CN101373239B - 高增益双包层二维阵列光纤及其制作方法 - Google Patents

高增益双包层二维阵列光纤及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高增益双包层二维阵列光纤，其由排布成二维阵列的n(n≥2)条纤芯、内包层、外包层和涂覆层构成，纤芯排成规则的M行N列型阵列或者星形二维阵列，纤芯之间的间隔和所述阵列外围由内包层玻璃材料填充包裹，纤芯折射率>内包层折射率>外包层折射率；本发明还提供了所述光纤的制作方法，在内包层玻璃的端面钻出按所述二维阵列分布的且大小一致的细孔；把外包层玻璃棒端面钻出与内包层玻璃体形状尺寸一样的孔；把加工好的纤芯细棒插入到内包层玻璃体的孔中后，再把内包层玻璃体插到外包层玻璃棒中，然后放到光纤拉丝机中拉制，本发明具有同时放大多路光信号的功能，有效实现光纤放大器件、光纤激光器件的小型化和集成化。

Description

高增益双包层二维阵列光纤及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤二维阵列放大器的增益光纤领域，具体涉及高增益双包层二维阵列光纤及其制作方法。
背景技术
光纤放大器是目前广泛应用于光通信领域的光信号放大器件，它具有优异的光-光放大特性，且增益高，噪声低，现已成为全光通信领域的核心器件。近年来，随着光通信领域光纤到户的需求迅猛增长，紧凑型、小型化、低成本的光纤器件已成为该领域的研究热点。例如，二维(M×N)(M，N>1)光纤阵列放大器则实现了M×N个光纤放大器的放大功能，因而，它为光纤放大器件的实现紧凑小型化和低成本提供了可能。然而，石英光纤由于稀土离子掺杂浓度低，导致单位长度增益低，所需石英增益光纤长度则达几米甚至几十米，因此，很难实现高增益的二维阵列光纤。而磷酸盐玻璃光纤则可实现稀土离子高浓度掺杂，从而实现单位长度高增益，所需增益光纤长度仅为厘米量级，它为二维阵列光纤放大器件的实现紧凑小型化和低成本提供了材料保障。
双包层结构的泵浦耦合技术是目前研究提高光纤泵浦耦合效率的热点。因此，可以利用磷酸盐光纤的高增益特性，再结合双包层的耦合技术，研究制作出高增益双包层二维阵列光纤。而在稀土掺杂的双包层光纤研究方面，中国专利申请(申请号为02136859.7、公开日2003年03月12日和申请号为200410029810.6、公开日2005年01月.12日)主要关注的是不同基质材料(磷酸盐基质材料和石英基质材料)下且都是单一纤芯的双包层光纤的制作，它们都只能同时对一路信号光具有增益作用或都只能同时输出一路激光，这不利于光器件未来的发展方向——小型化和集成化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种高增益双包层二维阵列光纤，其利用光纤材料的高掺杂和高增益特性，通过设计控制双包层波导结构和折射率波导共同作用实现二维阵列光纤中每一条纤芯都具有高增益特性，因而可实现同时放大多路光信号或同时多波长多路激光输出，可广泛应用于多路集成光纤放大器、多波长多路同时输出的光纤激光器，且同时具有成本低、集成小型化、制作简单等特点。本发明通过如下技术方案实现。
一种高增益双包层二维阵列光纤，包括n条纤芯、内包层、外包层及保护涂覆层，其特征在于纤芯为具有单位长度增益大于1dB/cm的稀土掺杂玻璃基质材料，该玻璃基质材料包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃中的一种或多种，所述纤芯的条数为M×N条，纤芯排成规则的M行N列型阵列或者排成星形二维阵列，纤芯之间的间隔和所述阵列外围由与纤芯材料在折射率、膨胀系数和软化温度相匹配的内包层玻璃材料填充包裹，纤芯直径为2—80μm，相邻纤芯之间的中心间距为纤芯直径的2-100倍，纤芯折射率>内包层折射率>外包层折射率；所述M，N为自然数，M×N＝n，n≥2。
