（通信与信息系统专业论文）稀土掺杂光纤的研制.pdf

北京交通大学博士论文 摘要 摘要 掺铒光纤放大器是光纤通信中极其重要的器件之一，目前的研究热点是多种 元素共掺的高浓度掺铒光纤，既能抑制铒离子的浓度猝灭、又能极大地提高铒离 子的浓度。随着包层泵浦技术的发展，用于大功率激光器的掺镱包层泵浦光纤成 为当前研究的热点之一。本论文在这两个方面进行了深入、系统的研究。我们实 验室自行研制了一整套的制棒、拉丝设备，在8 6 3 项目“稀土掺杂光纤” ( 2 0 0 l a a 3 1 2 2 3 0 ) 和“新型特种光纤( a 类) ”( 2 0 0 2 a a 3 1 2 1 9 0 ) 的支持下，进行了多 种稀土掺杂光纤的研制，包括：铝共掺的掺铒光纤、高浓度掺铒光纤和掺镱包层 泵浦光纤等。 取得了如下研究成果： 1 采用新型的电炉环形加热的改进型化学气相沉积( m c v d ) 法结合溶液掺杂技 术成功地制作出了可以实用化的掺铒光纤。对铝共掺的掺铒光纤的吸收谱、 折射率及掺铒光纤放大器的自发辐射谱、增益特性和噪声指数等进行了系统 的研究；发现铝离子的掺入能够改变纤芯中的二氧化锗含量，从而影响掺铒 光纤的数值孔径。 2 试制出了镁铝共掺的石英基高浓度掺铒光纤，通过工艺摸索和掺铒光纤放大 器( e d f a ) 增益特性等的研究，得到了合适的镁铝浓度配比，1 5 3 0 i l i n 处的吸 收系数达到了1 4 d b m ，cb a l l de d f a 的铒纤长度降至6 米，掺铒光纤的铒 离子浓度得到了较大的提高，同时具有优异的增益特性。 3 试制了铋镓铝共掺的石英基高浓度掺铒光纤，经查新尚未见这种高浓度掺铒 光纤的报道。此种光纤在1 5 3 0 m 处的吸收系数达到2 8 5 d b m ，利用此光纤 制作的cb a i l de d f a 在1 5 5 0 m 处的小信号增益达到了3 0 d b ，掺铒光纤的 长度缩短了1 0 倍左右。 4 理论研究了多层环形折射率分布的大模场面积光纤，采用这种结构的光纤模 场面积可以超过1 0 0 0 ，肋2 ，可满足激光波长处的单模条件。 5 研制出了具有很高吸收系数的掺镱光纤，9 1 4 m 处的吸收系数达到1 7 3 d b m ， 9 7 6 m 处的吸收系数达到了4 2 l d b m 。试制了一种具有三角形内包层、含有 大空气孔外包层的掺镱包层泵浦光纤。研究了包层泵浦光纤预制棒制作和拉 丝的工艺，掌握了制作工艺的关键技术，成功制作出了几种特殊形状的包层 泵浦光纤。 关键词：光纤通信； 稀土掺杂光纤；掺铒光纤：高浓度：掺镱包层泵浦光纤 光纤制造 北京交通大学博士论文 摘要 a b s t r a c t e r b i u m d o p e d 丘b e ra m p l m e r ( e d f a ) i sak e yc o m p o n e n ti no p t i c a lf i b e r c o n u n u n i c 撕o ns y s t e m n o wh i 曲c o n c e m r a t i o ne r b i u m d o p e d 舳e ri sd e v e l o p i n g r a p i d l y c o d o p i n g 谢t ho m e re l e m e n t st o i n c r e a s et l l ee r b i 啪c o n c e n 仃a t i o na n d i n h i b i tp a i ri n d u c e dq u e n c h i n gi ss n l d i e ds y s t e m a t i c a l l ya 1 1 dd e e p l yi nm i sd i s s e r t a t i o n w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc l a d d i n gp u m pt e c h n o l o g y ，y t t e r b i u m - d o p e dc l a d d i n g p i l i i l p e d 助e rf o rh i 曲p o w e r1 a s e r sh a s 撇a c t e d 铲e a ti n t e r e s t t l l i sd i s s e n a t i o ni s c a i t i e d0 u tb a s e do nt 1 1 e s ed e v e l o p i n g 仃e n d sa n dt l l en a t i o n a l8 6 31 1 i g ht e c l l i l o l o g y p r o j e c t s ，“r a r ee a n l ld o p e df i b e r ( 2 0 0 1 a a 31 2 2 3 0 ) ”a n d “n e w1 卯es p e c i a lo p t i c a l f i b e r s ( 2 0 0 2 a a 31 2 1 9 0 ) ” s o m er a r