CN117849937A - S+c+l波段超宽带增益有源光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了S+C+L波段超宽带增益有源光纤，光纤由内向外依次包括内芯层、内包层、芯层、疏松层和包层，内芯层中掺有Tm离子，内包层中掺有F元素，芯层中掺杂有Er离子，疏松层中掺有Bi、Al和P离子。在光纤结构中，内芯层的Tm离子被F元素形成的内包层完全包裹，使Tm离子处于F元素提供的低声子能量环境中，提高其S波段发光效率。芯层被疏松层与内包层中包覆，阻断了芯层中Er离子与内芯层中的Tm离子接触，降低能量转移概率，减小Tm离子和Er离子之间的相互影响，提高Er离子和Tm离子在S、C、L波段的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于属于光纤通信和光纤技术领域，具体涉及一种Er/Tm/Bi/F共掺的光纤纤芯结构。
背景技术
近年来，随着光通信系统传输的数据量逐渐增加，而且光纤通信技术也在不断发展，DWDM技术也日益成熟，所以对通信窗口波段的光放大技术提出了许多要求。传统的C波段带宽范围已经无法满足通信系统的需求，对更高容量光通信系统的需求引发了对S波段和L波段范围内进行光放大的探索。所以如果能够制备出S+C+L波段的超宽带有源放大光纤将会对通信系统的容量进行有效拓展。
2015年，中国专利201510941655.3提出利用原子沉积技术(ALD)技术交替沉积Bi和Er离子或Bi、Er和Al离子，制备一种浓度可控的共掺石英光纤，该光纤可实现C+L波段的超宽带放大。2018年，中国专利201711327868.2提出一种用铥镝共掺铋酸盐激光玻璃制备的光纤放大器实现S波段宽带放大。2020年，中国专利202010073619.0提出利用改进化学气相沉积技术(MCVD)和其他工艺相结合制备Bi/Er/La/Al共掺石英光纤，该光纤在L波段或C+L波段能够实现超宽带发光。2020年，中国专利202010551558.4提出利用溶液法与MCVD工艺结合制备宽带增益掺铒光纤，该光纤在1510～1580nm有超宽带高增益的特性。2021年，中国专利201911335359.3提出一种基于纳米多孔技术的Er/Yb/P共掺玻璃芯棒的制备方法实现了Er离子的发光带宽向S波段进行拓展，从而实现的S、C波段宽带发光。上述专利内容大多集中在C+L或者S+C波段的宽带放大，无法实现S+C+L超波段宽带放大。原因在于S波段Tm离子的掺杂需要低声子能量的环境才能有较好的发光特性，石英基质不满足低声子能量环境的要求。而且，Tm离子与Er离子共掺会不可避免地产生从Er离子到Tm离子的能量转移，降低了Er离子在C+L波段的发光效率，导致C+L波段带宽变窄。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明能够解决Tm离子的低声子能量环境与避免Er离子和Tm离子能量转移的问题。通过设计多层次的光纤结构，利用包含F元素的内包层为Tm离子提供低声子能量环境的同时也避免Er离子向Tm离子的能量转移；同时提高Er离子和Tm离子的发光效率，实现S+C+L的超宽带增益。
本发明的技术方案：
S+C+L波段超宽带增益有源光纤，光纤由内向外依次包括内芯层、内包层、芯层、疏松层和包层，内芯层中掺有Tm离子，内包层中掺有F元素，芯层中掺杂有Er离子，疏松层中掺有Bi、Al和P离子。
利用光纤制备手段在石英基管中依次沉积掺杂元素，形成内芯层，内包层，芯层，疏松层和包层结构。Tm离子可以在S波段发光，Er离子则能够在C+L波段发光，两种稀土元素共掺使发射峰叠加，能够保证光纤的S+C+L波段宽带发光。在光纤结构中，内芯层的Tm离子被F元素形成的内包层完全包裹，使Tm离子处于F元素提供的低声子能量环境中，提高其S波段发光效率。芯层夹在疏松层与内包层之间，阻断了芯层中Er离子与内芯层中的Tm离子接触，降低能量转移概率，减小Tm离子和Er离子之间的相互影响，提高Er离子和Tm离子在S、C、L波段的发光效率。
Er离子掺杂浓度范围控制在0.01～4mol％；Tm离子掺杂浓度范围控制在0.01～2mol％；Bi离子掺杂浓度范围控制在0.01～1.5mol％；F离子掺杂浓度范围控制在0.01～1mol％；Al离子掺杂浓度范围控制在0.01～10mol％；P离子掺杂浓度范围控制在0.01～10mol％。
