CN108594359A - 铌酸锂掺杂石英光纤 - Google Patents

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陈娜
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Abstract

本发明涉及一种铌酸锂掺杂石英光纤。该光纤通过改进化学气相沉积工艺技术加入高温气化铌酸锂工艺制备而成。制备出的铌酸锂掺杂石英光纤结构为纤芯层掺铌酸锂匹配型结构或内包层掺杂铌酸锂结构或纤芯与内包层同掺铌酸锂结构。这三种结构的铌酸锂掺杂石英光纤均具有高的折射率差、低的损耗和较高的拉曼增益系数。该光纤用于拉曼光纤放大器，可获得较高的拉曼增益，能解决传统单模光纤拉曼放大器增益低的不足。同时制备工艺成熟，可实现铌酸锂掺杂石英光纤的批量化生产。

Description

铌酸锂掺杂石英光纤
技术领域
本发明涉及一种铌酸锂掺杂石英光纤，所属光纤通信和光纤传感领域。
背景技术
随着高速率、大带宽、低损耗全光纤通信时代的到来，应用于全光中继的光纤放大器的研究成了当务之急。传统的掺铒光纤放大器（EDFA）具有高增益、高输出功率、低噪声、与偏振无关等优点，在目前的通信波段有着良好的放大特性。
但是随着波分复用系统研究朝着更大容量，更远传输距离的方向发展，EDFA 逐渐成为系统容量距离积进一步提升的“瓶颈”。首先EDFA 受铒离子限制，提供的增益带宽约70nm，只占全波光纤提供的 400nm 低损耗可用窗口的很小一部分（M. N. Islam. Ramanamplifiers for telecommunications[J]. IEEE J. of Selected Topics in QuantumElectronics, 2002,8(3): 548-559）。其次，由于 EDFA 需要特殊掺铒的光纤作为增益介质，因而仅适合于集中式放大。
因此有限的增益带宽和集中式放大的模式使得 EDFA 不能满足新一代大容量密集波分复用（DWDM）系统容量距离积进一步提升的要求。而光纤拉曼放大器（FRA）有效克服了这些问题，其放大波长仅与泵浦光波长有关，理论上可以放大任意波长的光，且利用多泵浦技术，理论上可达到任意的放大带宽；FRA可利用传输光纤进行在线放大，能够有效地抑制非线性效应（N. Shu and E. Yoshihiro. Ultrabroad-Band Raman Amplifiers Pumpedand Gain-Equalized by Wavelength-Division-Multiplexed High-Power Laser Diodes[J]. IEEE Journal on selected topics in quantum electronics, 2011, 7(1): 3-16）。但是，传统FRA主要运用普通单模光纤作为增益介质，其增益系数较小，要求在长距离和高泵浦的条件下才能得到明显的增益。
如何提高增益光纤的增益系数，获得更高增益的光纤拉曼放大成了现代通信领域的一个重要的研究课题。因此，包括硅酸盐玻璃光纤，掺杂硅酸盐玻璃光纤，铪掺杂石英光纤，铌掺杂石英光纤，氯化铌掺杂石英光纤等众多光纤得到了研究。硅酸盐等玻璃光纤虽然拉曼增益系数高，但是本身损耗巨大，同时又无法与现有光通信系统常用的石英光纤很好的熔接，无法实际应用。而铪掺杂石英光纤，铌掺杂石英光纤，氯化铌掺杂石英光纤虽然可以很好地接入现有光通信系统，但光纤本身损耗较高，导致拉曼增益被损耗抵消，无法很好地放大信号光。
为了解决这一问题，本发明设计并制备一种铌酸锂掺杂石英光纤。该光纤具有低损耗、高拉曼增益、高折射率差的优点。将该铌酸锂掺杂石英光纤应用于拉曼光纤放大器，可以极大地提高光纤放大器的放大增益。
发明内容
本发明目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种低损耗、高拉曼增益、高折射率差的铌酸锂掺杂石英光纤。为达到上述目的，本发明的构思是：以改进化学气相沉积制备工艺技术为基础，增加铌酸锂高温气化沉积工艺，可以成功制备出铌酸锂掺杂石英光纤。通过改变高温气化铌酸锂的时机可以制备出三种结构类型的铌酸锂掺杂石英光纤，分别为芯层掺杂铌酸锂匹配型结构、内包层掺杂铌酸锂结构、芯层与内包层同掺铌酸锂结构。
