專利名稱：一種空間用抗電離輻照有源光纖的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種有源光纖，特別是涉及在諸如外太空等對抗電離輻照性能要求比 較嚴格的環(huán)境中使用的抗電離輻照有源光纖。
背景技術(shù)：
一般來說，有源光纖由能夠傳輸并放大信號光的纖芯和能夠?qū)⒐庀拗圃诶w芯內(nèi)的 包層構(gòu)成。為使纖芯具有放大性能通常會引入一定濃度的金屬元素，特別是稀土金屬元素， 如釹(Nd)、鉺(Er)、銩(Tm)及鐿( )等等。同時為了改善放大作用還可以共摻多種金屬 元素，例如鐿就可以用于摻鉺光纖(EDF)以改善光纖對泵浦信號光的吸收效率。為了提高 光學性能通常還會將有源光纖做成雙包層光纖或光子晶體光纖等形式，其中光子晶體光纖 又有單芯和多芯之分。如今有源光纖已經(jīng)在光纖放大器、光纖激光器和以及傳感器中獲得了廣泛應用。 特別是在光纖激光器中的應用被稱為第三代激光器，與傳統(tǒng)固體/氣體等激光器相比，光 纖激光器具有高可靠性、高效率、熱耗低、重量輕等優(yōu)勢，可作為空間通信、地球觀測、深空 探測中信息獲取與傳輸?shù)年P鍵器件，因此越來越得到世界各國眾多航天機構(gòu)的青睞。例如 光纖激光器可作為衛(wèi)星內(nèi)部及衛(wèi)星與地面之間的光通信系統(tǒng)的激光光源(大氣在1.55 μ m 處存在一個通信窗口，而這正對應于摻Er光纖的一個發(fā)射波長)，另外由于相位調(diào)制器的 插入損耗和損傷閾值的限制，還需要用到有源光纖放大器對調(diào)制過的信號光功率進行放 大，此外有源光纖還可以用在衛(wèi)星中光纖陀螺儀的超熒光光源中。目前，許多國家的科研人 員都在研究有源光纖及其器件在太空中使用的可行性。在空間中，很多器件會長時間暴露 在惡劣的空間輻照環(huán)境中，所受到的高劑量輻照是導致其性能降低或失效的主要因素。對 于光纖激光器和放大器，在空間長時間、低劑量率的輻照下也會引起器件性能的急劇降低、 甚至完全失效。因此，在實現(xiàn)這些應用之前，必須先解決有源光纖的抗輻照性能問題。輻照使得光纖性能下降是由于輻照在光纖中產(chǎn)生色心。這些色心主要與光纖中所 含的雜質(zhì)及光纖本身的初始原子缺陷有關。前者會使輻照產(chǎn)生的部分自由電子被光纖內(nèi)的 一些著色陽離子(如Fe、Cr、Mn、Cu及Ni等)俘獲還原而形成新的色心，從而降低光纖的 傳輸能力；后者是高能輻照粒子破壞具有初始原子缺陷的橋氧(BO)鍵，從而形成硅E'色 心和非橋氧空心色心(NBOHC)等。更大劑量的輻照有可能會造成光纖玻璃材料的原子位移 損傷，導致玻璃材料的密度及折射率改變。綜上所述，為提高光纖抗輻照性能，一般可以通過采用高純度的石英或人為摻雜 少量可變價的不著金屬色陽離子以抑制色心形成，并且注意減少初始的原子缺陷，使光纖 在輻照下產(chǎn)生較少的斷鍵色心。不過光纖在太空中受到的輻照總劑量不太大(10年不超過 2kGy)，對純石英光纖來說受到的影響并不明顯。但是由于有源光纖中不僅摻雜了稀土元 素，為了改善其光學性能通常還會共摻一些其他元素，比如為了抑制稀土離子的團簇效應， 提高其在石英玻璃中的溶解度而共摻鋁，為提高鉺鐿之間的能量傳遞效率而共摻磷，及其 他常見的共摻元素，這就使得輻照對有源光纖的影響變得非常復雜，極大地增加了有源光纖的輻照敏感性。因此即使小劑量的輻照所導致的附加損耗也是不能接受的。早在上世紀九十年代初，國外就已經(jīng)開始研究輻照對有源光纖性能的影響了。輻 照對光學玻璃及無源光纖性能影響的研究工作則可追溯到上世紀六七十年代。主要的工作 表現(xiàn)在以下幾個方面其中方法一是在純石英光纖芯中加入一定量的OH—可以提高光纖的 Y射線，深紫外光，X光的抗輻照能力。但是由于OH—的加入，光纖在紅外通信波段的傳輸 損耗會加大，影響正常通信。另外OH—的注入濃度也是有限的。方法二是對石英光纖進行載 氫處理，并涂覆密封碳涂層以阻止氫從光纖中擴散出來，能夠明顯地提高光纖的抗輻照性 能。