CN112596151B - 一种掺铒保偏有源光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种掺铒保偏有源光纤，其截面结构由内向外依次为纤芯(1)、包层(2)、内涂层(4)、外涂层(5)，所述包层(2)内设置有两应力区(3)，两应力区(3)对称设置在所述纤芯(1)两侧，所述内涂层(4)的模量小于所述外涂层(5)的模量，所述纤芯(1)相对包层(2)的折射率差Δ1为0.005‑0.01，所述应力区(3)相对包层(2)的折射率差Δ2为‑0.0080～‑0.0120。本申请光纤的吸收要高于熊猫型保偏光纤，使得光纤在激光器中使用使用长度更短，从而在更高的功率下，获得与低功率环境下相同的光束质量和偏振特性。

Description

一种掺铒保偏有源光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及掺铒保偏有源光纤及其制备方法。
背景技术
随着5G通信的快速应用，通信容量呈现爆炸式增长，长距离大容量光纤通讯系统越来越成为必要的发展趋势。目前市场上光纤放大器是光纤通信系统中不可缺少的关键器件，不仅对光信号可进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的券光放大功能。光纤放大器主要有掺铒光纤放大器，其以优越的的性能广泛应用于长距离、大容量、高速路的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统等领域。
随着光纤通信技术及光纤传感技术的发展，特别是在一些相干通信和相干型传感系统中，需要具有偏振稳定且高功率输出的光源或在相干接收端用于弱信号的放大，普通掺铒光纤放大器由于在放大过程中会改变激光器的偏振态，所以并不能满足要求，这就需要一种既能保持激光的偏振特性又能实现高增益的光纤放大器，使得偏振消光比达到20dB以上，这就需要保偏掺铒光纤以实现偏振光的放大。
发明内容
本发明的目的是要提供一种具有大模场、高芯层吸收和高双折射的掺铒保偏光纤结构及其制备方法，即实现高功率输出又确保了偏振特性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种掺铒保偏有源光纤，其截面结构由内向外依次为纤芯、包层、内涂层、外涂层，所述包层内设置有两应力区，两应力区对称设置在所述纤芯两侧，所述内涂层的模量小于所述外涂层的模量，所述纤芯(1)相对包层的折射率差Δ1为0.005-0.01，所述应力区相对包层的折射率差Δ2为-0.0080～-0.0120。
优选地，所述纤芯的直径D1为5～10μm，所述包层的直径D2为100～150μm，所述内涂层的直径D3为150～200μm，所述外涂层的直径D4为200～300μm，单个应力区的长L1为10～15μm，宽L2为5～7μm，两应力区中心间距D为20～60μm。光纤截面上，两所述应力区的面积占比为11-15％。
应力区的长是指光纤截面子午线方向的跨度，应力区的宽是指光纤截面垂直子午线方向的跨度。
优选地，所述纤芯的主要成分为纯石英，并包含如下摩尔百分比mol％的掺杂物：
Er2O3：0.2～0.5，
Al2O3：1～2.5，
Ce2O3：0.1～1，
P2O5：0～2，
SiF4：0～0.5，
PbO2：0～0.5；
或者，所述包层的材料为纯石英；
或者，所述应力区的主要成分为纯石英，并包含如下摩尔百分比mol％的掺杂物：
GeO2：0.1～2，
B2O3：20～35。
优选地，所述内涂层的模量小于1MPa，所述外涂层的模量大于1kMPa。
上述掺铒保偏有源光纤的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：基管的预处理(加热)，消除基管内壁的杂质和气泡；
步骤二：在基管内壁进行沉积，沉积工序依次为纯硅包层沉积、应力层沉积、纯硅包层沉积；
在应力层沉积结束后对沉积获得的环形应力圈进行定向刻蚀，基管不再转动，在基管内通入腐蚀性气体，在基管外用两束火源沿基管的轴向来回移动加热基管两壁，加热基管内壁的环形应力圈的相对两壁，腐蚀性气体再对环形应力圈的加热部位腐蚀使被逐渐刻蚀，两火头始终在基管外对称，火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，控制刻蚀遍数15-20，每刻蚀一遍将基管翻转180℃以保证应力圈两壁刻蚀的一致性，直至将两壁完全刻通而获得两个完全分离的月牙状的应力区；
应力层刻蚀结束后再在应力层内圈沉积纯硅包层；
