CN115650578B - 用于抑制sbs的轴向成分周期性变化的光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤及其制备方法，包括：石英衬底管内通入第一沉积原料气，在多个沿轴向等间距L并列排列且朝轴向一侧在L/n范围内匀速往返移动的高温热源下，沉积第一成分疏松沉积层；得到的石英衬底管内通入第二沉积原料气，所述多个沿轴向等间距L并列排列的高温热源朝轴向另一侧在L（n‑1）/n范围内匀速往返移动，沉积第二成分疏松沉积层；得到的石英衬底管熔缩、烧实，得到致密化的玻璃棒；将所述玻璃棒打磨、抛光，制备光纤预制棒，将光纤预制棒拉丝制成光纤。选取合适的掺杂元素和掺杂含量，使得光纤纤芯的声速沿轴向发生改变，从而有效提高光纤受激布里渊散射阈值，提高激光器输出功率。

Description

用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于高功率光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤及其制备方法。

背景技术

高功率窄线宽光纤激光器在遥感探测、光束合成等应用研究领域有着重要的应用。目前研究发现，高功率窄线宽光纤激光器中，受激布里渊散射由于其较低的阈值特性成为目前输出功率提升的首要限制因素。

在光纤激光领域，目前使用的稀土掺杂有源光纤和无源光纤的光纤成分，即光纤所含元素种类及含量在轴向上是均匀分布且稳定不变的，对应的物理场分布是一致不变的，此种结构的光纤在设计和制备上较为简单，在光纤激光器领域有着广泛的应用。但在高功率窄线宽光纤激光器中，因为光纤的非线性特性，光纤中会产生后向传输的斯托克斯波。对于具有轴向一致性的光纤，后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向会以指数形式增长，当泵浦光强超过一定的阈值时，泵浦能量向斯托克斯波转移，发生受激布里渊散射效应，限制高功率窄线宽光纤激光器的激光输出功率，甚至损坏整个光路。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤及其制备方法，通过改进的化学气相沉积法在石英衬底管内通过两次临近位置的沉积得到成分周期性变化的元素沉积层，将得到的交替沉积的石英衬底管制作成光纤，得到的光纤轴向成分周期性变化，使得光纤纤芯的声速沿轴向发生改变，使得布里渊频移V_B沿光纤长度发生变化，则受激布里渊散射增益带宽内部分布里渊增益下降，后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向的积累被中断而停止增长，从而有效提高光纤受激布里渊散射阈值，提高激光器输出功率。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，包括：

（1）石英衬底管内通入第一沉积原料气，在多个沿轴向等间距L并列排列且朝轴向一侧在L/n（n>1）范围内匀速往返移动的高温热源下，在石英衬底管内沉积第一成分疏松沉积层，L为各高温热源间距；

（2）步骤（1）得到的石英衬底管内通入第二沉积原料气，所述多个沿轴向等间距L并列排列的高温热源朝轴向另一侧在L（n-1）/n范围内匀速往返移动，在石英衬底管内沉积第二成分疏松沉积层；

（3）将步骤（2）得到的石英衬底管熔缩、烧实，得到致密化的玻璃棒；将所述玻璃棒打磨、抛光，制备光纤预制棒，将光纤预制棒拉丝制成光纤。

进一步地，所述第一沉积原料气包括：SiCl₄与GeCl₄、POCl₃中任一种或两种组合的第一原料气和O₂混合，所述第一原料气中GeCl₄不超过SiCl₄的1/3，所述第一原料气与O₂的流量比可选为1:2-1:7/3。

进一步地，所述第二沉积原料气包括：SiCl₄与GeCl₄、POCl₃中任一种或两种组合的第二原料气和O₂混合，所述第二原料气中GeCl₄流量不超过SiCl₄流量的1/3，所述第二原料气与O₂的流量比可选为1:3/2-1:9/4，所述第一原料气与所述第二原料气组分不完全相同。