ee a n hd o p e d 舫e r sa r es m d i e da j l df a b r i c a t e d t h e s er a r ee a n l ld 叩e d 助e r si 1 1 c l u d ec o n v e n t i o n a la l l l i n i n 哪c o - d o p e de r b i 啪d 叩e d 舶e r s ( e d f s ) ，h 碘 c o n c e n 廿瞰i o ne d f sa i l d 州e r b i u md o p e dc l a d d i n gp u m p e d 曲e r s t h es p e c t r o s c o p i c c h a r 姗i s t i c so f 也e s e 矗b e t s 缸ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h em a i na c h j e v e m e n t so f t l l i sd i s s e n a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep m c t i c a lc o n v e n t i o n a le d fi ss u c c e s s 允l l yf 曲r i c a t e db yn e wf u m a c er o l m d h e a t i n gm o d m e dc h 唧i c a lv a p o rd e p o s i c i o n ( m c v d ) m e t l l o dc o m b i n e d 丽t h s o l u t i o nd o p i n gt e c l l i l i q u e 1 kc h a r a c t e r i s t i c so fa l 啪i 姗mc o d o p e de d f sa r e i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a j l ya n dd e e p l y w bf i n dt h a ta l u m i n 啪c o n c e n 仃a t i o nc a i l c h a n g e 也ec o n c e n t r a t i o no fg e 蛐a n i u i no x i d ei nt h ec o r eb e s i d e si n c r e a s i n g e r b i u mi o n sc o n c e n t r a t i o na n di m p r o v i n gg a i ns p e c t n l n l t h a tc a i lc h a r l g et l l e n l l i n e r i c a la p e n l l r e ( n a ) o f e d f s 2 t h em a g n e s i 啪( m 曲觚da l u l i l i n 啪( a 1 ) c o d o p e ds i l i c a t eh o s th i 曲 c o n c e n 仃a t i o ne d fi s p r o p o s e d a 1 1 d i n v e s t i g a t e d w e g e t t 1 1 e o 埘m a l c o n c e i l 仃a t i o no fm a g n e s i u m 锄da l u m i n u mb yt h es p e c t r d s c o p i cs t u d i e sa 1 1 dg a i n m e a s u r e m e n to f 龇e d f a s t h ea b s o r p t i o nc o e 伍c i e n ti s1 4 d b ma tw a v e l e n g t l l l5 3 0 1 1 i n ，a 1 1 dt h en b e rl e n 垂hi ss i xm e t e r si nc - b a i l de d f a t h i sm g a l c o d o p e de d f c a l li n c r e a s em ee r b i 啪i o n sc o n c e n t r a t i o i la n d 恤e d f am a d e o f t h i sm g - a lc o - d o p e de d fh a se x c e l l e n tg a i np e r f o n n a n c e 3 t h eb i s m u t h - g a i l i u m - a l m i n u m ( b i - g a a 1 )c o d o p e d s i l i c a t eh o s t l l i g h c o n c e n t r a t i o ne d fi si n v e