CN115032735B - 一种降低c+波段噪声系数的有源光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低C+波段噪声系数的有源光纤及其制备方法，光纤由外向内依次是包层5、内包层4、疏松层3、芯层2、和内纤芯1，内包层4掺杂Al2O3和Bi2O3，疏松层3是掺杂GeO2、P2O5和SiO2，芯层2掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3，内纤芯1掺杂GeO2、P2O5和SiO2。本方法通过调控基底材料的掺杂来降低石英材料的声子能量，增加Er离子的荧光寿命以及掺杂浓度，进而提高Er离子的发光效率，降低噪声系数。本方法制备的Bi/Er共掺光纤在C+波段范围(1525～1605nm)噪声系数为3.6～4.6dB之间，增益大于18dB，并且Er离子的掺杂浓度较高，使用长度短，声子能量低，荧光寿命长，发光效率高，在小型集成低噪声光放大器、光纤激光器及光纤通信传输等领域有广阔的应用前景。

Description

一种降低C+波段噪声系数的有源光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤通信和光纤技术领域，具体涉及一种光纤的组成结构及制备方法。
背景技术
掺铒光纤放大器的出现大大提高了光纤通信系统的传输能力。噪声系数是掺铒光纤放大器的关键参数，反映了其放大性能。放大自发辐射光(ASE)是光纤放大器噪声的主要来源，当ASE在光接收机中被转换为电噪声，这会使接收机灵敏度降低，会导致接收机信号解调的误码率增加。因此降低噪声系数对降低光通信系统的误码率至关重要，而且根据香农公式，降低噪声系数，提高传输信噪比也是增加光纤通信容量的一种行之有效的方法，所以研究出具有低噪声性能的有源光纤成为亟需解决的问题。
2015年，中国专利201510941655.3提出利用原子沉积技术(ALD)技术在纤芯中交替沉积不同掺杂离子(Bi和Er离子或Bi、Er和Al离子)，制备一种浓度可控以及均匀分布的Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤，该光纤可实现超宽带放大。2019年，中国专利201910757031.4提出将Bi离子和Er离子通过溶液掺杂的方式引入玻璃中，对Bi离子价态进行调控，调节Er离子的工作带宽，实现C+L波段较为平坦的宽带发射。2020年，中国专利202010073619.0提出利用改进化学气相沉积技术(MCVD)和其他工艺相结合(如ALD，液相掺杂工艺，高温蒸发掺杂工艺等)来制备Bi/Er/La/Al共掺石英光纤，该光纤在C+L波段增益谱宽，表现出超宽带发光。2020年，中国专利202010551558.4提出使用MCVD技术来制备宽带增益掺铒光纤，通过控制疏松层的温度来调控掺杂浓度，从而调节荧光带宽和发光效率，实现C波段扩展的较为平坦的宽带发射。但是这些专利都是在石英基管上通过交替沉积掺杂离子来制备光纤，其基底材料仍然是声子能量较大的石英材料，并且关于其噪声特性也提及较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对目前掺铒光纤放大器噪声系数高、声子能量大的问题，提供了一种调控基底材料的掺杂特性，减小石英材料的声子能量，提高稀土离子的发光效率，降低放大光纤噪声系数的方法，利用这种方法制备出低噪声系数的有源光纤。
本发明的技术方案：
一种降低C+波段噪声系数的有源光纤，光纤由外向内依次是包层5、内包层4、疏松层3、芯层2、和内纤芯1，内包层4掺杂Al2O3和Bi2O3，疏松层3是掺杂GeO2、P2O5和SiO2，芯层2掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3，内纤芯1掺杂GeO2、P2O5和SiO2。
内包层4、疏松层3、芯层2、和内纤芯1整合为Bi/Er共掺光纤的纤芯。
Bi/Er共掺光纤的纤芯直径为4～15μm，包层直径70～150μm，纤芯包层的折射率差在0.2％～5％之间。
光纤的最大声子能量小于1200cm-1，Er离子的荧光寿命大于11ms。
光纤的背景损耗小于0.03dB/m，在450～1650nm波长范围内，光纤表征出多个吸收峰，在1000～1700nm范围内表现出超宽带荧光。
Er离子的掺杂浓度大于5000ppm，使用长度小于8m，应用在小型集成低噪声光放大器、光纤激光器及光纤通信传输。
使用ALD技术将Al2O3和Bi2O3掺杂材料交替均匀沉积在MCVD技术制备好的SiO2疏松层上，以此作为基底材料，形成内包层4，其次，使用MCVD技术在内包层4上沉积掺杂少量高折射率GeO2和P2O5的SiO2疏松层3，并将其半玻璃化；再后，使用ALD技术在疏松层上均匀掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3材料，形成芯层2；最后，使用MCVD技术沉积GeO2、P2O5和SiO2材料，玻璃化形成内纤芯1，并高温缩棒，利用拉丝塔将其拉制成光纤。
具体制备光纤步骤如下：
1利用MCVD技术在石英基管内壁沉积SiO2疏松层，对其高温加热至半透明化状态，形成包层5；
2利用ALD技术将Al2O3和Bi2O3掺杂材料交替均匀沉积在疏松层上，作为基底材料，形成内包层4；
