CN118625442A - 一种1460~1630nm波段有源放大光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种1460～1630nm波段有源放大石英光纤及其制备方法，属于光纤技术领域。所述光纤由纤芯和包层组成，纤芯由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层与Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子材料构成，在1620±30nm范围内存在铋锗相关的活性中心BAC‑Ge，在1550nm附近存在铒离子发射宽峰，在1460±20nm范围内存在铋硅相关的活性中心BAC‑Si，在1480nm附近存在铥离子发射中心，同时激活这四个活性中心，增益带宽向S波段(1460～1530nm)以及L+波段(1625～1630nm)带宽拓展，实现1460～1630nm宽带放大有源光纤。本发明的有源放大光纤具有掺杂浓度可控，掺杂组分均匀，荧光强度强，增益谱带宽宽，增益高等优点，在宽带光纤通信传输与光放大、光传感、深空探测领域等有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种1460～1630nm波段有源放大光纤及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，5G业务高速增长以及物联网等技术广泛应用，海量数据需要传输，人们对通信的带宽、容量的要求越来越高，传统光纤通信系统在应对未来超大容量数据传输的紧迫需求方面面临越来越大的挑战。目前，掺铒光纤的增益带宽仅有35nm，而石英光纤低损耗通信窗口远不止于此，还有很大的开发空间。因此，将掺铒光纤的增益拓宽至S+C+L波段，甚至是更宽的波段，可以实现更多波数的复用与解复用，从而实现传输容量的提升。近些年，光纤由于其具有可靠性好、损耗低、光束质量高、体积小、质量轻和抗电磁干扰等优势而在深空探测中的重要性日益凸显。然而，太空环境中存在大量辐射源，这会导致光纤的性能降低甚至是失效。因此，需要开发一种抗辐照性能更好且不明显提高光纤损耗的有源光纤。
目前，放大光纤的制备工艺得到了一定的进展。2015年，中国专利201510941656.8利用改进化学气相沉积法(MCVD)和ALD技术结合制备Bi/Al共掺光纤，可以实现超宽带放大。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，该光纤可实现超宽带放大。2020年，中国专利202010551558.4提出利用溶液法与MCVD技术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。2020年，中国专利202010073619.0提出基于高温掺杂改进化学气相沉积和ALD交替沉积Bi/Er/La/A1，在1530～1625nm范围内增益为10～35dB。2022年，中国专利202210723796.8原子层沉积技术(ALD)的优点，通过调控不同掺杂材料的沉积顺序与精确配比，1525～1575nm波段增益可达45dB以上。2022年，中国专利202210725906.4通过调控基底材料的掺杂来降低石英材料的声子能量，增加Er离子的荧光寿命以及掺杂浓度，1525～1605nm增益大于18dB。2022年，中国专利202210133289.9通过引入多种共掺杂离子，使掺铒磷铝硅酸盐光纤的宽带光谱可调控，增益带宽范围为1560～1625nm。2023年，中国专利202310515912.1利用半导体对稀土能级的调控提高Er离子发光效率，抑制L波段信号光激发态吸收，有效提高L+波段发光效率，增益范围为1565～1640nm。但上述专利的放大带宽未能同时拓展至S波段和L+波段，不能实现1460～1630nm全波段高增益放大，为了实现1460～1630nm的宽带通信，需要设计一种新型的有源石英放大光纤。
发明内容
本发明在中国专利202010073619.0的基础上，利用铥离子共掺，并结合多种沉积技术，交替沉积不同离子，掺杂浓度精确可控，在1620±30nm范围内存在铋锗相关的活性中心BAC-Ge，在1550nm附近存在铒离子发射中心，在1460±20nm范围内存在铋硅相关的活性中心BAC-Si，在1480nm附近存在铥离子发射中心；通过泵浦激发四个活性中心，增益带宽向S波段(1460～1530nm)以及L+波段(1625～1630nm)带宽拓展，制备出一种1460～1630nm波段放大石英光纤，实现了宽带宽和高增益，有望成为石英光纤通信系统传输容量“瓶颈”的有效方法，并在光通信、光传感、量子通信、高功率激光的种子源，光纤激光医疗以及深空探测与军事国防等领域有重要的应用价值。