s t i g a t e d t h ea b s o 单t i o nc o e m c i e n ti s2 8 5 d b ma t w a v e l e n g t l i1 5 3 0 蛳t h ee r b i u mi o n sc o n c e m r a t i o ni n c r e a s e sd r a n l a t i c a l l y t h e b i g a a lc o - d o p e dh i g hc o n c e n t 瑚t i o ne d fh a sg o o dg a i np e r f o m l a n c e a n di t c a nd e c r e a s et l l ee d f1 e n g mt oo n et c r i t l lo fc o n v e n t i o n a le d f a i i 北京交通大学博士论文 摘要 4 m u l t i p l a y e r 锄u l a ri n d e xp r o 矗l ef i b e rc o r et or e a l i z et h el a r g em o d ea r e a ( l m a ) f i b c ri sp r e s e n t e da n ds t u d i e dt l l e o r e t i c a i l y u s i n gt h ed e s i g n ，m em o d ea r e ao f 肋e rc a ne x c e e d1 0 0 0 胛2 a n da t 龇s 锄et i m et h e 助e ri s s i n g i em o d e o p e r a t i o nu n d e rl a s c rw a v e l e n g t h 5 y b d o p e df i b e r 嘶t l l1 1 i g ha b s o r p t i o ni sf 曲r i c a t e d ；t 1 1 ea b s o r p t i o nc o e 街c i e n t sa r e 1 7 3 d b ma t9 1 4 i l i na n d4 2 1 d b ma t9 7 6 啪y bd o p e dc l a d d i n gp 啪p e d 舶e r 、 ，i mt h et r i a n g u l a ri i l n e rc l a d d i i l g 孤dl a 唱eh o l e so u t e rc l a d d i i l gi sf a b r i c a t e d w e h a v ei n v e s t i g a t e dt 1 1 ef a b r i c a 石o np r o c e s so fc l a d d i n gp u m p e dp e r f o h na n df i b e r d r a l v n n gp r o c e s s ，翘da c ：i l i e v e ds o m ek e yt e c l h l i q u e s s o m ec l a d d i n gp u m p e d 肋e r s 、v i t hs p c c i a ls h 印e sa r es u c c e s s 如1 l yf 如r i c a t e d 1 ( e yw o r d s ： f i b e r0 p t i c a lc o 岫1 1 1 1 i c a t i o n ，r a r ee a n hd o p e df i b e r ，e r b i 啪d o p e d f i b e r h i g l lc o n c e 嘶a t i o n ，y n e r b i u md o p e dc l a d d i n gp 啪p e df i b e r ，f i b e r f a b r i c a t i o n i i i 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 稀土掺杂光纤领域是当统酊氧虿一焰加热阴鉴囊i 霸黹佳溽瑚澎箐怖瑙潲童 涝臻渤留啷。m 蟹垦至也萎莹尊鉴耩i 揣褊等舾酣抓；羹蓄黎态捌恬磐蕴甚措篱 些蓁芒野e 霾毪 拱蠹掣霉萋公司理誉，l ；蕾j 孵姐琶藐睡u 谚秘拍酸燮矗 器孺守囊蛸骈甑姐i 妻藩睦羹? ，囊攀i 谢堰倒港嘴穗兰嗵翌灌峰垲峪i 蒯翳鼢翳朝蟊光 纤的示意图见图1 1 。 根超纯石英管被装载于一台装有氢氧喷灯的玻璃车床上，反应物( s i c l 4 、g e c l 4 、 p o c l 3 、s f 6 等) 和氧气从石英管的一端进入管中，在喷灯提供的高温下反应，在 喷灯的下游生成烟灰状二氧化硅和其他氧化物的亚微米颗粒，并沉积于石英管的 内壁上，这是人们熟知的热迁移现象。当喷灯经过沉积物时，它们就凝固为固态 的玻璃。通常在沉积包层时，采用通s i c l 4 、p o c l 3、s f 6 和0 2 沉积匹配型包层， 一方面可以降低沉积温度，防止沉积管变形；另一方面可以 提高沉积效率。