为Al3+在铋掺杂的玻璃中起了增加和分散红外活性铋离子的双重作用。
在铋掺杂的锶锗酸盐玻璃中，在980nm激发下，我们发现了最大值半高宽(FWHM)约510nm的超宽带红外发光，当锶被钙和镁取代后，在980nm激发下FWHM逐步减小到315nm，这些发光由3个高斯峰组成。而在808nm激发下，铋掺杂碱土金属锗酸盐玻璃的红外发光由2个高斯峰组成，并且随着碱土金属的变化Sr2+→Ca2+→Mg2+，红外荧光的FWHM改变趋势是225nm→300nm→330nm，这种变化趋势正好与980nm激发时的变化趋势相反。我们认为FWHM的变化是由于铋掺杂玻璃中存在几个化学环境不同的铋红外活性中心，这些活性中心在不同的玻璃中相对含量的不同引起了荧光宽度FWHM的变化。
经过系统的实验研究，我们优化了玻璃成分和制备工艺，在808nm激发下，成功地在铋掺杂的锗酸盐和锗硅酸盐玻璃中，实现了1272～1348nm波段的光学放大，并且实现了在980nm激发下1300nm波长处的光放大。铋掺杂玻璃的这种超宽带发光和光放大性能，表明这种新型超宽带材料极有可能成为超宽带光纤放大器的增益介质，超宽带可调谐激光器，和超短脉冲激光光源。
OH-基团对稀土离子的红外荧光有很强的瘁灭作用，为了了解OH-对铋掺杂玻璃红外发光的影响并改善红外发光性能，我们对磷酸盐和硅酸盐玻璃进行了除水实验，发现当OH-的浓度减少后，铋掺杂玻璃的荧光强度和荧光寿命明显增强，实验结果表明，除水工艺对铋掺杂玻璃的实际应用有重要意义。
铋掺杂玻璃在激发波段的吸收较弱，严重影响了铋掺杂玻璃的红外发光强度和光放大性能，为了提高铋掺杂玻璃对激发光的吸收效率，我们在铋掺杂玻璃中共掺了具有高吸收率的敏化离子Yb3+。当0.8mol％的Yb2O3加入铋掺杂的玻璃中，玻璃样品在980nm处的吸收迅速增强，在980nm激发下铋的红外发光增强了23倍，但是随着Yb2O3含量的增加，红外活性铋离子的浓度迅速减小。Yb3+对铋掺杂玻璃的这种双重作用需要进一步研究，进而优化Yb3+对铋掺杂玻璃红外发光的贡献。
为了进一步证实铋掺杂玻璃的红外发光机理，除了研究光学碱度与铋掺杂玻璃红外发光之间的关系外，我们还改变了玻璃的制备温度，加入了氧化还原剂，来研究这些因素对发光性能的影响。我们发现随着玻璃制备温度的降低和氧化剂的加入，红外活性离子浓度和1300nm的荧光强度明显减弱。从制备温度，共掺氧化剂和光学碱度三个方面观察到的实验现象说明铋掺杂玻璃的红外发光起源于低价态的铋离子，同时我们又发现红外发光起源于Bi3+，Bi2+，Bi0，和BiO的可能性很小，所以我们认为铋掺杂玻璃的红外发光起源于Bi+。Bi+第一激发态到基态的辐射跃迁3P1→3P0产生了红外发光。