CN1994946A - 石英基铋镓铒铝共掺光纤及其制作方法 - Google Patents

石英基铋镓铒铝共掺光纤及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种石英基铋镓铒铝共掺光纤及其制作方法，涉及的石英基铋镓铒铝共掺光纤，通过在石英基光纤纤芯中同时掺入铋镓铒铝四种元素来实现。这种铋镓铒铝光纤具有很高的吸收系数，在1530nm处的吸收系数可以达到58dB/m以上。利用这种石英基的铋镓铒铝共掺光纤制作的C波段和L波段掺铒光纤放大器中掺杂光纤长度缩短到所需普通掺铒光纤长度的十分之一以下，并实现了平坦的增益谱。利用这种具有高吸收系数的光纤制作光纤激光器时，光纤长度仅几十厘米就可，使光纤激光器的偏振态容易保持，这在混合集成中具有广阔的应用前景。本发明对于制造光纤激光器和放大器都具有十分重要的意义和经济效益。

Description

石英基铋镓铒铝共掺光纤及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种石英基铋镓铒铝共掺光纤及其制作方法，特别适合于稀土掺杂特种光纤的制作，属于光纤通信领域。
背景技术
掺铒光纤放大器已经在光纤通信领域得到了广泛的应用，是光纤通信系统中的一个极其重要的器件。但是普通的石英基掺铒光纤制作的掺铒光纤放大器，增益谱波动大，达到了10dB以上。
同时目前的石英基掺铒光纤放大器中所用的掺铒光纤的铒离子浓度比较低，因此使用长度很长，使掺铒光纤放大器(EDFA)的成本较高。这种掺铒光纤的吸收系数比较小，在980nm处吸收系数在5dB/m左右，在1530nm处的吸收系数通常在6dB/m至8dB/m。这样，制作一个C波段掺铒光纤放大器，掺铒光纤的长度就需要25米左右；而制作一个L波段掺铒光纤放大器，掺铒光纤的长度将需要100米左右，使得EDFA的价格昂贵。掺铒光纤放大器的成本主要集中在掺铒光纤上。
此外，对于掺铒光纤激光器来说，利用吸收系数小的掺铒光纤，通常需要十几米，由于在拉丝过程中光纤会产生扭绞，这样光纤的偏振态就很难保持。因此，对于光纤激光器来说，要使激光器的腔长仅可能短，这样就需要吸收系数高的掺铒光纤。这种光纤同时可用于研制保偏的稀土掺杂光纤，用于光纤激光器，实现偏振态稳定的激光输出。
国内外的研究表明在掺铒光纤中掺铋可以使增益谱变得平坦，同时提高了铒离子的掺杂比例，但是石英基中掺入重元素铋非常困难，目前尚未见到石英基光纤中同时掺铋和铒的报道。国际上有采用铋基玻璃掺铒方面的研究。
但是由于在光纤通信系统中，几乎所有的光纤都是石英基的，因此铋基掺铒光纤很难在实际光纤系统中得到应用，而石英基光纤由于兼容性好、熔接损耗小、抗热性能好等优点得到了广泛的应用。为了使石英玻璃结构中能够掺入铋和铒，就需要进一步改善石英基的玻璃结构。
发明内容：
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，从而提出了石英基铋镓铒铝共掺的光纤。通过在石英基中，同时掺入铋、镓、铒和铝，可以有效地将铋和铒掺入石英基光纤。在不掺镓和铝时，铋很难掺入到石英基玻璃网络中，极容易出现芯区析晶，这样将极大地增加光纤的背景损耗，降低光纤的性能。本发明中镓和铝的掺入，很好地解决了掺铋时预制棒芯区的析晶问题，使铋容易掺入到石英基光纤中，同时提高了铒离子的掺杂浓度。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
一种石英基的铋镓铒铝共掺光纤的制作方法，它包含以下步骤：
1.利用传统的化学气相沉积(MCVD)方法在石英管内先沉积阻挡层，再沉积纤芯疏松层。疏松层材料组分可以是纯二氧化硅，或二氧化硅和其它改变折射率材料(锗、磷、氟等)的混合物。
2.本发明的关键是芯区的掺杂成分和含量，首先就要配制铋、镓、铒和铝的混合盐溶液。先配制单独的铋盐溶液、镓盐溶液、铒盐溶液、铝盐溶液，然后按一定比例配制铋、镓、铒和铝的混合盐溶液。铋、镓、铒和铝的混合盐溶液中各种掺杂离子的浓度为：
Bi3+：0.2～0.5mol/l
Ga3+：0.2～0.5mol/l
Er3+：0.005mol/l～0.05mol/l
Al3+：0.2～1mol/l
3.采取在线掺杂的方法，用配制好的铋、镓、铒和铝的混合盐溶液浸泡疏松层，将铋、镓、铒和铝离子掺入到芯区。采用在线掺杂的方式，可以节省掺杂的溶液，同时提高了掺杂光纤制作过程中的洁净度，降低光纤的基底损耗。
4.对浸泡过溶液的疏松体进行氯气脱水过程，然后将疏松体熔化，最后经缩棒、套管等过程得到了芯区掺有铋、镓、铒和铝的光纤预制棒，经拉丝得到石英基铋镓铒铝共掺光纤。
由上述方法制得一种石英基铋镓铒铝共掺光纤，芯部：同时掺有稀土元素铒(Er)和主族元素铋(Bi)、镓(Ga)、铝(Al)。光纤芯区的基质材料为石英基，它的组成可以是纯二氧化硅(SiO2)或二氧化硅和其它改变折射率材料的混合物。芯区的基质材料为纯二氧化硅时，芯区折射率主要由铋、镓、铝和铒的掺杂含量决定，芯区折射率相对较低。此时这种铋、镓、铒、铝共掺的光纤，可以利用芯区折射率低、吸收系数高的特点，可以做成具有大有效面积纤芯的包层泵浦光纤。当芯区的基质材料为二氧化硅和其它改变折射率材料的混合物时，其它改变折射率材料(例如锗、磷、氟等)的比例，根据对光纤折射率的具体要求而定。