通过 调节p 0 c 1 3 、s f 6 的比例来调节匹配型阻挡层的折射率使之与纯s i 0 2 的外沉积管 折射率保持一致。沉积完阻挡层，就开始沉积芯层，通过改变s i c l 4 、g e c l 4 的比 例，可以实现所要求的折射率。沉积完纤芯之后，在更高的温度和更慢的速度下 利用石英的表面张力进行塌缩，经过数次塌缩过程最终得到一根实心的光纤预制 棒。为了使包层和纤芯的直径满足设计的要求，通常需要再进行套管过程，选择 尺寸合适的高纯度石英外套管，同样通过m c v d 车床，利用氢氧焰将外套管塌 缩，使之与原先的预制棒合在一起。然后，拉丝得到光纤，图1 2 ( a ) 为光纤拉丝 示意图，图1 2 ( b ) 为我们实验室的t d l - 8 s a 特种光纤拉丝塔。 s i c l n s f 6 和 图1 1 ( a ) m c v d 沉积过程示意图 纤芯一 尾 x 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 杂光纤，使用这种方法时沉积温度不能太高，不让芯层完全熔化，以便作迸一步 的脱水处理。通常这种方法得到的稀土离子浓度由于受到了稀土氯化物蒸汽气压 小的影响，得到的稀土掺杂光纤属于低掺杂类型的。 有人对上述方法做了改进f 8 】，将装稀土氯化物的腔体去掉，用己注入了稀土 盐类的石英海绵体来代替，见图1 4 。这种方法具有很好的重复性，适合制作具 有超低铒离子浓度的分布式光纤放大器所用的光纤 9 】。 图1 4 利用石英海绵体的气相稀 土掺杂技术示意图嘲 图1 5 一种能同时掺铝的气相稀土 掺杂技术示意图【1 0 】 此后人们又发明了一种能同时掺铝的汽相技术【1 0 】，见圈1 5 ，它将a 1 2 c 1 6 通过 加热管通入反应区，与氧气反应生成a 1 2 0 3 ，来改进掺铒光纤的性能。 1 2 2 溶液掺杂技术 溶液掺杂技术即湿法掺杂，又称为液相技术，s t o n e 和b u m s 在1 9 7 3 年用 此法制作稀土掺杂的石英基光纾波导【1 1 】，当时制作出了掺钕的石英玻璃光纤。 j e t o w n s e n d 和s b p o o l e 等人在1 9 8 7 采用溶液掺杂技术制作出了掺铒单模光纤 5 】，此后这种方法开始受到重视，弗得到了广泛的应用。采用这种技术可以大 大提商稀土离子的掺杂浓度，同时其他共掺物如三氧化二铝等可以通过溶液很容 易地一起掺入到光纤中。目前，大部分稀土掺杂光纤都是通过这种方法制得的， 这种方法的具体过程见图1 6 。 饕 霹如蚕誉堋 稍确砷b i 铀 一 图1 6 ( a ) m c v d 沉积包层和疏松层 图1 6 r b l 溶液浸泡过程 鸶 雾高奄 q 篡量鼍皇孽寓嘲竺叨粤奠囊臣= = 蓄 一锄一 。w ? 首先采用标准的m c v d 法在沉积管内沉积阻挡层，再用更低的温度沉积具 4 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 有多孔的纤芯疏松层，然后将带有疏松层的石英管浸泡到稀土盐溶液中。稀土盐 溶液用高纯的稀土氯化物和去离子水配制，也可以用乙醇溶液配制。所有的稀土 离子和共掺物离子都通过溶液进入多孔的疏松层，将带有疏松层的石英管在溶液 中浸泡一定时间后取出来，重新上到m c v d 车床上，进行脱水处理，然后先将 疏松层熔化成玻璃，接下来的过程与标准的m c v d 一致，进行缩棒和套管，最 后拉丝得到稀土掺杂光纤。 m c v d 结合溶液掺杂技术制作稀土掺杂光纤的关键是沉积疏松层时的温 度。温度过高则疏松层很致密，能够掺进去的稀土离子和其他的共掺物离子就很 少；温度过低，则由于疏松层与管壁的附着力差，在浸泡过程中疏松层容易局部 脱离，甚至整体脱离。因此 x 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 ( a ) 霎鬻粕夔遁妻纛鬻舅裂 ；萎爷茜尝掣弹惑# 赢掣 鋈；? ：磐c 掣葑孚阮氯兰k 憨零 酮麓筠港圭 崔一峰壤慌濑渤臻薹赢崩￥在妊冶庠；天击竖籍鲁篓霁醒 i 鬟丑眺喜藩聋矗曜逸塑孝加；掣牦沁巍赫赫坤辞锌酴戮；褐珏蒿瓣臻錾 铃邕。型0 矗篓堑曲0 骥萃甭瞻塑葶z 裂辈套戮丽r 二霎基嚣鞫跫娶；萋蘸臻餮 兹辞洋茼i0 雹隧幽湖姜最 终跃迁回 4 k ，在整个过程中，有一个铒离子猝灭，造成部分能量损失。在铒离子成团 的情况下，由于成对激发态铒离子之间就很快地发生猝灭，因此每一团铒离子中 只可能有一个铒离子在激发态。在纯石英基的玻璃网络中，铒离子不发生严重上 转换的浓度上限就是1 0 0 p p m 左右c ， 。 爿 超三 s t t t c o n 。 o x y g e n 图2 3 硅氧四面体网络结构图24 石英玻璃结构模型( 二维) 一 螗 = = = _ = = 】 1 ”m _ = = ：= = 二= ：| i m 二| 口 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 包层的主要作用是实现低数值孔径的大模场面积光纤，这种结构已经不是真正的 包层泵浦结构，泵浦光只能集中于纤芯区域，无法采用很凑嚣沼燃臻嘭丁j烈菇 l 篓嘞m 羹秘辑型砼筇胡粪豺鞠挫蜊性玎羁啭满鞴嗣溺藩瀚一嘞第鞘崖勰i 捌 晦孺淘m渤i嚣爿缝蕊涩显蔫嘿豫嶙滋。