專利名稱：半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖及其制造方法，屬光纖技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
放大光纖是光纖通信中不可缺少的一種特種光纖，它是光纖放大器的核心部件。光纖放大器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的通信系統(tǒng)，接入網(wǎng)，光纖CATV網(wǎng)，軍用系統(tǒng)等領(lǐng)域，作中繼放大、功率放大、前置放大用。提到放大光纖，人們自然就會想到摻雜稀土放大光纖，這是目前國內(nèi)外普遍使用的一種放大光纖。世界上一些發(fā)達(dá)國家的大公司均投入大量的人力、物力開展此類光纖的研制和開發(fā)。但是，目前使用的摻雜稀土放大光纖制作的光纖放大器還存在以下問題①使用光纖較長(如摻鉺光纖用作光纖放大時，可選擇在20m、30m等)，占空間大，易受外界干擾、不能實現(xiàn)光纖的集成化；②為了更好地提高纖芯吸收泵譜光的效率，摻雜稀土放大光纖可采用非圓內(nèi)包層的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)的光纖，制造工藝復(fù)雜，不易實現(xiàn)，價格昂貴。另外，它的制造尺寸與普通光纖不一致，不易與其它器件連接，連接損耗大，也限制了它在光電子集成中的應(yīng)用；③每種摻雜光纖的帶寬有限(如基于石英光纖的摻鉺光纖放大器增益帶寬約為30nm)，因此才出現(xiàn)了不同波段的摻雜稀土光纖，如摻鉺光纖(C波段1530-1565nm，L波段1570-1605nm)、摻鉺碲化物光纖(1530-1610nm)、摻鐠氟化物光纖(1290-1320nm)、摻銩氟化物光纖(1450-1485nm)；④在石英光纖中，高摻雜稀土元素，如鉺(一般摻雜量約為1018cm-3)，將會出現(xiàn)上轉(zhuǎn)換效應(yīng)和離子集聚效應(yīng)，而且鉺亞穩(wěn)態(tài)能級上的粒子數(shù)將減少，所以增加稀土元素濃度，在一定極限后，不會提高增益。由此看出，尋找一種新型的放大光纖，使其適合未來光纖放大器小型化、集成化、輸出功率高、噪聲低、增益均衡等發(fā)展的需要，是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)無機活性材料內(nèi)包層光纖的放大理論，提供一種新型的納米半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖。
本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，它由纖芯、薄膜內(nèi)包層和外包層組成，其特征在于纖芯的材料是由純石英摻雜少量增大折射率的GeO2組成，薄膜內(nèi)包層的材料是由具有放大功能的納米半導(dǎo)體材料GaAs或InP組成，而外包層的材料是由純石英加入少量低折射率的添加物B2O3或氟(F)組成；半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層夾于在纖芯和外包層之間。
本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的制造方法，它是先用縮棒工藝制成光纖預(yù)制棒，然后再用拉絲機拉制出光纖的方法，其特征在于光纖預(yù)制棒采用氣相沉積法(MCVD)直接制作，即在特殊專用的氣相沉積法(MCVD)制棒機上用氣相沉積法依次直接沉積形成外包層和纖芯，最后縮棒形成光纖預(yù)制棒；然后再進(jìn)行拉制光纖；其具體工藝過程及工藝步驟如下a.在可旋轉(zhuǎn)的制棒機上放置一設(shè)有前端氣化腔的預(yù)制棒石英管，在其下部設(shè)置的固定加熱氣化燈及移動加熱氣化燈的作用下，依次進(jìn)行外包層、半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層及纖芯的氣相沉積；半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層可采用半導(dǎo)體材料InP；固定氣化燈的加熱范圍為1300-1600℃，移動氣化燈的加熱溫度范圍為1250-1450℃，可制得InP半導(dǎo)體沉積薄膜；預(yù)制棒石英管的轉(zhuǎn)動速度為35-45轉(zhuǎn)/分，移動氣化燈的走燈速度為12-15厘米/分；b.將經(jīng)過了外包層沉積、半導(dǎo)體薄膜沉積、纖芯沉積后的石英管，采用縮棒工藝，縮成一個實心的預(yù)制棒；縮棒的溫度為2000℃，氫氧噴燈的走車速度為15厘米/分左右，棒的轉(zhuǎn)動速度約為50轉(zhuǎn)/分；預(yù)制棒的外徑約為10毫米，半導(dǎo)體薄膜的厚度為2-5微米；c.在拉絲爐內(nèi)并利用拉絲機制成光纖，爐溫需控制在1600-1700℃范圍，采用慢速拉絲技術(shù)，拉絲速度小于5米/分，使光纖的半導(dǎo)體薄膜層達(dá)到微小均勻的納米級。
