稀土摻雜光纖

稀土摻雜光纖不僅能用於光信號的放大,還能用於製作光纖雷射器和光纖感測器等光纖器件。同時基於稀土摻雜的各種光纖器件以及光電子器件的套用也從光纖通信延伸到感測、醫療、材料加工以及國防等領域。

基本介紹

• 中文名：稀土摻雜光纖
• 外文名：rare-earthdoped fiber

1背景介紹

自從英籍華裔學者高錕在1966年指出利了用光導纖維進行信息傳輸的可能性,光纖的製作及套用至今仍然是相關領域研究的熱點。1970年,美國製作出全球第一條損耗低於20 dB/km的光纖,這成為了光纖能夠真正套用於信息傳輸的里程碑。1987年,英國南安普頓大學在多次研製摻銀光纖(EDF: Erbium Doped Fiber)的基礎上,首先製造出了工作在1.54 mn的摻鉺光纖放大器(EDFA: Erbium Doped Fiber Ainplifier),EDFA的發明使得長距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能。

除了光纖損耗以外,光纖中的非線性以及光纖色散等效應也嚴重製約了光纖通信向更高速率、更大容量和更長距離方向的發展。現在的商用光纖的損耗已經降到很低的水平,並且各種光放大器也解決了長距離傳輸中信號中繼的問題。對於光纖色散,傳統的光纖色散分段補償技術,在數據傳輸率超100 Gb/s時,對整個系統的色散補償難以精確實現。而光正交頻分復用(0-0FDM: Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing)具有優良的抗色散能力,近些年成為了光通信研究的熱點。從1996年開始,有少量的工作將OFDM套用到光通信領域。但直到2001年,研究人員才認識到OFDM在光通信中抗色散的價值。隨後的0-0FDM技術發展迅猛:2008年,澳大利亞墨爾本大學實現了在1000 km長度的普通單模光纖中傳輸107 Gb/s的高速信號;2009年,墨爾本大學實現了 1 Tb/s相干的光OFDM (CO-OFDM: Coherent Optical OFDM)系統,在單模光纖上傳輸了 600在2012年的最新報導中,NEC美國實驗室結合密接波分復用技術(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing),實現了單模光纖傳輸距離為 165 km 的 101.7 Tb/sOFDM系統,在實驗中採用了偏振復用以及128正交幅度調製。儘管如此,0-0FDM系統也有其亟需解決的問題。對於超100 Gb/s的高速光通信系統,常釆用更密集的光載波和較高階的高階光調製來獲得更高的系統容量。由於更密集的光載波意味著需要的光功率越大,從而帶來更大的非線性損傷,並且超100 Gb/s系統的非線性損傷對系統性能的影響較低速系統更為嚴重。如為減小非線性損傷而降低每個載波的光功率,那么對於同樣的光纖鏈路超100 Gb/s系統所能達到光信噪比(OSNR:Optical Signal Noise Ratio)會降低,無電中繼傳輸距離會被縮短,從而不能滿足超長距離傳輸的套用要求。在保證輸入光功率不變的前提下,為了減小光纖中非線性效應的影響,必須增大光纖的有效模場面積。使用具有大芯徑的多模光纖可以達到增大模場面積的效果,但是多模光纖存在模間色散,其衰減也比單模光纖大，不利於實現長距離的光傳輸。近期基於多模或少模光纖的0-0FDM的文獻報導,給出的傳輸距離從幾百米到幾公里不等都不足以實現長距離傳輸。因此必須通過合理的設計,降低整個芯區的有效折射率來獲得大的有效模場面積,同時保證光纖在工作波長為單模運轉,這在介紹大模場面積摻銀光纖時將詳細說明。

特種光纖不僅在光通信領域發揮著巨大的作用,在其他相關領域,稀土摻雜特種光纖也扮演了重要的角色。隨著工藝的進步,稀土摻雜光纖在近些年得到了很大的發展。除了常用的將Er3+作為摻雜劑,其他的稀土離子,如Yb3、Tm3、Ho3+、Nd3+、Pr3+、Eu3+等,也都被當做摻雜劑製作成了稀土摻雜特種光纖。這些稀土摻雜光纖不僅能用於光信號的放大,還能用於製作光纖雷射器和光纖感測器等光纖器件。同時基於稀土摻雜的各種光纖器件以及光電子器件的套用也從光纖通信延伸到感測、醫療、材料加工以及國防等領域。

