CN115113325A - 一种掺饵光纤 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种掺饵光纤，应用于掺饵光纤放大器以及光纤通信系统，用于实现对更大波长的光信号的有效增益。本申请实施例的掺饵光纤包括纤芯，其中，纤芯包括饵离子、铝离子、磷离子、镧离子、锑离子以及硅离子，饵离子的质量百分比为0.25wt％至0.6wt％，铝离子的质量百分比为3wt％至6wt％，磷离子的质量百分比为7wt％至16wt％，镧离子的质量百分比为0.5wt％至1.2wt％，锑离子的质量百分比为1wt％至5wt％，硅离子的质量百分比大于60wt％。
Description
技术领域
本申请实施例涉及稀土掺杂光纤制备领域，尤其涉及一种掺饵光纤。
背景技术
波分复用技术的应用提高了光纤通信系统的传输能力，然而随着信息技术的发展，对更大传输容量的光纤通信系统的需要尤为迫切。对于光纤通信系统，提升传输容量可以通过提升传输带宽实现，由此需要掺饵光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)能够对更大的波长范围内的信号实现有效的增益，作为掺饵光纤放大器的核心部件，掺饵光纤需要能够满足更高的性能指标。
现有的掺饵光纤的掺饵光纤放大器，由于其使用的掺饵光纤的性能指标不足，因此只能实现到1610nm的波长的信号的有效增益，对后续的波长的信号无法进行有效的增益。
发明内容
本申请实施例提供了一种掺饵光纤，用于实现对更大波长的光信号的有效增益。
本申请实施例第一方面提高了一种掺饵光纤：
光纤的结构一般可以分为三层，光纤的最外层是用于保护加强用的涂覆层，中间层是低折射率的包层，最里层是高折射率的纤芯，在本发明的掺饵光纤的纤芯中，包含了饵离子、铝离子、磷离子、镧离子、锑离子以及硅离子，具体的，饵离子的质量百分比为0.25wt％至0.6wt％，铝离子的质量百分比为3wt％至6wt％，磷离子的质量百分比为7wt％至16wt％，镧离子的质量百分比为0.5wt％至1.2wt％，锑离子的质量百分比为1wt％至5wt％，硅离子的质量百分比大于60wt％。
本申请实施例中，限定了在光纤的纤芯中所包含的离子，以及各离子对应的质量百分比，提高了饵离子的掺杂浓度，使得饵离子的辐射谱发生红移，从而实现对更大波长的光信号的有效增益。
在一种可能的实现方式中，纤芯中的饵离子的质量百分比为0.25wt％，铝离子的质量百分比为4wt％，磷离子的质量百分比为7wt％，镧离子的质量百分比为0.6wt％，锑离子的质量百分比为1wt％。
本申请实施例中，进一步限定了纤芯中各离子的质量百分比，从而提高了方案的可实现性。
在一种可能的实现方式中，饵离子的质量百分比为0.4wt％，铝离子的质量百分比为5.5wt％，磷离子的质量百分比为9wt％，镧离子的质量百分比为0.8wt％，锑离子的质量百分比为1.3wt％。
本申请实施例中，进一步限定了纤芯中各离子的质量百分比，从而提高了方案的可实现性。
在一种可能的实现方式中，纤芯中包括三氧化二饵、三氧化二铝、五氧化二磷、三氧化二镧以及三氧化二锑，其中，三氧化二饵为饵离子的一种存在形式，三氧化二铝为铝离子的一种存在形式，五氧化二磷为磷离子的一种存在形式，三氧化二镧为镧离子的一种存在形式，三氧化二锑为锑离子的一种存在形式。
本申请实施例中，限定了纤芯中各离子的具体存在形式，从而提高了方案的可实现性。
在一种可能的实现方式中，纤芯中还可以包括下列的一种或多种元素：镓、硼、锗、氟、铈以及钆。
在一种可能的实现方式中，纤芯的直径可以为1μm至20μm。
在一种可能的实现方式中，纤芯的数值孔径可以为0.01μm至1.2μm。
在一种可能的实现方式中，掺饵光纤还包括涂覆层以及包层。
本申请实施例第二方面提供了一种掺饵光纤放大器，该掺饵光纤放大器包括如前述第一方面的掺饵光纤。
在一种可能的实现方式中，掺饵光纤放大器还包括第一隔离器、第二隔离器、波分复用器、泵浦激光器以及光滤波器，这其中，第一隔离器与波分复用器连接，泵浦激光器与波分复用器连接，波分复用器与所述掺饵光纤连接，掺饵光纤与所述第二隔离器连接，第二隔离器与光滤波器连接。
