英國南安普敦大學光電研究中心成功地拉制出摻餌多孔光纖。他們首先採用McvD法結合溶液摻雜技術製作出摻餌光纖預製棒;接著,使用超音波打孔法取出摻餌芯子,仔細的拋光,形成一根具有良好表面光學特性的摻餌細棒;然後,把這根摻餌細棒插入到由八層毛細管堆積起來的預製棒的中心。經過脫水處理後,拉絲得到摻餌多孔光纖。該光纖的空氣孔的周期和直徑分別為2μm和1μm;餌粒子被限制在直徑約為lμm的中心區域,摻雜濃度1000ppm;纖芯共摻鋁,數值孔徑為0.14。
基本介紹
- 中文名：摻餌微結構光纖
- 外文名：erbium-doped microstructured optical fiber
1 背景,2 稀土摻雜光纖,3 摻餌微結構光纖的研究進展,4 摻餌微結構光纖的研製,5 摻餌微結構光纖的理論研究,
1 背景
1966年,英國標準電信研究所的高餛和霍克漢姆首次從理論上推測出石英玻璃光纖的損耗可以降低到20dB。這一驚人的預言使得國際上多家研究機構開始大力開展低損耗光纖的研究工作,從此,光纖技術進入了快速發展的時期。伴隨著通信傳輸用光纖的發展,各種特種光纖也應運而生。特種光纖是在石英光纖的基礎上通過改變光纖的摻雜元素或進行特殊的結構設計而製成的,主要包括稀土摻雜光纖、保偏光纖、光敏光纖和微結構光纖等。目前,特種光纖的套用範圍越來越廣泛,已經在光通信、感測、材料加工和國防等領域有著重要的套用。由特種光纖衍生的產業鏈在光電子產業中占有很大的比重,而且發展非常迅速。目前,特種光纖的發展趨勢是在單根光纖內集成多種功能,如在稀土摻雜光纖中加入保偏光纖的功能,在微結構光纖的芯區摻入稀土元素等。
2 稀土摻雜光纖
稀土摻雜光纖的製作
稀土摻雜光纖預製棒的製作技術有汽相法、溶液摻雜法、溶膠凝膠和直接納米粒子沉積法等。溶液摻雜法具有操作簡單,靈活性高等優點,因而,得到了廣泛的套用。目前,大部分商用摻餌光纖也是採用溶液摻雜技術製得的。
溶液摻雜法也被稱為液相法,最早的關於使用液相法把稀土元素引入石英光纖纖芯的報導是stone在1973年給出的,他們製作出摻欽石英玻璃光纖。
1987年,英國南安普敦大學的Townsend等人採用溶液摻雜技術研製出低背景損耗的摻餌光纖,在稀土摻雜光纖製作工藝上取得了重大的突破。隨著摻餌光纖需求的增大,溶液摻雜技術也逐漸受到重視,並得到了推廣。此方法的關鍵環節是沉積出多孔的含5102和GeOZ等的疏鬆層,以便於稀土離子溶液進入疏鬆層的小孔中。
製作疏鬆層的方法有許多,如改進的化學汽相沉積法、外部汽相法(OVD)和汽相軸向沉積法(VAD)等。上述三種方法均可以和溶液摻雜技術相結合用來製作稀土摻雜光纖。與ovD和vAD法相比,McvD法的化學反應是在石英管內進行的,對環境潔淨度要求稍低,而且MCVD設備簡單,製作工序少。另外,MCVD法氧化過程生成的5102微粒小於VAD或OVD法水解過程所生成的微粒,因而,與VAD和OvD法相比,MCVD法結合溶液摻雜技術所製作的稀土摻雜光纖的摻雜均勻性更好一些。
首先,把襯底管連線到氣路中,通常,選擇合成石英管作為襯底管,合成石英管的最大優點是有害雜質含量極低,如德國HeraeuS公司生產的合成石英管的OH含量僅為0.2ppm,金屬雜質總含量在5ppb左右。反應物siel4、oeel4、Poel3、SF6和02等在質量流量器的控制下進入到襯底管中,在氫氧焰噴燈的高溫作用下,發生氧化反應,生成5102、GeOZ等微粒,並附著在噴燈高溫區下游的管壁上;當噴燈經過沉積微粒時,如果溫度足夠高,就可以把這些微粒熔化成透明的玻璃,這就是McvD的基本原理。