本發(fā)明的這種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的放大機理在于，當(dāng)用直接帶隙半導(dǎo)體材料作為薄膜層時，如果光纖的入射泵浦光子能量大于直接帶隙能量時，會發(fā)生強烈的本征吸收，入射光子使價帶中的電子受激發(fā)而垂直躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶，這樣當(dāng)光波通過處于該狀態(tài)的半導(dǎo)體時，通過激光泵浦能量將獲得增益(或放大)效果。由于直接采用半導(dǎo)體薄膜層作為受激介質(zhì)，所以它的粒子反轉(zhuǎn)程度極高，且又因是直接帶隙材料，躍遷幾率和泵浦光吸收效率也很高，因此短光纖就會有較高的放大增益，它能用幾厘米的光纖就可能實現(xiàn)約5dB的放大增益。另外，納米薄膜內(nèi)包層光纖沒有采用稀土元素材料，而是半導(dǎo)體活性材料，這樣粒子的躍遷不是發(fā)生在分立的能級之間，而是產(chǎn)生于兩個能帶(價帶和導(dǎo)帶)之間，因而放大的譜寬要比摻雜稀土元素光纖要寬得多，大約是傳統(tǒng)摻鉺光纖放大器的3～5倍。同時，半導(dǎo)體薄膜層對泵浦光源波長的要求也不苛刻，所以泵浦的光源不一定是泵浦激光器，也可以用發(fā)光二極管陣列等器件。
由上所述，可以看出本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖是一種集成化、增益譜寬、高效泵浦、輸出功率高、便于光纖放大器結(jié)構(gòu)小型化、且使用方便、價格低廉的新型放大光纖。


圖1為本發(fā)明半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的結(jié)構(gòu)示意中1-纖芯、2-半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層、3-外包層圖2為本發(fā)明的化學(xué)氣相沉積(MCVD)法沉積薄膜層的裝置的簡單示意中，11-預(yù)制棒石英管、12-石英管前端氣化腔、13-外包層、14-氣化的半導(dǎo)體分子、15-可移動加熱的氣化燈、16-氣相沉積區(qū)、17-半導(dǎo)體材料沉積薄膜、18-半導(dǎo)體晶體材料、19-固定加熱氣化燈、20-導(dǎo)送載體氧氣。
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例將本發(fā)明進(jìn)一步敘述于后。
實施例一參見圖1，本發(fā)明的一種納米半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，由三部分組成纖芯1、薄膜內(nèi)包層2和外包層3。纖芯1的材料有純石英摻雜少量增大折射率的GeO2組成，薄膜內(nèi)包層2的材料是由具有放大功能的納米半導(dǎo)體材料GaAs或InP組成，外包層3的材料是由純石英加入少量低折射率的添加物B2O3或氟(F)組成。納米半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層2夾置于纖芯1和外包層3之間。
半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層2的放大光纖的制備方法是先用縮棒工藝制成光纖預(yù)制棒，然后再用拉絲機拉制出光纖。光纖預(yù)制棒采用化學(xué)氣相沉積法(MCVD)直接制作，即在特殊專用的MCVD制棒機上，用氣相沉積法依次直接沉積外包層3、半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層2和纖芯1，最后縮棒形成光纖預(yù)制棒。最后再用拉絲機拉制出光纖。
參見圖2，本發(fā)明的具體工藝過程及工藝步驟如下a.在可旋轉(zhuǎn)的制棒機(圖中未標(biāo)出)上放置一設(shè)有前端氣化腔12的石英管11，在其下部設(shè)置的固定加熱氣化燈19及可移動氣化燈15的作用下，依次進(jìn)行外包層3、半導(dǎo)體薄莫內(nèi)包層2及纖芯1的氣相沉積；外包層3和纖芯1的氣相沉積過程與傳統(tǒng)的相同。半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層2可采用半導(dǎo)體晶體材料InP，在固定氣化燈19的加熱溫度1400℃條件下，半導(dǎo)體材料就會在石英管前端氣化腔12內(nèi)氣化，氣化的半導(dǎo)體材料分子14在導(dǎo)送載體氧氣20的向前吹送下，并在可移動加熱氣化燈15的加熱條件下，就可在石英管11內(nèi)的氣相沉積區(qū)16中的外包層13上面沉積形成半導(dǎo)體材料沉積薄膜17。