CN111090142B - 一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤及制备方法 - Google Patents

一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高温掺杂改进化学气相沉积法（MCVD）和原子层沉积技术（ALD）结合，MCVD工艺与液相掺杂工艺结合，MCVD工艺与高温蒸发掺杂工艺结合或MCVD工艺与外部气相沉积（OVD）结合的Bi/Er/La/Al共掺L波段(1565‑1625nm)或C+L波段(1530nm‑1625nm)石英光纤及其制备方法，属于光纤技术领域。所述光纤由纤芯、内包层和包层组成，其特征在于所述纤芯由GeO2材料构成，内包层由Bi/Er/La/Al共掺材料，包层由纯石英构成。利用高温掺杂MCVD和ALD技术交替沉积不同掺杂离子，沉积浓度为0.01~15.0mol%，或MCVD工艺与液相掺杂结合工艺，或MCVD工艺与外部气相沉积（OVD）结合。本发明的光纤具有掺杂浓度可控，掺杂组分均匀，荧光强度强，增益谱宽，增益高等优点，在宽带光纤通信传输与光放大及光传感领域等有广泛的应用前景。

Description

一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤及制备方法
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体的涉及一种Bi/Er/La/Al共掺石英光纤及其制备方法。
背景技术
随着光纤通信技术的快速发展，通信容量不断的增加，人们对通信的带宽、容量的需求越来越高。尤其最近几年， 5G 业务高速增长以及物联网与云计算的应用，在环境作用下导致互联网中网传输容量有限、带宽严重不足，甚至出现“容量危机”。因此，高可信下一代互联网的网络架构中需要具有超高速、超带宽、超大容量的通信系统。而常规的波分复用(WDM)与光纤放大器相结合的技术方案越来越显现出局限性；并且，密集波分复用（DWDM）信道间隔的不断降低，对于复用和解复用的技术难度越来越大。虽然，掺铒光纤放大器实现了光纤通信系统在C波段光中继放大，大大推动了光纤通信向全光传输方向发展，但掺铒光纤的增益带宽只有35 nm，仅覆盖石英光纤低损耗窗口的有限的小部分，已不能够满足用户的需求。
将掺铒光纤的增益谱拓宽至L波段，可实现更多波数的复用和解复用，对超宽带光信号传送，将具有重要的应用价值。本发明基于高温掺杂改进化学气相沉积法（MCVD）和原子层沉积技术（ALD），对L波段或C+L波段增益光纤进行了大量的实验研究，实现了宽带宽，高增益，对高速光纤通信的发展与光纤传感的应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于根据高温掺杂改进化学气相沉积法或原子层沉积技术的优势，将氧化铋、氧化铒和氧化镧纳米材料与光纤制备相结合，提供一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤及其制备方法。Bi离子与Er离子之间存在能量传递，可提高泵浦吸收效率；在掺Er光纤中加入Al元素可以提高Er的浓度，并促使Er能级进一步形成斯塔克分裂，使掺Er光纤的吸收截面和发射截面展宽，同时，本专利采用Bi/Er/La/Al四种元素共掺，选择La 作为共掺杂剂，是由于其作为镧系元素中分子量最小的元素，其4f电子层没有电子。因此，La 在光学上不活泼，在光通信波段没有吸收峰，对 Er 的吸收截面和发射截面几乎不产生影响，同时 La 对提高折射率有一定贡献。Er/La共掺光纤在1550 nm仍然是能级4I13/2-4I15/2 间跃迁。La在掺Er光纤中与其它稀土元素一样,占据 Si 网络体中间隙位置。当将Er元素和La元素一起掺杂进光纤芯层后，如果La离子的数量足够多，则几个La离子包围在1个Er离子四周，增大Er离子之间的间距，避免Er离子发生团聚现象，从而实现Er离子高浓度掺杂。在高浓度掺Er光纤中，Er离子吸收泵浦光后首先在Er光纤的前端产生 C波段的ASE，产生的 C波段的 ASE再被后端光纤中的Er离子吸收，作为二次泵浦源从而形成 L波段的ASE谱。该掺杂光纤具有背景损耗低、Er离子掺杂浓度高、荧光强度强，L波段的3dB增益谱宽，增益强，且结构简单，易于产业化等特点，可用于宽带光纤通信传输和放大，对高速光纤通信的发展将具有重大的推动意义。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，包括纤芯，内包层和包层，所述纤芯是由掺杂高折射率GeO2的石英构成，所述内包层是由Bi/Er/La/Al离子共掺材料构成，所述包层是由纯石英材料构成，所述内包层包裹纤芯并位于包层的中部。
所述芯层掺杂离子为铋离子Bi0，Bi+，Bi3+，Bi5+，铒离子Er3+，镧离子La3+，铝离子Al3 +与提高折射率分布的二氧化锗。
所述内包层是利用高温掺杂改进化学气相沉积法或原子层沉积技术交替沉积适量的Bi/Er/La/Al共掺材料，沉积厚度为10~2000nm。
所述纤芯直径为5.0~20.0μm，内包层直径为8.0~50.0μm，包层直径为40.0~400.0μm。
所述纤芯与内包层可整合为Bi/Er/La/Al共掺的芯层结构。
所述芯层直径为5.0~80.0 μm，包层直径为60.0~400.0μm，芯层与包层的折射率差为0.3%~5.5%之间，且包层形状为圆形、四边形、六边形或八边形。
所述光纤的吸收峰分别为500±40, 700±20, 800±20, 1000±40与1480±20nm; L波段3dB荧光光谱范围为1565~1630 nm之间；C+L波段3dB荧光光谱范围为1530nm~1625nm之间；增益大小为10~35dB。
