CN100357204C - 半导体薄膜内包层放大光纤及其预制棒制造方法 - Google Patents

半导体薄膜内包层放大光纤及其预制棒制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体薄膜内包层放大光纤及其预制棒制造方法。本半导体薄膜内包层放大光纤是由半导体薄膜内包层放大预制棒拉制而成的，预制棒由芯棒、内包层和外包层组成，内包层夹在芯棒和外包层之间，芯棒是由掺杂GeO2的石英材料构成，它的折射率要大于外包层的纯石英材料；内包层为薄膜包层，是由具有放大功能的活性半导体直接带隙材料构成；而外包层是由纯石英构成。其预制棒制造方法的工艺过程及步骤为：(a)采用改进化学气相沉积工艺制造芯棒；(b)制作外包层；(c)制作薄膜内包层；(d)采用插棒技术装配；(e)缩棒。本方法制造的预制棒具有半导体性能稳定、材料分解少等特点。本光纤适用于制备具有集成化、增益谱宽、高效泵浦、输出功率高、便于结构小型化，且使用方便，价格低廉的光纤放大器。

Description

半导体薄膜内包层放大光纤及其预制棒制造方法
技术领域
本发明涉及一种光纤预制棒及其制造方法，特别是一种半导体薄膜内包层放大光纤及其预制棒制造方法。
背景技术
放大光纤是光纤通信中不可缺少的一种特种光纤，它是光纤放大器的核心部件。光纤放大器广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统，接入网，光纤CATV网，军用系统等领域。掺杂稀土放大光纤是目前国内外使用最普遍的一种放大光纤。世界上一些发达国家的大公司均投入大量的人力、物力开展此类光纤的研制和开发。但是，目前使用的掺杂稀土放大光纤还存在以下问题：①单位长度的吸收效率低，组成的光纤放大器使用光纤较长(如掺铒光纤用作光纤放大时，可选择在20m、30m等)；②为了更好地提高纤芯吸收泵谱光的效率，掺杂稀土放大光纤可采用非圆内包层的结构形式，使制造工艺复杂、价格昂贵；③每种掺杂光纤的带宽有限(如基于石英光纤的掺铒光纤放大器增益带宽约为30nm)，因此才出现了不同波段的掺杂稀土光纤，如掺铒光纤(C波段1530-1565nm，L波段1570-1605nm)、掺铒碲化物光纤(1530-1610nm)、掺镨氟化物光纤(1290-1320nm)、掺铥氟化物光纤(1450-1485nm)；④在石英光纤中，高掺杂稀士元素，如铒(一般掺杂量约为1018cm-3)，将会出现上转换效应和离子集聚效应，而且铒亚稳态能级上的粒子数将减少，所以增加稀土元素浓度，在一定极限后，不会提高增益。
另外，在光纤到户的推动下，光放大器有巨大的市场前景，而我国在光放大器的研究方面还比较落后，高性能的掺杂稀土元素放大光纤目前主要依靠进口，我们研制的掺杂稀土元素光纤大都是在别人产品或已研究项目的基础上跟踪研究，这样就造成关键技术和产品受制于人，而且也无法与发达国家的技术和产品相抗衡。由此看出，研究一种新型放大用光纤，解决以上存在问题，满足我国经济建设和未来发展的需要，使其适合未来光纤放大器小型化、集成化、输出功率高、噪声低、增益均衡等发展的要求，是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体薄膜内包层放大光纤，预制棒的性能直接决定制作半导体薄膜内包层放大光纤性能和质量，所以，预制棒的制作对半导体薄膜内包层放大光纤而言是致关重要的。
以达到上述发明目的，本发明的构思是：针对已有技术存在的问题，我们提出将半导体材料的高增益、宽带宽的优势和光纤良好的波导结构结合起来实现放大光纤，该光纤在纤芯和包层间夹有一层无机活性半导体薄膜材料，从而形成了薄膜层光纤，且具有放大的功能，所以简称半导体薄膜内包层放大光纤。同时，本发明目标亦在于制备半导体薄膜内包层放大光纤的坯棒——放大光纤预制棒，主要解决半导体薄膜层制备过程中的材料分解和转化问题。
一种半导体薄膜内包层放大光纤，由芯棒、内包层和外包层组成，内包层夹在芯棒和外包层之间，其特征在于芯棒是由掺杂GeO2的石英材料构成，它的折射率要大于外包层的纯石英材料；内包层为薄膜包层，是由具有放大功能的活性半导体直接带隙材料构成；而外包层是由纯石英构成。
一种用于上述的半导体薄膜内包层放大光纤的预制棒制造方法，其制造工艺过程及工艺步骤如下：
a.采用改进化学气相沉积(MCVD)工艺制作芯棒(1)：将石英反应管紧固在改进化学气相沉积车床上，以50±5转/分的速度旋转，用高纯O2把液态原料SiCl4、GeCl4带入反应管内，由氢氧焰主灯提供1600-1650℃高温沿反应管的方向往复运动，进入反应管的原料在高温下氧化反应，沉积SiO2-GeO2芯层，然后，在2000±50℃氢氧焰温度下烧结反应管，收缩成为透明的实芯光纤芯棒；
