CN112147738B - 可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤及制备方法 - Google Patents

可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤及制备方法，其中，光纤包括纤芯、包层、涂覆层。纤芯半径为1μm～4μm，纤芯相对折射率差为0.9％～3％。纤芯外的包层从内到外依次为：下陷内包层、外包层。厚度分别为1μm～20μm和38.5μm～60.5μm，下陷内包层相对折射率差为‑1.6％～‑0.02％。包层外的涂覆层从内到外依次为：内涂覆层和外涂覆层，厚度分别为25μm～45μm和30μm～50μm。本发明提供的光纤具有高拉曼增益系数和较高的布里渊阈值，通过在光纤纤芯和包层中引入不同掺杂可获得声光场的共同激励，在减小有效模面积，提高拉曼增益系数的同时，还将声场扩散至内包层中导通，降低了声光模耦合效率，有效地抑制了光纤中的受激布里渊散射效应。

Description

可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤及制备方法
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤及制备方法。
背景技术
光纤中的受激拉曼散射效应可以将位于其增益谱带宽内的信号放大，因此可以利用拉曼放大特性构建拉曼光纤放大器和拉曼光纤激光器，在光纤通信和光纤传感中有着广泛的应用。而光纤作为激光器和放大器的增益介质，对器件输出光的波长、功率甚至噪声特性均有着决定性的作用，因此具有重要意义。由于光纤通信和光纤传感中对高增益、大范围可调谐、低噪声特性的放大器和激光器的需求，故应用于拉曼光纤放大器和拉曼光纤激光器的光纤应该具有拉曼增益系数高、其他非线性效应弱等特点。
公开号为US 7006742 B2的专利文件中公开了一种高非线性光纤，该光纤具有较高的非线性系数，使得光纤中的非线性效应增强；受激布里渊散射效应的阈值比受激拉曼散射效应的阈值低2个数量级，因此当受激拉曼散射效应发生的时候，受激布里渊散射效应也一定会发生，从而影响泵浦光转换效率和器件噪声特性，故该专利文件公开的光纤并不能完全满足目前拉曼光纤放大器和拉曼光纤激光器的应用需求。公开号为CN 103645538 A的专利文件中公开了一种双包层拉曼光纤，该光纤通过双包层结构和纤芯中掺杂锗材料或磷材料以得到较高的拉曼增益，来增强受激拉曼散射效应，但是它并未对光纤中的受激布里渊散射效应进行抑制，在窄线宽拉曼光纤激光器的应用中可能存在泵浦光转换效率不高的问题，故该专利文件公开的光纤也不能完全满足目前拉曼光纤放大器和拉曼光纤激光器的应用需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤及制备方法，其目的在于通过光纤的掺杂物质、掺杂浓度、纤芯尺寸、芯包结构等基本参数进行优化，改变光纤中材料分子振动态、声光场的激励与耦合等物理过程，产生同时具有高拉曼增益系数、高布里渊阈值等特点的光纤，以满足拉曼光纤放大器和拉曼光纤激光器的应用需求。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
光纤的结构包括纤芯、包层、涂覆层。纤芯半径为1μm～4μm，相对折射率差为0.9％～3％。纤芯外的包层从内到外依次为：下陷内包层、外包层。下陷内包层的厚度为1μm～20μm，下陷内包层相对折射率差为-1.6％～-0.02％；外包层的厚度为38.5μm～60.5μm。包层外的涂覆层从内到外依次为：内涂覆层和外涂覆层。内涂覆层的厚度为25μm～45μm，外涂覆层的厚度为30μm～50μm。其中，相对折射率的定义为：
Figure BDA0002730651450000021
ni和n0分别为光纤各部分对应的折射率和纯石英玻璃的折射率。
按上述方案，所述的纤芯半径为1.5μm～3μm。其目的在于减小光纤有效模面积，增强光纤非线性效应，提高拉曼增益系数。
按上述方案，所述的下陷内包层厚度为3μm～12μm。其目的在于引入双包层结构，增加光纤可操控维度，如内包层厚度以及内包层材料掺杂浓度等。与单包层光纤相比，双包层结构更容易满足光纤高拉曼增益系数和高布里渊阈值的需求，且双包层结构对光有更强的束缚能力和更小的有效模面积，从而提高了拉曼增益系数；同时，双包层结构的引入改变了光纤原有的声波导和光波导结构，使声光模耦合效率降低，从而抑制了光纤中的受激布里渊散射效应，提高了布里渊阈值。
按上述方案，所述的纤芯是由掺锗或锗氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为0.9％～2.5％。所述的下陷内包层是由掺氟或锗氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-1.6％～-0.8％。所述的外包层是由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％。其目的在于通过纤芯掺锗或锗氟共掺、下陷内包层掺氟或锗氟共掺增加相对折射率差，减小有效模面积，提高拉曼增益系数；同时，光纤的声波导结构发生变化，声场扩散至内包层中导通，声光耦合效率降低，有效地抑制了光纤中的受激布里渊散射效应。