附图说明
图1为本申请实施例中光信号增益的一个原理示意图；
图2a为本申请实施例中掺饵光纤放大器的一个结构示意图；
图2b为本申请实施例中光纤通信系统的一个示意图；
图3为本申请实施例中掺饵光纤制备的一个流程示意图；
图4为本申请实施例中光纤测试装置的一个结构示意图；
图5为本申请实施例中掺饵光纤的一个测试结果示意图；
图6为现有光纤的一个测试结果示意图；
图7为本申请实施例中掺饵光纤的另一测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请的实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员可知，随着技术发展和新场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请实施例提供了一种掺饵光纤，用于实现对更大波长的信号的有效放大，下面进行详细说明。
在介绍本申请实施例的掺饵光纤之前，先对掺饵光纤放大器的工作原理进行介绍：
在掺饵光纤放大器中，掺饵光纤是核心部件，掺饵光纤放大器会向掺饵光纤提供泵浦光，从而将基态的饵离子激发到更高的能态，致使上下能级粒子数发生反转，当信号光通过掺饵光纤时，会与饵离子相互作用产生受激辐射效应，从而实现对信号光的放大。除了受激辐射效应之外，还会产生受激吸收效应以及自发辐射效应，其中，自发辐射效应会产生噪声。请参阅图1，当使用980nm的泵浦光时，掺饵光纤纤芯中的饵离子从基态跃迁到泵浦态，由于泵浦态上载流子的寿命只有1us，电子会快速非辐射跃迁至亚稳态，在亚稳态上的载流子有10ms的寿命，在持续的受激吸收作用下，亚稳态上的粒子数累积，从而实现上下能级的粒子数反转分布；当使用1480nm的泵浦光时，饵离子从基态跃迁到亚稳态，随后粒子迅速在亚稳态上重新分布，实现上下能级粒子数的反转分布。
然而，信号光在放大后需要达到16dB的增益值才有实际的利用价值，在目前的掺饵光纤放大器中，仅在1565nm至1610nm的波长的信号光能够达到足够的增益值，因此掺饵光纤放大器对于信号光的有效放大具有一定的波长覆盖范围，而提高特定波长的信号光的增益值，需要提高掺饵光纤中的饵离子的辐射截面在该波长处对应的值，具体的，请参阅公式1，G(λ)表示掺饵光纤放大器对于波长为λ的信号光的增益值，δe(λ)表示饵离子的辐射截面在波长λ处的值，δa(λ)表示饵离子的吸收截面在波长λ处的值，N2表示饵离子的上能级粒子数，N1表示饵离子的下能级粒子数，N表示饵离子的所有能级粒子数，不难看出，提高掺饵光纤中饵离子的辐射截面在特定波长处的值，可以提高掺饵光纤放大器对于该特定波长的信号光的增益值。
公式一
饵离子的辐射截面与辐射谱具有关联关系，在掺饵光纤的纤芯中，有许多因素决定了饵离子的辐射谱的特征，例如，饵离子的局部配位环境、饵离子的周围配位离子的种类以及特定位点的对称性。处于饵离子周围的阳离子，其电负性会影响辐射谱中峰值的强度和位置，且较强电负性的阳离子会提高饵离子电子态的简并性，使得辐射谱的覆盖范围更宽。饵离子周围的阴离子的电负性也会对饵离子的辐射谱产生影响，通常情况下，饵离子周围的阴离子的电负性越低，辐射谱的绝对位置就越靠近低能量的方向。
本申请实施例基于在纤芯中引入磷、镧、硼、以及锑等高电负性离子，对饵离子的局部配位环境产生影响，改善饵离子在纤芯中的分散性，降低饵离子的团簇效应，提高饵离子的掺杂浓度，使得饵离子斯塔克压缩，令饵离子的辐射谱红移，从而改变饵离子的辐射截面在特定波长处的值，最终实现实现对1622nm及以上波长的信号光的有效放大。
本申请实施例提供的掺饵光纤可以应用于掺饵光纤放大器，以及包括该掺饵光纤放大器的光纤通信传输系统，请参阅图2a，本申请实施例提供的掺饵光纤可以应用的掺饵光纤放大器包括第一隔离器、第二隔离器、波分复用器、掺饵光纤、光滤波器以及泵浦激光器，其对信号光的有效增益可以覆盖至1622nm及以上波长的信号光。
请参阅图2b，在现有的光纤通信系统中，可以在C波段上划分出120个波长通道，而由于采用了本申请实施例提供的掺饵光纤，可放大的信号光的波长得到了扩展，光线通信系统可以在C波段以及L波段上配置240个波长通道，从而使得光纤通信传输系统的传输容量得到翻倍，需要说明的是，图2b中所示的光纤通道系统的波长通道数量仅为一个示例，在实际的实现中，也可以在C波段以及L波段上配置其他数量的波长通道，具体此处不做限定。