该光纤可以应用于L波段（1565-1625nm）或C+L波段（1530nm-1625nm）的有源光放大光纤，有源单偏振保持光纤，有源高阶光涡旋放大光纤（阶数2-6），光纤激光器（包括连续、脉冲与可调谐激光器），以及L波段或C+L波段的宽谱光源(包括模光纤，2-6阶少模光纤，2-6阶光涡旋光源)等。
一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段有源石英光纤的制备方法，步骤如下：
1）利用改进化学气相沉积法，即MCVD沉积二氧化硅疏松层，并将其高温处理至半透明玻璃化状态，为包层；
2）然后，利用MCVD高温掺杂或原子层沉积技术将氧化铋、氧化铒、氧化镧与氧化铝材料均匀沉积在包层表面，为内包层；
3）沉积二氧化锗，浓度控制在1.0~15.0mol%，且将掺有二氧化锗的疏松层半玻璃化，为芯层；
4）通过重复步骤2）的循环周期来调节氧化铋、氧化铒、氧化镧与氧化铝材料的掺杂浓度与掺杂粒子分布情况；
5）采用MCVD高温缩棒获得光纤预制棒，最后，将掺杂光纤预制棒拉丝。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
1、Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤可实现L波段或C+L波段的高增益宽谱放大，增益大小为15~35dB；
2、采用高温掺杂改进化学气相沉积法或原子层沉积技术，均匀性好，掺杂浓度高，方便可行，从而得到更高品质的Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤；
3、结构简单、价位低廉、易于产业化，可用于宽带光纤通信传输和放大，对高速光纤通信的发展将具有重大的推动意义。
附图说明
图1是本发明Bi/Er/La/Al共掺L波段与C+L波段石英光纤的两种结构示意图。
其中，1-芯层，2-内包层，3-包层
图2是本发明在L波段的荧光光谱图。
图3是本发明在C+L波段的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参见图1，一种Bi/Er/La/Al共掺L波段石英光纤，包括纤芯1，内包层2和包层3，纤芯1是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层构成，内包层2是Bi/Er/La/Al共掺离子材料构成，包层3是纯石英材料构成。首先沉积二氧化硅疏松层，并将其高温处理至半透明玻璃化状态，为包层3，其次利用原子层沉积技术将氧化铋、氧化铒与氧化镧材料均匀沉积在包层3表面，为内包层2，重复循环周期，来调节氧化铋、氧化铒与氧化镧的掺杂浓度与掺杂粒子分布情况，使沉积厚度为200nm，再沉积二氧化锗，浓度控制为5.0mol%，且将掺有二氧化锗的疏松层半玻璃化，为芯层1，最后采用MCVD高温缩棒得到光纤预制棒，放置于拉丝塔进行拉丝，制成Bi/Er/La/Al共掺L波段石英光纤，纤芯直径为5.0µm，内包层直径为8.0µm，包层直径为120.0µm，其荧光谱如图2所示。
实施例2
参见图1，一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，包括纤芯1，内包层2和包层3，纤芯1是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层构成，内包层2是Bi/Er/La/Al共掺离子材料构成，包层3是纯石英材料构成或掺杂氟离子以降低少量折射率。首先沉积二氧化硅疏松层，或掺氟的二氧化硅疏松层，并将其高温处理至半透明玻璃化状态，为包层3，其次利用MCVD高温掺杂技术将氧化铋、氧化铒与氧化镧材料均匀沉积在包层3表面，为内包层2，重复循环周期，来调节氧化铋、氧化铒与氧化镧的掺杂浓度与掺杂粒子分布情况，使沉积厚度为500 nm，再沉积二氧化锗，浓度控制为3.0 mol%，且将掺有二氧化锗的疏松层半玻璃化，为芯层1，其次，在沉积芯层结束将在；最后，采用MCVD高温缩棒得到光纤预制棒，放置于拉丝塔进行拉丝，制成Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于纤芯直径为6.0µm，内包层直径为10.0µm，包层直径为130.0µm。
实施例3
参见图1（b），一种Bi/Er/La/Al共掺C+L波段石英光纤，包括芯层，包层3，芯层是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层与Bi/Er/La共掺离子材料构成，其中，Bi/Er/La/Al共掺离子采用原子层沉积技术沉积；所述包层3是由比芯层折射率低的纯石英材料构成，最后收缩成棒拉丝。其中，Bi/Er/La/Al共掺L波段石英光纤，其特征在于纤芯直径为10.0µm，内包层直径为120.0µm，芯层与包层折射率差为0.69%，包层为圆形。该掺杂光纤通过980nm、1480nm激光器双泵浦系统泵浦后，其荧光谱如图3所示。
实施例4
参见图1（b），一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，包括芯层，包层3，芯层是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层与Bi/Er/La/Al共掺离子材料构成，其中，Bi/Er/La/Al共掺离子采用MCVD高温掺杂技术沉积；所述包层3是由比芯层折射率低的纯石英或掺氟的纯石英材料构成；最后，收缩成棒拉丝。其中，Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于纤芯直径为12.0µm，内包层直径为130.0µm，芯层与包层折射率差为0.77%，包层为圆形。