3使用MCVD技术在内包层上沉积掺杂少量高折射率GeO2和P2O5的SiO2疏松层，并将其半玻璃化，形成疏松层3；
4使用ALD技术在疏松层上均匀掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3材料，作为芯层2；
5利用MCVD技术沉积GeO2、P2O5和SiO2材料，玻璃化形成内内纤芯1，并高温缩棒，利用拉丝塔拉制成光纤。
本发明在现有专利基础上，利用ALD技术在石英基管上掺杂Al2O3和Bi2O3当作基底材料，降低石英基质材料的声子能量，之后，再利用ALD与MCVD相结合的方式制备光纤。这种方法制备的光纤可以实现Er离子的高浓度掺杂，提高发光效率，减短光纤使用长度，避免较长的光纤带来的较高的背景损耗，并且可以延长Er离子的荧光寿命，增加受激辐射速率，降低自发辐射速率，降低ASE，提高发光效率，降低噪声系数。
本发明的有益效果是：
1、利用ALD技术在纤芯部分交替均匀沉积Al2O3和Bi2O3掺杂材料，以此掺杂材料作为基底降低石英的最大声子能量，增强Er离子的荧光寿命，提高发光效率，改善光纤的噪声性能。
2、所述Bi/Er共掺石英光纤的最大声子能量小于1200cm-1，Er离子的荧光寿命大于11ms。
3、所述Bi/Er共掺石英光纤的背景损耗小于0.03dB/m，在450～1650nm波长范围内，光纤表征出多个吸收峰，在1000～1700nm范围内表现出超宽带荧光。
4、所述Bi/Er共掺石英光纤，Er离子的掺杂浓度大于5000ppm，光纤使用长度小于8m，在980nm或1480nm激光器的激励下，在C+波段范围内(1525～1605nm)噪声系数在3.6～4.6dB之间，并且增益大于18dB。
5、光纤结构简单，掺杂浓度高且均匀，价格低廉，可广泛应用于宽带光源和宽带低噪声光纤通信传输和光放大。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图。其中，1-内纤芯，2-芯层，3-疏松层，4-内包层和5-包层。
图2为本发明制备的光纤的荧光寿命图。
图3是本发明制备的光纤的增益与噪声系数图。
具体实施方式
实施例1：
参见图1，首先，使用MCVD技术在石英基管内壁沉积SiO2疏松层，对其高温加热至半透明化状态，形成包层。其次，使用ALD技术将Al2O3和Bi2O3掺杂材料交替均匀沉积在包层上，以此作为基底材料，形成内包层。之后，使用MCVD技术在内包层上沉积少量高折射率GeO2和P2O5的SiO2材料，将其半玻璃化，形成疏松层。然后，使用ALD技术在疏松层上交替均匀掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3材料，形成芯层。最后使用MCVD技术沉积GeO2、P2O5和SiO2材料，形成内纤芯，并高温缩棒，利用拉丝塔将其拉制成光纤。
实施例2：
具体制备步骤如下：
1)首先，利用MCVD技术在石英基管内壁沉积SiO2疏松层，对其高温加热至半透明化状态，为包层。
2)其次，利用ALD技术将Al2O3和Bi2O3掺杂材料交替均匀沉积在疏松层上，作为基底材料，形成内包层。
3)之后，使用MCVD技术在内包层上沉积掺杂少量高折射率GeO2、P2O5和SiO2疏松层，并将其半玻璃化，形成疏松层。
4)然后，使用ALD技术在疏松层上均匀掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3材料，作为芯层。
5)最后，使用MCVD技术沉积GeO2、P2O5和SiO2材料，玻璃化形成内纤芯，并高温缩棒，利用拉丝塔将其拉制成光纤。
上述方法制备的Bi/Er共掺石英光纤包括纤芯和包层两部分，其中，纤芯包括内包层4、疏松层3、芯层2和内纤芯1。所述纤芯直径为4～15μm，包层直径70～150μm，纤芯和包层的折射率差在0.2％～5％之间。
上述方法制备的Bi/Er共掺石英光纤基底的最大声子能量小于1200cm-1，Er离子的荧光寿命大于11ms。
上述方法制备的Bi/Er共掺石英光纤背景损耗小于0.03dB/m，在450～1650nm波长范围内，光纤表征出多个吸收峰，在1000～1700nm范围内表现出超宽带荧光。
上述方法制备的Bi/Er共掺石英光纤，Er离子的掺杂浓度大于5000ppm，光纤使用长度小于8m，在980nm或1480nm激光器的激励下，在C+波段范围内(1525～1605nm)噪声系数在3.6～4.6dB之间，并且增益大于18dB。
实施例3：
一种降低C+波段噪声系数的有源光纤，光纤由外向内依次是包层5、内包层4、疏松层3、芯层2、和内纤芯1，内包层4掺杂Al2O3和Bi2O3，疏松层3是掺杂GeO2和P2O5，芯层2掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3，内纤芯1掺杂GeO2和P2O5。
内包层4、疏松层3、芯层2、和内纤芯1可以整合为Bi/Er共掺光纤的纤芯，纤芯直径为4～15μm，包层直径70～150μm，纤芯包层的折射率差在0.2％～5％之间。光纤的最大声子能量小于1200cm-1，Er离子的荧光寿命大于11ms。光纤的背景损耗小于0.03dB/m，在450～1650nm波长范围内，光纤表征出多个吸收峰，在1000～1700nm范围内表现出超宽带荧光。Er离子的掺杂浓度大于5000ppm，使用长度小于8m，应用在小型集成低噪声光放大器、光纤激光器及光纤通信传输。