下面对本申请实施例中的掺饵光纤的制备流程进行介绍：
本申请实施例的掺饵光纤可以基于改进的化学气相沉积法(modified chemicalvapor deposition，MCVD)进行制备，请参阅图3，下面分步骤进行详细介绍：
301、制备多孔疏松层；
往石英管中通入四氯化硅、四氯化锗、三氯化氧磷、高纯氧、六氟化硫以及三氯化硼等原材料，并用氢氧喷灯在1300℃至1500℃的较低加热条件下对石英管进行加热，使之生成二氧化硅、五氧化二磷、氟氧化硅、三氧化二硼等细微颗粒，并在热泳效应及石英管内气体的带动下沉积附着在石英管的内表面，形成白色不透明的且长150mm至300mm的多孔疏松层。
302、多孔疏松层浸泡混合溶液；
在完成对多孔疏松层的制备之后，需要将多孔疏松层浸泡到混合溶液中，该混合溶液是将稀土共掺原料按照特定比例浸泡到酒精或者盐酸的溶液中，混合溶液的制备过程必须在超净环境中进行，完成制备之后的混合溶液中包含了饵离子、磷离子、铝离子、镧离子以及锑离子等稀土共掺离子。具体的，饵离子可以由稀土共掺原料中的Er(NO3)3、ErCl3以及Er2O3中的一种或多种化合物提供，或者也可以由饵元素的其他化合物提供，具体此处不做限定。铝离子可以由稀土共掺原料中的AlCl3、Al(OH)3、Al(NO3)3以及Al2O3中的一种或多种化合物提供，或者也可以由铝元素的其他化合物提供，具体此处不做限定。磷离子可以由稀土共掺原料中的POCl3以及P2O5中的一种或多种化合物提供，或者也可以由磷元素的其他化合物提供，具体此处不做限定。镧离子可以由稀土共掺元素中的La2O3、La(NO3)3以及LaCl3中的一种或多种化合物提供，或者也可以由镧元素的其他化合物提供，具体此处不做限定。锑离子可以由Sb2O3、SbCl3以及SbF3中的一种或多种化合物提供，或者也可以由锑元素的其他化合物提供，具体此处不做限定。在将多孔疏松层浸泡到混合溶液中之后，需要将石英管放置于旋转车床中进行30r/min的旋转处理，从而通过吸附作用使得上述稀土共掺离子能够充分渗透到多孔疏松层里。
303、氮气干燥；
在将石英管浸泡到混合溶液中3个小时之后，停止浸泡，并利用氮气对石英管进行干燥处理。
304、通入氯气并加热；
在石英管干燥完成之后，向石英管中通入氯气，并将石英管加热至600-900℃，除去多孔疏松层中残留的羟基离子，从而降低光纤的背景辐射。
305、加热烧结；
在除去残留的羟基离子之后，将石英管加热到1500℃至1700℃，使之烧结成透明密实的石英玻璃棒，同时通入含磷离子的气体进行气相补偿，从而提高磷离子的掺杂浓度，将掺杂离子最终固定到玻璃网络中，形成无孔的玻璃层。
306、拉制成光纤。
采用管棒法将烧结后的石英玻璃棒拉制成光纤，其中，纤芯的直径为1μm至20μm，纤芯的数值孔径为0.01μm至1.2μm。
需要说明的是，上述的制备方法仅为一个示例，在实际的实现中，也可以通过其他的制备方式制备本申请实施例的掺饵光纤，只需要保证制备得到的掺饵光纤的纤芯中，饵离子的质量百分比为0.25wt％至0.6wt％，铝离子的质量百分比为3wt％至6wt％，磷离子的质量百分比为7wt％至16wt％，镧离子的质量百分比为0.5wt％至1.2wt％，锑离子的质量百分比为1wt％至5wt％，硅离子的质量百分比大于60wt％(或不小于60wt％)，具体的制备方法此处不做限定。
在一种可选的实现方式中，掺饵光纤的纤芯中饵离子的质量百分比为0.25wt％，铝离子的质量百分比为4wt％，磷离子的质量百分比为7wt％，镧离子的质量百分比为0.6wt％，锑离子的质量百分比为1wt％；需要说明的是，在纤芯中，还可以包括镓、硼、锗、氟、铈以及钆中的一种或多种元素，具体此处不做限定；在该种实现的掺饵光纤制备完成之后，可以对掺饵光纤进行测试，具体的，可以用如图4所示的测试装置对掺饵光纤进行信号增益测试，并得到如图5所示的测试结果，如图5所示，在进行过归一化的增益值中，0.8dB及以上的增益值为信号光能获得有效放大所需的增益值，对应的，本申请实施例的掺饵光纤可以在1564nm至1624nm获得有效的增益，图6为现有的掺饵光纤对应的测量结果，如图6所示，目前的掺饵光纤仅能在1565nm至1613nm获得有效的增益，因此本申请实施例的掺饵光纤能够实现更大波长范围的信号光的有效放大。
