CN108598855A - 一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤 - Google Patents

一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，包括光纤纤芯和光纤包层，其中，所述的光纤纤芯是由掺铒氟碲酸盐玻璃构成，所述的掺铒氟碲酸盐玻璃按照如下摩尔百分比组成：TeO2：40‑90，BaF2：0‑60，Y2O3：0‑14.99，Er2O3：0.01‑10，Yb2O3：0‑10，所述的光纤包层是由氟碲酸盐构成，氟碲酸盐按照如下摩尔百分比组成：TeO2：40‑90，BaF2：0‑60，Y2O3：0‑15。本发明的基质玻璃在氮气保护的手套箱中熔制，以保证制得的玻璃样品中低的羟基含量，光纤由棒管法制备。本发明中所使用的氟碲酸盐玻璃具有较强的抗潮解能力，宽的铒离子发射带宽和较高的玻璃转变温度，这使得该光纤可用于制作高功率宽带光纤放大器。

Description

一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃 光纤
技术领域
本发明涉及一种掺铒特种玻璃光纤，特别是一种具有高抗水能力的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，该光纤可用于制作高功率宽带光纤放大器。
背景技术
光纤通信具有容量大、传输距离长、抗电磁干扰能力好、信号串扰小、保密性能好等优点，使得其成为当今社会“信息高速公路”的重要支柱。近年来，随着物联网、云计算等新兴业务的高速发展，通信信息交换的总量剧增，宽频通讯的需求量愈来愈大。这对光纤通讯系统中的关键元器件—光纤放大器的工作带宽提出了更高的要求。另外，光纤通信网络常铺设于地下、水底等潮湿环境中，虽然有防潮防水系统的保护，仍需系统中的所有元器件都具有较好的防潮抗水能力，以保证整个光通信网络的长期稳定运转。
光纤放大器的工作带宽主要受限于工作介质的增益带宽。与传统的掺铒石英光纤相比，掺铒碲酸盐玻璃光纤具有更宽的增益带宽，是一种研制宽带光放大器的潜在工作介质。但是以往报道的掺铒碲酸盐玻璃光纤基质材料中往往含有Li+，Na+等碱金属离子，这会降低玻璃的抗水性，进而影响其在光通信网络中的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有较好抗潮解功能的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，同时具有增益带宽宽和损伤阈值高的特点，用于制作高功率宽带光纤放大器。该光纤用棒管法制备而成，其基质材料具有较高的抗潮解功能和玻璃转变温度，该光纤为全固态结构，可为单包层或双包层结构，稀土离子掺杂可为铒单掺或铒镱共掺。利用这种光纤作为增益介质，可获得工作带宽覆盖1470～1660nm的高功率宽带光放大器。
本发明通过如下技术方案实现的：
如图1所示，一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，包括光纤纤芯和光纤包层，其中，所述的光纤纤芯是由掺铒氟碲酸盐玻璃构成，所述的掺铒氟碲酸盐玻璃按照如下摩尔百分比组成：
所述的光纤包层是由氟碲酸盐构成，氟碲酸盐按照如下摩尔百分比组成：
进一步地，所述的光纤包层包括内包层和外包层，其中，所述的内包层及外包层均由氟碲酸盐构成，氟碲酸盐按照如下摩尔百分比组成：
进一步地，所述的光纤纤芯的直径为5～15μm，所述的内包层的厚度为0～58μm，所述的外包层的厚度为2～60μm。
一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤的制备方法，具体步骤如下：
1、分别选择用作纤芯和包层玻璃的组分，按照相应的摩尔百分比计算并称取各原料，研磨均匀成混合料；
2、制备纤芯预制棒，将研磨好的纤芯混合料放入坩埚中置于900～1100℃的电炉内融化，完全融化后澄清30分钟后将玻璃液注入预热好的模具中，然后移至已预热至400℃的马弗炉中保温3小时，再缓慢降至室温；
3、制备包层玻璃管；将研磨好的包层混合料放入坩埚中置于900～1100℃的电炉内融化，完全融化后澄清60分钟后将玻璃液注入预热好的模具中，经高速旋转，利用离心作用形成中空玻璃管，然后移至已预热至400℃的马弗炉中保温3小时，再缓慢降至室温；