怨咝溪耀增湾麓嗡灌逡馓攫州戳樊裂型梵烈鲻烈瓢；毒搿躇婴研 制过程中， 由于掺碱金属氧化物后，非桥接氧数目大大提高，石英玻璃结构将由高聚合 态转向低聚合态，低聚合态数目的增加使得石英玻璃容易析晶而不易形成玻 璃。因此，我们不断地试验确定最佳恒强臣酗兄! 啸匀壤溶铆墨m 磊前幅粥j 的难题茵茈采j 用这些垂厦材料创作两鉴檬蹙饵光j 蟹浩罹啄理疆莆囊i 暂基 甄鞘餐；凿 劫酾! 凄喹塑蓄鋈群鞘彭魏酾醒目栳豁豺秘糖钥影信系统中得到 应用。 冀鑫 图：s c 曲掺铒的磷酸盐玻璃结 构，m ：网络改进剂离子 图2 6 ( b ) 碲酸盐玻璃结构，q “。：其中m 为所有氧原子，n为非桥接氧原子 由于在光纤通信系统中，几乎所有的光纤都是石英基的，石英基的掺铒光纤 具有兼容性好、熔接损耗小、抗热性能好等优点得到了广泛的应用。我们希望既 能提高铒离子的浓度，又能保持石英光纤的优点。因此，我们的研究重点就是在 石英基光纤的基础上，掺入一些组分来改善玻璃的结构，提高铒离子的掺杂浓度。 a 石英基光纤中掺入碱金属氧化物 要在石英基玻璃结构中掺入更多的具有大离子直径的稀土离子，必须改变图 2 4 所示的石英玻璃结构，需要使它变得更松散，具有更多的非桥接氧。为此经 常通过引入碱金属或碱土金属的氧化物实现。由于碱金属和碱土金属的氧化物r o 键( r 为碱金属或碱土金属离子) 以离子键为主，当在石英中引入r 2 0 或r 0 时，由于r 一0 键的键强比s i o 键弱得多。因此s i 4 + 能把r o 键上的氧离子 吸引到自己周围。使石英结构中的桥接氧断裂，形成非桥接氧，图2 7 为加入碱 金属氧化物之后的硅酸盐玻璃结构。这些碱金属和碱土金属氧化物由于不能单独 形成玻璃，但能使 x 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 9 9 l 一1 0 0 7 ，a u g u s t1 9 9 7 2 2 】h o n o ，m y 锄a d a ，a 1 1 dy 0 h i s h i ，“g a i n - n a n e n e de r 3 + d 叩e d 肋e r 啪p l i n e rf o raw d m s i g n a li nt h e1 5 7 - 1 6 0 u mw a v e l e n g t hr c g i o n ，”皿j 髓p d 如n 缸s 弛c h o 如厶 r 膪隅v 0 1 9 ，p p 5 9 6 - 5 9 8 ，m a y1 9 9 7 【2 3 】1 0 a is o n g ；p r e m a r a t n e ，m ；“e f k c t so f s p m ，x p m ，a n df o u r - w a v e m i x i n gi nl b 柏de d f a s o nn b e r o p t i cs i g l l a lt r a n s m i s s i o n ，”脚砌。枷妇n 拍 d 如上8 舵坩，v 0 1 1 2 ，n o 1 2 ，p p l 6 3 0 1 6 3 2 2 0 0 0 2 4 】l i u ，y ；b u r s e v ，s ；t s u d a ，s ；h e g a r l y ，s p m o z d y ，r s ；h e i n p s t e a d ，m ；l u t h e r g g ； s m a n ，r g ； “f o u r _ w a v em i x i n gi ne d f a s ”e k c 印d f c s 三e 坶，v 0 1 3 5 ，p p 2 1 3 0 2 1 3 l ， 1 9 9 9 ： 2 5 g w i l s o n ，j 一m p d e l a v a l l ) ( ，a s t e n t z ，i ，r y a z a n s k y ，r w i n d e i e r ，m f i s h t e y n ，a 1 1 dc m c i n t o s h ，“l o w - n o i s el w a ne r _ y bn b e r 锄p l i 船rf o rc a t vd i s t r i b u t i o ni nh f ca i l df 1 - c 剐啦e m s ? j 讯o p f i c mf i b e rc o m m 研i c o t i o 船c o 咖r e 眦e ，t e c h h i c 积d i g e s ts e r i e sc o n 忙r e n c e e 硪幻nn 池矿p 印e rf d l ，p p 5 8 6 0 ，m a r c h l 0 ，2 0 0 0 2 6 】e s n i t 髓re ta 1 ，“d o u b l e - c l a do 凰e tc o r en dn b e rl e l ”d p f f c 耐n 6 e rc 。