Claims (8)

1.一种降低C+波段噪声系数的有源光纤，其特征在于：光纤由外向内依次包括包层(5)、内包层(4)、疏松层(3)、芯层(2)、和内纤芯(1)，内包层(4)掺杂Al2O3和Bi2O3，疏松层(3)是掺杂GeO2、P2O5和SiO2，芯层(2)掺杂Er2O3、Al2O3和Bi2O3，内纤芯(1)掺杂GeO2、P2O5和SiO2。
2.根据权利要求1所述降低C+波段噪声系数的有源光纤，其特征在于：内包层(4)、疏松层(3)、芯层(2)、和内纤芯(1)整合为Bi/Er共掺光纤的纤芯。
3.根据权利要求2所述降低C+波段噪声系数的有源光纤，其特征在于：Bi/Er共掺光纤的纤芯直径为4～15μm，包层直径70～150μm，纤芯包层的折射率差在0.2％～5％之间。
4.根据权利要求1或2所述降低C+波段噪声系数的有源光纤，其特征在于：光纤的最大声子能量小于1200cm-1，Er离子的荧光寿命大于11ms。
5.根据权利要求1或2所述降低C+波段噪声系数的有源光纤，其特征在于：光纤的背景损耗小于0.03dB/m，在450～1650nm波长范围内，光纤表征出多个吸收峰，在1000～1700nm范围内表现出超宽带荧光。
6.根据权利要求1或2所述降低C+波段噪声系数的有源光纤，其特征在于：Er离子的掺杂浓度大于5000ppm，使用长度小于8m，应用在小型集成低噪声光放大器、光纤激光器及光纤通信传输。
7.一种降低C+波段噪声系数的有源光纤制备方法，其特征在于：使用ALD技术将Al2O3和Bi2O3掺杂材料交替均匀沉积在MCVD技术制备好的SiO2疏松层上，以此作为基底材料，形成内包层(4)，其次，使用MCVD技术在内包层(4)上沉积掺杂少量高折射率GeO2和P2O5的SiO2疏松层(3)，并将其半玻璃化；再后，使用ALD技术在疏松层上均匀掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3材料，形成芯层(2)；最后，使用MCVD技术沉积GeO2、P2O5和SiO2材料，玻璃化形成内纤芯(1)，并高温缩棒，利用拉丝塔将其拉制成光纤。
8.根据权利要求7所述降低C+波段噪声系数的有源光纤制备方法，其特征在于具体制备光纤步骤如下：
1)利用MCVD技术在石英基管内壁沉积SiO2疏松层，对其高温加热至半透明化状态，形成包层(5)；
2)利用ALD技术将Al2O3和Bi2O3掺杂材料交替均匀沉积在疏松层上，作为基底材料，形成内包层(4)；
3)使用MCVD技术在内包层上沉积掺杂少量高折射率GeO2和P2O5的SiO2疏松层，并将其半玻璃化，形成疏松层(3)；
4)使用ALD技术在疏松层上均匀掺杂高浓度Er2O3、Al2O3和Bi2O3材料，作为芯层(2)；
5)利用MCVD技术沉积GeO2、P2O5和SiO2材料，玻璃化形成内纤芯(1)，并高温缩棒，利用拉丝塔拉制成光纤。
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Title
Bi/Er共掺石英玻璃光纤及其光谱特性;詹海虹等;《光通信技术》;20180815(第08期);1-3 *
低增益低噪声的增益钳制双向掺铒光纤放大器的优化设计;陈文嘉等;《光通信技术》;20211112(第10期);1-5 *

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