移動氣化燈5的溫度在1300℃，預(yù)制棒石英管的轉(zhuǎn)動速度在35～45轉(zhuǎn)/分、移動氣化燈15的走燈速度要在14厘米/分；b.將經(jīng)過了外包層沉積、納米半導(dǎo)體薄膜沉積、纖芯沉積后的石英管，采用縮棒工藝，縮成一個實心的預(yù)制棒；縮棒的溫度約為2000℃，氫氧噴燈的走車速度為15厘米/分，棒的轉(zhuǎn)動速度為50轉(zhuǎn)/分，預(yù)制棒的外徑為10厘米，納米半導(dǎo)體薄膜的厚度為4微米；在拉絲爐內(nèi)并利用拉絲機拉制成光纖，爐溫為1650℃左右，采用慢速拉絲技術(shù)，拉絲速度小于5米/分，使光纖的半導(dǎo)體薄膜層達(dá)到微小均勻的納米級。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，它由纖芯(1)、薄膜內(nèi)包層(2)和外包層(3)組成，其特征在于纖芯(1)的材料是由純石英摻雜少量增大折射率的GeO2組成，薄膜內(nèi)包層(2)的材料是由具有放大功能的納米半導(dǎo)體材料GaAs或InP組成，而外包層(3)的材料是由純石英加入少量低折射率的添加物B2O3或氟(F)組成；半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層夾于在纖芯(1)和外包層(3)之間
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的制造方法，它是先用縮棒工藝制成光纖預(yù)制棒，然后再用拉絲機拉制出光纖的方法，其特征在于光纖預(yù)制棒采用氣相沉積法(MCVD)直接制作，即在特殊專用的氣相沉積法(MCVD)制棒機上用氣相沉積法依次直接沉積形成外包層(3)、半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層(2)和纖芯(1)，最后縮棒形成光纖預(yù)制棒；然后再進(jìn)行拉制光纖；其具體工藝過程及工藝步驟如下a.在可旋轉(zhuǎn)的制棒機上放置一設(shè)有前端氣化腔的預(yù)制棒石英管，在其下部設(shè)置的固定加熱氣化燈及移動加熱氣化燈的作用下，依次進(jìn)行外包層(3)、半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層(2)及纖芯(1)的氣相沉積；半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層(2)可采用半導(dǎo)體材料InP；固定氣化燈的加熱范圍為1300-1600℃，移動氣化燈的加熱溫度范圍為1250-1450℃，可制得InP半導(dǎo)體沉積薄膜；預(yù)制棒石英管的轉(zhuǎn)動速度為35-45轉(zhuǎn)/分，移動氣化燈的走燈速度為12-15厘米/分；b.將經(jīng)過了外包層(3)沉積、半導(dǎo)體薄膜沉積、纖芯(1)沉積后的石英管，采用縮棒工藝，縮成一個實心的預(yù)制棒；縮棒的溫度為2000℃，氫氧噴燈的走車速度為15厘米/分左右，棒的轉(zhuǎn)動速度約為50轉(zhuǎn)/分；預(yù)制棒的外徑約為10毫米，半導(dǎo)體薄膜的厚度為2-5微米；c.在拉絲爐內(nèi)并利用拉絲機制成光纖，爐溫需控制在1600-1700℃范圍，采用慢速拉絲技術(shù)，拉絲速度小于5米/分，使光纖的半導(dǎo)體薄膜層達(dá)到均勻的微小納米級。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的納米半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖及其制造方法，屬光纖技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，它由纖芯、薄膜內(nèi)包層和外包層組成，半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層夾于在纖芯和外包層之間。本發(fā)明提供了采用氣相沉積法在特殊的MCVD制棒機上直接制成具有外包層沉積、半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層沉積和纖芯沉積的光纖預(yù)制棒，然后進(jìn)行拉制光纖。本發(fā)明的納米半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖制成的放大器具有集成化強、頻率寬、增益高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。
文檔編號C03B37/00GK1558288SQ200410016258
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者王廷云, 郭小勇, 陳振宜, 郭強 申請人:上海大學(xué)