上述高增益双包层二维阵列光纤中，所述光纤阵列为圆形、三角形、矩形、D型或六边形。
上述高增益双包层二维阵列光纤中，所述光纤纤芯和内包层为单一组分玻璃或多组分玻璃。
上述高增益双包层二维阵列光纤中，所述内包层玻璃材料包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃中的一种或多种。
上述高增益双包层二维阵列光纤中，所述光纤外包层材料为单一组分玻璃或多组分软玻璃或高分子塑料。
上述高增益双包层二维阵列光纤中，所述光纤内、外包层的横截面形状可以是圆形、矩形或D型。
上述高增益双包层二维阵列光纤中，所述光纤纤芯掺杂高浓度的发光离子，掺杂浓度大于1×1019ions/cm3。
上述高增益双包层二维阵列光纤中，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或几种。
上述高增益双包层二维阵列光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)加工高增益基质玻璃棒，并把它在惰性气体或氮气气氛保护环境下用光纤拉丝机拉制成0.5～5mm的细棒，拉丝温度范围为650℃～750℃；
(2)在内包层玻璃的端面钻出按所述二维阵列形状排布的且大小一致的细孔，细孔直径大小为0.5～5mm；
(3)把外包层玻璃棒端面钻出与内包层玻璃体形状尺寸一样的孔；
(4)把加工好的纤芯细棒分别插入到内包层玻璃体的阵列孔中后，再把组装好的内包层玻璃体插到外包层玻璃棒中，从而完成整个光纤预制棒的制作，然后把光纤预制棒放到光纤拉丝机中拉制出所需尺寸的双包层二维阵列光纤，此过程同样需要在惰性气体或氮气气氛保护环境下完成。
上述方法中，步骤(4)中在拉制过程中，组装后的光纤预制棒中间的孔隙需抽成低真空，拉制出的阵列光纤需涂覆高分子塑料作为保护层。
本发明的技术效果是：各纤芯和内包层、内包层和外包层之间都形成有效折射率波导结构，随着多模泵浦激光在内包层中传输，纤芯中发光离子被泵浦光激发，形成受激发射，对传输在纤芯中的信号光形成放大。每一条稀土掺杂纤芯和内包层的波导结构相当于一条增益光纤；采用双包层结构则可以使用一个廉价的多模LD光源代替多个单模LD泵浦源。发明把多个光纤放大器集成到一个光纤二维阵列放大器中提供了增益光纤，从而最终可以实现开发研制廉价、紧凑、小型化的光纤放大器件。本发明采用钻孔、二次拉制技术，可实现每条纤芯直径达1～10μm左右的单模特性，同时纤芯具有高增益系数。该光纤阵列可用作光通信系统中集成放大器的增益光纤，并可在多模半导体激光器的泵浦下，同时实现放大多路光信号的功能，因而可显著降低光纤放大器的成本，并有效实现光纤放大器件的小型化和集成化。
附图说明
图1为本发明实施例1光纤横截面示意图，纤芯呈二维阵列(3×3)结构排布，内包层形状为D形，外包层为圆形结构，其中纤芯折射率N1>内包层折射率N2>外包层折射率N3。
图2为本发明实施例2光纤横截面示意图，纤芯呈二维阵列(十字星形)结构排布，内包层形状为矩形，外包层为圆形结构，其中纤芯折射率N1>内包层折射率N2>外包层折射率N3。
图3为本发明实施例1光纤横截面示意图，纤芯呈二维阵列(3×3)结构排布，内包层形状为正方形，外包层为圆形结构，其中纤芯折射率N1>内包层折射率N2>外包层折射率N3。
图4为本发明实施例1光纤横截面示意图，纤芯呈二维阵列(2×3)结构排布，内包层形状为矩形，外包层为圆形结构，其中纤芯折射率N1>内包层折射率N2>外包层折射率N3。
图5为本发明实施例2光纤横截面示意图，纤芯呈二维阵列(六角星形)结构排布，内包层形状为矩形，外包层为圆形结构，其中纤芯折射率N1>内包层折射率N2>外包层折射率N3。