将光纤结构概括为纤芯和包层两部分，其中纤芯包括内芯层、内包层、芯层和疏松层。纤芯直径为4～25μm，包层直径为70～250μm，纤芯包层的折射率差在0.002～0.05之间。
光纤的吸收波长范围为450～1625nm；发光波长范围为1260～1650nm；增益大于20dB的波长范围为1460～1625nm，而且噪声系数均低于5dB。实现了S+C+L波段超宽带增益。
本发明的有益效果为：
1、制备的S+C+L波段超宽带增益有源光纤的Er/Tm/Bi/F共掺元素与特殊的光纤结构有效提高稀土离子在相应波段的发光效率。通过改进光纤结构，使内包层沉积的F元素包覆内芯层中的Tm离子，使Tm离子处于极低声子能量的环境中，从而保证Tm离子的S波段高效发光。而且，降低Er离子与Tm离子的能量转移概率，减小Tm离子对Er离子的C+L波段发光带宽的影响。Tm离子与Er离子发光带叠加使光纤整体能够实现S+C+L波段超宽带放大。
2、制备的S+C+L波段超宽带增益有源光纤背景损耗低，吸收强度高，在S+C+L波段有高增益低噪声的特性。
3、光纤制备流程简单，价格低廉，可广泛应用于光放大器、宽带光源、光纤激光器和可调谐激光器等光纤通信器件。
附图说明
图1是本发明光纤的结构示意图。其中，(1)为内芯层，(2)为内包层，(3)为芯层，(4)为疏松层，(5)为包层。
图2是本发明制备的光纤的增益图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一：
参见图1，S+C+L波段超宽带增益有源光纤，利用高温化学气相沉积法在石英管内壁沉积好的SiO2上通入Bi、Al和P离子形成疏松层，然后将大量Er离子通入石英管内使其沉积在疏松层上作为芯层，在此基础上继续通入F离子，使其覆盖芯层作为内包层，然后通入Tm离子形成内芯层，最后高温缩棒，利用拉丝塔拉制成光纤。制备的光纤纤芯直径为9.1μm，包层直径为126.1μm。Er离子掺杂浓度为0.4mol％，Tm离子掺杂浓度为0.2mol％，Bi掺杂浓度为0.1mol％，F离子掺杂浓度为0.05mol％，Al离子掺杂浓度为0.5mol％，P离子掺杂浓度为1mol％。
参见图2，S+C+L波段超宽带增益有源光纤实例1增益图，该实例能够实现S+C+L波段宽带放大。
实施例二：
参见图1，S+C+L波段超宽带增益有源光纤，利用高温化学气相沉积法在石英管内壁沉积好的SiO2上通入Bi和Al离子形成疏松层，然后将大量Er离子通入石英管内使其沉积在疏松层上作为芯层，在此基础上继续通入F离子，使其覆盖芯层作为内包层，然后通入Tm离子形成内芯层，最后高温缩棒，利用拉丝塔拉制成光纤。制备的光纤纤芯直径为8.9μm，包层直径为125.4μm。Er离子掺杂浓度为0.4mol％，Tm离子掺杂浓度为0.2mol％，Bi掺杂浓度为0.1mol％，F离子掺杂浓度为0.05mol％，Al离子掺杂浓度为0.5mol％。
参见图2，S+C+L波段超宽带增益有源光纤实例2增益图，该实例能够实现S+C+L波段宽带放大。
Claims (6)
1.一种S+C+L波段超宽带增益有源光纤，其特征在于：光纤由内向外依次包括内芯层、内包层、芯层、疏松层和包层，内芯层中掺有Tm离子，内包层中掺有F元素，芯层中掺杂有Er离子。
2.根据权利要求1所述S+C+L波段超宽带增益有源光纤，其特征在于：疏松层中掺有Bi、Al和P离子。
3.根据权利要求2所述S+C+L波段超宽带增益有源光纤，其特征在于：Er离子掺杂浓度范围控制在0.01～4mol％；Tm离子掺杂浓度范围控制在0.01～2mol％；Bi离子掺杂浓度范围控制在0.01～1.5mol％；F离子掺杂浓度范围控制在0.01～1mol％；Al离子掺杂浓度范围控制在0.01～10mol％；P离子掺杂浓度范围控制在0.01～10mol％。
4.根据权利要求2所述S+C+L波段超宽带增益有源光纤，其特征在于：内芯层、内包层、芯层及疏松层构成纤芯，纤芯直径为4～25μm，包层直径为70～250μm。
5.根据权利要求4所述S+C+L波段超宽带增益有源光纤，其特征在于：纤芯与包层的折射率差在0.002～0.05之间。
6.根据权利要求3-5任一项所述S+C+L波段超宽带增益有源光纤，其特征在于：光纤的吸收波长范围为450～1625nm；发光波长范围为1260～1650nm；增益大于20dB的波长范围为1460～1625nm，而且噪声系数均低于5dB。
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