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超强激光科学卓越创新简报

(第八百零六期)

2026年7月31日

上海光机所提出构型熵工程策略助力铋掺杂玻璃光纤实现超宽带发光

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部胡丽丽研究员团队，提出了面向铋掺杂玻璃与光纤的构型熵工程策略。研究团队通过调控玻璃形成动力学，将玻璃网络冻结在高能、高无序的构型状态，有效抑制Ge/Bi元素聚集及其引发的非辐射能量耗散，制备出背景损耗和非饱和损耗显著降低的铋掺杂石英光纤，并实现1680-1750 nm宽带放大、1650 nm和1720 nm激光输出以及甲烷传感原理验证。相关成果以“Configurational Entropy Engineering of Bi-Doped Glass Fiber Enabling Ultrabroadband Emission”为题，发表于Advanced Functional Materials。

近红外宽带放大器和激光器是下一代高容量光通信、分子光谱探测与光纤传感的重要光源。传统铒掺光纤放大器（EDFA）的有效增益窗口相对有限，难以独立承载持续增长的传输带宽需求。铋掺杂石英光纤可在1000–1800 nm范围内产生宽带近红外发光，并与成熟的石英光纤制造技术兼容，因此被视为拓展通信波段的重要候选材料。

其核心困难在于“增益—损耗”矛盾。铋活性中心（BAC）的光学性质对局域配位结构极为敏感；提高铋含量虽然有利于增加增益，却会促使过量Bi离子在Ge聚集区域中团聚，形成非发光原子簇和淬灭中心，导致背底损耗和非饱和损耗升高。如何在保持较高掺杂浓度的同时抑制元素聚集，是铋掺杂光纤走向高性能器件的关键问题。

不同于依靠多组元混合熵的高熵合金，构型熵策略把玻璃形成路径作为设计变量：通过超快冷却，将高温熔体的无序拓扑结构冻结在高能、高构型熵亚稳态。在Ge/Bi共掺石英中，Si–O网络先冻结，仍具迁移能力的Ge–O单元易形成Ge聚集域，Bi又倾向进入其中。常规冷却给Ge迁移和Bi聚集留下时间，形成Ge和Bi的聚集域；超快淬冷则在聚集域长大前实施动力学阻滞。相图与分子动力学模拟表明，虽然体系存在相分离驱动力，提高冷却速率仍可压缩扩散与弛豫时间，从而抑制聚集。

球差校正TEM显示，Ge聚集域平均尺寸由慢冷的5.42 nm降至淬冷的1.66 nm。同步辐射X射线总散射和PDF/rPDF分析表明，慢冷样品的Bi相关原子对峰和中程振荡更强，说明Ge/Bi聚集更明显；淬冷样品则具有更分散的局域结构、更高透过率和更强近红外发光。DSC、原位PDF和原位透过谱进一步证明，高构型熵状态是动力学冻结的亚稳态：加热会诱导Bi相关结构和Ge聚集域依次弛豫；500 ℃长时间退火后，光学性能不可逆退化至接近慢冷样品。

研究团队使用相同预制棒，仅将拉丝速度由30 m/min提高至100 m/min，使纤芯经历更强的超快冷却。在Ge/Bi含量基本不变的情况下，背景损耗由400 dB/km降至210 dB/km，非饱和损耗由33.5%降至25.8%。该光纤在1680–1750 nm范围内实现超过20 dB净增益，平均净增益较对照光纤提高约5 dB，并获得1720 nm和1650 nm激光输出。1650 nm激光结合空芯光纤气室后，输出功率随甲烷压力升高而规律衰减，完成了气体传感验证。

这项工作的价值不只在于获得性能更优的铋掺杂光纤，更在于提出一种面向非晶功能材料的结构调控范式。传统设计关注材料组分“加入什么”和“加入多少”，构型熵工程进一步关注“如何形成”：通过控制冷却速率和弛豫路径，在有害聚集发生前锁定非平衡结构。该思路为兼顾高掺杂、高发光活性与低能量耗散提供了新路径，并可拓展至其他稀土/主族元素掺杂玻璃。

本研究建立了铋掺杂玻璃光纤的构型熵工程方法：通过超快冷却将玻璃网络锁定在高无序、高能量的亚稳构型中，在Ge/Bi聚集域长大前实施动力学阻滞，从而抑制铋团聚、非辐射能量转移及光学损耗。所得光纤的背底损耗由400 dB/km降至210 dB/km，非饱和损耗由33.5%降至25.8%，并在1680–1750 nm范围内实现超过20 dB净增益及1650/1720 nm激光输出。

构型熵工程把“冷却历史”从制备参数提升为可设计的结构变量，为非晶材料中的局域配位、元素分布和能量迁移调控提供了统一的热力学—动力学框架。未来，该策略有望拓展至稀土掺杂玻璃、非晶发光材料及其他功能玻璃体系，并与多尺度模拟、原位表征和先进成形工艺结合，进一步建立“形成路径—局域结构—器件性能”之间的定量关联。

相关研究得到中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、上海市科学技术委员会项目以及先进玻璃研发平台等支持

原文链接

图1多尺度结构证据：球差校正TEM元素分布、同步辐射X射线总散射及相对对分布函数（rPDF）共同证明，快速淬冷可缩小Ge聚集域并抑制Bi相关结构聚集。

图2器件性能验证：构型熵工程光纤实现更低非饱和损耗、1680–1750 nm宽带放大、1650/1720 nm激光输出及空芯光纤甲烷传感。

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