CN115806383B - 一种C-band超宽带放大掺铒光纤及其制备方法与应用 - Google Patents
一种C-band超宽带放大掺铒光纤及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种C‑band超宽带放大掺铒光纤及其制备方法与应用，包括以下步骤：S1.将玻璃基质原料与掺杂原料混合，得到混合物，其中，所述玻璃基质原料包括BaO、TiO2、Al2O3、SiO2，掺杂原料包括Er2O3、La2O3；S2.利用坩埚熔融法，将所述原料混合物进行熔融后，再冷却，得到块状玻璃；S3.将所述玻璃进行退火、冷却后，进行切割并磨抛为玻璃棒；S4.利用玻璃套管将所述玻璃棒拉制为单包层光纤，即所述C‑band超宽带放大掺铒光纤，可以实现对Er3+能级展宽的调节，拓展了Er3+在1530 nm波段的发光带宽，实现C波段扩展的较宽的发光。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种C-band超宽带放大掺铒光纤及其制备方法与应用。
背景技术
随着全球移动互联、超清视频、物联网和云计算的不断发展和移动通信技术的升级换代，数据通信需求呈现爆炸式增长，现有的密集波分复用（Dense WavelengthDivision Multiplexing，DWDM）光纤通信系统正面临巨大的扩容压力，如何充分挖掘光纤通信系统的潜在传输容量已成为亟待解决的关键问题。
目前，提高现有DWDM通信系统传输容量的基本路径有三个：（1）增加单信道的比特率；（2）减小信道间隔；（3）增加总传输带宽。由于目前单信道传输速率已达到400Gb/s，信道间隔也已经达到50GHz(0.4nm)，单纤通信容量已经逼近香农极限，因此，采用前两种方案的效果极为有限且升级成本较大。
相对而言，增加总传输带宽更具优势，但目前商用掺Er光纤放大器在C波段仅有38nm的增益宽带，成为限制进一步提升DWDM系统提升信道传输容量的，而进一步扩展掺Er光纤放大器放大带宽的关键是实现增益光纤的宽带发光，而增益光纤的发光带宽与Er3+能级展宽程度有直接的关系。因此，扩展掺Er光纤能级展宽程度，具有重要的科学价值和广阔的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种C-band超宽带放大掺铒光纤及其制备方法与应用，可以实现对Er3+能级展宽的调节，拓展了Er3+在1530 nm波段的发光带宽，实现C波段扩展的较宽的发光。
为达到上述技术目的，本申请采用以下技术方案：
第一方面，提供一种C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1.将玻璃基质原料与掺杂原料混合，得到混合物，其中，所述玻璃基质原料包括BaO、TiO2、Al2O3、SiO2，掺杂原料包括Er2O3、La2O3；
S2.利用坩埚熔融法，将所述原料混合物进行熔融后，再冷却，得到块状玻璃；
S3.将所述玻璃进行退火、冷却后，进行切割并磨抛为玻璃棒；
S4.利用玻璃套管将所述玻璃棒拉制为单包层光纤，即所述C-band超宽带放大掺铒光纤。
优选的，所述BaO与TiO2的摩尔量之和为所述玻璃基质原料总摩尔量的64%。
优选的，所述TiO2与BaO的摩尔比为22-35：29-42。
优选的，所述Er2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料总摩尔量的0.1-0.25%。
优选的，所述La2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料总摩尔量的0.1-0.25%。
优选的，所述玻璃基质原料中，Al2O3的摩尔百分比为12%，SiO2的摩尔百分比为24%，TiO2的摩尔百分比为35%，BaO的摩尔百分比为29%；La2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料摩尔总量的0.25%，Er2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料摩尔总量的0.25%。
