CN1257429C - 半导体薄膜内包层放大光纤及其制造方法 - Google Patents

半导体薄膜内包层放大光纤及其制造方法 Download PDF

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本发明涉及一种新型的纳米半导体薄膜内包层放大光纤及其制造方法，属光纤技术领域。本发明的半导体薄膜内包层放大光纤，它由纤芯、薄膜内包层和外包层组成，半导体薄膜内包层夹于在纤芯和外包层之间。本发明提供了采用气相沉积法在特殊的MCVD制棒机上直接制成具有外包层沉积、半导体薄膜内包层沉积和纤芯沉积的光纤预制棒，然后进行拉制光纤。本发明的纳米半导体薄膜内包层放大光纤制成的放大器具有集成化强、频率宽、增益高、结构简单等特点。

Description

半导体薄膜内包层放大光纤及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米半导体薄膜内包层放大光纤及其制造方法，属光纤技术领域。
背景技术：
放大光纤是光纤通信中不可缺少的一种特种光纤，它是光纤放大器的核心部件。光纤放大器现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统，接入网，光纤CATV网，军用系统等领域，作中继放大、功率放大、前置放大用。提到放大光纤，人们自然就会想到掺杂稀土放大光纤，这是目前国内外普遍使用的一种放大光纤。世界上一些发达国家的大公司均投入大量的人力、物力开展此类光纤的研制和开发。但是，目前使用的掺杂稀土放大光纤制作的光纤放大器还存在以下问题：①使用光纤较长(如掺铒光纤用作光纤放大时，可选择在20m、30m等)，占空间大，易受外界干扰、不能实现光纤的集成化；②为了更好地提高纤芯吸收泵谱光的效率，掺杂稀土放大光纤可采用非圆内包层的结构形式，这种结构的光纤，制造工艺复杂，不易实现，价格昂贵。另外，它的制造尺寸与普通光纤不一致，不易与其它器件连接，连接损耗大，也限制了它在光电子集成中的应用；③每种掺杂光纤的带宽有限(如基于石英光纤的掺铒光纤放大器增益带宽约为30nm)，因此才出现了不同波段的掺杂稀土光纤，如掺铒光纤(C波段1530-1565nm，L波段1570-1605nm)、掺铒碲化物光纤(1530-1610nm)、掺镨氟化物光纤(1290-1320nm)、掺铥氟化物光纤(1450-1485nm)；④在石英光纤中，高掺杂稀土元素，如铒(一般掺杂量约为1018cm-3)，将会出现上转换效应和离子集聚效应，而且铒亚稳态能级上的粒子数将减少，所以增加稀土元素浓度，在一定极限后，不会提高增益。由此看出，寻找一种新型的放大光纤，使其适合未来光纤放大器小型化、集成化、输出功率高、噪声低、增益均衡等发展的需要，是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于根据无机活性材料内包层光纤的放大理论，提供一种新型的纳米半导体薄膜内包层放大光纤。
本发明的半导体薄膜内包层放大光纤，它由纤芯、薄膜内包层和外包层组成，其特征在于纤芯的材料是由纯石英掺杂少量增大折射率的GeO2组成，薄膜内包层的材料是由具有放大功能的纳米半导体材料GaAs或InP组成，而外包层的材料是由纯石英加入少量低折射率的添加物B2O3或氟(F)组成；半导体薄膜内包层夹于在纤芯和外包层之间。
本发明的半导体薄膜内包层放大光纤的制造方法，它是先用缩棒工艺制成光纤预制棒，然后再用拉丝机拉制出光纤的方法，其特征在于光纤预制棒采用气相沉积法(MCVD)直接制作，即在特殊专用的气相沉积法(MCVD)制棒机上用气相沉积法依次直接沉积形成外包层和纤芯，最后缩棒形成光纤预制棒；然后再进行拉制光纤；其具体工艺过程及工艺步骤如下：
a.在可旋转的制棒机上放置一设有前端气化腔的预制棒石英管，在其下部设置的固定加热气化灯及移动加热气化灯的作用下，依次进行外包层、半导体薄膜内包层及纤芯的气相沉积；半导体薄膜内包层可采用半导体材料InP；固定气化灯的加热范围为1300-1600℃，移动气化灯的加热温度范围为1250-1450℃，可制得InP半导体沉积薄膜；预制棒石英管的转动速度为35-45转/分，移动气化灯的走灯速度为12-15厘米/分；