图6为本发明实施例2光纤横截面示意图，纤芯呈二维阵列(三角星形)结构排布，内包层形状为圆形，外包层为圆形结构，其中纤芯折射率N1>内包层折射率N2>外包层折射率N3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步限定。
实施例1
图1、图3、图4为本发明高增益双包层二维阵列(M×N，M，N≥2)光纤的横截面示意图，光纤的纤芯折射率为N1，内外包层的折射率分布为N2和N3，且满足关系：N1>N2>N3，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上折射率阶跃变化。光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P2O5-8Al2O3-15BaO-4La2O3-3Nd2O3。稀土离子在纤芯中是均匀的高浓度掺杂，且各纤芯呈二维阵列(M×N)形排布，同时利用该纤芯玻璃拉制出的单模磷酸盐光纤具有单位长度高增益(>3dB/cm)特性。光纤的内外包层材料是磷酸盐玻璃，但需满足上面所述的折射率条件，以形成所设计的波导结构。另外还需要满足与纤芯磷酸盐玻璃在热膨胀系数、软化温度以及拉丝粘度等方面的匹配条件，以保证能成功拉制出玻璃光纤。在本实施例1中，光纤纤芯呈二维阵列(3×3)排布，内包层为D形，内外包层均采用磷酸盐玻璃材料(或者，外包层也采用折射率匹配的涂覆材料)，其组成是在纤芯玻璃基础上，通过调节BaO和Al2O3的不同含量实现调节折射率的目的。光纤的内外包层横截面形状可以是圆形、D形、矩形，也可以是其它任意形状，主要由激光泵浦方案确定。在本实施例1，光纤的内包层横截面都为D形结构，外包层为圆形结构。
高增益双包层二维阵列光纤的制作方法：首先将内包层玻璃棒加工成D形棒，然后根据设计尺寸在其端面通过钻孔法钻出所需要的纤芯阵列孔，再将各个纤芯棒分别插入内包层中纤芯阵列孔中，然后再利用管棒法将纤芯玻璃和内包层一起装配到外包层玻璃棒中制作成光纤预制棒，在光纤拉丝塔上进行光纤拉制，并需在在惰性气体或氮气气氛保护环境下完成，本实施例1中的光纤拉丝温度范围为650℃。拉制出的光纤即为高增益双包层二维阵列光纤。该二维阵列光纤由于纤芯在内包层中呈二维阵列排布，且每条纤芯都是稀土离子高掺杂，因而具有单位长度高增益特性；同时，此时每一条纤芯和内外包层形成一个双包层结构，因而又具有双包层光纤中包层泵浦耦合的优良特性。
实施例2
图2、图5、图6为本发明高增益双包层二维阵列(星形结构)光纤的横截面示意图，光纤的纤芯折射率为N1，内外包层的折射率分布为N2和N3，且满足关系：N1>N2>N3，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上折射率阶跃变化。光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P2O5-8Al2O3-15BaO-4La2O3-3Nd2O3。稀土离子在纤芯中是均匀的高浓度掺杂，且各纤芯呈二维阵列型(包括但不限于十字星形，三角星形，五角星形，六角星形等各种有规律的二维形状)排布，同时利用该纤芯玻璃拉制出的单模磷酸盐光纤具有单位长度高增益(>3dB/cm)特性。光纤的内外包层材料可以是磷酸盐玻璃也可以是其它种类的玻璃，但需满足上面所述的折射率条件，以形成所设计的波导结构。另外还需要满足与纤芯磷酸盐玻璃在热膨胀系数、软化温度以及拉丝粘度等方面的匹配条件，以保证能成功拉制出玻璃光纤。在本实施例1中，光纤纤芯呈二维阵列(十字星形)排布，内包层为矩形，内外包层均采用磷酸盐玻璃材料(或者，外包层也采用折射率匹配的涂覆材料)，其组成是在纤芯玻璃基础上，通过调节BaO和Al2O3的不同含量实现调节折射率的目的。光纤的内外包层横截面形状可以是圆形、D形、矩形，也可以是其它任意形状，主要由激光泵浦方案确定。在本实施例2，光纤的内包层横截面都为正方形结构，外包层为圆形结构。