进一步地，若所述第一原料气或第二原料气中有POCl₃，则所述第一沉积原料气或第二沉积原料气中还包括氟利昂，POCl₃和氟利昂流量比根据得到的沉积层的折射率的需求调整。

进一步地，所述高温热源可选为高温喷头，所述石英衬底管装夹于车床上，所述氢氧焰喷头设于所述车床上。

进一步地，所述高温喷头包括氢氧焰喷头。

进一步地，所述制备光纤预制棒具体包括：采用套管法制备光纤预制棒。

进一步地，所述拉丝的方法为：用电阻或感应高温炉使所述光纤预制棒熔融，并受重力作用自然竖直下落，由粗变细，同时保持预设尺寸比例。

按照本发明的第二方面，提供一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤，所述用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤由所述的制备方法制备得到。

按照本发明的第三方面，提供一种光纤放大器，所述光纤放大器包括所述的用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤。

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.本发明的用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤的制备方法，通过改进的化学气相沉积法在石英衬底管内通过两次临近位置的沉积得到成分周期性变化的元素沉积层，将得到的交替沉积的适应衬底管制作成光纤，得到的光纤轴向成分周期性变化，使得光纤纤芯的声速沿轴向发生改变，使得布里渊频移V_B沿光纤长度发生变化，则受激布里渊散射增益带宽内部分布里渊增益下降，后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向的积累被中断而停止增长，从而有效提高光纤受激布里渊散射阈值，提高激光器输出功率。

2.本发明的用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤的制备方法，光纤沿轴向具有不同的掺杂元素，且元素分布具有周期性；所述的掺杂元素和含量可以根据需求通过调整进气原料种类和高温热源的移动控制；

3.本发明的用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤，在高功率窄线宽光纤激光器中针对后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向以指数形式增长的情况，选取合适的掺杂元素和掺杂含量，使得光纤纤芯的声速沿轴向发生改变，使得布里渊频移V_B沿光纤长度发生变化，则受激布里渊散射增益带宽内部分布里渊增益下降，后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向的积累被中断而停止增长，从而有效提高光纤受激布里渊散射阈值，提高激光器输出功率。

附图说明

图1为本发明用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤的制备方法流程图；

图2为本发明提供的轴向成分渐变光纤的轴向剖面示意图；

图3为本发明提供的光纤放大器结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1—石英衬底管，2—第一成分疏松层，3—第二成分疏松层。

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组合。

实施例1

本发明实施例提供一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，包括：

（1）在长度1000mm、外径10mm、壁厚2mm纯石英衬底管内通入SiCl₄、GeCl₄、O₂混合气体，三者气流量比V_SiCl4：V_GeCl4：V_O2=2:1:6，在8个轴向并列等间距排列且朝轴向一侧在50mm范围内匀速往返移动的氢氧焰喷头下，在石英衬底管内沉积第一成分疏松沉积层（SiO₂和GeO₂氧化物沉积层），喷头间距L=100mm；

（2）步骤（1）得到的石英衬底管内通入SiCl₄、POCl₃、O₂混合气体，三者气流量比V_SiCl4：V_POCl3：V_O2=3:1:9，所述多个轴向并列等间距排列的氢氧焰喷头朝轴向另一侧在50mm范围内匀速往返移动，在石英衬底管内沉积第二成分疏松沉积层（SiO₂和P₂O₅氧化物沉积层），喷头间距L=100mm；

（3）氢氧焰喷头在向左50mm至向右50mm的范围内均速往返移动，将上述衬底管的疏松层熔缩、烧实、致密化，得到致密化的玻璃棒，光纤的轴向剖面示意图如图2所示；

（4）将所述玻璃棒打磨、抛光，采用套管法在致密化的玻璃杯外套一层内径100mm、外径400mm的石英套管，制备成光纤预制棒，在拉丝塔上拉制成轴向成分渐变光纤。

实施例2

本发明实施例提供一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，包括：

（1）在长度800mm、外径100mm、壁厚3mm纯石英衬底管内通入SiCl₄、GeCl₄、O₂混合气体，三者气流量比V_SiCl4：V_GeCl4：V_O2=2:1:7，在6个轴向并列等间距排列且朝轴向一侧在50mm范围内匀速往返移动的氢氧焰喷头下，在石英衬底管内沉积第一成分疏松沉积层（SiO₂和GeO₂氧化物沉积层），喷头间距L=100mm；