m m 堋缸口r f d h 死c h 把口，d 辔e 盯p d j d 鲥w 如h i n 昏o n d c ，1 9 8 8 f 2 7 】m s 甜e r l u n d ，s t 啪m e hp p 岫o n e n ，m l e p p i l l a l m e ，n p c y g h 锄b a r i a l l ，“a m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o ni nc l a d d i n g p 岫p e dl - b a i l de r b i 姗- d o p e df i b e ra m p l i n e 吖上e 舾 p o f d h 蛔弪c 加d f d 工p 舵强v 0 1 1 3 ，p p 2 2 - 2 4 ，j a i l u a r y2 0 0 l 【2 8 d k o u z r i e t s o va n dj v m o l o n e y ，“e m c i e n c yo f p u f n pa b s o r p o ni nd o u b l e c l a da m p l m e r s 1 i b r o k e nc i r c u l a rs y m m e t r y ，”j ：印ts b c 彳m 噩v 0 1 1 9 ，p p 1 2 5 9 一1 2 6 3 ( 2 0 0 2 ) 2 9 】d k o u 丑1 e t s o va n dj v m o l o f l e y ，“e m c i e n c yo f p u m pa b s o r p t i o ni nd o u b l e c l a d 砌p l i f l e r s i i i c a l c u l a t i o no f m o d e s ， j ：印t 肋c 彳m 且v 0 1 1 9 ，p p 1 3 0 4 1 3 0 9 ( 2 0 0 2 ) 【3 0 】g o v i n dp a g n w a l 著，贾东方，余震虹等译，“非线性光纤光学原理与应用”，2 0 0 2 【3 l 】p a v e lp o l y l l i c i n ，v a l e r yt 色m y a i l k o ，m 私u dm 醐s l l r i p u r ，a 1 1 dn p e y g h 锄b a r i 柚， “e m c i e n t 蛐ds c a l a b l es i d ep 啪p i n gs c h e m ef o rs h o r th i g h - p o w e ro p 娃c a lf i b e rl 蝎e r s 姐da m p l i f i e 抟，” ，e 髓朋d f o ”蛔乃c 砌o f o 罟y 三p f 招hv o i 1 6 ，p p 2 0 2 4 2 0 2 6 ，s e p t e m b e r2 0 0 4 3 2 】e s n i t z e r ，“p r 叩o s e df i b e rc a v i t i e sf o ro p t i c a lm 嬲e r s ，”j 却t p 坶v 0 1 3 2 ，p p j 3 6 3 9 ，1 9 6 1 3 3 】s b p o o l e ，d n p a y n e ，a n dm e f e r m 锄n ，“f a b r i c a t i o no f l o wl o s so p 廿c a l 助r e sc o n t a i n i n gm r e e 枷li o n s ”，占昆c 们h 如三p f f p ”，v 0 1 2 l ，p p 7 3 7 7 3 8 ，1 9 8 5 【3 4 r j m e 嫡，l r e e l 【i e ，s b p 0 0 l e ，a n dd n p a y n e ，n e o d y m i 啪一d o p e ds i l i c as i 嚼e - m o d e n b r el e r ，眈c 们n 泐血地”，v o i 2 1 ，p p 7 3 8 7 4 0 ，1 9 8 5 3 5 】r j m e a r s ，l r e e k i e ，s b p 0 0 l e ，锄dd n p a y n e ，“l o w t h r e s h o i dt u n a b l ec w 柚d q - s w i t c h e df iel 硒e ro p e r a t i n ga l1 5 5um ”，上c 护d ”耙s p f f p ，v 0 1 2 2 ，p p 1 5 9 - 1 6 0 ，1 9 8 6 36】nskim，thamada，tkanaya，mprabhu，cli，jsong，dshen，andk u e d a ，“o u t p u t 北京交通大学博士孕位移砭 萑蔷瑶磷 醣# j 黼h 叠荆餐麓q 毪董霞妻订貌嚣张呈l 蟊萋l 彳毫“l 爱刊e ；薷鏊。薯拿弃l ， f n v 爿 景荦妻囊i 舀，翼樊 卵孽i 毳j 珏i 铲i 甍h 惫垂攀妻1 忑；6 l ；奏；m 描! j ；嚣k ii 。 