在沉積纖芯疏鬆層前,通常先沉積數層與襯底管折射率一致的包層,用以阻擋襯底管中雜質離子擴散到纖芯中。然後,使用較低的溫度沉積出多孔的纖芯疏鬆層。沉積溫度需要足夠的低,以免疏鬆層被燒結;另外,沉積溫度也不能過低,否則,由於疏鬆層與管壁的結合力過小,導致在溶液浸泡過程中,疏鬆層脫落。纖芯疏鬆層的成分主要有5102、GeOZ一5102和PZOS一5102等三種形式,它們所要求的沉積溫度依次降低,而且它們的疏鬆網路結構、小孔尺寸分布情況也有著明顯的不同。當沉積完纖芯疏鬆層後,把襯底管從車床上取下,浸泡到含稀土離子的水或酒精溶液中。該溶液也可包含A13+等共摻物,這樣,鋁離子等共摻物隨之摻入到纖芯中,用以改善稀土摻雜光纖的性能。浸泡一個小時左右後取出,重新上到車床上。通clZ、He和02,在溫度900一1000℃進行脫水處理。此步驟是不可缺少的,否則,所製作的光纖將含有大量的輕基,它會減小餌粒子亞穩態的壽命,增加背景損耗等。然後,通He和02,在1500一1700℃下熔化疏鬆層。最後,在高溫2200℃下,把石英管縮成實心的預製棒。
3 摻餌微結構光纖的研究進展
微結構光纖的種類
空氣-石英微結構光纖(Air-silica microstructured fiber,ASMF)的典型特性是在石英包層中引入縱向均勻的空氣孔。由於微結構光纖具有獨特的光學特性,以及在光纖通信和光纖感測領域有著廣闊的套用前景,因而,引起了研究者的濃厚興趣。微結構光纖的種類繁多,若根據導光機理,可以分為三類:多孔光纖、孔輔助導光光纖和光子帶隙光纖。
多孔光纖(Holcyfiber,HF)的典型特性是在石英包層中引入周期性排列的空氣孔,使得包層的有效折射率低於纖芯處的折射率,因而光能夠被全反射機制限制在纖芯中傳播。1996年,英國南安普頓大學Knght等人研製第一根多孔光纖。
2003年,Tajima等人在ECOC會議上報導了日本NTT製備的多孔光纖在1550nm的損耗降低至0.28dB/km,在1380nm處的OH吸收峰值僅為o.4dB/km,與普通石英光纖的損耗基本相當。
孔輔助導光光纖(Hole-assisted lightguide fiber, HALF)是空氣一石英微結構光纖的一個重要的分支。孔輔助導光光纖這一名稱最早是由Hasegawa等人在OFcZool上提出的。其實,Eggleton等人在oFcZ000上所給出的“柏子',型微結構光纖也屬於HALF。孔輔助導光光纖是由高折射率的纖芯,低折射率的包層和少量的圍繞在纖芯周圍的空氣孔所組成。HALF與多孔光纖的區別是:HALF的空氣孔數目較少,通常為4,6或8個,而多孔光纖的空氣孔呈周期性分布,最常見的是三角型和蜂窩型分布,空氣孔的層數通常大於3層。由於HALF中的空氣孔僅有一層,空氣孔的導光能力較弱,僅起到輔助導光的作用。HALF具有大的反常色散值彎曲損耗小,與普通單模光纖熔接損耗小等特點。
光子帶隙光纖口(Photonic bandgap fiberPBF)實質上是一種二維光子晶體,包層中孔的排布滿足一定的周期性條件,從而在橫向上產生光子帶隙效應,頻率處在帶隙內的光波將不能沿橫向傳播。在纖芯處引入大空氣孔,使由包層二維周期性結構產生的光子帶隙在纖芯處形成缺陷。於是,頻率處在光子帶隙內的光波將被限制在光子晶體缺陷內,而頻率處在光子帶隙外的光波將不受包層橫向光子帶隙效應的限制,在任意方向上都可以傳播,這就使得光子帶隙外的光波能量在沿光纖傳輸很短距離後因橫向泄漏而損失掉,從而實現了光限制在低折射率纖芯中沿軸向的傳輸。1998年knighi等製造出第一根具有蜂窩型空氣孔排列的光子帶隙光纖。光子帶隙光纖對空氣孔的排列要求嚴格,製作難度大。