b.制作外包层(3)：在可旋转的MCVD制棒机上放置已设有前端汽化腔的预制棒石英管，在其下部设置固定加热汽化灯及移动加热灯，固定加热灯用来汽化半导体材料、移动加热灯用来沉积材料，制作外包层仅用移动加热灯；将上述预制棒石英管以50±5转/分的速度旋转，用高纯O2把液态原料SiCl4带入反应管内，由氢氧焰移动加热灯提供1600-1650℃高温沿反应管的方向往复运动，进入反应管的原料在高温下氧化反应，沉积SiO2外包层；
c.制作薄膜内包层(2)：将上述制作的带有外包层的预制棒石英管，以40～50转/分的速度旋转，用高纯N2把固定加热汽化灯汽化的半导体材料(如InP)，固定汽化灯的加热范围为1300～1600℃，带入反应管内，移动加热灯使其沉积成薄膜层，即制成了半导体沉积薄膜；预制棒石英管的转动速度为35～45转/分，移动加热灯的走灯速度为12～15厘米/分。
d.采用插棒技术装配：利用插棒技术，将芯棒(1)插入带有外包层(3)和半导体薄膜内包层(2)的预制棒石英管内，然后再安装在MCVD制棒机上，并通以N2，将芯棒与石英管之间的空气全部用N2替代；
e.缩棒：将上述通以N2、带芯棒的石英管，采用缩棒工艺，缩成一个实芯的预制棒；缩棒的温度为2000±50℃，氢氧喷灯的走车速度为15±2厘米/分，棒的转动速度约为50±5转/分；预制棒的外径约为8～12毫米，半导体薄膜的厚度为2～5微米。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明提供的放大光纤具有半导体薄膜内包层，当用直接带隙半导体材料作为薄膜层时，如果光纤的入射泵浦光子能量大于直接带隙能量时，会发生强烈的本征吸收，入射光子使价带中的电子受激发而垂直跃迁进入导带，这样当光波通过处于该状态的半导体时，通过激光泵浦能量将获得增益(或放大)效果。由于直接采用半导体薄膜层作为受激介质，所以它的粒子反转程度极高，且又因是直接带隙材料，跃迁几率和泵浦光吸收效率也很高，因此短光纤就会有较高的放大增益。另外，由于采用半导体活性材料作为放大材料，这样粒子的跃迁不是发生在分立的能级之间，而是产生于两个能带(价带和导带)之间，因而放大的谱宽要比掺杂稀土元素光纤要宽几倍。同时，半导体薄膜层对泵浦光源波长的要求也不苛刻，所以泵浦的光源不一定是泵浦激光器，也可以用发光二极管阵列等器件。采用的预制棒制造方法，其预制棒具有半导体性能稳定，材料分解少等特点。
本发明的半导体薄膜内包层放大光纤，适用于制备出一种集成化强、增益谱宽、高效泵浦、输出功率高、便于结构小型化、且使用方便、价格低廉的光纤放大器。
附图说明
图1为本发明半导体薄膜内包层放大光纤的预制棒结构示意图
具体实施方式
本发明的一个优选实施例是：本半导体薄膜内包层放大光纤由芯棒、内包层和外包层组成，内包层夹在芯棒和外包层之间，芯棒是由掺杂GeO2的石英材料构成，它的折射率要大于外包层的纯石英材料；内包层为薄膜包层，是由具有放大功能的活性半导体直接带隙材料构成；而外包层是由纯石英构成。
本光纤的预制棒的制造方法，其制造工艺过程及工艺步骤如下：
a.采用改进化学气相沉积工艺制作芯棒1：将石英反应管紧固在改进化学气相沉积车床上，以50±5转/分的速度旋转，用高纯O2把液态原料SiCl4、GeCl4带入反应管内，由氢氧焰主灯提供1600～1650℃高温沿反应管的方向往复运动，进入反应管的原料在高温下氧化反应，沉积SiO2-GeO2芯层，然后，在2000±50℃氢氧焰温度下烧结反应管，收缩成为透明的实芯光纤芯棒；
b.制作外包层3：在可旋转的MCVD制棒机上放置已设有前端汽化腔的预制棒石英管，在其下部设置固定加热汽化灯及移动加热灯，固定加热灯用来汽化半导体材料、移动加热灯用来沉积材料，制作外包层仅用移动加热灯；将上述预制棒石英管以50±5转/分的速度旋转，用高纯O2把液态原料SiCl4带入反应管内，由氢氧焰移动加热灯提供1600～1650℃高温沿反应管的方向往复运动，进入反应管的原料在高温下氧化反应，沉积SiO2外包层；
c.制作薄膜内包层2：将上述制作的带有外包层的预制棒石英管，以40～50转/分的速度旋转，用高纯N2把固定加热汽化灯汽化的半导体材料InP，固定汽化灯的加热范围为1300～1600℃，带入反应管内，移动加热灯使其沉积成薄膜层，即制成了半导体沉积薄膜；预制棒石英管的转动速度为35～45转/分，移动加热灯的走灯速度为12～15厘米/分。
d.采用插棒技术装配：利用插棒技术，将芯棒1插入带有外包层3和半导体薄膜内包层2的预制棒石英管内，然后再安装在MCVD制棒机上，并通以N2，将芯棒与石英管之间的空气全部用N2替代；
e.缩棒：将上述通以N2、带芯棒的石英管，采用缩棒工艺，缩成一个实芯的预制棒；缩棒的温度为2000±50℃，氢氧喷灯的走车速度为15±2厘米/分，棒的转动速度约为50±5转/分；预制棒的外径约为8～12毫米，半导体薄膜的厚度为2～5微米。