步骤三：继续在步骤二的基管内表面进行二氧化硅疏松体沉积，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入含有ErCl3，AlCl3，H3PO4，CeCl3，PbCl4的溶液中，其中ErCl3摩尔浓度为0.2～0.6％，AlCl3摩尔浓度为0.8～3.0％，H3PO4摩尔浓度为0～1％，CeCl3摩尔浓度为0.1～1.5％，PbCl4摩尔浓度为0～0.7％，通过溶液浸泡方式在二氧化硅疏松体中掺杂；
步骤四：将步骤三从溶液中取出吹干后的基管再重新接上尾管，然后对基管中的二氧化硅疏松体进行氧化干燥及玻璃化，并最终烧结成实心棒；
步骤五：实心棒表面抛光，并套管熔缩为一体得到光纤预制棒；
步骤六：将光纤预制棒拉细成石英光纤，在石英光纤外先后涂覆并固化内涂层和外层涂层，制备成单包层掺铒保偏有源光纤。
优选地，步骤二中，初始的纯硅包层的沉积温度为1900～2200℃，SiCl4沉积流量为20～300sccm，沉积速度为10～100mm/min，沉积层数为2～5层；应力层的沉积温度为1700-1900℃，SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BCl3流量：800-1000sccm，沉积速度为20～60mm/min；纯硅包层的沉积温度为1900～2200℃，SiCl4沉积流量为20～300sccm，沉积速度为50～100mm/min，沉积层数为2～10层。
优选地，步骤三中，二氧化硅疏松体的沉积温度为1300～1700℃，SiCl4沉积流量为100～400sccm。
优选地，步骤四中，掺杂后二氧化硅疏松体通过氧气将掺杂元素氧化，通过氯气干燥疏松体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)常规的熊猫型保偏光纤，应力区在设计时如果离芯层太近，会造成芯层损耗急剧升高，影响激光器输出效率，而如果应力区离芯层太远，则会造成光纤保偏性能的下降。本申请光纤在保持芯层损耗不变的前提下，相比熊猫保偏光纤，其应力区更趋近于光纤芯，使得包层的泵浦光更易经过芯层，从而实现光纤在1530nm位置处的吸收最高可到60dB/m。
(2)由于本申请光纤的吸收要高于常规熊猫型保偏光纤，使得光纤在激光器中使用使用长度更短，从而在更高的功率下，获得与低功率环境下相同的光束质量和偏振特性。
附图说明
图1为本发明掺铒保偏光纤的截面结构示意图；
图2为本发明掺铒保偏光纤的x轴方向的光纤折射率分布图；
图3为本发明掺铒保偏光纤的y轴方向的光纤折射率分布图；
图4为本发明掺铒保偏光纤制备方法的流程图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合
如图1-3所示，本实施例的保偏有源光纤包括纤芯1(直径为D1)、包层2(直径为D2)、应力区3(应力区长为L1，宽为L2，两应力区中心间距为D)、内涂层4(直径为D3)、外涂层5(直径为D4)。两个长方形应力区对称分布在纤芯的两侧，包层保卫在应力区周围。
实施例1：
一种掺铒保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡，其中预热温度：800℃，预热时间：5min；
(2)进行管内沉积，沉积工序依次为纯硅包层沉积、应力层沉积、纯硅包层沉积其中所述纯硅包层1沉积温度为1900℃，SiCl4沉积流量为20～300sccm，沉积速度为10mm/min，沉积层数为2层；所述应力层沉积2温度为1700℃，SiO2流量：200sccm、GeCl4流量：50sccm、BCl3流量：800sccm，沉积速度为20mm/min；其中所述纯硅包层1沉积温度为1900℃，SiCl4沉积流量为20sccm，沉积速度为50mm/min，沉积层数为2层；
其中在应力层沉积2结束后进行定向刻蚀，保持基管不再转动，在基管内通入腐蚀性气体，在基管外用两束火源沿基管的轴向来回移动加热基管两壁，对基管内的环形应力圈的相对两壁分别加热，腐蚀性气体再对应力圈的加热部位腐蚀使被逐渐刻蚀，两火头始终在基管外对称，火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，刻蚀遍数15，每刻蚀一遍将基管翻转180℃以保证应力圈两壁刻蚀的一致性，直至将两壁完全刻通而获得两个完全分离的月牙状的应力区；
(3)在基管内表面进行二氧化硅疏松体沉积，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入含有ErCl3，AlCl3，H3PO4，CeCl3，PbCl4。其中ErCl3摩尔浓度为0.2％，AlCl3摩尔浓度为1.5％，H3PO4摩尔浓度为0.5％，CeCl3摩尔浓度为0.5％，PbCl4摩尔浓度为0.1％；