高增益双包层二维阵列光纤的制作方法：首先将内包层玻璃棒加工成端面为正方形的长方体，然后根据设计尺寸在其端面通过钻孔法钻出所需要形状的纤芯阵列孔，再将各个纤芯棒分别插入内包层中纤芯阵列孔中，然后再利用管棒法将纤芯玻璃和内包层一起装配到外包层玻璃棒中制作成光纤预制棒，在光纤拉丝塔上进行光纤拉制，并需在惰性气体或氮气气氛保护环境下完成，本实施例2中的光纤拉丝温度范围为750℃。拉制出的光纤即为高增益双包层二维阵列光纤。该二维阵列光纤由于纤芯在内包层中呈二维阵列排布，且每条纤芯都是稀土离子高掺杂，因而具有单位长度高增益特性；同时，此时每一条纤芯和内外包层都形成一个双包层结构，因而又具有双包层光纤中包层泵浦耦合的优良特性。

Claims (10)

1.一种高增益双包层二维阵列光纤，包括n条纤芯、内包层、外包层及保护涂覆层，其特征在于纤芯为具有单位长度增益大于1dB/cm的稀土掺杂玻璃基质材料，该玻璃基质材料包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃中的一种或多种，所述纤芯排成规则的M行N列型阵列或者排成星形二维阵列，纤芯之间的间隔和所述阵列外围由与纤芯材料在折射率、膨胀系数和软化温度相匹配的内包层玻璃材料填充包裹，纤芯直径为2～80μm，相邻纤芯之间的中心间距为纤芯直径的2～100倍，纤芯折射率>内包层折射率>外包层折射率；所述M，N为自然数，M×N＝n，n≥2。
2.如权利要求1所述高增益双包层二维阵列光纤，其特征在于所述光纤阵列为圆形、三角形、矩形、D型或六边形。
3.如权利要求1所述高增益双包层二维阵列光纤，其特征在于所述光纤纤芯和内包层为单一组分玻璃或多组分玻璃。
4.如权利要求3所述高增益双包层二维阵列光纤，其特征在于所述内包层玻璃材料包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的高增益双包层二维阵列光纤，其特征在于所述光纤外包层材料为单一组分玻璃或多组分软玻璃或高分子塑料。
6.如权利要求1～5任一项所述的高增益双包层二维阵列光纤，其特征在于所述光纤内、外包层的横截面是圆形、矩形或D型。
7.如权利要求6所述的高增益双包层二维阵列光纤，其特征在于所述光纤纤芯掺杂高浓度的发光离子，掺杂浓度大于1×1019ions/cm3。
8.如权利要求7所述的高增益双包层二维阵列光纤，其特征在于所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或几种。
9.权利要求1～8任一项所述的高增益双包层二维阵列光纤的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)加工高增益基质玻璃棒，并把它在惰性气体或氮气气氛保护环境下用光纤拉丝机拉制成0.5～5mm的细棒，拉丝温度范围为650℃～750℃；
(2)在内包层玻璃的端面钻出按所述二维阵列形状排布的且大小一致的细孔，细孔直径大小为0.5～5mm；
(3)把外包层玻璃棒端面钻出与内包层玻璃体形状尺寸一样的孔；
(4)把加工好的纤芯细棒分别插入到内包层玻璃体的阵列孔中后，再把组装好的内包层玻璃体插到外包层玻璃棒中，从而完成整个光纤预制棒的制作，然后把光纤预制棒放到光纤拉丝机中拉制出所需尺寸的双包层二维阵列光纤，此过程同样需要在惰性气体或氮气气氛保护环境下完成。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于步骤(4)中在拉制过程中，组装后的光纤预制棒中间的孔隙需抽成低真空，拉制出的阵列光纤需涂覆高分子塑料作为保护层。
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