本发明旨在解决传统石英光纤放大带宽受限，根据高温掺杂系统和改良化学气相沉积技术(MCVD)的优势，以及结合不同沉积技术，如溶液掺杂技术、气相轴向沉积法(VAD)以及外部气相沉积法(OVD)等，利用铥离子共掺，精确控制各离子浓度，提供一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤制备方法。根据稀土离子的发光理论，铒离子掺杂可以实现C波段和L波段的放大，铥离子掺杂则可以实现S波段的放大。因此，合理控制铥离子和铒离子的浓度时，再合理利用其他离子共掺，就可以得到覆盖1460～1630nm波段的放大带宽。Bi离子与Er/Tm离子之间存在能量传递，可提高泵浦吸收效率，并且Bi离子可以与锗离子相互作用，形成BAC-Ge，发射中心位于1620±20nm，实现了向L+(1625～1630nm)波段的拓展，Bi离子可以与硅离子相互作用，形成BAC-Si，发射中心位于1460±20nm，结合铥离子在1480nm的发射中心，通过泵浦同时激发两个中心，实现1460～1530nm的拓展；在掺Er光纤中加入Al元素可以提高Er的浓度，并促使Er能级进一步形成斯塔克分裂，使掺Er光纤的吸收截面和发射截面展宽；同时，选择La作为共掺杂剂，是由于其作为镧系元素中分子量最小的元素，其4f电子层没有电子。因此，La在光学上不活泼，在光通信波段没有吸收峰，对Er/Tm的吸收截面和发射截面几乎不产生影响，同时La对提高折射率有一定贡献。Er/La共掺光纤在1550nm仍然是能级4I13/2-4I15/2间跃迁，Tm/La共掺光纤在1480nm任然是能级3H4-3F4间跃迁。La在掺Er/Tm光纤中与其它稀土元素一样,占据Si网络体中间隙位置。当将Er/Tm元素和La元素一起掺杂实现Er/Tm离子高浓度掺杂。该掺杂光纤具有背景损耗低、Er/Tm离子掺杂浓度高、荧光强度强，增益带宽宽，增益强，且结构简单，易于产业化等特点，可用于光通信、光传感、量子通信、高功率激光的种子源，光纤激光医疗以及军事国防等，对高速光纤通信以及深空探测的发展将具有重大的推动意义。
本发明的技术方案：
一种1460～1630nm波段有源放大石英光纤，包括纤芯和包层其特征在于：纤芯由铒、铥、铝、镧和铋离子共掺材料以及提高折射率的GeO2构成，各离子掺杂浓度在0.01～15mol％，包层是由纯石英材料构成。
纤芯直径为40±35nm，包层直径为230±170nm。
所述光纤在1620±30nm范围内存在铋锗相关的活性中心BAC-Ge，在1550nm附近激发铒离子发射中心，在1460±20nm范围内激发铋硅相关的活性中心BAC-Si，在1480nm附近激发铥离子发射中心；利用泵浦激发四个活性中心，实现1460～1630nm宽带光放大。
该光纤应用于抗辐照光纤、保偏环芯光纤、光纤激光器、光纤放大器或超宽带光源。
该光纤制备方法包括步骤：
1)利用MCVD在石英管内壁沉积SiO2疏松层，通过高温处理，制备出半透明状态的玻璃基管；
2)利用MCVD沉积加高温掺杂系统或溶液掺杂技术方法将氧化铒、氧化铥、氧化铋、氧化镧与氧化铝材料交替沉积在玻璃基管上，通过精确控制此过程中的沉积温度、气体流速、沉积时间等，获得各掺杂浓度可控的疏松层；
3)利用MCVD沉积加高温掺杂系统或原子层沉积掺杂工艺或溶液掺杂技术沉积GeO2，通过高温处理至半透明状态，高温缩棒得到有源掺杂光纤预制棒；最后，通过拉丝塔拉制成Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段有源光纤。
该光纤为单包层，双包层，三包层以及多包层的1460-1630nm波段有源光纤。
该光纤为带节距的扭转1460-1630nm波段有源光纤，节距根据实际需求设置，扭转有源光纤应用于少模与高阶光放大或涡旋光放大应用。
该光纤为结构致偏型或应力致偏型1460-1630nm波段有源光纤。
该光纤的用途包括：该光纤通过800nm、980nm和1480nm激光作为泵浦源，搭建正向、反向、单泵、双泵、级联等1460～1630nm波段放大系统与荧光光谱系统；该光纤应用于1460～1630nm波段光放大器、宽谱光源、波分复用系统、连续光纤激光器、超快光纤激光器以及1460～1630nm波段相应的高阶模式与涡旋光光纤放大器和光纤激光器。
另一种光纤结构是：纤芯外有一圈环形芯，纤芯是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层构成，环芯由Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子材料构成。
纤芯两侧有应力区，应力区由掺杂二氧化硼的二氧化硅构成。
还有一种光纤结构是：纤芯是空心结构，空心结构中排布有一圈微毛细管，空心结构之外依次是环形结构和包层，环形结构的外壁面有掺杂区，掺杂区有Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