實際上不僅不同的稀土摻雜元素能夠提供光纖新的特性,即使對於一種特定的稀土摻雜光纖,只要通過新型的幾何設計或者共摻入其他非稀土元素,也能帶來許多新的特性和套用。就本實驗室最常研製的EDF來說,有許多基於其改進的新的光纖:保偏摻輯光纖(PMEDF: Polarization-Maintaining EDF)、光敏摻光纖(Photosensitive)保偏光敏摻銀光纖(PMPEDF: PM and Photosensitive EDF)、微結構摻輯光纖(Microstructured EDF)、雙包層摻銀光纖(DC-EDF:Double-Clad)大模場面積摻輯光纖(LMA-EDF: Large-Mode-Field -AreaEDF)、雙芯摻銀光纖(TC-EDF: Twin-Core)等來用於特殊的需求。

2 稀土摻雜光纖製作的工藝

稀土摻雜光纖的製作與普通光纖的製作相比,除了都同樣需要進行沉積外,還需要進行“摻雜”的操作。目前的沉積方法有外部氣相沉積法(OVD: Outside Vapour Deposition)、軸向氣相沉積法(VAD: Vapour Axial Deposit)改進的化學氣相沉積法(MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition)、等離子化學氣象沉積法(PCVD: Plasma Asisted Chmical Vapor Deposition)及直接納米粒子沉積法(DND: Direct Nanoparticle Deposition)[4i]。而摻雜方法按照摻雜物的形態可分為氣相摻雜和溶液摻雜兩大類。其中,MCVD法結合溶液慘雜技術由於其操作簡單、摻雜溶液濃度及組分容易控制,它也是最常用的稀土摻雜光纖製作方法。

在MCVD結合溶液摻雜的制棒過程中,影響光纖最終性能的好壞主要由疏鬆層的質量和摻雜操作來決定。之前有研究指出,反向沉積疏鬆層有利於摻雜濃度的提高。印度中央玻璃與陶瓷研究所的M. Pal等人指出採用反向沉積疏鬆層,比在1200~1300 °C時正向沉積疏鬆層製得的摻雜光纖要有較大的纖芯厚度,較高的數值孔徑以及較高的摻雜效率,並且提出了 “預燒結”更能保證疏鬆層質量。俄羅斯的V.F.Khopin等人對於最最佳化的預燒結的溫度和溶液浸泡的時間做了研究,並指出了由於酒精比水有較小的表面張力,因此用酒精作為溶劑會使完全浸透的時間變得更短。在文中給出的濃度範圍內,稀土離子在最終預製棒中的濃度與溶液中的濃度成正比。同為印度中央玻璃與陶瓷研究所的A.Dhar等人做了一系列的實驗,給出了很多有用的結論1)疏鬆層的厚度與沉積溫度和組分有關,Ge和P的摻入會減小沉積厚度,增大疏鬆孔,並且疏鬆層沉積溫度的降低增大了疏鬆孔面積相對於沉積面積的比值,從而導致摻鉺濃度的提高;2)摻雜溶液本身的組分和溶劑對光纖中輯離子的濃度都有影響,其中招離子濃度的提高會使輯離子濃度提高,酒精作為溶劑比水作為溶劑更有利於輯離子濃度的提高。澳大利亞悉尼大學光纖技術中心的F.Z. Tang等人對製作共摻輯、錦的光纖有著深入的研究,得到了如下的結論1)多次浸泡和熱處理的溶液摻雜法能夠有效的提高光纖預製棒中輯和銀的含量;2)對只摻輯/共摻銀、銀的的光纖預製棒分別進行測試,發現無論是鉺含量曲線還是預製棒折射率分布圖上都會在芯子的中心出現一個“凹陷”,而銀、鋁共摻的預製棒沒有這種情況;3)浸泡和熱處理的次數越多,提高鉺和鋁的含量。

在疏鬆層沉積前驅物確定的情況下,疏鬆層的質量只與沉積溫度有關,並且疏鬆層的好壞可以用疏鬆孔面積相對於沉積面積的比值這個參量來定量的衡量;摻雜溶液的組分對提高最終預製棒中鉺的存在量有著非常大的影響,尤其是鍋的加入對於輯濃度的提高尤為明顯,並且溶劑的選擇會影響溶液的滲透程度。稀土摻雜的機理主要停留在離子的吸附效應，在疏鬆層及摻雜溶液確定的情況下對摻雜機理的研究同樣有助於提高摻雜效率。由於疏鬆層實際上是一個多孔介質。

