CN118151288A - 一种增益型光纤光栅及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增益型光纤光栅，纤芯不含锗元素但包含0.3％‑1.3％质量分数的Ce元素；不需高压载氢增敏预处理，直接使用248nm纳秒紫外激光刻写，光栅的最大反射率可达95％以上，折射率调制大小高于8×10‑5。本发明还提供一种光敏型增益光纤。本发明通过在纤芯中掺杂Ce元素及磷铝分散剂，使纤芯在不掺锗和不载氢的情况下，仍然具有较强的光敏性，降低光栅刻写工艺难度，缩短刻写周期，可应用于单频光纤激光器。
Description
技术领域
本发明涉及激光器件领域，特别是一种增益型光纤光栅及其应用。
背景技术
光纤布拉格光栅，简称光纤光栅，是一种通过特定手段使光纤纤芯的折射率产生轴向周期性调制的光器件。除广泛应用于光纤通信、光纤传感等领域外，通常作为光纤激光输出镜。然而，由于目前的光纤光栅基本是在无源光纤上刻写，仅能提供滤波、反馈或色散补偿等作用而无法提供光增益，限制其在光纤激光器中的应用；典型的如单频光纤激光器，其谐振腔(由一段稀土掺杂光纤和一对光纤布拉格光栅构成)的长度仅为几个厘米量级，而稀土掺杂石英光纤稀土离子溶解度低(<2wt.％)，增益系数低，使单频激光输出功率仅为微瓦量级或几个毫瓦，需多级光放大器进行功率放大，导致信噪比、噪声及可靠性等性能下降。
将光纤光栅直接引入到稀土掺杂光纤中形成增益型光纤光栅是较为理想的提升激光输出功率解决方案。而目前成熟的光栅写入技术必须要求光纤具有光敏性以实现折射率轴向周期性调制，传统实现光纤光敏性的方式是共掺Ge，以该种方式实现的增益型光纤光栅面临以下缺点：
(1)光敏性强弱(折射率调制大小)与Ge含量紧密相关，通常需2～3mol.％以满足光栅写入要求。由于Ge掺杂会显著提升纤芯折射率，为保证光纤数值孔径，需降低石英光纤中稀土离子浓度，也即目前稀土掺杂增益型光纤光栅的实现需要以牺牲稀土离子掺杂浓度为代价。
(2)高掺锗的光敏光纤在光纤写入前需进行高压载氢增敏预处理以提高光纤光敏性，而高压载氢处理后光纤背景损耗会显著提高(OL,1997,20(10)；694)，尤其是在915，940，976nm等泵浦波长，也即目前增益光纤光栅面临背景损耗高的问题。
(3)刻栅周期长。光栅刻写完成后还需进行退火处理，以消除光纤内残余的氢分子。完成高压载氢，光栅刻写及退火处理的刻写周期大于5天。
发明内容
为克服上述缺点，本发明提出了一种不需载氢增敏预处理的增益型光纤光栅。该增益型光纤光栅，直接在紫外激光照射下最大可以产生10-4大小的折射率变化，有效缩短光纤光栅刻写周期，规避高压载氢引起的背景损耗增加风险。同时，该增益型光纤光栅能够在高浓度稀土掺杂下保持低数值孔径的优点。
为达到以上技术目的，本发明通过预制棒制备过程的离子掺杂方法将Ce元素加入到光纤纤芯中。Ce元素在紫外激光照射下会发生Ce3+向Ce4+的价态转变，其失去的电子与铝磷元素形成的空穴型色心复合，引起折射率变化。因此使纤芯在不掺锗和不载氢的情况下，仍然具有较强的光敏性，有效避免载氢引起的背景损耗提升。同时，由于仅需少量Ce元素的掺杂即可以保证极高的光敏性，该光纤在掺杂高浓度稀土离子的情况下仍然能够保持较低的数值孔径。该增益型光纤光栅采用的光纤纤芯掺杂Ce的含量为0.3％-1.3％质量分数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)该光栅无需高压载氢增敏预处理，直接在248nm紫外激光照射下即实现高于95％的反射率及8×10-5以上的折射率调制，使得光栅刻写工艺更加简便，有效缩短光纤光栅刻写周期。
2)该增益型光栅使用的光纤通过向纤芯中引入铈以及磷铝分散剂协同提升光纤的光敏性；其中Ce3+可以失去电子变为Ce4+,磷和铝在玻璃网络中形成的空穴型色心与Ce价态变化失去的电子复合，共同作用引起折射率变化。不会带来背景损耗和数值孔径的大幅提高，有利于提升光纤激光性能。尤其适用于集成度要求高的单频光纤激光器。
附图说明
图1为实施例1-3的光纤折射率分布图；
图2为实施例4-6的光纤折射率分布图；
图3为实施例1-3的光纤背景损耗图；
图4为实施例4-6的光纤背景损耗图；
图5为实施例1中光纤光栅的反射率及折射率调制大小图；
图6为实施例2中光纤光栅的反射率及折射率调制大小图；
图7为实施例3中光纤光栅的反射率及折射率调制大小图；
图8为实施例4中光纤光栅的反射率及折射率调制大小图；
图9为实施例5中光纤光栅的反射率及折射率调制大小图；
图10为实施例6中光纤光栅的反射率及折射率调制大小图；