1、本发明能够解决放大带宽受限的问题，铒，铋，镧，铝，硅，锗等离子的共掺，在1620±30nm范围内激发铋锗相关的活性中心BAC-Ge，在1550nm附近激发铒离子发射中心，在1460±20nm范围内激发铋硅相关的活性中心BAC-Si，在1480nm附近激发铥离子发射中心；通过泵浦激发增益带宽向S波段(1460～1530nm)以及L+波段(1625～1630nm)带宽拓展，制备出一种1460～1630nm波段的宽带宽和高增益有源光纤；
2、采用高温掺杂系统和改进化学气相沉积法，掺杂均匀性好，且浓度高，制备更高品质的Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段掺杂放大石英光纤切实可行；
3、该光纤制备简单、成本低廉、易于产业化，适用于光通信、光传感、量子通信、高功率激光的种子源，光纤激光医疗以及军事国防等领域，对高速光纤通信以及深空探测的发展将具有重大的推动意义。
附图表说明
图1是本发明实施例1的光纤结构示意图。
图2是本发明在1460～1630nm波段的放大增益光谱图。
图3是本发明Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤用于超荧光光源的泵浦结构。
图4是本发明实施例2的光纤结构示意图。
图5是本发明实施例3的光纤结构示意图。
图6是本发明实施例4的光纤结构示意图。
图7是本发明实施例5的光纤结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例，但要求保护的范围并不局限于此。
本发明提供一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤，由纤芯1、包层2等组成，纤芯1由铒、铥、铝、镧和铋中的一种或多种离子共掺材料以及提高折射率的GeO2构成，各离子掺杂浓度在0.01～15mol％，包层2是由纯石英材料构成，其中，内包层包裹纤芯并位于包层的中部；纤芯1直径为40±35nm，包层2直径为230±170nm。
进一步的，该光纤在1620±30nm范围内存在铋锗相关的活性中心BAC-Ge，在1550nm附近存在铒离子发射中心，在1460±20nm范围内存在铋硅相关的活性中心BAC-Si，在1480nm附近存在铥离子发射中心；通过泵浦同时激发这四个活性中心，增益带宽向S波段(1480～1530nm)以及L+波段(1625～1630nm)带宽拓展，实现1460～1630nm宽带放大。
进一步的，该光纤可以应用于抗辐照光纤、保偏环芯光纤、光纤激光器(包括连续、脉冲、可调谐、高阶模式与涡旋光(小于10阶)等)、光纤放大器(包括高阶模式与涡旋光(小于10阶))、超宽带光源(包括高阶模式与涡旋光(小于10阶))。其中，基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源如公开号为CN113178769A中所述。
进一步的，光纤制备方法包括但不仅限于：MCVD沉积加高温掺杂系统，MCVD结合溶液掺杂技术，外部气相沉积法(OVD)，气相轴向沉积法(VAD)等。其中，抗辐照石英光纤的制备公开号为CN116859503A中所述；环芯光纤的制备如公开号为CN109100827A中所述；超低噪声系数有源光纤的制备如公开号为CN114167542A中所述；Er/Al/La/Bi离子共掺光纤的制备如公开号CN111090142A中所述；Bi/Al共掺光纤的制备如公开号为CN105467512A中所述，Bi/Er或Bi/Er/Al共掺光纤的制备如公开号为CN105467511A中所述。
一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤的制备方法基于公开号CN111090142A中所述石英光纤制备方法所改进，步骤如下：
1)利用MCVD在石英管内壁沉积SiO2疏松层，通过高温处理，制备出半透明状态的玻璃基管；
2)利用MCVD沉积加高温掺杂系统或溶液掺杂技术或气相轴向沉积法(VAD)或外部气相沉积法(OVD)将氧化铒、氧化铥、氧化铋、氧化镧与氧化铝材料交替沉积在玻璃基管上，通过控制此过程中的沉积温度、气体流速、沉积时间等精确控制各氧化物浓度，获得掺杂浓度可控的疏松层；
3)利用MCVD沉积加高温掺杂系统或溶液掺杂技术或气相轴向沉积法(VAD)或外部气相沉积法(OVD)沉积GeO2，通过高温将其处理至半透明状态，高温缩棒得到光纤预制棒；
4)通过拉丝塔将光纤预制棒拉制成Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤。
进一步的，制备的光纤的吸收波长范围600～1700nm；该光纤可以通过800nm激光器、980nm激光器和1480nm激光器作为泵浦源，搭建正向、反向、单泵、双泵、级联等1460～1630nm波段放大系统或1460～1630nm波段荧光系统。