优选的，步骤S2中，所述熔融的温度为1520-1600℃，熔融时间为2-5h。
优选的，步骤S3中，所述退火的温度为750-850℃，退火时间至少为5h。
第二方面，本谁请提供一种单包层光纤。
第三方面，本申请提供一种单包层光纤在掺Er光纤放大器中的应用。
本申请的有益效果如下：本方法采用坩埚熔融法制备了掺Er的BaO-TiO2-Al2O3-SiO2体系玻璃，通过调整BaO和TiO2的含量及比例可以实现对Er3+能级展宽的调节，从而拓展了Er3+在1530 nm波段的发光带宽，实现C波段扩展的较宽的发光。通过管棒法工艺将制备的玻璃块体拉制成单包层光纤，制备出涵盖1525-1575 nm通信波段宽带增益光纤。
附图说明
图1为拉制工艺示意图，其中，1、掺Er玻璃棒；2、玻璃套管；3、拉丝塔加热区；
图2为实施例1的效果示意图；
图3为实施例2的效果示意图；
图4为对比例1的效果示意图；
图5为对比例2的效果示意图；
图6为对比例3的效果示意图。
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。
本发明基于坩埚熔融法制备掺Er的BaO-TiO2-Al2O3-SiO2玻璃，并采用管棒法工艺制备掺铒光纤，具体的，本申请提供一种C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1.按比例将BaO、TiO2、Al2O3、SiO2、Er2O3、La2O3混合，得到原料混合物，将原料混合物置于铂金坩埚中；
S2.利用坩埚熔融法，将所述原料混合物置于马弗炉中升温至1520-1600℃进行熔融后，再将充分熔融后的混合物倾倒在设定温度在200-300℃的加热模具内冷却，得到块状玻璃；
S3.将所述块状玻璃放置到温度设置为750-850℃的马弗炉中进行退火至少5h，退火完成后，冷却至室温，再将冷却后的块状玻璃进行切割并磨抛为直径不超过2mm的玻璃棒，经过退火处理，消除玻璃内部残余应力，低于750℃，无法起到消除应力的作用，高于850℃，则靠近玻璃析晶温度，易发生晶化现象；
S4.如图1所示，为上述玻璃棒匹配合适尺寸的玻璃套管并采用管棒法工艺拉制为单包层光纤，即所述C-band超宽带放大掺铒光纤。
本方法采用坩埚熔融法制备了掺Er的BaO-TiO2-Al2O3-SiO2体系玻璃，通过调整BaO和TiO2的含量及比例可以实现对Er3+能级展宽的调节，从而拓展了Er3+在1530 nm波段的发光带宽，实现C波段扩展的较宽的发光，通过管棒法工艺将制备的玻璃块体拉制成单包层光纤，制备出涵盖1496-1583nm波段的宽带增益光纤，其中，TiO2与SiO2可以形成玻璃网络，BaO、Al2O3通常作为网络体外氧化物具有提高玻璃折射率、色散等作用，本方案通过BaO、TiO2协同调节Er3+的配位环境，但是Ti的可溶物有剧毒，传统的制备掺饵光纤的工艺需要使用具有高饱和蒸汽压的药品，因此，本方案使用坩埚熔融法是非常古老和传统的玻璃制备方法，具有简单可靠的显著特点，制备所需设备要求较低，可以实现大体积玻璃的熔融制备，经济效益更高。
在一些实施例中，通过调控BaO、TiO2含量调节Er3+配位环境，促进了Er3+能级展宽并实现较宽的增益带宽，BaO、TiO2、Al2O3、SiO2作为玻璃基质原料用以形成玻璃基质，而Er2O3、La2O3作为掺杂原料用以在玻璃基质中掺杂Er3+、La3+，以玻璃基质原料为100%计，所述BaO与TiO2占所述玻璃基质原料的摩尔百分比之和为64%，以BaO与TiO2占所述玻璃基质原料的摩尔百分比之和为定值，所述TiO2占所述玻璃基质原料的摩尔百分比为22-35%，BaO占所述玻璃基质原料的摩尔百分比为29-42%，BaO、TiO2比例及含量发生改变，就会影响到铒离子的配位场，从而改变铒离子发光特性，在摩尔比之和为64的条件