（2）步骤（1）得到的石英衬底管内通入SiCl₄、POCl₃、氟利昂CF₂Cl₂、O₂混合气体，几者气流量比V_SiCl4：V_POCl3：V_CF2Cl2：V_O2=3:1:2:12，所述多个轴向并列等间距排列的氢氧焰喷头朝轴向另一侧在50mm范围内匀速往返移动，在石英衬底管内沉积第二成分疏松沉积层（SiO₂、P₂O₅氧化物沉积层和F），喷头间距L=100mm；

具体而言，Si/Ge（第一成分疏松沉积层）、Si/P/F（第二成分疏松沉积层）间隔沉积，P元素的氧化物沉积导致的折射率太大，若仅采用SiCl₄、POCl₃、O₂混合气体作为第二沉积原料气，很容易将第二成分疏松沉积层的折射率增大很多，而间隔的沉积层折射率需保持一致，那做出来的光纤纤芯折射率就会很大，数值孔径大。如果加上F（可以降折射率）来调节折射率，那就可以将Ge的量掺的更小，沉积层折射率小，有利于制备数值孔径更小的传输光纤。

具体地，POCl₃和氟利昂CF₂Cl₂的流量比影响沉积层的折射率，更高的氟利昂CF₂Cl₂流量可降低沉积层的折射率，可根据沉积层的折射率需求调节POCl₃和氟利昂CF₂Cl₂的流量比，优选的，所述POCl₃和氟利昂CF₂Cl₂的流量比不超过3:8。

（3）氢氧焰喷头在向左50mm至向右50mm的范围内均速往返移动，将上述衬底管的疏松层熔缩、烧实、致密化，得到致密化的玻璃棒；

（4）将所述玻璃棒打磨、抛光，采用套管法在致密化的玻璃杯外套一层内径100mm、外径400mm的石英套管，制备成光纤预制棒，在拉丝塔上拉制成轴向成分周期性变化的光纤。

实施例3

本发明实施例提供一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，包括：

（1）在长度1000mm、外径10mm、壁厚2mm纯石英衬底管内通入SiCl₄、GeCl₄、O₂混合气体，三者气流量比V_SiCl4：V_GeCl4：V_O2=3:1:8，在多个轴向并列等间距排列且朝轴向左侧在25mm范围内匀速往返移动的氢氧焰喷头下，在石英衬底管内沉积第一成分疏松沉积层（SiO₂、GeO₂氧化物沉积层），喷头间距L=100mm；

（2）步骤（1）得到的石英衬底管内通入SiCl₄、GeCl₄、POCl₃、O₂混合气体，几者气流量比V_SiCl4：V_GeCl4：V_POCl3：V_O2=4:1:1:9，所述多个轴向并列等间距排列的氢氧焰喷头在朝轴向右侧的75mm范围内匀速往返移动，在石英衬底管内沉积第二成分疏松沉积层（SiO₂、GeO₂、P₂O₅氧化物沉积层），喷头间距L=100mm；

（3）氢氧焰喷头在向左50mm至向右50mm的范围内均速往返移动，将上述衬底管的疏松层熔缩、烧实、致密化，得到致密化的玻璃棒，光纤的轴向剖面示意图如图2所示；

（4）将所述玻璃棒打磨、抛光，采用套管法在致密化的玻璃杯外套一层内径100mm、外径400mm的石英套管，制备成光纤预制棒，在拉丝塔上拉制成轴向成分渐变光纤。

实施例4

本发明实施例提供一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤，所述用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤由上述实施例所述的制备方法制备得到。