但是這種方法不僅需要改變目前常規(guī)光纖的涂覆工藝，還需要對涂覆設備進行改造，限 制了商品化，因此僅僅是一種想法。方法三是在石英光纖材料中摻雜一定量的氟也能夠提 高光纖的抗輻照性能，其帶來的缺陷也是非常明顯，就是如果纖芯中摻有氟的話，則這種光 纖在近紅外通信波段的損耗也會較常規(guī)摻鍺芯光纖高一些，會使光纖的一些光學特性等隨 著改變。方法四即在中國專利CN 1800891A中公開了一種抗輻照石英光纖及其組合制作方 法。高性能抗輻照石英光纖由純石英纖芯、石英摻氟包層和石英摻鈰制作輻射屏蔽層組成。 該種光纖可在輻射環(huán)境下作為抗輻射光纖保持正常的信息傳輸。該專利沒有涉及有源光纖 的相關特性，僅僅涉及純石英纖芯光纖，不能解決纖芯里面有稀土摻雜的有源光纖的抗電 離輻照特性問題。為了解決有源光纖的抗電離輻照特性問題，滿足在輻照環(huán)境下的光纖激光器、光 纖放大器以及傳感器穩(wěn)定應用，需要提供一種新型的，易于制備實現(xiàn)的電離輻照光纖。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決有源光纖的抗輻照問題，提供一種具有抗電離輻照性能的 有源光纖，其中有源光纖包括雙包層光纖和光子晶體光纖兩種形式。本發(fā)明提供了一種空間用抗電離輻照有源光纖，包括有源纖芯、內(nèi)包層、外包層和 涂覆層，有源纖芯的材料中包含有源活性離子和共摻雜劑的二氧化硅，其中有源活性離子 為原子序數(shù)為57 71的稀土元素的鹵化物或氧化物的一種或者多種，共摻雜劑為鍺的化 合物、磷的化合物、鋁的化合物、氟的化合物其中的一種或多種，其特征在于，所述有源纖芯 的材料中摻雜有鈰的化合物。進一步的，所述有源纖芯的材料中鈰的摻雜濃度為2000 lOOOOppm。進一步的，所述內(nèi)包層的材料中摻雜有鈰或氟，其中鈰的摻雜濃度為0 8000ppm，氟的摻雜濃度為0 lOOOppm。進一步的，所述的空間用抗電離輻照有源光纖為雙包層光纖。進一步的，所述的雙包層光纖的內(nèi)包層分為第一分層和第二分層，鈰或氟摻雜在
第一分層。進一步的，所述的空間用抗電離輻照有源光纖為有源光子晶體光纖。進一步的，所述的有源光子晶體光纖的內(nèi)包層分為第一分層、第二分層和第三分 層，鈰或氟摻雜在第一分層。本發(fā)明獲得的有益效果為(1)本發(fā)明所述的抗電離輻照有源光纖在纖芯中摻雜鈰，經(jīng)過試驗驗證可以極大 提高有源光纖的抗輻照特性，解決了當前有源光纖在輻照環(huán)境中使用受限問題。
(2)本發(fā)明所述的抗電離輻照有源光纖的結(jié)構(gòu)、尺寸以及基質(zhì)材料都與目前的傳 統(tǒng)光纖相當，因此避免了采用背景技術(shù)中所述的提高光纖的抗電離輻照性能方法而帶來的 相應問題。
圖1是本發(fā)明所述的內(nèi)包層為八邊形的抗電離輻照有源雙包層光纖截面示意圖；圖2是圖1所示鉺鐿共摻雙包層有源光纖纖芯中不同摻鈰濃度時的激光性能測試 結(jié)果圖；圖3是圖1所示鉺鐿共摻雙包層有源光纖內(nèi)包層中不同摻鈰濃度時的激光性能測 結(jié)果圖；圖4是本發(fā)明所述的纖芯數(shù)目為1的抗電離輻照有源光子晶體光纖截面示意圖；圖5是圖4所示摻鐿光子晶體光纖纖芯中不同摻鈰濃度時的激光性能測試結(jié)果 圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的抗電離輻照有源光纖，包括有源纖芯、內(nèi)包層、外包層和涂覆層。有 源纖芯的材料中包含有有源活性離子、摻雜有鈰的化合物以及共摻雜劑的二氧化硅，其中 有源活性離子為原子序數(shù)為57 71的稀土元素的鹵化物或氧化物的一種或者多種，共摻 雜劑為鍺、磷、鋁和氟的化合物的一種或多種。所述纖芯中鈰的摻雜濃度為2000 IOOOOppm ；內(nèi)包層中鈰的摻雜濃度為0 8000ppm。本發(fā)明提供的抗電離輻照有源光纖分為雙包層光纖和有源光子晶體光纖。所述雙包層光纖的內(nèi)包層分為兩個分層，第一分層靠近纖芯，第二分層位于第一 分層外側(cè)，第一分層的材料為摻雜有鈰或氟及共摻雜劑的二氧化硅。第二分層的材料為摻 雜共摻雜劑的二氧化硅。