下，增大TiO2的占比会使Er3+发光光谱更宽,而降低TiO2的占比,会使Er3+发光光谱变窄，当Ba、Ti超出限定范围，在所设定的温度范围内无法熔融形成玻璃，或析晶速率过快，导致玻璃体迅速晶化；BaO、TiO2、Al2O3、SiO2作为玻璃基质原料其摩尔比加和为100%，为方便计算，以玻璃基质原料为掺杂，限定Er2O3与La2O3的摩尔用量，所述Er2O3占所述玻璃基质原料的摩尔百分比为0.1-0.25%，在C-band超宽带放大掺铒光纤中的表现为Er3+摩尔百分比为0.2-0.5%，过量Er3+将会导致掺杂玻璃吸收系数严重增加，团簇率可能会增大，不利于用于信号光放大，所述La2O3占所述玻璃基质原料的摩尔百分比为0.1-0.25%，在C-band超宽带放大掺铒光纤中的表现为La3+摩尔百分比为0.2-0.5%，成品中La含量很低，一般作为掺杂元素，本方案限定范围外的组分比例制备的产物为非玻璃，或多晶产物。
优选的，所述玻璃基质原料中，Al2O3的摩尔百分比为12%，SiO2的摩尔百分比为24%，TiO2的摩尔百分比为35%，BaO的摩尔百分比为29%；La2O3占所述玻璃基质原料的0.25%，Er2O3占所述玻璃基质原料的0.25%，在该配比下，得到的单包层光纤在976 nm波长半导体激光器泵浦下，其荧光半高宽达到88.7nm。
本申请提供一种单包层光纤，其为涵盖1525-1575 nm通信波段宽带增益光纤，其结构如图1所示。
本申请提供一种单包层光纤在掺Er光纤放大器中的应用。
以下通过具体实施例对本方案进行进一步说明。
实施例1-2及对比例1-3
按照表1中所列举的组分及摩尔比制备实施例1-2及对比例1-3中的C-band超宽带放大掺铒光纤，具体的，制备方法包括以下步骤：
S1.按表1中所列举的组分比例将BaO、TiO2、Al2O3、SiO2、Er2O3、La2O3混合，得到原料混合物，将原料混合物置于铂金坩埚中；
S2.利用坩埚熔融法，将所述原料混合物置于马弗炉中升温至1520-1600℃进行熔融后，再将充分熔融后的混合物倾倒在设定温度在200-300℃的加热模具内冷却，得到块状玻璃；
S3.将所述块状玻璃放置到温度设置为750-850℃的马弗炉中进行退火至少5h，退火完成后，冷却至室温，再将冷却后的块状玻璃进行切割并磨抛为直径为1.8mm的玻璃棒；
S4.为上述玻璃棒匹配外径为40.5 mm，内孔直径为2mm的硅酸盐玻璃管，并拉制成光纤，即所述C-band超宽带放大掺铒光纤。
表1 原料组分及摩尔比配制
| BaO/mol% | TiO2/mol% | Al2O3/mol% | SiO2/mol% | Er2O3/mol% | La2O3/mol% | |
| 实施例1 | 29 | 35 | 12 | 24 | 0.25 | 0.25 |
| 实施例2 | 32 | 32 | 12 | 24 | 0.1 | 0.1 |
| 对比例1 | 35 | 29 | 12 | 24 | 0.1 | 0 |
| 对比例2 | 38 | 26 | 12 | 24 | 0.1 | 0 |
| 对比例3 | 42 | 22 | 12 | 24 | 0.1 | 0 |
测试与评价
测试上述实施例1-2及对比例1-3得到的C-band超宽带放大掺铒光纤在976 nm波长半导体激光器泵浦下的荧光半高宽，测试方法为将泵浦功率设定为800mW，输出端采用卓立汉光光栅光谱仪测试输出荧光光谱，将荧光光谱峰值强度的一半定义为荧光半高宽（FWHM），结果如表2所示，实施例1的效果示意图如图2所示，实施例2的效果示意图如图3所示，对比例1的效果示意图如图4所示，对比例2的效果示意图如图5所示，对比例3的效果示意图如图6所示。
表2 各掺饵光纤的荧光半高宽测试结果
| 荧光半高宽/nm | |
| 实施例1 | 88.7 |
| 实施例2 | 84.63 |
| 对比例1 | 77.16 |
| 对比例2 | 74.32 |
| 对比例3 | 70.83 |