4、将制备出的玻璃芯棒和包层套管进行表面抛光处理，去除表面缺陷；
5、将抛光好的玻璃芯棒插入合适的包层玻璃管内，然后置于光纤拉丝塔上拉制成具有合适尺寸的光纤预制棒，根据设计光纤芯径和结构的不同，可通过多次拉伸的方式制备具有特定尺寸和结构的光纤预制棒；
6、将上述光纤预制棒插入另一根包层玻璃管内，然后置于光纤拉丝塔上拉制单包层或双包层掺铒氟碲酸盐玻璃光纤。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明通过选用具有较好化学稳定性的氟碲酸盐玻璃作为基质材料，利用棒管法制备出了掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，利用这些光纤作为非线性介质，可研制工作带宽覆盖1470～1660nm的高功率宽带光纤放大器。
附图说明
图1为掺铒氟碲酸盐玻璃光纤的端面结构示意图；
其中，a为实施例1的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，b为实施例2制备的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤；
图2为组分为70TeO2-20BaF2-10Y2O3玻璃浸水处理前后玻璃的透过光谱图；
其中，插图为抛光后的TBY玻璃样品图；
图3为组分为70TeO2-20BaF2-10Y2O3玻璃浸水处理前后玻璃截面的SEM图；
其中，a为浸水处理前，b为浸水处理12天后；
图4为实施例2制得的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤截面扫描电镜图；
图5为掺铒氟碲酸盐玻璃光纤光放大性能测试装置示意图；
图6利用980nm激光器作为泵浦源，20cm长掺铒氟碲酸盐玻璃光纤作为增益介质，当泵浦光功率为100毫瓦、信号光功率为10微瓦时测得的增益谱图；
图7掺铒氟碲酸盐玻璃光纤激光性能测试装置示意图；
图8利用1480nm激光器作为泵浦源，30cm长掺铒氟碲酸盐玻璃光纤作为增益介质，当泵浦光功率为10瓦时测得的输出激光光谱；
图9利用1480nm激光器作为泵浦源，实施例3制备的30cm长掺铒氟碲酸盐玻璃光纤作为增益介质，1560nm激光输出功率与泵浦激光功率变化关系图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
实施例1：
氟碲酸盐玻璃的制备
第一步：按照摩尔比TeO2:BaF2:Y2O3(TBY)＝70:20:10称取15g原料，将称量好的原料放入玛瑙研钵中研磨30分钟，使原料均匀混合；将混合好的原料置于20ml铂金坩埚内并放入已升温至950℃的电炉内熔融；30分钟后，将熔融好的TBY玻璃液预热好的模具内，待玻璃冷却成型后，置于已升温至380℃的电炉内保温退火；3h后，关闭电炉电源；待炉温冷却至室温后取出，以上过程在手套箱内完成。制得氟碲酸盐玻璃经研磨抛光至～2.5mm待测。抛光后的样品如图2中插图所示。
抗水性测试
使用分光光度计UV3600和傅里叶光谱仪Nicolet 6700测试该TBY玻璃样品的透过光谱，结果如图2所示。其玻璃透过窗口覆盖0.42-5.81μm(透过率>50％)。随后将玻璃浸于水中，放置12天后，取出并烘干。采用相同的方式测试该样品的透过光谱，将其透过光谱与浸水处理前相比未观察到明显变化，结果如图2所示。图3给出了TBY玻璃浸水处理前后玻璃表面的扫描电镜(SEM)照片。结果表明浸水处理后，该TBY玻璃表面未观察到明显损伤。此外，浸水处理前后，玻璃样品的重量未测到明显变化。这说明制得TBY玻璃样品的具有较好的抗水性。
实施例2
掺铒氟碲酸盐玻璃光纤的制备及其在宽带光放大器方面的应用；
第一步：按照摩尔比TeO2:BaF2:Y2O3:Er2O3(TBYE)＝70:20:9.5:0.5和TeO2:BaF2:Y2O3(TBY-65)＝65:25:10分别称取15g原料，将称量好的原料放入玛瑙研钵中研磨30分钟，使原料均匀混合；将混合好的原料置于20ml铂金坩埚内并放入已升温至950℃的电炉内熔融；30分钟后，先将熔融好的TBY-65玻璃液取出倒入预热好的铜质模具(圆筒)中，将模具迅速向上提起，让未冷却的玻璃液从模具下口流出，形成玻璃管；随后将熔融好的TBYE玻璃液取出倒入玻璃管内，待玻璃冷却成型后，置于已升温至400℃的电炉内保温退火；3h后，关闭电炉电源；待炉温冷却至室温后取出，以上过程在手套箱内完成。制得的掺铒氟碲酸盐玻璃棒的外径尺寸～7mm。所得氟碲酸盐玻璃棒经研磨抛光处理去除表面缺陷后，待用。