關於無源微結構光纖的研究報導眾多,但有源微結構光纖研究仍處於起步階段。1999年,英國巴斯(Bath)大學的Cregan等人首次把餌粒子引入到多孔光纖的纖芯區域,揭開了稀土摻雜微結構光纖的研究序幕。
4 摻餌微結構光纖的研製
2003年,英國南安普敦大學光電研究中心成功地拉制出摻餌多孔光纖。他們首先採用McvD法結合溶液摻雜技術製作出摻餌光纖預製棒;接著,使用超音波打孔法取出摻餌芯子,仔細的拋光,形成一根具有良好表面光學特性的摻餌細棒;然後,把這根摻餌細棒插入到由八層毛細管堆積起來的預製棒的中心。經過脫水處理後,拉絲得到摻餌多孔光纖。該光纖的空氣孔的周期和直徑分別為2μm和1μm;餌粒子被限制在直徑約為lμm的中心區域,摻雜濃度1000ppm;纖芯共摻鋁,數值孔徑為0.14。摻餌多孔光纖的纖芯直徑過小,若直接與普通單模光纖熔接,必然導致較大的接續損耗值,因而,需要高數值孔徑光纖作為橋接光纖來連線摻餌多孔光纖和普通單模光纖,這樣,總的熔接損耗可以減小到1dB以下。他們使用長度為2.5m摻餌多孔光纖製作C波段放大器,在波長1533nm處的增益效率達到8.61dB/mw,另外,他們製作的摻餌多孔光纖雷射器的閡值僅為0.55mw,斜率效率為57.30,0。
5 摻餌微結構光纖的理論研究
為了清楚而全面的了解具有不同結構和參量的摻餌微結構光纖及其放大器的各種特性,理論分析是非常必要的。
Hougaard等採用平面波法結合基於龍格一庫塔法的疊代過程數值研究了摻餌多孔光纖放大器的性能,但沒有考慮到摻餌多孔光纖的截止波長、模場直徑和與普通單模的熔接損耗等。Cucinotta等採用有限元法結合基於龍格一庫塔法的疊代過程數值分析了摻餌多孔光纖放大器的特性,但她認為摻餌多孔光纖中摻餌區域的折射率是與石英包層的折射率相同的。但在實際的摻餌多孔光纖製作中,通常需要共摻A1203等使得放大器的增益譜平坦化,而A1203會使得纖芯區域的折射率高於石英包層的折射率,因而,摻餌多孔光纖纖芯區域的折射率不再與石英包層的折射率相同,這樣,摻餌多孔光纖不再具有無窮無盡單模特性,與純石英芯多孔光纖的特性有著重大的差別。
Prudenzano理論分析了摻餌孔輔助導光光纖放大器的特性,但沒有詳細的研究光纖的各結構參量對摻餌孔輔助導光光纖放大器性能的影響;D'orazio等僅研究了空氣孔數目對摻餌孔輔助導光光纖放大器性能的影響。他們都是採用基於龍格一庫塔法的疊代過程來數值求解關於摻餌光纖中光功率傳播的非線性積分一微分方程,此方法的缺點是在考慮寬頻的放大自發輻射時會大大增加方程組的維數,計算量大,而且存在不易收斂的問題。由於此方法計算耗時長,因而,難以用來最佳化摻餌孔輔助導光光纖的結構參量。
另外,Cucinotta等還數值分析了中心為空氣孔的摻餌微結構光纖的特性,但此種光纖基模的模場分布和普通單模光纖的有著重大的區別,兩者也難於熔接,無法實用化。Li等採用平面波法和基於龍格一庫塔法的疊代過程數值研究了摻餌光子帶隙光纖,但此種光纖的摻餌區域需要摻雜大量的氟,給實際製作帶來較大的困難。
摻餌微結構光纖作為一種新型結構的摻餌光纖,有必要知道各結構參量對光纖的一些基本特性的影響,以及對所製作的光纖放大器性能的影響;同時,有必要最佳化設計光纖的各結構參量,從而使得所製作的摻餌微結構光纖放大器的性能達到最佳。本論文的第三章將系統深入研究摻餌孔輔助導光光纖和摻餌多孔光纖的特性,並最佳化它們的結構參量,為實際的光纖製作提供理論指導。