图11为商用无源光纤(纤芯不含铈元素，含锗元素)在不载氢和载氢条件下光栅反射率及折射率调制大小图；
图12为应用例1中1微米单频激光的产生原理示意图；
图13为应用例1中1微米单频激光的激光光谱图；
图14为应用例1中1微米单频激光的法布里珀罗干涉仪扫描结果图；
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明根据掺杂元素种类和浓度的不同，适用于不同高浓度稀土掺杂光敏光纤。其核心在于纤芯中掺杂可以变价的铈离子，其中Ce3+离子在紫外激光照射下可以转变为Ce4 +,其失去的一个电子同时被铝磷相关的空穴型色心捕获，引起折射率变化。并且通过制备气氛工艺控制可以提高Ce3+占比，使得光纤无需进行高压载氢增敏预处理就获得较高的光敏性，可在248nm紫外激光下直接完成光栅刻写。
本发明根据掺杂铈元素含量及稀土元素种类不同列举了6个实施例，其中实施例1-3为高浓度掺镱光纤，实施例4-6为高浓度铒镱共掺光纤。但本发明的铈元素含量应包含权利要求中所列出范围内的所有值，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明中光敏光纤的核心在于纤芯中共掺的铈元素具有变价特性，而与产生激光的激活离子(铒、镱)无关。因此对于本领域一般技术人员可想到的本发明还适用于其他稀土元素掺杂光纤，例如掺铒、掺钕、掺铥、掺钬光纤等，不应以实施例限制本发明的适用范围。
以下通过具体实施例对本发明进行进一步说明。
表1各实施例的纤芯元素含量(质量分数)，其中实施例1-3为铈镱共掺单包层石英光纤，4-6为铈镱铒共掺双包层石英光纤。
实施例1
高浓度铈镱共掺单包层石英光纤。其纤芯中铈元素含量为0.3％质量分数，镱元素含量为2.5％质量分数，Al元素含量为2％质量分数，磷元素含量为4％质量分数，硅元素含量为39％，其余为氧元素。其纤芯与包层最大折射率差为0.0049，如图1所示。光纤在1200nm处的背景损耗为7.3dB/km，如图3所示，表明该光纤的背景损耗较低。在不载氢的条件下，利用248nm纳秒脉宽紫外激光直接进行光纤光栅刻写，光栅反射率达到97％，折射率调制大小为8×10-5，如图5所示。
实施例2
高浓度铈镱共掺单包层石英光纤。其纤芯中铈元素含量为0.58％质量分数，镱元素含量为2.2％质量分数，Al元素含量为1.6％质量分数，磷元素含量为4.4％质量分数，硅元素含量为39％，其余为氧元素。其纤芯与包层最大折射率差为0.0052，如图1所示。光纤在1200nm处的背景损耗为2.5dB/km，如图3所示，表明该光纤的背景损耗较低。不载氢的条件下，利用248nm纳秒脉宽紫外激光直接进行光纤光栅刻写，光栅反射率达到99％以上，折射率调制大小为1×10-4，如图6所示。
实施例3
高浓度铈镱共掺单包层石英光纤。其纤芯中铈元素含量为1％质量分数，镱元素含量为2.7％质量分数，Al元素含量为1.7％质量分数，磷元素含量为4.8％质量分数，硅元素含量为38％，其余为氧元素。其纤芯与包层最大折射率差为0.0056，如图1所示，说明掺Ce对纤芯折射率影响较小。光纤在1200nm处的背景损耗为16dB/km，如图3所示，表明该光纤的背景损耗较低。不载氢的条件下，利用248nm纳秒脉宽紫外激光直接进行光纤光栅刻写，光栅反射率达到99％以上，折射率调制大小为1.6×10-4，如图7所示。
实施例4
高浓度铈镱铒共掺双包层石英光纤。其纤芯中铈元素含量为0.3％质量分数，镱元素含量为2.7％质量分数，铒元素含量为0.19％质量分数，Al元素含量为0.1％质量分数，磷元素含量为6.5％质量分数，硅元素含量为37.9％，其余为氧元素。其纤芯与包层最大折射率差为0.0126，如图2所示，说明掺Ce对纤芯折射率影响较小。光纤在1200nm处的背景损耗为18dB/km，如图4所示，表明该光纤的背景损耗较低。不载氢的条件下，利用248nm纳秒紫外激光直接进行光纤光栅刻写，光栅反射率达到98％，折射率调制大小为9.2×10-5，如图8所示。
实施例5
高浓度铈镱铒共掺双包层石英光纤。其纤芯中铈元素含量为0.6％质量分数，镱元素含量为2.8％质量分数，铒元素含量为0.15％质量分数，Al元素含量为0.25％质量分数，磷元素含量为7.2％质量分数，硅元素含量为36.8％，其余为氧元素。其纤芯与包层最大折射率差为0.0138，如图2所示，表明掺Ce对纤芯折射率影响较小。光纤在1200nm处的背景损耗为12dB/km，如图4所示，表明该光纤的背景损耗较低。不载氢的条件下，利用248nm纳秒紫外激光直接进行光纤光栅刻写，光栅反射率达到99％以上，折射率调制大小为1.5×10-4，如图9所示。