(4)将步骤(3)吹干后的基管再重新接上尾管，然后对基管中的二氧化硅疏松体进行氧化干燥，并最终烧结成实心棒；
(5)对光纤预制棒进行抛光并套管；
(6)将光纤预制棒拉细成石英光纤，在石英光纤外先后涂覆并紫外固化两层丙烯酸树脂光纤涂料，制备成单包层掺铒保偏有源光纤。
实施例2：
一种掺铒保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡，其中预热温度：900℃，预热时间：7min；
(2)进行管内沉积，沉积工序依次为纯硅包层沉积、应力层沉积、纯硅包层沉积；其中所述纯硅包层1沉积温度为2000℃，SiCl4沉积流量为50sccm，沉积速度为50mm/min，沉积层数为3层；所述应力层沉积2温度为1800℃，SiO2流量：250sccm、GeCl4流量：60sccm、BCl3流量：900sccm，沉积速度为40mm/min；其中所述纯硅包层1沉积温度为2100℃，SiCl4沉积流量为150sccm，沉积速度为75mm/min，沉积层数为5层；
其中在应力层沉积2结束后进行定向刻蚀，保持基管不再转动，在基管内通入腐蚀性气体，在基管外用两束火源沿基管的轴向来回移动加热基管两壁，对基管内的环形应力圈的相对两壁分别加热，腐蚀性气体再对应力圈的加热部位腐蚀使被逐渐刻蚀，两火头始终在基管外对称，火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，刻蚀遍数18，每刻蚀一遍将基管翻转180℃以保证应力圈两壁刻蚀的一致性，直至将两壁完全刻通而获得两个完全分离的月牙状的应力区；
(3)在基管内表面进行二氧化硅疏松体沉积，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入含有ErCl3，AlCl3，H3PO4，CeCl3。其中ErCl3摩尔浓度为0.3％，AlCl3摩尔浓度为2％，H3PO4摩尔浓度为0.2％，CeCl3摩尔浓度为1.0％；
(4)将步骤(3)吹干后的基管再重新接上尾管，然后对基管中的二氧化硅疏松体进行氧化干燥，并最终烧结成实心棒；
(5)对光纤预制棒进行抛光并套管；
(6)将光纤预制棒拉细成石英光纤，在石英光纤外先后涂覆并紫外固化两层丙烯酸树脂光纤涂料，制备成单包层掺铒保偏有源光纤。
实施例3：
一种掺铒保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡，其中预热温度：1000℃，预热时间：10min；
(2)进行管内沉积，沉积工序依次为纯硅包层沉积、应力层沉积、纯硅包层沉积，其中所述纯硅包层1沉积温度为2200℃，SiCl4沉积流量为300sccm，沉积速度为100mm/min，沉积层数为5层；所述应力层沉积2温度为1900℃，SiO2流量：300sccm、GeCl4流量：100sccm、BCl3流量：1000sccm，沉积速度为60mm/min；其中所述纯硅包层1沉积温度为2200℃，SiCl4沉积流量为300sccm，沉积速度为100mm/min，沉积层数为10层；
其中在应力层沉积2结束后进行定向刻蚀，保持基管不再转动，在基管内通入腐蚀性气体，在基管外用两束火源沿基管的轴向来回移动加热基管两壁，对基管内的环形应力圈的相对两壁分别加热，腐蚀性气体再对应力圈的加热部位腐蚀使被逐渐刻蚀，两火头始终在基管外对称，火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，刻蚀遍数20，每刻蚀一遍将基管翻转180℃以保证应力圈两壁刻蚀的一致性，直至将两壁完全刻通而获得两个完全分离的月牙状的应力区；
(3)在基管内表面进行二氧化硅疏松体沉积，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入含有ErCl3，AlCl3，H3PO4，CeCl3，PbCl4。其中ErCl3摩尔浓度为0.6％，AlCl3摩尔浓度为3.0％，H3PO4摩尔浓度为1％，CeCl3摩尔浓度为1.5％，PbCl4摩尔浓度为0～0.7％。
(4)将步骤(3)吹干后的基管再重新接上尾管，然后对基管中的二氧化硅疏松体进行氧化干燥，并最终烧结成实心棒；
(5)对光纤预制棒进行抛光并套管；
(6)将光纤预制棒拉细成石英光纤，在石英光纤外先后涂覆并紫外固化两层丙烯酸树脂光纤涂料，制备成单包层掺铒保偏有源光纤。
实施例1、实施例2和实施例3的大模场掺镱有源光纤检测参数及最终测试结果如表1所示；
表1
Figure BDA0002796472600000071