b.将经过了外包层沉积、半导体薄膜沉积、纤芯沉积后的石英管，采用缩棒工艺，缩成一个实心的预制棒；缩棒的温度为2000℃，氢氧喷灯的走车速度为15厘米/分左右，棒的转动速度约为50转/分；预制棒的外径约为10毫米，半导体薄膜的厚度为2-5微米；
c.在拉丝炉内并利用拉丝机制成光纤，炉温需控制在1600-1700℃范围，采用慢速拉丝技术，拉丝速度小于5米/分，使光纤的半导体薄膜层达到微小均匀的纳米级。
本发明的这种半导体薄膜内包层放大光纤的放大机理在于，当用直接带隙半导体材料作为薄膜层时，如果光纤的入射泵浦光子能量大于直接带隙能量时，会发生强烈的本征吸收，入射光子使价带中的电子受激发而垂直跃迁进入导带，这样当光波通过处于该状态的半导体时，通过激光泵浦能量将获得增益(或放大)效果。由于直接采用半导体薄膜层作为受激介质，所以它的粒子反转程度极高，且又因是直接带隙材料，跃迁几率和泵浦光吸收效率也很高，因此短光纤就会有较高的放大增益，它能用几厘米的光纤就可能实现约5dB的放大增益。另外，纳米薄膜内包层光纤没有采用稀土元素材料，而是半导体活性材料，这样粒子的跃迁不是发生在分立的能级之间，而是产生于两个能带(价带和导带)之间，因而放大的谱宽要比掺杂稀土元素光纤要宽得多，大约是传统掺铒光纤放大器的3～5倍。同时，半导体薄膜层对泵浦光源波长的要求也不苛刻，所以泵浦的光源不一定是泵浦激光器，也可以用发光二极管阵列等器件。
由上所述，可以看出本发明的半导体薄膜内包层放大光纤是一种集成化、增益谱宽、高效泵浦、输出功率高、便于光纤放大器结构小型化、且使用方便、价格低廉的新型放大光纤。
附图说明
图1为本发明半导体薄膜内包层放大光纤的结构示意图图中：1-纤芯、2-半导体薄膜内包层、3-外包层
图2为本发明的化学气相沉积(MCVD)法沉积薄膜层的装置的简单示意图图中，11-预制棒石英管、12-石英管前端气化腔、13-外包层、14-气化的半导体分子、15-可移动加热的气化灯、16-气相沉积区、17-半导体材料沉积薄膜、18-半导体晶体材料、19-固定加热气化灯、20-导送载体氧气。
具体实施方式
现结合附图和实施例将本发明进一步叙述于后。
实施例一：参见图1，本发明的一种纳米半导体薄膜内包层放大光纤，由三部分组成：纤芯1、薄膜内包层2和外包层3。纤芯1的材料有纯石英掺杂少量增大折射率的GeO2组成，薄膜内包层2的材料是由具有放大功能的纳米半导体材料GaAs或InP组成，外包层3的材料是由纯石英加入少量低折射率的添加物B2O3或氟(F)组成。纳米半导体薄膜内包层2夹置于纤芯1和外包层3之间。
半导体薄膜内包层2的放大光纤的制备方法是：先用缩棒工艺制成光纤预制棒，然后再用拉丝机拉制出光纤。光纤预制棒采用化学气相沉积法(MCVD)直接制作，即在特殊专用的MCVD制棒机上，用气相沉积法依次直接沉积外包层3、半导体薄膜内包层2和纤芯1，最后缩棒形成光纤预制棒。最后再用拉丝机拉制出光纤。
参见图2，本发明的具体工艺过程及工艺步骤如下：
a.在可旋转的制棒机(图中未标出)上放置一设有前端气化腔12的石英管11，在其下部设置的固定加热气化灯19及可移动气化灯15的作用下，依次进行外包层3、半导体薄莫内包层2及纤芯1的气相沉积；外包层3和纤芯1的气相沉积过程与传统的相同。半导体薄膜内包层2可采用半导体晶体材料InP，在固定气化灯19的加热温度1400℃条件下，半导体材料就会在石英管前端气化腔12内气化，气化的半导体材料分子14在导送载体氧气20的向前吹送下，并在可移动加热气化灯15的加热条件下，就可在石英管11内的气相沉积区16中的外包层13上面沉积形成半导体材料沉积薄膜17。移动气化灯5的温度在1300℃，预制棒石英管的转动速度在35～45转/分、移动气化灯15的走灯速度要在14厘米/分；
b.将经过了外包层沉积、纳米半导体薄膜沉积、纤芯沉积后的石英管，采用缩棒工艺，缩成一个实心的预制棒；缩棒的温度约为2000℃，氢氧喷灯的走车速度为15厘米/分，棒的转动速度为50转/分，预制棒的外径为10厘米，纳米半导体薄膜的厚度为4微米；
在拉丝炉内并利用拉丝机拉制成光纤，炉温为1650℃左右，采用慢速拉丝技术，拉丝速度小于5米/分，使光纤的半导体薄膜层达到微小均匀的纳米级。