Claims (9)

1.一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，包括纤芯（1），内包层（2），包层（3），其特征在于，所述纤芯（1）是由掺杂GeO2的石英构成，所述内包层（2）是由Bi/Er/La/Al离子共掺材料构成，所述包层（3）是由纯石英材料构成，所述内包层（2）包裹纤芯（1）并位于包层（3）的中部。
2.根据权利要求1所述的Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于，所述纤芯（1）与内包层（2）整合为Bi/Er/La/Al共掺的芯层结构。
3.根据权利要求2所述的Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于，所述芯层掺杂离子为铋离子Bi0，Bi+，Bi3+，Bi5+，铒离子Er3+，镧离子La3+，铝离子Al3+与提高折射率分布的二氧化锗。
4.根据权利要求1所述的Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于，所述内包层（2）是利用高温掺杂系统的改进化学气相沉积技术与原子层沉积技术交替沉积适量的Bi/Er/La/Al共掺材料，沉积厚度为10~2000nm;或带有高温掺杂金属有机物系统的改进化学气相沉积技术沉积各种掺杂Bi、Er、La、Al离子；或采用外部气相沉积技术（OVD）沉积各种掺杂Bi、Er、La、Al离子，或溶液掺杂技术与改良的化学气相沉积结合；其中Bi离子浓度范围控制在0.01-1.5mol%；Er离子浓度范围控制在0.05-15.0mol%；La与Al 离子浓度范围控制在0.1-15.0 mol %。
5.根据权利要求1所述的Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于，所述纤芯（1）直径为3.0~20.0µm，内包层（2）直径为6~50.0µm，包层（3）直径为40.0~400.0µm。
6.根据权利要求2所述一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于，所述芯层直径为5.0~80.0µm，包层（3）的直径为60.0~400.0µm，芯层与包层（3）的折射率差为0.3%~5.5%之间，光纤外包层为单包层或双包层结构，其中双包层形状包括椭圆形、D形、四边形、六边形或八边形结构等， 同时，L波段范围主要集中在1565-1625nm波段，C+L波段范围主要集中在1530nm-1625nm波段。
7.根据权利要求1-6任一项所述的Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤，其特征在于：该光纤可以应用于L波段或C+L波段的有源光放大光纤、有源单偏振保持光纤、有源高阶光涡旋放大光纤与光纤激光器（包括一阶、二阶、三阶、四阶、五阶与六阶少模光放大与涡旋光放大及相应的高阶光纤激光器）。
8.根据权利要求1-6任一项所述的Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤,其特征在于：该光纤可通过980nm激光器双泵浦系统或980nm和1480nm激光器双泵浦系统获得L波段或C+L波段超宽谱荧光光谱，以及相应的L波段或C+L波段超宽谱光源与可调谐激光器。
9.一种Bi/Er/La/Al共掺L波段或C+L波段石英光纤的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1）利用改进化学气相沉积法(MCVD)沉积二氧化硅疏松层，并将其高温处理至半透明玻璃化状态，为包层（3）；
2）然后，利用MCVD高温掺杂或原子层沉积掺杂技术或溶液掺杂技术将氧化铋、氧化铒、氧化镧与氧化铝材料均匀沉积在包层（3）表面，为内包层（2）；
3）沉积二氧化锗，浓度控制在1~15.0mol%，且将掺有二氧化锗的疏松层半玻璃化，为芯层（1）；
4）通过重复步骤2）的循环周期来调节氧化铋、氧化铒、氧化镧与氧化铝的掺杂浓度与掺杂粒子分布情况；
5）采用MCVD高温缩棒获得光纤预制棒，最后，将掺杂光纤预制棒进行拉丝成L波段或C+L波段石英光纤。
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