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种掺铒保偏有源光纤的制备方法，光纤截面结构由内向外依次为纤芯（1）、包层（2）、内涂层（4）、外涂层（5），所述包层（2）内设置有两应力区（3），两应力区（3）对称设置在所述纤芯（1）两侧，所述内涂层（4）的模量小于所述外涂层（5）的模量，所述纤芯（1）相对包层（2）的折射率差Δ1为0.005-0.01，所述应力区（3）相对包层（2）的折射率差Δ2为-0.0080~-0.0120；其特征在于：
光纤的制备方法包括如下步骤：
步骤一：基管的预处理，消除基管内壁的杂质和气泡；
步骤二：在基管内壁进行沉积，沉积工序依次为纯硅包层沉积、应力层沉积、纯硅包层沉积；
在应力层沉积结束后对沉积获得的环形应力圈进行定向刻蚀，基管不再转动，在基管内通入腐蚀性气体，在基管外用两束火源沿基管的轴向来回移动加热基管两壁，加热基管内壁的环形应力圈的相对两壁，腐蚀性气体再对环形应力圈的加热部位腐蚀使被逐渐刻蚀，两火头始终在基管外对称，火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，控制刻蚀遍数15-20，每刻蚀一遍将基管翻转180℃以保证应力圈两壁刻蚀的一致性，直至将两壁完全刻通而获得两个完全分离的月牙状的应力区；
应力层刻蚀结束后再在应力层内圈沉积纯硅包层；
步骤三：继续在步骤二的基管内表面进行二氧化硅疏松体沉积，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入含有ErCl3，AlCl3，H3PO4，CeCl3，PbCl4的溶液中，其中ErCl3摩尔浓度为0.2~0.6 %，AlCl3摩尔浓度为0.8~3.0 %，H3PO4摩尔浓度为0~1 %，CeCl3摩尔浓度为0.1~1.5%，PbCl4摩尔浓度为0~0.7 %，通过溶液浸泡方式在二氧化硅疏松体中掺杂；
步骤四：将步骤三从溶液中取出吹干后的基管再重新接上尾管，然后对基管中的二氧化硅疏松体进行氧化干燥及玻璃化，并最终烧结成实心棒；
步骤五：实心棒表面抛光，并套管熔缩为一体得到光纤预制棒；
步骤六：将光纤预制棒拉细成石英光纤，在石英光纤外先后涂覆并固化内涂层和外层涂层，制备成单包层掺铒保偏有源光纤。
2.根据权利要求1所述的掺铒保偏有源光纤的制备方法，其特征在于：所述纤芯（1）的直径D1为5~10μm，所述包层（2）的直径D2为100~150μm，所述内涂层（4）的直径D3为150~200μm，所述外涂层的直径D4为200~300μm，单个应力区的长L1为10~15μm，宽L2为5~7μm，两应力区（3）中心间距D为20~60μm。
3.根据权利要求2所述的掺铒保偏有源光纤的制备方法，其特征在于：光纤截面上，两所述应力区（3）的面积占比为11-15%。
4.根据权利要求1所述的掺铒保偏有源光纤的制备方法，其特征在于：
所述纤芯的主要成分为纯石英，并包含如下摩尔百分比mol%的掺杂物：
Er2O3：0.2~0.5，
Al2O3：1~2.5，
Ce2O3：0.1~1，
P2O5：0~2，
SiF4：0~0.5，
PbO2：0~0.5；
或者，所述包层（2）的材料为纯石英；
或者，所述应力区（3）的主要成分为纯石英，并包含如下摩尔百分比mol%的掺杂物：
GeO2：0.1～2，
B2O3：20～35。
5.根据权利要求1所述的掺铒保偏有源光纤的制备方法，其特征在于：所述内涂层（4）的模量小于1MPa，所述外涂层的模量大于1kMPa。
6.根据权利要求1所述的掺铒保偏有源光纤的制备方法，其特征在于：步骤二中，初始的纯硅包层的沉积温度为1900~2200℃，SiCl4沉积流量为20~300sccm，沉积速度为10~100mm/min，沉积层数为2~5层；
或者，应力层的沉积温度为1700-1900℃，SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BCl3流量：800-1000sccm，沉积速度为20~60mm/min；
或者，纯硅包层的沉积温度为1900~2200℃，SiCl4沉积流量为20~300sccm，沉积速度为50~100mm/min，沉积层数为2~10层。
7.根据权利要求1所述的掺铒保偏有源光纤的制备方法，其特征在于：步骤三中，二氧化硅疏松体的沉积温度为1300~1700℃，SiCl4沉积流量为100~400sccm。
8.根据权利要求1所述的掺铒保偏有源光纤的制备方法，其特征在于：步骤四中，掺杂后二氧化硅疏松体通过氧气将掺杂元素氧化，通过氯气干燥疏松体。
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