西塑警哥。邕；需i “争爨i 喜州! - h 弹“特托黧l i ；瞄i d h 持”囊壁1 r j g 翻彀u 二魏j i ；i u m d o p e d 舶e r l a s e rw i t hh o l e yi n n e r 1 4 7 2 0 ，d e c e m b e r 2 0 0 11 6 x 北京交通大学博士论文 第二章掺铒光纤的相关理论和稀土掺杂工艺研究 三组份或更多组份才能形成玻璃。表2 一l 氧化物玻璃中的一些阳离子特性元素 电荷 ( z )配位数离子间距 (a)场强(zr2) 原子质量(amu)+ 331 t36162 1 1b+ 34 147139 1 ls i+ 441 6l154 北京交通大学博士论文 第二章掺铒光纤的相关理论和稀土掺杂工艺研究 三组份或更多组份才能形成玻璃。表2 一l 氧化物玻璃中的一些阳离子特性 ( z ) 元素 配位数离子间距( a ) ( z r 2 )b +33 1t36 ( a m u ) 量 b + 341 4 7 1621 1s i + 44 16l 1 3 9 1 l p+ 54 152 1542 8 g e + 54 6 185146 7 5p b+ 262 530_3l1207 p b+ 2 8264o 2 92 0 7pb“ 6213o 8 8207 pb+ 482 2 9 076207s b+ 362。11 o67122b i+ 36237 o53209b i+3246 o50209a l+3174 o9927a l+ 36188 0852 7ga+ 36 1 9 7 07770zn + 262-30 cd+2 62-30 04 5 65 b a+227l o38 112 的掺杂浓度。当重金属氧化物均匀地处于二氧化硅网络之中时，铒离子也能够均 匀分布，从而抑制铒离子的piq。但是由于重金属氧化物是以离子键为主，因此在熔体转化为玻璃的过程中，重金属阳离子容易和氧阴离子积聚，产生析晶，导 致掺杂的不均匀和光纤损耗的增加。需要研究掺入其它组分来抑制析晶现象，+ 提 高铒离子掺杂的均匀性，降低光纤的损耗。由于考虑到重金属氧化物b i 2 0 3 ， 对掺铒光纤的增益谱展宽具有一定的作用，我们试验以共掺b i 2 0 3 来提高铒离子 的掺杂浓度，同时增加增益带宽。后来为了防止玻璃的析晶，我们试验掺入氧化 镓来抑制光纤的析晶，提高铒离子掺杂的均匀性s c 石英基光纤中掺入其它稀土金属氧化物 掺入与铒离子具有几乎相同离子半径的其它稀土离子时，由于稀士离子具有 相似的特性，都很难进入致密的石英基玻璃网络中。此时，这些稀土离子就会聚 集在一起共享非桥接氧。为了抑制铒离子的浓度猝灭，就必须让铒离子之间具有 北京交通大学博士论文 第二章掺铒光纤的相关理论和稀土掺杂工艺研究 若光纤特薛菇酾旷型螽婪荔缝轻! ”篱i l 。 幺! 坦羹期酶禧耀增斋l 蓁- i i ! 豇戎惭急驽 毫娶鬻髻型篡襄翁紊耪2 建： 莲；望m 蠢霉鋈篓誉涫趣吲澎鐾雾蓬囊羹 笺飘疆嚣羁珥溅婵潞型雾美描韫绷型趁勤驸烈瓢。爵磐踬黎藏剥削釜 劐载承硝翱争副引雾琴花规堡一囊謦霎雾器誊氍；髓辩封嬲嘶鞭竭隧蛭雏捌光纤背景损耗的变化规律 首 磊 靶 缸 喾 图2 1 0 ( b ) c 波段噪声指数随掺铒 光纤背景损耗的变化规律 下面我们研究光纤背景损耗对lb a n de d f a 增益性能的劣化。铒纤长度为 1 0 0 米，9 8 0 1 1 i i l 泵浦源的输出功率为4 0 0 m w ，输入信号功率为一3 0 d b m ，增益 谱变化见图2 1 1 。 图2 1 1l 波段e d f a 增益谱随掺铒光纤 背景损耗的变化规律 从图2 1 l 中的研究结果表明，背景损耗对lb a n de d f a 增益影响大，在泵 浦波长处的背景损耗保持不变的情况下，当f 。= 0 0 5 抛m 时，从1 5 7 0 1 1 r n 至 1 6 1 0 i l i n 波长范围内最大增益只有1 3 d b ；当z 。= o 1 捆州时，整个l 波段内几乎 就没有增益。从数值分析的结果可以看出，光纤背景损耗对lb a l l de d f a 的增 益有很大的影响，特别是对于长度很长的l 波段的e d f a ，当背景损耗接近 x 北京交通大学博士论文 第二章掺铒光纤的相关理论和稀土掺杂工艺研究 o 1 d b m ，就无法用来制作光纤放大器。掺铒光纤的背景损耗包括了金属离子带 入的吸收损耗、羟基在1 3 8 0 n m 吸收峰的拖尾对1 5 5 0 m 附近背景损耗的增加。 降低金属离子的吸收损耗，需要使用纯度高的稀土氯化物和其它共掺物，同时必 须保持操作环境的高度的洁净度。要降低羟基引起的损耗，必须经过严格的脱水 过程，将在下一节中详细进行研究。 b 光纤结构参数 掺铒光纤的波导结构对e d f a 性能也有比较明显的影响，对于阶跃折射率掺 铒光纤来说，光波导结构参数主要包括光纤折射率分布和几何尺寸，具体就是光 纤的数值孔径和光纤芯径，同时还得考虑掺铒光纤掺杂的半径，假设铒离子均匀 分布在光纤纤芯，则掺铒区半径等于纤芯半径。利用上述掺铒光纤的吸收、增益 系数及低的背景损耗条件下，研究数值孔径和光纤芯径变化对掺铒光纤放大器性 能的影响。 