所述內(nèi)包層第一分層和第二分層折射率相同，其中內(nèi)包層第一分 層中鈰的摻雜濃度為0 8000ppm，氟的摻雜濃度為0 lOOOppm。內(nèi)包層的截面外形可為 圓形、四邊形、六邊形、八邊形或其他幾何形狀。所述有源光子晶體光纖的內(nèi)包層分為三個分層，第一分層靠近纖芯，其為周期性 排列的內(nèi)空氣孔層，其截面外形可以為圓形、六邊形、八邊形等多邊形形狀，內(nèi)空氣孔層的 材料可為純石英玻璃、摻氟石英玻璃、摻鈰石英玻璃或氟鈰混合摻雜石英玻璃；第二分層位 于第一分層外側(cè)，第二分層為摻雜有共摻雜劑的石英玻璃材料，也可采用第一分層所用的 材料，第三分層位于第二分層外側(cè)，第三分層為周期性排列的外空氣孔層，可以為單層或者 多層，外空氣孔層材料可以與內(nèi)空氣孔層材料一樣，也可以采用純石英玻璃，第三分層的截 面形狀為圓形。光子晶體光纖的纖芯數(shù)目為一芯、七芯、或十九芯。所述內(nèi)包層第一分層中 鈰的摻雜濃度為0 8000ppm，氟的摻雜濃度為0 lOOOppm。在第一實施例中涉及到一種雙包層光纖如圖1所示，該光纖包括四個部分即有源 纖芯1、內(nèi)包層2、外包層3和涂覆層4，其中內(nèi)包層2又分第一分層和第二分層。該光纖的 有源纖芯1中摻雜有鈰、鉺和鐿，內(nèi)包層2的材料中未摻雜鈰和氟，內(nèi)包層2的形狀為八邊 形。
該類雙包層光纖的纖芯1中鈰的摻雜濃度及激光性能的關系如圖2所示，圖中橫 坐標為鈰的摻雜濃度，本實施例所述的光纖有源纖芯1中鈰的摻雜濃度分別為0、2000ppm、 5000ppm、7000ppm、IOOOOppm和15000ppm，縱坐標為在相同泵浦條件下1540nm附近歸一化 了的激光輸出功率，即取纖芯中未摻雜鈰離子的光纖輸出功率值為1，圖中正方形表示輻照 前的激光輸出功率，圓形表示經(jīng)500Gy伽馬射線輻照后的激光輸出功率。由測試結(jié)果可見 沒有摻鈰的光纖受輻照后輸出功率下降至0. 66，摻雜2000ppm的光纖受輻照后輸出功率下 降至0. 86 (輻照前為0. 94)。同時還可以看出，摻雜鈰會導致光纖的激光性能下降，且下降 幅度隨鈰的摻雜濃度增加而增大，至摻雜濃度為IOOOOppm時光纖的輸出功率輻照前后分 別約為0. 75和0. 74。在第二實施例中涉及到一種雙包層光纖，結(jié)構(gòu)同第一實施案例。該光纖的有源纖 芯ι中摻雜有鈰、鉺和鐿，其中鈰的摻雜濃度為2000ppm，內(nèi)包層2的第一分層摻雜有鈰，內(nèi) 包層2的形狀為八邊形。該類雙包層光纖的內(nèi)包層2第一分層中鈰的摻雜濃度及激光性能的關系如圖3 所示，其中橫坐標為鈰的摻雜濃度，內(nèi)包層2的第一分層鈰的摻雜濃度分別為0、1000ppm、 3000ppm、5000ppm、8000ppm和15000ppm，縱坐標為在相同泵浦條件下1540nm附近歸一化了 的激光輸出功率，即取纖芯中未摻雜鈰離子的光纖輸出功率值為1，圖中正方形表示輻照前 的激光輸出功率，圓形表示經(jīng)500Gy伽馬射線輻照后的激光輸出功率。由圖可見，通過在內(nèi) 包層中引入鈰可以明顯抑制輻照過程中色心的形成，使得泵浦光可以在光纖中傳輸更長距 離，進而提高了激光輸出功率，但當鈰摻雜到一定濃度時其本身的吸收又影響了光纖的激 光性能。內(nèi)包層中摻鈰濃度為IOOOppm時輻照前后激光輸出功率分別為0. 94和0. 95，濃度 為8000ppm時輻照前后激光輸出功率0. 90和0. 87。在第三實施例中，涉及到一種有源光子晶體光纖，如圖4所示，該光纖包括有源纖 芯1、第一分層21、第二分層22、第三分層23、外包層3和涂覆層4，其中第一分層21、第二 分層22和第三分層23合稱內(nèi)包層2。該光纖的纖芯數(shù)目為1芯，第一分層有6層空氣孔， 排列成八邊形，第三分層為單層。其中，光纖有源纖芯1中摻雜鈰，內(nèi)包層2的材料中鈰的 摻雜濃度為2000ppm、氟的摻雜濃度為400ppm。