用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤其纤芯沿轴向具有不同的掺杂元素分布，且分布具有周期性，其掺杂元素和含量可以根据要求变化。对于具有轴向一致性的光纤，后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向会以指数形式增长，当泵浦光强超过一定的阈值时，泵浦能量向斯托克斯波转移，发生受激布里渊散射效应，限制高功率窄线宽光纤激光器的激光输出功率，甚至损坏整个光路。选取不同的掺杂元素和掺杂含量，制备纤芯沿轴向成分周期性变化的光纤，使得光纤纤芯的声速沿轴向发生改变，布里渊频移V_B沿光纤长度发生变化，则受激布里渊散射增益带宽内部分布里渊增益下降，后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向的积累被中断而停止增长，从而有效抑制光纤的受激布里渊散射效应，提高光纤受激布里渊散射阈值，提高激光器输出功率。

实施例5

本实施例提供一种高SBS阈值的光纤放大器，运用于光纤通信线路中，实现信号放大，其结构如图3所示，包括本发明实施例提供的用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤：信号/泵浦合束器输出端连接一段增益光纤，增益光纤另一端连接用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤。本实施例采用一根用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤作为传输尾纤搭建了低非线性光纤放大器。该传输光纤选取不同的掺杂元素和掺杂含量，制备纤芯沿轴向成分周期性变化的光纤，使得光纤纤芯的声速沿轴向发生改变，布里渊频移V_B沿光纤长度发生变化，则受激布里渊散射增益带宽内部分布里渊增益下降，后向传输的斯托克斯波沿光纤长度方向的积累被中断而停止增长，从而有效抑制光纤的受激布里渊散射效应，提高光纤放大器的受激布里渊散射阈值，提高了光纤放大器的输出功率。

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，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，包括：

（1）石英衬底管内通入第一沉积原料气，在多个沿轴向等间距L并列排列且朝轴向一侧在L/n范围内匀速往返移动的高温热源下，在石英衬底管内沉积第一成分疏松沉积层；所述第一沉积原料气包括：SiCl₄与GeCl₄、POCl₃中任一种或两种组合的第一原料气和O₂混合，所述第一原料气中GeCl₄不超过SiCl₄的1/3；

（2）步骤（1）得到的石英衬底管内通入第二沉积原料气，所述多个沿轴向等间距L并列排列的高温热源朝轴向另一侧在L（n-1）/n范围内匀速往返移动，在石英衬底管内沉积第二成分疏松沉积层；

（3）将步骤（2）得到的石英衬底管熔缩、烧实，得到致密化的玻璃棒；将所述玻璃棒打磨、抛光，制备光纤预制棒，将光纤预制棒拉丝制成光纤。

2.根据权利要求1所述的一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，所述第一原料气与O₂的流量比为1:2-1:7/3。

3.根据权利要求2所述的一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，所述第二沉积原料气包括：SiCl₄与GeCl₄、POCl₃中任一种或两种组合的第二原料气和O₂混合，所述第二原料气中GeCl₄流量不超过SiCl₄流量的1/3，所述第二原料气与O₂的流量比为1:3/2-1:9/4，所述第一原料气与所述第二原料气组分不完全相同。

4.根据权利要求3所述的一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，若所述第一原料气或第二原料气中有POCl₃，则所述第一沉积原料气或第二沉积原料气中还包括氟利昂，POCl₃和氟利昂流量比根据得到的沉积层的折射率的需求调整。

5.根据权利要求1所述的一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，所述高温热源为高温喷头，所述石英衬底管装夹于车床上，所述高温喷头设于所述车床上。

6.根据权利要求5所述的一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，所述高温喷头包括氢氧焰喷头。

7.根据权利要求1所述的一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，所述制备光纤预制棒具体包括：采用套管法制备光纤预制棒。

8.根据权利要求1所述的一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化光纤的制备方法，其特征在于，所述拉丝的方法为：用电阻或感应高温炉使所述光纤预制棒熔融，并受重力作用自然竖直下落，由粗变细，同时保持预设尺寸比例。

9.一种用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤，其特征在于，所述用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。

10. 一种光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器包括如权利要求9所述的用于抑制SBS的轴向成分周期性变化的光纤。

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