先研究光纤的数值孔径( n a ) 对e d f a 性能的影响。改变n a 将改变信号光和 泵浦光与掺铒区域的重叠积分因子。掺铒光纤的吸收系数和发射系数由 1 7 】的定 义： 吼= d o r r ( 2 - 2 6 ) g ：= 仃“l 珥 ( 2 2 7 ) 在吸收截面积盯。和发射截面积盯。不变的条件下，且浓度一定，则发射系数和 吸收系数将只由重叠积分因子决定。光纤具有如图2 8 的吸收和发射系数，它的 纤芯半径口= 1 6 i 删，数值孔径 翻= 0 2 2 。先研究数值孔径对e d f a 性能的影响， 假设光纤芯径固定不变，改变数值孔径，则根据( 2 2 ) ，重叠积分因子也发生变 化，数值孔径越高则重叠积分因子越大，相应的信号光和泵浦光的吸收和发射系 数都发生变化。根据e d f a 数值模型，计算得到了不同数值孔径下，增益随光纤 长度的演化，见图2 1 2 ( a ) 。输入条件不变，泵浦源采用输出功率为1 0 0 m w 的 9 8 0 衄激光器，输入信号功率为一3 0 d b m ，波长为1 5 5 0 m 。在芯径固定且保证单 模的条件下，光纤数值孔径越大，增益值越大。当继续提高数值孔径会导致截止 波长远大于9 8 0 m ，存在l r ，和三弓。，则泵浦光与掺铒区的重叠积分因子将减小， 且由于两种模式之间的功率分配无法确切知道，很难得到泵浦波长处的重叠积分 因子。因此，在设计掺铒光纤的过程中，一般需要保证泵浦波长处的单模工作条 件，在满足此条件下，尽可能地提高光纤的数值孔径。通常掺铒光纤的截止波长 要求小于9 8 0 ，对于采用1 4 8 0 姗泵浦的lb a n de d f a ，可以具有更高的截止 波长。 掺铒光纤芯径的变化同样影响重叠积分因子，当掺铒区半径与光纤芯径一致 北京交通大学博士论文 第二章掺铒光纤的相关理论和稀土掺杂工艺研究 子之间相互作用引起的两个邻近铒离子之间的能量传输率等于： = 器鲁降 = ( 甜去 p z s ， 其中n 为光纤基质的折射率，c 为真空中的光速， 为普朗克常数，r 0 是没有能 量传输时的荧光寿命，r 是两个相邻铒离子之间的距离，e 为4 ，。：。4 屯，：发射 跃迁的能量，眈= i 盯( e ) 施为铒离子吸收截面积的积分，正( e ) 和丘( e ) 为吸收 谱和发射谱的归一化线形函数。民为= 二时即没有能量传输时的经典距离， z0 令0 = ( 4 碱3 3 ) 。1 为经典浓度。 在存在羟基的掺铒光纤中，依赖于浓度的寿命f 可以写成 三：土+ 土 ( 2 _ 2 9 ) 一+ 一 l 一v l f f or d l 为由于电的双极子与双极子的相互作用引起的能量传输造成的猝灭率，它依 f d 赖于铒离子浓度，也依赖于羟基的浓度。假设铒离子耦合到羟基群的总数依赖于 光纤中羟基的浓度。一。= 鲫，。( 0 口 1 ) ，且激发态的铒离子将能量耦合到羟 基群之后，通过双声子机理使能量无辐射猝灭。考虑上述假设条件下，由能量传 输引起的猝灭率可以由下式简单确定： 去2 州n n 一“2 丢丝掣 c z 铷， 丁n z 石 f 。 可见，铒离子浓度和羟基浓度同时决定了荧光寿命的长短，特别是对于高浓度掺 铒光纤，羟基浓度对于荧光寿命的缩短的影响就更大。 2 4 2 掺铒光纤制作中的脱水工艺研究 掺铒光纤的制作包括以下多个过程：沉积阻挡层、沉积疏松层、溶液浸泡、 疏松层脱水熔化、缩棒、套管、拉丝，其中除脱水熔化外，其它几个过程都会引 入羟基。首先，沉积阻挡层过程中，反应物中的羟基会进入阻挡层，且很难去除， 在缩棒和拉丝等过程中，阻挡层中的羟基又会扩散到纤芯。这些反应物包括 s i c l t 、p o c l 。、s r 、氧气等。要减少阻挡层中的羟基含量的唯一办法就是提高原 料和反应气体的纯度、降低反应物中的羟基含量。其次，溶液浸泡过程中，由于 疏松层之间跟水溶液接触，大量的水分进入到疏松层中，因此在疏松层熔化之前 北京交通大学博士论文 第二章掺铒光纤的相关理论和稀土掺杂工艺研究 必须对它进行脱水处理，这是掺铒光纤制作过程中很重要的一步。在溶液浸泡完 成后一段时间，将带有疏松层的石英管重新上到预制棒车床上，先通一段时间( 约 3 0 分钟) 的干燥气体氮气，将大量的物理水带走。然后采用3 0 0 左右的“低温” 加热，沿着石英管从进气口往出气口方向行进几趟。此时，将使大部分的物理状 态的吸附水和部分结合成s i o h 化学键的羟基除掉。图2 1 8 是不通脱水的反应 气体，只用干燥气体氮气通一段时间，并用低温来回加热几次情况下的稀土掺杂 光纤在1 3 9 l 删附近的水峰吸收。 黠r 分1 盎 图2 1 8 掺铒光纤在水峰附近的吸收系数f 不通脱 水的反应气体，只经过通干燥氮气并加热的方式) 可见，不通脱水的反应气体，很难将纤芯中的羟基去除干净。疏松体中的羟 基来源除了溶液中的水，还有其它的带有氢的化合物污染，如s i h c l 3 、h c l 、 s i h 2 c 1 2 等，这些污染物氧化后就产生了s i - 0 h 。通常采用c 1 2 作为反应气体进行 脱水，且同时通入氦气和氧气，通入氦气是为了得到无气泡的透明预制棒，通氧 气是为了防止g e 0 2 的挥发。氯气