本发明的有益效果：
本发明石英基的铋镓铒铝共掺光纤具有比普通石英基掺铒光纤高得多的吸收系数。在1530nm处的吸收系数达到58dB/m以上，在980nm处的吸收系数达到了30dB/m。经测试这种掺铒光纤具有平坦的荧光光谱。利用本发明制作的石英基铋镓铒铝光纤制作C波段EDFA，实现了平坦的增益谱，光纤放大器的石英基铋镓铒铝光纤使用长度缩短到了所需普通掺铒光纤的十分之一以下。同样，L波段掺铒光纤放大器的铋镓铒铝光纤使用长度也缩短到了普通铒光纤使用长度的十分之一以下，而且实现了较高的L波段增益。本发明制作的石英基铋镓铒铝共掺杂光纤具有与普通石英基光纤熔接简单，吸收系数高、增益谱平坦等优点。使用这种石英基铋镓铒铝共掺光纤制作光纤放大器可以大大缩短掺杂光纤的长度，最大限度地节约成本。这种光纤既能保持高增益效率，又降低了成本，因此具有很大的市场应用前景。
附图说明：
图1是本发明石英基的铋镓铒铝共掺光纤预制棒的折射率分布图。
图2是本发明石英基的铋镓铒铝共掺光纤的吸收谱图。
图3是利用是本发明石英基的铋镓铒铝共掺光纤制作的C波段EDFA的自发辐射谱图。
具体实施方式：
下面结合附图的具体实施例对本发明做进一步描述。
实施例1：
利用改进型的化学气相沉积方法(MCVD)在超纯石英管内先沉积阻挡层，阻挡层的折射率与石英管折射率一致。然后沉积最内层，即芯层，沉积芯层的温度较低，在1200℃至1300℃之间，沉积的芯层为疏松状(泡沫状)的白色不透明层，沉积疏松层时的原料为四氯化硅(SiCl4)和氧气(O2)，得到的疏松层成分为唯一的二氧化硅(SiO2)。然后采用在线掺杂方法，将预先配制好的铋、镓、铒和铝的混合溶液浸泡疏松层，待不透明的疏松层变透明后，继续浸泡一个小时左右。
在浸泡前，关键是配制高纯度的混合盐溶液，盐溶液的掺杂成分也是本发明的关键。在本实施例中，采用了各种掺杂物的氯化物溶液。采用高纯的化学试剂氧化铋、氧化镓和高纯度盐酸配制成氯化铋溶液、氯化镓溶液；采用高纯无水氯化铝和氯化铒粉末和去离子水配制成氯化铝溶液和氯化铒溶液，在浸泡前将这四种氯化盐溶液按一定比例配制成铋、镓、铒和铝的混合溶液。
最后对浸泡过铋镓铒铝盐溶液的疏松层，进行氯气脱水过程，除掉芯部疏松层的物理水和化学结合水；接下来对疏松层进行熔化，再经缩棒过程得到纤芯掺有铋镓铒铝的石英基光纤预制棒。测试原始预制棒的折射率分布，根据测试的预制棒折射率，计算要使光纤截止波长小于980nm条件下需要的外套管厚度。最后经拉丝得到石英基铋镓铒铝共掺的光纤。
如图1所示是疏松层为纯二氧化硅时，石英基铋镓铒铝共掺光纤预制棒的折射率分布图，由于在制作光纤疏松层时没有掺锗，光纤纤芯没有出折射率下陷现象。如图2所示，是我们利用上述实施方式制作的石英基铋镓铒铝共掺光纤的吸收谱，它在1530nm处的吸收系数达到了58dB/m，在980nm处的吸收系数达到了30dB/m。采用这种石英基铋镓铒铝共掺光纤制成了C波段的掺铒光纤放大器，如图3所示为利用本发明制作的C波段EDFA的自发辐射谱，增益谱波动小于+/-2dB，具有平坦的增益特性。
利用本实施例制作的石英基铋镓铒铝共掺光纤，应用到C波段和L波段的光纤放大器中，掺杂光纤的使用长度大大缩短，为利用普通掺铒光纤制作的掺铒光纤放大器中的铒光纤长度的十分之一以下，并且增益谱更宽更平坦。
实施例2：
采用MCVD方法在纯石英管内沉积阻挡层，然后开始沉积疏松层，沉积纤芯疏松层时，原料气由四氯化硅(SiCl4)、四氯化锗(GeCl4)和氧气(O2)，经高温反应生成了二氧化硅和二氧化锗的混合物，其中二氧化锗主要用于提高芯区的折射率，同时降低沉积疏松层时的温度，适当改变石英网络结构。当芯区疏松层由二氧化硅和二氧化锗的混合物时，由于掺锗提高了纤芯折射率，因此要适当调低在溶液掺杂过程中所配制的铋、镓、铒、铝的浓度。
下面经与实施例1相同的步骤：溶液配制、溶液浸泡、氯气脱水、熔化等过程，在缩棒时与实施例不同的是，在芯区掺锗之后，由于二氧化锗容易高温挥发，为了抑制二氧化锗的挥发，在缩棒时需要通入四氯化锗(GeCl4)和氧气(O2)。接下来，再经套管，拉丝等过程与实施例1完全一致。配制的溶液仍为铋、镓、铒和铝的混合盐溶液，但具体浓度根据需要作适当的调整。
实施例3：
采用MCVD方法在纯石英管内沉积阻挡层，然后开始沉积疏松层，沉积纤芯疏松层时，原料气由四氯化硅(SiCl4)、六氟化硫(SF6)和氧气(O2)，经高温反应生成了二氧化硅和二氟氧硅的混合物。由于掺氟降低纤芯的折射率，因此在掺杂过程中可以适当提高铋、镓、铒、铝的浓度，以使纤芯具有合适的折射率。当不提高铋、镓、铒、铝溶液的浓度时，这种掺氟的石英基光纤纤芯具有比纯石英基纤芯更低的折射率，更适合制作大有效纤芯面积的光纤，用于包层泵浦的大功率光纤激光器和放大器中。
同样，经溶液配制、溶液浸泡、氯气脱水、熔化、缩棒、套管、拉丝等过程，得到了纤芯掺氟石英基的铋镓铒铝光纤。