下面结合图1说明三种结构的差别，铌酸锂掺杂石英光纤分为三个部分，分别为纤芯1、内包层2和外包层3。仅在芯层1中掺杂铌酸锂是芯层掺杂铌酸锂匹配型结构，仅在内包层2中掺杂铌酸锂则是内包层掺杂铌酸锂结构，在芯层1和内包层2同时掺杂铌酸锂则是芯层与内包层同掺铌酸锂结构。经测量，三种结构的铌酸锂掺杂石英光纤均具有低损耗、高拉曼增益、高折射率差等优点。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种铌酸锂掺杂石英光纤，在改进化学气相沉积（MCVD）制备工艺技术方法中增加铌酸锂高温气化沉积工艺制作而成，制备出的铌酸锂掺杂石英光纤结构为芯层1掺杂铌酸锂匹配型结构、内包层2掺杂铌酸锂结构、芯层1与内包层2同掺铌酸锂结构，具有高折射率差、低损耗和高拉曼增益系数的优点。
所述铌酸锂掺杂石英光纤结构是仅在纤芯掺杂铌酸锂的匹配型结构，或者是仅在内包层掺杂铌酸锂的内包层掺杂结构，或者是在纤芯与内包层同时掺杂铌酸锂的共掺结构，折射率差不低于1.5%，损耗低于5dB/km，拉曼增益系数高于普通单模光纤2倍以上。
本发明的优点是光纤的制备工艺成熟，能够有效地将铌酸锂掺入石英光纤，且可以批量化生产。铌酸锂掺杂石英光纤具有高的拉曼增益、低的传输损耗，可以应用于拉曼光纤放大器，提高放大器的放大增益，同时该光纤也可用来刻写光纤光删。
附图说明
图1、图2和图3是铌酸锂掺杂石英光纤结构图。
图4是本发明工艺示意图。
具体实施方式
下面通过优选实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例一：
参见图1~图3，本铌酸锂掺杂石英光纤在改进化学气相沉积（MCVD）制备工艺技术方法中增加铌酸锂高温气化沉积工艺制作而成，制备出的铌酸锂掺杂石英光纤结构为芯层1掺杂铌酸锂匹配型结构、内包层2掺杂铌酸锂结构、芯层1与内包层2同掺铌酸锂结构。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述铌酸锂掺杂石英光纤结构是仅在纤芯掺杂铌酸锂的匹配型结构，或者是仅在内包层掺杂铌酸锂的内包层掺杂结构，或者是在纤芯与内包层同时掺杂铌酸锂的共掺结构，折射率差不低于1.5%，损耗低于5dB/km，拉曼增益系数高于普通单模光纤2倍以上。
实施例三：
本实施例具体描述了铌酸锂掺杂石英光纤预制棒的制备过程，结合图4所示，图4是铌酸锂掺杂石英光纤预制棒的制备工艺示意图。整个工艺装置包括输入氧气4，液态四氯化硅5，液态四氯化锗6，铌酸锂晶体7，石墨炉8，纯石英玻璃基管9，氢氧焰10和尾气处理装置11。
准备好上述材料并搭建好制备装置后，打开氢氧焰10同时打开氢氧焰装置的移动开关。氢氧焰10可以在石英玻璃基管9下方来回往复移动，对基管9进行高温加热，使基管9内流入的混合气体在高温下产生化学反应。
在氧气输入端4通入氧气，氧气分别通过液态四氯化硅5和液态四氯化锗6时，会载着四氯化硅和四氯化锗进入导气管。
打开石墨炉8即可开始高温气化铌酸锂晶体7，通入的氧气可以将气化的铌酸锂载至石英玻璃基管9内沉积形成铌酸锂掺杂物。控制该工艺的开始与结束时间可以制备出不同结构的铌酸锂掺杂石英光纤。如果仅在形成芯层阶段打开石墨炉8进行高温气化铌酸锂，则可制备出纤芯掺杂铌酸锂匹配型结构的石英光纤；如果在形成内包层阶段打开石墨炉8进行高温气化铌酸锂，则会制备出内包层掺杂铌酸锂结构的石英光纤；如果在形成内包层和芯层阶段均进行高温气化铌酸锂，则会制备出纤芯与内包层同掺铌酸锂结构的石英光纤。
氧气载着四氯化硅和四氯化锗和铌酸锂气体进入石英玻璃基管9，产生物理化学反应，最终生成的氧化硅、氧化锗和铌酸锂混合物沉积在石英玻璃基管内壁。
因为尾气中含有氯气等有害气体，需要用尾气处理装置11进行尾气的收集处理，防止对人体和环境产生危害。
沉积完成后，该石英玻璃基管再在来回往复移动的氢氧焰10高温下塌缩成棒，这样就制备成了铌酸锂掺杂石英光纤预制棒。最后，用光纤拉丝机即可将光纤预制棒拉制成铌酸锂掺杂石英光纤。

Claims (5)

1.一种铌酸锂掺杂石英光纤，在改进化学气相沉积（MCVD）制备工艺技术方法中增加铌酸锂高温气化沉积工艺制作而成，制备出的铌酸锂掺杂石英光纤结构为芯层（1）掺杂铌酸锂匹配型结构、内包层（2）掺杂铌酸锂结构、芯层（1）与内包层（2）同掺铌酸锂结构，具有高折射率差、低损耗和高拉曼增益系数的优点。
2.根据权利要求1所述铌酸锂掺杂石英光纤，其特征在于光纤结构是仅在纤芯掺杂铌酸锂的匹配型结构，或者是仅在内包层掺杂铌酸锂的内包层掺杂结构，或者是在纤芯与内包层同时掺杂铌酸锂的共掺结构。
3.根据权利要求1所述铌酸锂掺杂石英光纤，其特征在于折射率差不低于1.5%。
4.根据权利要求1所述铌酸锂掺杂石英光纤，其特征在于损耗低于5dB/km。
5.根据权利要求1所述铌酸锂掺杂石英光纤，其特征在于拉曼增益系数高于普通单模光纤2倍以上。
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