在另一种可选的实现方式中，掺饵光纤的纤芯中饵离子的质量百分比为0.4wt％，铝离子的质量百分比为5.5wt％，磷离子的质量百分比为9wt％，镧离子的质量百分比为0.8wt％，锑离子的质量百分比为1.3wt％；需要说明的是，在纤芯中还可以包括镓、硼、锗、氟、铈以及钆中的一种或多种元素，具体此处不做限定，在该种实现的掺饵光纤制备完成之后，可以对掺饵光纤进行测试，具体的，可以用如图4所示的测试装置对掺饵光纤进行信号增益测试，并得到如图7所示的测试结果，如图7所示，在进行过归一化的增益值中，0.8dB及以上的增益值为信号光能获得有效放大所需的增益值，对应的，本申请实施例的掺饵光纤可以在1565nm至1627nm获得有效的增益，图6为现有的掺饵光纤对应的测量结果，如图6所示，目前的掺饵光纤仅能在1565nm至1613nm获得有效的增益，因此本申请实施例的掺饵光纤能够实现更大波长范围的信号光的有效放大。
可以理解的是，上述两种可选的实现方式仅为两种不同的示例，在实际的实现中，也可以有其他的实现方式，具体此处不做限定。
在本申请实施例的掺饵光纤制备完成之后，以上对本申请实施例所提供的掺饵光纤进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种掺饵光纤，包括纤芯，其特征在于，所述纤芯包括饵离子、铝离子、磷离子、镧离子、锑离子以及硅离子，其中，所述饵离子的质量百分比为0.25wt％至0.6wt％，所述铝离子的质量百分比为3wt％至6wt％，所述磷离子的质量百分比为7wt％至16wt％，所述镧离子的质量百分比为0.5wt％至1.2wt％，所述锑离子的质量百分比为1wt％至5wt％，所述硅离子的质量百分比大于60wt％。
2.根据权利要求1所述的掺饵光纤，其特征在于，所述饵离子的质量百分比为0.25wt％，所述铝离子的质量百分比为4wt％，所述磷离子的质量百分比为7wt％，所述镧离子的质量百分比为0.6wt％，所述锑离子的质量百分比为1wt％。
3.根据权利要求1所述的掺饵光纤，其特征在于，所述饵离子的质量百分比为0.4wt％，所述铝离子的质量百分比为5.5wt％，所述磷离子的质量百分比为9wt％，所述镧离子的质量百分比为0.8wt％，所述锑离子的质量百分比为1.3wt％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的掺饵光纤，其特征在于，所述纤芯包括三氧化二饵、三氧化二铝、五氧化二磷、三氧化二镧以及三氧化二锑。
5.根据权利要求4所述的掺饵光纤，其特征在于，所述纤芯还包括以下的一种或多种元素：镓、硼、锗、氟、铈以及钆。
6.根据权利要求5所述的掺饵光纤，其特征在于，所述纤芯的直径为1μm至20μm。
7.根据权利要求6所述的掺饵光纤，其特征在于，所述纤芯的数值孔径为0.01μm至1.2μm。
8.根据权利要求7所述的掺饵光纤，其特征在于，所述掺饵光纤还包括涂覆层以及包层。
9.一种掺饵光纤放大器，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的掺饵光纤。
10.根据权利要求9所述的掺饵光纤放大器，其特征在于，所述掺饵光纤放大器还包括第一隔离器、第二隔离器、波分复用器、泵浦激光器以及光滤波器，所述第一隔离器与所述波分复用器连接，所述泵浦激光器与所述波分复用器连接，所述波分复用器与所述掺饵光纤连接，所述掺饵光纤与所述第二隔离器连接，所述第二隔离器与所述光滤波器连接。
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| GR01 | Patent grant | ||
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