Claims (3)

1.石英基铋镓铒铝共掺光纤的制作方法，其特征在于：利用传统的化学气相沉积(MCVD)方法在石英管内沉积阻挡层，再沉积纤芯疏松层，疏松层材料组分可以是纯二氧化硅，或二氧化硅和其它改变折射率材料的混合物，按一定比例配制铋、镓、铒和铝的混合盐溶液，采取在线掺杂的方法，浸泡疏松层，再经氯气脱水过程，然后将疏松体熔化，最后经缩棒、套管等过程得到了芯区掺有铋、镓、铒和铝的光纤预制棒；经拉丝成石英基铋镓铒铝共掺杂的光纤。
2.根据权利要求1所述的石英基铋镓铒铝共掺光纤的制作方法，其特征在于：在线掺杂过程中所用的铋、镓、铒和铝的混合盐溶液中各种掺杂离子的浓度为：
Bi3+：0.2～0.5mol/l；
Ga3+：0.2～0.5mol/l；
Er3+：0.005mol/l～0.05mol/l；
Al3+：0.2～1mol/l。
3.根据权利要求1所述的石英基铋镓铒铝共掺光纤的制作方法制得石英基铋镓铒铝光纤，其特征在于：芯部的基质材料为纯二氧化硅、或二氧化硅和其它改变折射率材料的混合物，掺杂物的含量根据纤芯疏松层材料组成，作相应的变化。
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