按上述方案，所述的纤芯是由掺锗或锗硼共掺石英玻璃组成，相对折射率差为1.5％～2.5％。所述的下陷内包层是由掺硼或锗硼共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-0.55％～-0.2％。所述的外包层是由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％。其目的在于通过纤芯掺锗或锗硼共掺、下陷内包层掺硼或锗硼共掺增加相对折射率差，减小有效模面积，提高拉曼增益系数；同时，光纤的声波导结构发生变化，声场扩散至内包层中导通，声光耦合效率降低，有效地抑制了光纤中的受激布里渊散射效应。
按上述方案，所述的纤芯是由掺铝或锗铝共掺石英玻璃组成，相对折射率差为1.7％～2.7％。所述的下陷内包层是由掺氟或锗氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-0.3％～-0.02％。所述的外包层是由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％。其目的在于通过纤芯掺铝或锗铝共掺、下陷内包层掺氟或锗氟共掺增加相对折射率差，减小有效模面积，提高拉曼增益系数；同时光纤的声波导结构发生变化，形成声阻，声光耦合效率降低，有效地抑制了光纤中的受激布里渊散射效应。
按上述方案，所述的纤芯是由掺磷或磷氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为1％～2.1％。所述的下陷内包层是由掺氟或磷氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-1.1％～-0.5％。所述的外包层是由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％。其目的在于通过纤芯掺磷或磷氟共掺、下陷内包层掺氟或磷氟共掺增加相对折射率差，减小有效模面积，提高拉曼增益系数；同时，光纤的声波导结构发生变化，声场扩散至内包层中导通，声光耦合效率降低，有效地抑制了光纤中的受激布里渊散射效应。
按上述方案，所述的掺锗石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2；所述的锗氟共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-F；所述的掺氟石英玻璃的材料组分为SiO2-F；所述的锗氟磷共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-P2O5-F；所述的纯石英玻璃的材料组分为SiO2；所述的锗硼共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-B2O3；所述的掺硼石英玻璃的材料组分为SiO2-B2O3；所述的掺铝石英玻璃的材料组分为SiO2-Al2O3；所述的锗铝共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-Al2O3；所述的掺磷石英玻璃的材料组分为SiO2-P2O5；所述的磷氟共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-P2O5-F。
按上述方案，所述的内涂覆层和外涂覆层材料由两层紫外固化的聚丙烯酸树脂组成。其目的在于保护光纤不因温度、湿度、外力等因素而受损。
本发明所提供的可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤制备方法的技术方案为：
光纤芯棒的制备采用MCVD(改进的化学气相沉积)或FCVD(电阻炉化学气相沉积)或PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺。将石英衬管固定在车床。在高温环境下，氧化SiCl4和其他掺杂卤化物发生反应形成高硅成分的玻璃材料，沉积在衬管的内壁。在衬管中输入的其他掺杂卤化物包括GeCl4、SiF4、BCl3、AlCl3、PC13等气体，可以实现锗、氟、硼、铝、磷等材料的掺杂。通过对输入气体流量或流量比的控制，可以生成不同折射率沉积物。将制备合格的芯棒进行清洗、干燥等处理后，用石英玻璃管作为套管制备成光纤预制棒，再将光纤预制棒放置在光纤拉丝塔上拉制成玻璃丝，在其表面涂上涂覆材料，即可制成光纤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的一种可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤，一方面，通过双包层结构将大部分光约束于纤芯中传输，可减小有效模面积。另一方面，通过纤芯掺锗或掺铝或掺磷的方式，可增加材料的拉曼散射截面。两者结合，使得光纤具有较高的拉曼增益系数，从而满足拉曼光纤放大器和拉曼光纤激光器中的应用需求。
2、本发明提供的一种可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤，通过纤芯掺铝或者包层掺氟或掺硼可以将声场扩散至光纤内包层中导通，以降低声光耦合效率，抑制受激布里渊散射效应，从而提升了泵浦光转换效率，满足拉曼光纤放大器和拉曼光纤激光器中的应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例1的光纤折射率剖面示意图。