掺Er3+玻璃发光是Er3+4I13/2与4I15/2两个能级间的跃迁，事实上是更加精细地子能级之间的跃迁发光谱叠加而成，因此，能级展宽与发射带宽有直接的关系，发射带宽是Er3+能级展宽的直接反映，由表2的结果可知，采用坩埚熔融法结合管棒法拉丝工艺制备的BaO-TiO2-Al2O3-SiO2体系掺Er光纤3dB带宽（88.7nm），相比目前掺Er石英玻璃光纤的3dB增益带宽（38 nm）扩展了50.7nm，对于通信放大而言，荧光半高宽越宽越好。
对比例1-3与实施例1-2相比，原料未掺La，可以看到Ba/Ti比例变化，仍然会带来Er发光带宽的改变，说明与La相比，Ba/Ti起到对Er发光带宽的主要调控作用；实施例1相较于实施例2而言，TiO2的含量占比更高，说明，增大TiO2的占比会使Er3+发光光谱更宽,而降低TiO2的占比,会使Er3+发光光谱变窄。
本方法采用坩埚熔融法制备了掺Er的BaO-TiO2-Al2O3-SiO2体系玻璃，通过调整BaO和TiO2的含量及比例可以实现对Er3+能级展宽的调节，从而拓展了Er3+在1530 nm波段的发光带宽，实现C波段扩展的较宽的发光。通过管棒法工艺将制备的玻璃块体拉制成单包层光纤，制备出涵盖1496-1583nm波段的宽带增益光纤。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将玻璃基质原料与掺杂原料混合，得到混合物，其中，所述玻璃基质原料包括BaO、TiO2、Al2O3、SiO2，掺杂原料包括Er2O3、La2O3；
S2.利用坩埚熔融法，将所述原料混合物进行熔融后，再冷却，得到块状玻璃；
S3.将所述玻璃进行退火、冷却后，进行切割并磨抛为玻璃棒；
S4.利用玻璃套管将所述玻璃棒拉制为单包层光纤，即所述C-band超宽带放大掺铒光纤；所述BaO与TiO2的摩尔量之和为所述玻璃基质原料总摩尔量的64%；所述TiO2与BaO的摩尔比为22-35：29-42。
2.根据权利要求1所述的C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，其特征在于，所述Er2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料总摩尔量的0.1-0.25%。
3.根据权利要求1所述的C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，其特征在于，所述La2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料总摩尔量的0.1-0.25%。
4.根据权利要求1所述的C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，其特征在于，所述玻璃基质原料中，Al2O3的摩尔百分比为12%，SiO2的摩尔百分比为24%，TiO2的摩尔百分比为35%，BaO的摩尔百分比为29%；La2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料摩尔总量的0.25%，Er2O3的摩尔量为所述玻璃基质原料摩尔总量的0.25%。
5.根据权利要求1所述的C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述熔融的温度为1520-1600℃，熔融时间为2-5h。
6.根据权利要求1所述的C-band超宽带放大掺铒光纤的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述退火的温度为750-850℃，退火时间至少为5h。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的制备方法得到的单包层光纤。
8.一种如权利要求7所述的单包层光纤在掺Er光纤放大器中的应用。
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