实施例1
如图1所示，一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤，包括纤芯1和包层2，纤芯1是由Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子材料和提高折射率的GeO2构成，包层2是纯石英材料构成。该光纤按如下步骤制备：
第一步，在石英管内壁沉积二氧化硅疏松层，将其高温处理至半透明状态；
第二步，利用MCVD沉积加高温掺杂系统或溶液掺杂技术或气相轴向沉积法(VAD)将氧化铋、氧化铒、氧化铥与氧化镧材料交替沉积，循环该过程，并在此过程中通过控制沉积温度、气体流速、沉积时间等精确控制氧化铋、氧化铒、氧化铥与氧化镧的掺杂浓度与掺杂粒子分布情况；第三步，利用MCVD沉积GeO2疏松层，通过高温将其处理至半透明状态，高温缩棒得到光纤预制棒；第四步，通过拉丝塔进行拉丝，制成Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤。
调节各氧化物的掺杂浓度，制备得到3个光纤样品，样品1：纤芯直径为5.1μm，包层直径为125.2μm；样品二：纤芯直径为6.3μm，包层直径为126.1μm；样品三：纤芯直径为9.4μm，包层直径为125.1μm，在1610nm附近存在BAC-Ge宽峰，1560nm附近存在Er离子发射中心，在1465nm附近BAC-Si发射中心，在1485nm附近存在铥离子发射中心，其增益谱图如图2所示。三个样品的组分以及增益，如下表所示：
实施例2
参见图4，一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤，由纤芯1、环芯4和包层2组成，纤芯是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层构成，环芯由Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子材料构成，其中，Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子采用外部气相沉积法；所述包层3是由比纤芯折射率低的纯石英材料构成，最后收缩成棒拉丝。
调节各氧化物的掺杂浓度，制备得到3个光纤样品，样品1：纤芯直径为5.1μm，环芯直径为8.2μm，包层直径为125.5μm；样品二：纤芯直径为5.5μm，环芯直径为8.6μm，包层直径为125.1μm；样品三：纤芯直径为6.1μm，环芯直径为10.2μm，包层直径为126.1μm，组分以及增益，如下表所示：
实施例3
参见图5，一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤由纤芯1、包层2和应力区3组成。纤芯1是由Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子材料和提高折射率的GeO2构成，包层2是纯石英材料构成，应力区由掺杂二氧化硼的二氧化硅构成。其中，Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子采用气相轴向沉积法沉积，纤芯直径为5.5μm，包层直径为125.6μm，应力区直径31.2μm。
实施例4
参见图6，一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤由纤芯1、环芯4、包层2和应力区3组成。纤芯是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层构成，环芯由Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子材料构成，包层3是由比纤芯折射率低的纯石英材料构成，应力区4由掺杂二氧化硼的二氧化硅构成。其中，Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子采用气相轴向沉积法沉积，纤芯直径为6.5μm，环芯直径为10.2μm，包层直径为126.1μm，应力区直径35.4μm。
实施例5
参见图7，一种Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤由纤芯1，微毛细管6，掺杂区5，外层结构包层2，内层结构7组成。选取一根纯石英套管，使用气相轴向沉积法在套管外侧沉积一层Er/Tm/Al/La/Bi离子共掺区域；在套管内侧均匀排列8个毛细管，同时在套管外侧再套一个石英管，形成光纤预制棒。最后通过光纤拉丝塔，拉制成光纤。
实施例6