图2是本发明实施例1的光纤横截面示意图。
图3是普通单模光纤的光纤拉曼增益谱。
图4是本发明实施例2的光纤拉曼增益谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的光纤结构包括纤芯、包层、涂覆层。纤芯半径为1μm～4μm，相对折射率差为0.9％～3％。纤芯外的包层从内到外依次为：下陷内包层、外包层。下陷内包层的厚度为1μm～20μm，下陷内包层相对折射率差为-1.6％～-0.02％；外包层的厚度为38.5μm～60.5μm。包层外的涂覆层从内到外依次为：内涂覆层和外涂覆层。内涂覆层的厚度为25μm～45μm，外涂覆层的厚度为30μm～50μm。其中，相对折射率的定义为：
Figure BDA0002730651450000061
ni和n0分别为光纤各部分对应的折射率和纯石英玻璃的折射率。
光纤芯棒的制备采用MCVD或FCVD或PCVD工艺。将石英衬管固定在车床。在高温环境下，氧化SiCl4和其他掺杂卤化物发生反应形成高硅成分的玻璃材料，沉积在衬管的内壁。在衬管中输入的其他掺杂卤化物包括GeCl4、SiF4、BCl3、AlCl3、PC13等气体，可以实现锗、氟、硼、铝、磷等材料的掺杂。通过对输入气体流量或流量比的控制，可以生成不同折射率沉积物。将制备合格的芯棒进行清洗、干燥等处理后，用石英玻璃管作为套管制备成光纤预制棒，再将光纤预制棒放置在光纤拉丝塔上拉制成玻璃丝，在其表面涂上涂覆材料，即可制成光纤。
图1所示是本发明的光纤折射率剖面示意图。光纤的结构包括纤芯、下陷内包层和外包层。纤芯半径为R1，内包层厚度为W1，外包层厚度为W2，纤芯相对折射率差为Δ1，内包层相对折射率差为Δ2。图2是本发明的光纤横截面示意图。1是纤芯，2是内包层，3是外包层，4是内涂覆层，5是外涂覆层。图3和图4分别为普通单模光纤和实施例2的光纤拉曼增益谱，其中拉曼频移量表示拉曼增益谱峰值对应的频率，从图中可以看出实施例2的峰值拉曼增益系数与普通单模光纤相比有了显著提升且两者的拉曼频移量非常接近。
光纤中峰值拉曼增益系数、布里渊阈值等参数受光场的激励与耦合、材料分子振动态、材料的吸收与散射和声光场耦合等物理过程的影响，而这些物理过程最终由光纤的掺杂物质、掺杂浓度、纤芯尺寸、芯包结构来决定，以下通过具体实施例来进一步阐述，实施例中的峰值拉曼增益系数和布里渊阈值均是在1550nm波长下得到的数值。
实施例1
实施例1提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，光纤纤芯半径为2μm，纤芯相对折射率差Δ1为1.48％；内包层厚度为2μm，内包层相对折射率差Δ2为-1.34％。实施例1提供的光纤在S+C+L波段光纤中只存在一种形式的光场，为单模光纤，且与普通单模光纤相比，峰值拉曼增益系数有了显著提升。因为实施例1提供的光纤引入双包层结构将大部分光约束于纤芯中传输，减小了有效模面积，提高了拉曼增益系数。且该光纤在内包层中掺氟，让光纤将声场扩散至内包层中导通，降低声光耦合效率，提高了布里渊阈值。
实施例2
实施例2提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，光纤纤芯半径为2μm，纤芯相对折射率差Δ1为1.19％；内包层厚度为2μm，内包层相对折射率差Δ2为-1.34％。与实施例1提供的光纤相比，实施例2提供的光纤纤芯锗掺杂浓度更低，材料的拉曼散射截面较小，因此该光纤的有效模面积更大，峰值拉曼增益系数更低。
实施例3
实施例3提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，光纤纤芯半径为1.5μm，纤芯相对折射率差Δ1为1.48％；内包层厚度为1.5μm，内包层相对折射率差Δ2为-1.34％。与实施例1提供的光纤相比，实施例3提供的光纤纤芯半径较小，在纤芯相同掺杂的情况下，峰值拉曼增益系数更低。这是因为当纤芯半径较小时，光纤纤芯难以约束光模，因此光场扩散至光纤包层区域，有效模面积增大，拉曼增益系数反而减小。
实施例4
实施例4提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，光纤纤芯半径为2μm，纤芯相对折射率差Δ1为1.48％；内包层厚度为2μm，内包层相对折射率差Δ2为-1.37％。与实施例1提供的光纤相比，实施例4提供的光纤内包层氟掺杂浓度更高，内包层相对折射率差更大，有效模面积更小，因此有着更高的拉曼增益系数。同时，随着内包层氟掺杂浓度的增加，光纤的声波导结构发生变化，声光耦合系数下降，受激布里渊散射效应抑制效果更明显，提高了布里渊阈值。
实施例5
实施例5提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，光纤纤芯半径为2μm，纤芯相对折射率差Δ1为1.48％；内包层厚度为6μm，内包层相对折射率差Δ2为-1.34％。与实施例1提供的光纤相比，实施例5提供的光纤内包层厚度更大，对光有更强的束缚能力，光纤有效模面积更小，因此有着更高的拉曼增益系数；同时内包层厚度更大也会使得声模更多地在内包层中传输，降低声光耦合效率，进一步抑制了受激布里渊散射效应，提高了布里渊阈值。