Claims (2)

1.一种半导体薄膜内包层放大光纤，它由纤芯(1)、薄膜内包层(2)和外包层(3)组成，其特征在于纤芯(1)的材料是由纯石英掺杂少量增大折射率的GeO2组成，薄膜内包层(2)的材料是由具有放大功能的纳米半导体材料GaAs或InP组成，而外包层(3)的材料是由纯石英加入少量低折射率的添加物B2O3或氟(F)组成；半导体薄膜内包层(2)夹于在纤芯(1)和外包层(3)之间
2.根据权利要求1所述的一种半导体薄膜内包层放大光纤的制造方法，它是先用缩棒工艺制成光纤预制棒，然后再用拉丝机拉制出光纤的方法，其特征在于光纤预制棒采用气相沉积法(MCVD)直接制作，即在特殊专用的气相沉积法(MCVD)制棒机上用气相沉积法依次直接沉积形成外包层(3)、半导体薄膜内包层(2)和纤芯(1)，最后缩棒形成光纤预制棒；然后再进行拉制光纤；其具体工艺过程及工艺步骤如下：
a.在可旋转的制棒机上放置一设有前端气化腔的预制棒石英管，在其下部设置的固定加热气化灯及移动加热气化灯的作用下，依次进行外包层(3)、半导体薄膜内包层(2)及纤芯(1)的气相沉积；半导体薄膜内包层(2)可采用半导体材料InP；固定气化灯的加热范围为1300-1600℃，移动气化灯的加热温度范围为1250-1450℃，可制得InP半导体沉积薄膜；预制棒石英管的转动速度为35-45转/分，移动气化灯的走灯速度为12-15厘米/分；
b.将经过了外包层(3)沉积、半导体薄膜沉积、纤芯(1)沉积后的石英管，采用缩棒工艺，缩成一个实心的预制棒；缩棒的温度为2000℃，氢氧喷灯的走车速度为15厘米/分左右，棒的转动速度约为50转/分；预制棒的外径约为10毫米，半导体薄膜的厚度为2-5微米；
c.在拉丝炉内并利用拉丝机制成光纤，炉温需控制在1600-1700℃范围，采用慢速拉丝技术，拉丝速度小于5米/分，使光纤的半导体薄膜层达到均匀的微小纳米级。
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