实施例6
高浓度铈镱铒共掺双包层石英光纤。其纤芯中铈元素含量为1.3％质量分数，镱元素含量为4.9％质量分数，铒元素含量为0.24％质量分数，Al元素含量为0.3％质量分数，磷元素含量为9.1％质量分数，硅元素含量为33.2％，其余为氧元素。其纤芯与包层最大折射率差为0.0194，如图2所示。光纤在1200nm处的背景损耗为42dB/km，如图4所示，表明该光纤的背景损耗较低。不载氢的条件下，利用248nm纳秒紫外激光直接进行光纤光栅刻写，光栅反射率达到99％以上，折射率调制大小为2×10-4，如图10所示。
对比例1：一种商用无源光纤，其纤芯含锗元素，不含铈元素。不载氢增敏预处理情况下，直接进行光栅刻写，光栅能达到的折射率调制大小为1.2×10-5，最高反射率仅为13％，如图11所示，光栅反射率远低于常规高反射率光纤光栅要求(>95％)，无法作为谐振腔的高反镜应用于光纤激光器。
对比例2:一种商用无源光纤，其纤芯含锗元素，不含铈元素。对光纤进行载氢增敏处理(5MPa,100小时)后，进行光栅刻写，折射率调制大小为1×10-4，光栅反射率可达到99％以上，如图11所示，说明商用掺Ge无源光敏光纤必须结合载氢增敏预处理工艺，才能实现反射率高于95％的光栅刻写。
应用例1：1微米单频激光
如图12所示，在总长度为3cm的镱铈掺杂石英光纤5的左右两端分别刻写1cm长的高反射率增益型光纤光栅3以及1cm长的低反率增益型光纤光栅4构成激光谐振腔，激光泵浦源1通过波分复用器2耦合进入光纤谐振腔，波分复用器6用于分离产生的1微米单频激光和残余的泵浦光。1微米单频激光光谱如图13所示，中心波长为1064nm，激光信噪比大于60dB。通过自由光谱范围为1.5GHz，分辨率为7.5MHz的法布里珀罗干涉仪的扫描如图14所示，仅存在单一振荡频率。
Claims (6)
1.一种增益型稀土掺杂石英光纤光栅，其特征在于，纤芯包含0.3％-1.3％质量分数的Ce元素，经248nm纳秒紫外激光刻写纤芯后，直接形成反射率95％以上、折射率调制高于8×10-5的光栅。
2.根据权利要求1所述的增益型稀土掺杂石英光纤光栅，其特征在于，所述包层为SiO2，且所述纤芯与包层的折射率差小于0.02。
3.根据权利要求1或2所述的增益型稀土掺杂石英光纤，其特征在于，所述纤芯还包含的0.1％-2％质量分数的Al分散剂和4％-9.1％质量分数P分散剂，2.2％-4.9％质量分数的稀土元素Yb，0％-0.24％质量分数的稀土元素Er，33.2％-39％质量分数的Si元素，其余为氧元素。
4.根据权利要求3所述的增益型掺镱石英光纤，其特征在于，所述纤芯包含0.6-1％质量分数的Ce元素，1.6％-2％质量分数的Al元素，4％-4.8％质量分数的P元素，2.2％-2.7％质量分数的Yb元素。
5.根据权利要求3所述的增益型铒镱共掺石英光纤，其特征在于，所述纤芯包含0.6-1.2％质量分数的Ce元素，0.1％-0.3％质量分数的Al元素，6.5％-9.1％质量分数的P元素，2.7％-4.9％质量分数的Yb元素,0.15％-0.24％质量分数的Er元素。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的增益型稀土掺杂石英光纤光栅在单频激光器中的应用。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311542860.3A CN118151288A (zh) | 2023-11-17 | 2023-11-17 | 一种增益型光纤光栅及其应用 |
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Publications (1)
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|---|---|
| CN118151288A true CN118151288A (zh) | 2024-06-07 |
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Family Applications (1)
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2023
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