表1列出了实施例1～实施例5提供的光纤参数，从表1提供的数据分析得出，首先，峰值拉曼增益系数随纤芯半径的减小，先增加后减小。因此，适当减小纤芯半径可以有效提高峰值拉曼增益系数。其次，峰值拉曼增益系数随纤芯锗掺杂浓度增加而增大。但是随着纤芯锗掺杂浓度的增加，光纤的截止波长也随之增加，当纤芯锗掺杂浓度过高时，光纤在S+C+L波段可能会存在多种模式的光场。最后，随着内包层厚度和氟掺杂浓度的增加，光纤拉曼增益系数和布里渊阈值也随之增加。因此，引入双包层结构并合理调控内包层厚度和材料掺杂浓度可以有效提高峰值拉曼增益系数和布里渊阈值。
表1
Figure BDA0002730651450000091
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤，其特征在于，包括纤芯、包层、涂覆层；所述纤芯半径为1μm～4μm，相对折射率差为0.9％～3％；
纤芯外的包层从内到外依次为下陷内包层和外包层，下陷内包层的厚度为1μm～20μm，下陷内包层相对折射率差为-1.6％～-0.02％；外包层的厚度为38.5μm～60.5μm；
所述纤芯由掺锗或锗氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为0.9％～2.5％；所述下陷内包层由掺氟或锗氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-1.6％～-0.8％；所述外包层由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％；
或者，所述纤芯由掺锗或锗硼共掺石英玻璃组成，相对折射率差为1.5％～2.5％；所述下陷内包层由掺硼或锗硼共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-0.55％～-0.2％；所述外包层由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％；
或者，所述纤芯由掺铝或锗铝共掺石英玻璃组成，相对折射率差为1.7％～2.7％；所述下陷内包层由掺氟或锗氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-0.3％～-0.02％；所述外包层由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％；
或者，所述纤芯由掺磷或磷氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为1％～2.1％；所述下陷内包层由掺氟或磷氟共掺石英玻璃组成，相对折射率差为-1.1％～-0.5％；所述外包层由锗氟磷共掺或纯石英玻璃组成，相对折射率差为0％；
包层外的涂覆层从内到外依次为内涂覆层和外涂覆层，内涂覆层的厚度为25μm～45μm，外涂覆层的厚度为30μm～50μm。
2.如权利要求1所述的高拉曼增益光纤，其特征在于，所述纤芯半径为1.5μm～3μm。
3.如权利要求1所述的高拉曼增益光纤，其特征在于，所述下陷内包层的厚度为3μm～12μm。
4.如权利要求1所述的高拉曼增益光纤，其特征在于，所述掺锗石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2；所述锗氟共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-F；所述掺氟石英玻璃的材料组分为SiO2-F；所述锗氟磷共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-P2O5-F；所述纯石英玻璃的材料组分为SiO2；所述锗硼共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-B2O3；所述掺硼石英玻璃的材料组分为SiO2-B2O3；所述掺铝石英玻璃的材料组分为SiO2-Al2O3；所述锗铝共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-GeO2-Al2O3；所述的掺磷石英玻璃的材料组分为SiO2-P2O5；所述磷氟共掺石英玻璃的材料组分为SiO2-P2O5-F。
5.如权利要求1所述的高拉曼增益光纤，其特征在于，所述内涂覆层和外涂覆层由两层紫外固化的聚丙烯酸树脂组成。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的可抑制受激布里渊散射效应的高拉曼增益光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用MCVD或FCVD或PCVD工艺制备光纤芯棒，光纤芯棒包括纤芯和包层，纤芯外的包层从内到外依次为下陷内包层和外包层；
(2)用石英玻璃管作为所述光纤芯棒的套管制备成光纤预制棒，再将光纤预制棒放置在光纤拉丝塔上拉制成玻璃丝，在其表面涂上涂覆材料，即可制成光纤。
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