参见图3是Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段放大石英光纤用于超荧光光源的泵浦结构。其中1-800nm、980nm或1480nm泵浦源，2-反射镜，3-波分复用器，4-1460～1630nm波段放大石英光纤，5-波分复用器，6-光谱仪，7-800nm、980nm或1480nm泵浦源。
Claims (13)
1.一种1460～1630nm波段有源放大石英光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：纤芯由铒、铥、铝、镧和铋离子共掺材料以及提高折射率的GeO2构成，各离子掺杂浓度在0.01～15mol％，包层是由纯石英材料构成。
2.根据权利要求1所述1460-1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：纤芯直径为40±35nm，包层直径为230±170nm。
3.根据权利要求1所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：所述光纤在1620±30nm范围内存在铋锗相关的活性中心BAC-Ge，在1550nm附近激发铒离子发射中心，在1460±20nm范围内激发铋硅相关的活性中心BAC-Si，在1480nm附近激发铥离子发射中心；利用泵浦激发四个活性中心，实现1460～1630nm宽带光放大。
4.根据权利要求1-3任一项所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：该光纤应用于抗辐照光纤、保偏环芯光纤、光纤激光器、光纤放大器或超宽带光源。
5.根据权利要求1-3任一项所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于其制备方法包括步骤：
1)利用MCVD在石英管内壁沉积SiO2疏松层，通过高温处理，制备出半透明状态的玻璃基管；
2)利用MCVD沉积加高温掺杂系统或溶液掺杂技术方法将氧化铒、氧化铥、氧化铋、氧化镧与氧化铝材料交替沉积在玻璃基管上，通过精确控制此过程中的沉积温度、气体流速、沉积时间等，获得各掺杂浓度可控的疏松层；
3)利用MCVD沉积加高温掺杂系统或原子层沉积掺杂工艺或溶液掺杂技术沉积GeO2，通过高温处理至半透明状态，高温缩棒得到有源掺杂光纤预制棒；最后，通过拉丝塔拉制成Er/Tm/Al/La/Bi共掺1460～1630nm波段有源光纤。
6.根据权利要求1-3任一项所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：该光纤为单包层，双包层，三包层以及多包层的1460-1630nm波段有源光纤。
7.根据权利要求1-3任一项所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：该光纤为带节距的扭转1460-1630nm波段有源光纤，节距根据实际需求设置，扭转有源光纤应用于少模与高阶光放大或涡旋光放大。
8.根据权利要求1-3任一项所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：该光纤为结构致偏型或应力致偏型1460-1630nm波段有源光纤。
9.根据权利要求7所述1460～1630nm波段放大石英光纤,其特征在于该光纤的用途包括：该光纤通过800nm、980nm和1480nm激光作为泵浦源，搭建正向、反向、单泵、双泵、级联等1460～1630nm波段放大系统与荧光光谱系统。
10.根据权利要求1-3所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：该光纤应用于1460～1630nm波段光放大器、宽谱光源、波分复用系统、连续光纤激光器、超快光纤激光器以及1460～1630nm波段相应的高阶模式与涡旋光光纤放大器和光纤激光器。
11.根据权利要求1所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：纤芯外有一圈环形芯，纤芯是由掺杂少量高折射率的GeO2的二氧化硅疏松层构成，环芯由Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子材料构成。
12.根据权利要求1或10所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：纤芯两侧有应力区，应力区由掺杂二氧化硼的二氧化硅构成。
13.根据权利要求1所述1460～1630nm波段放大石英光纤，其特征在于：纤芯是空心结构，空心结构中排布有一圈微毛细管，空心结构之外依次是环形结构和包层，环形结构的外壁面有掺杂区，掺杂区有Er/Tm/Al/La/Bi共掺离子。
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