第二步：按摩尔比为TeO2:BaF2:Y2O3(TBY-65)＝65:25:10称取原料90g；将称量好的原料放入玛瑙研钵中研磨60分钟，使原料均匀混合；将混合好的原料置于50ml铂金坩埚内并放入已升温至950℃的电炉内熔融；70分钟后，将熔融好的玻璃液注入玻璃旋转浇铸系统内的铜质模具中，并迅速盖好密封盖；经1分钟高速旋转后，放入435℃的管式电炉内，保持低速旋转(20转/分钟)下保温退火；5h后，关闭电炉电源；待炉温降至室温后，取出可得TBY-65氟碲酸盐玻璃管，其外径约为12mm。所得TBY-65氟碲酸盐玻璃管经研磨抛光处理去除表面缺陷后，待用。
第三步：先将掺铒氟碲酸盐玻璃棒用预制棒夹具固定在光纤拉丝塔上拉伸至外径约为3mm；然后将制得的直径～3mm的掺铒氟碲酸盐玻璃棒放入TBY-65氟碲酸盐玻璃管内，用预制棒夹具将其固定在光纤拉丝塔上拉制光纤，制得的光纤端面结构如图4所示，光纤外径为125微米，芯径为8μm。
第四步：利用图5所示装置对所制得掺铒氟碲酸盐玻璃光纤进行测试。泵浦源1为光纤耦合输出的980nm激光器，信号源2为调谐范围覆盖1470～1660nm的可调谐单频激光器，泵浦光和信号光经由波分复用器3耦合进入所制备的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤4内，隔离器5保证光沿单向传输，最后的输出光谱和功率由光谱分析仪或光功率计6监测。两种组份玻璃折射率差(TBYE玻璃：n＝～1.838@1.55μm，TBY-65玻璃：n＝～1.815@1.55μm)算得该光纤在1.55μm处的NA为～0.29。实验中利用20cm长的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤作为增益介质，当泵浦功率为～100mW时，信号光功率为0.01mW时测得的增益谱覆盖1470到1660nm，如图6所示。
实施例3：
掺铒氟碲酸盐玻璃光纤在高功率1560nm激光器方面的应用
利用图7所示装置对所制得掺铒氟碲酸盐玻璃光纤进行测试。泵浦源7为1480nm拉曼光纤激光器，泵浦光经过隔离器8后，进入一段30cm长的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤10。谐振腔由在1480nm波长处高透，1560nm波长处高反(反射率～99％)的光纤光栅10和掺铒氟碲酸盐玻璃光纤输出端面(反射率～9％)组成。最后的输出光谱和功率由光谱分析仪11和光功率计12监测。当泵浦功率为～60mW时，获得了1560nm激光输出，随着泵浦功率的提高，1560nm激光输出功率相应提高。图8给出了当泵浦功率为10.5W时的输出光谱。当泵浦功率为～10.5W时，获得的1560nm激光输出功率为～8W，相应的斜率效率为～76％，如图9所示。实验过程中，未进行特殊冷却处理，光纤无损伤。实验结果表明，该掺铒氟碲酸盐玻璃光纤可用于研制十瓦量级高功率光纤放大器和激光器。

Claims (3)

1.一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，其特征在于，包括光纤纤芯和光纤包层，其中，所述的光纤纤芯是由掺铒氟碲酸盐玻璃构成，所述的掺铒氟碲酸盐玻璃按照如下摩尔百分比组成：
所述的光纤包层是由氟碲酸盐构成，氟碲酸盐按照如下摩尔百分比组成：
。
2.如权利要求1所述的一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，其特征在于，所述的光纤包层包括内包层和外包层，其中，所述的内包层和外包层均由氟碲酸盐构成，氟碲酸盐按照如下摩尔百分比组成：
。
3.如权利要求2所述的一种用于制作高功率宽带光纤放大器的掺铒氟碲酸盐玻璃光纤，其特征在于，所述的光纤纤芯的直径为5～15μm，所述的内包层的厚度为0～58μm，所述的外包层的厚度为2～60μm。
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