Claims (1)

1.一种半导体薄膜内包层放大光纤的预制棒制造方法，其制造工艺步骤如下：
a.采用改进化学气相沉积工艺制作芯棒(1)：将石英反应管紧固在改进化学气相沉积车床上，以50±5转/分的速度旋转，用高纯O2把液态原料SiCl4、GeCl4带入反应管内，由氢氧焰主灯提供1600～1650℃高温沿反应管的方向往复运动，进入反应管的原料在高温下氧化反应，沉积SiO2-GeO2芯层，然后，在2000±50℃氢氧焰温度下烧结反应管，收缩成为透明的实芯光纤芯棒；
b.制作外包层(3)：在可旋转的MCVD制棒机上放置已设有前端汽化腔的预制棒石英管，在其下部设置固定加热汽化灯及移动加热灯，固定加热灯用来汽化半导体材料、移动加热灯用来沉积材料，制作外包层仅用移动加热灯；将上述预制棒石英管以50±5转/分的速度旋转，用高纯O2把液态原料SiCl4带入反应管内，由氢氧焰移动加热灯提供1600～1650℃高温沿反应管的方向往复运动，进入反应管的原料在高温下氧化反应，沉积SiO2外包层；
c.制作薄膜内包层(2)：将上述制作的带有外包层的预制棒石英管，以40～50转/分的速度旋转，用高纯N2把固定加热汽化灯汽化的半导体材料，固定汽化灯的加热范围为1300～1600℃，带入反应管内，移动加热灯使其沉积成薄膜层，即制成了半导体沉积薄膜；预制棒石英管的转动速度为35～45转/分，移动加热灯的走灯速度为12～15厘米/分，
d.采用插棒技术装配：利用插棒技术，将芯棒(1)插入带有外包层(3)和半导体薄膜内包层(2)的预制棒石英管内，然后再安装在MCVD制棒机上，并通以N2，将芯棒与石英管之间的空气全部用N2替代；
e.缩棒：将上述通以N2、带芯棒的石英管，采用缩棒工艺，缩成一个实芯的预制棒；缩棒的温度为2000±50℃，氢氧喷灯的走车速度为15±2厘米/分，棒的转动速度约为50±5转/分；预制棒的外径约为8～12毫米，半导体薄膜的厚度为2～5微米。
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