3稀土摻雜大模場面積單模光纖的研究

在世界範圍內,光纖雷射器的技術方案已經表現出全光纖結構的明顯趨向,這種光路全部由光纖和光纖元件構成的全光纖一體化雷射器,從雷射的產生到雷射的傳輸,全部在光纖環境中進行,從而表現出了眾多顯著的優越性,也使得人們對光纖雷射器提出更高功率的要求。

大功率的光纖雷射器會直接導致產生各種非線性現象,如受激拉曼散射(SRS: Stimulated Raman Scattering)、受激布里淵散射(SBS: Stimulated Brillouin Scattering)、自相位調製(SPM: Self-Phase Modulation)等,這些非線性制約光纖雷射器功率提高的最大因素。

光纖中的非線性效應主要與光纖中的光強及光纖有效長度有關。因此降低光纖中的非線性效應有兩條途徑,其一是減小光纖的有效長度,在光纖雷射器和放大器中就要求使用更短的摻雜光纖,這對摻雜光纖的放大性能提出了更高的要求;再有就是減小光纖中的光功率密度,要在不降低注入能量的前提下減小光強,光纖就必須提供更大的有效面積,以降低光纖中能量的集中程度。這一做法同時也有利於降低端面損傷和熱自聚焦等問題對光纖雷射器輸出功率的限制。如果靠增大纖芯直徑的方法來增大光纖模場直徑,那么為了讓光纖還能繼續在大於原來的截止波長的條件下單模運轉,就必須要相應的減小纖芯的折射率差否則,光纖很有可能會在工作波長上變為多模運轉。很多的商用稀土摻雜光纖通過增加纖芯尺寸來增大有效面積,從而放棄了單模運轉條件。具有大芯徑、低數值孔徑的少模或多模摻雜光纖,可以結合選模技術構造的單模運轉光纖雷射。但是這樣的雷射器結構既增加了系統的複雜程度和成本,又降低了可靠性;同時多模光纖本身也存在有穩定性方面的隱患。為了獲得結構緊湊、穩定性高的大功率單模光纖雷射器,各種實現LMA稀土摻雜單模光纖的理論和方法仍是研究熱點。

降低纖芯的射率差以實現儘可能小的數值孔徑的方法能夠在一定程度上增大模場面積,英國南安普頓大學光電子研究中心的D.J.Richardson等人在1997年報導了具有310um模場面積的EDF,其NA低至0.066。這樣低的NA也是目前工藝所能達到的極限,並且這樣的光纖抗彎損性能會比較差,實際套用潛力不大。因此只是按照傳統的方法,簡單減小NA的方法遇到了瓶頸。在光子晶體光纖(PCF: Photonic Crystal Fiber)的研究興起之後,純石英的光子晶體光纖能夠具有無盡單模(Endless Single Mode)特性,為大模場面積單模光纖提供了新的研究方向,一些研究成果已經在相關文獻上報導過。但是基於光子晶體的LMA稀土摻雜單模光纖的製作也有不足:1)光子晶體光纖的製作本身就是工藝難點,難以保證製作的穩定性和重複性;2)由於高濃度稀土慘雜光纖預製棒的纖芯折射率會高於純石英的折射率,利用現有的降低折射率的技術很難降低到純石英的水平,這使得最終的光纖不能實現無盡單模,進而影響到光纖的大模場性能。除此之外,史丹福大學的A. E. Siegman在2003年提出了一種新的概念 增益導引光纖,與傳統階躍光纖不同的是這種光纖纖芯的折射率比包層的折射率小,傳統的全內反射理論在這種光纖中不再適用。理論分析表明,釆用增益導引效應,可實現芯徑百微米量級的單模大模場光纖。一些基於這種理論的增益導引折射率反導引(GG-IAG: Gain-Guided, Index-AntiGuided Fiber)光纖雷射器也己經有報導。但是這種光纖的模式特性不僅與光纖的芯徑、波長、包層折射率和芯包層折射率差有關,還與增益因子有關,這一特性與粟浦能量等因素的顯著影響,難以保證光纖使用的穩定性。另外,香港城市大學的K. Chiang和V. Rastogi在2002年提出了瓣狀光纖(SCF: Segmented Cladding Fiber)來增大纖芯的有效面積,它的纖芯由高折射率材料組成,包層由高折射率材料瓣與低折射率材料瓣交替組成。但是這種光纖的製作都依賴於聚合物材料,不適用於普通光纖的製作設備,並且會引入不必要的損耗,因此不具備製作商用大功率光纖雷射器的能力。這些新型結構的光纖雖然確實能增大光纖的有效模場面積,但是在工藝和具體套用上都存在實用化的問題。