該類有源光子晶體光纖纖芯中鈰的摻雜濃度及激光性能的關系如圖5所示，其 中橫坐標為鈰的摻雜濃度，有源纖芯1中摻雜鈰的摻雜濃度分別為0、2000ppm、5000ppm、 7000ppm、IOOOOppm和15000ppm ；縱坐標為在相同泵浦條件下1060nm附近歸一化了的激光 輸出功率，即取纖芯中未摻雜鈰離子的光纖輸出功率值為1，圖中正方形表示輻照前的激光 輸出功率，圓形表示經(jīng)500Gy伽馬射線輻照后的激光輸出功率。由圖可見，沒有摻雜鈰的光 纖受輻照后輸出功率約為0. 79，鈰摻雜濃度為5000ppm的光纖抗輻照性能表現(xiàn)最佳，輻照 前后其輸出功率分別約為1. 1和1. 14，而摻雜濃度增至15000ppm時光纖的激光性能則明顯 下降，照前后其輸出功率分別約為0. 92和0. 99。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設計結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種空間用抗電離輻照有源光纖，包括有源纖芯、內(nèi)包層、外包層和涂覆層，有源纖 芯的材料中包含有源活性離子和共摻雜劑的二氧化硅，其中有源活性離子為原子序數(shù)為 57 71的稀土元素的鹵化物或氧化物的一種或者多種，共摻雜劑為鍺的化合物、磷的化合 物、鋁的化合物、氟的化合物其中的一種或多種，其特征在于，所述有源纖芯的材料中摻雜 有鈰的化合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間用抗電離輻照有源光纖，其特征在于，所述有源纖芯的 材料中鈰的摻雜濃度為2000 lOOOOppm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間用抗電離輻照有源光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層的材 料中摻雜有鈰或氟，其中鈰的摻雜濃度為0 8000ppm，氟的摻雜濃度為0 lOOOppm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間用抗電離輻照有源光纖，其特征在于，所述的空間用抗 電離輻照有源光纖為雙包層光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間用抗電離輻照有源光纖，其特征在于，所述的雙包層光 纖的內(nèi)包層分為第一分層和第二分層，鈰或氟摻雜在第一分層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間用抗電離輻照有源光纖，其特征在于，所述的空間用抗 電離輻照有源光纖為有源光子晶體光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空間用抗電離輻照有源光纖，其特征在于，所述的有源光子 晶體光纖的內(nèi)包層分為第一分層、第二分層和第三分層，鈰或氟摻雜在第一分層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空間用抗電離輻照有源光纖，包括有源纖芯、內(nèi)包層、外包層和涂覆層，有源纖芯的材料中包含有源活性離子和共摻雜劑的二氧化硅，其中有源活性離子為原子序數(shù)為57～71的稀土元素的鹵化物或氧化物的一種或者多種，共摻雜劑為鍺、磷、鋁、氟的化合物的一種或多種，所述有源纖芯的材料中摻雜有鈰的化合物，其摻雜濃度為2000～10000ppm，內(nèi)包層的材料中也可摻雜有鈰或氟，鈰離子摻雜濃度為0～8000ppm，氟離子摻雜濃度為0～1000ppm。本發(fā)明所述的抗電離輻照有源光纖在纖芯中摻雜鈰，經(jīng)過試驗驗證可以極大提高有源光纖的抗輻照特性，解決了當前有源光纖在輻照環(huán)境中使用受限問題。
文檔編號G02B6/02GK102147496SQ20111007116
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者張澤學, 彭景剛, 戴能利, 李海清, 李進延, 楊旅云, 盛于邦, 蔣作文, 陳瑰 申請人:華中科技大學