專利名稱：基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖及其制造方法，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
稀土摻雜放大光纖作為光纖通信的核心元件，可用于構(gòu)建激光器、光放大器、傳感器、寬帶光源等系統(tǒng)。因其具有增益高、噪聲低、功率大、工作頻帶寬、偏振無(wú)關(guān)、信道串?dāng)_小等特性，從單純的光信號(hào)放大已廣泛應(yīng)用到信息、國(guó)防、醫(yī)藥、工業(yè)等領(lǐng)域。然而，隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有放大光纖的性能已無(wú)法滿足寬帶、高速通信的需求。傳統(tǒng)的光纖摻雜技術(shù)主要有基于改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)的氣相和液相兩種技術(shù)，但由于它們的摻雜材料大多以亞微米微粒的形式存在，導(dǎo)致均勻性較差，摻鉺光纖在摻雜濃度較高時(shí)，易聚集形成團(tuán)簇，引起濃度猝滅、光致暗化等現(xiàn)象，制約了其光放大性能。而Er3+與Al3+聯(lián)合摻雜可以有效解決這一問(wèn)題。原子層沉積(ALD)技術(shù)是一種化學(xué)氣相沉積技術(shù)，它是將摻雜源的氣相前驅(qū)體脈沖交替的引入到加熱反應(yīng)器中，然后依次進(jìn)行化學(xué)吸附過(guò)程沉積于基底表面，直至表面飽和時(shí)自動(dòng)終止。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在可以精確控制薄膜厚度(原子層尺度);由于前驅(qū)體是飽和化學(xué)吸附，可保證生成保形、均勻、大面積的薄膜；可廣泛適用于各種基質(zhì)材料；對(duì)溫度的要求不高等。由于其摻雜的高均勻、高濃度、多元性等特性，應(yīng)用到光纖制備過(guò)程中，就可以制備出均一性好、分散性高、摻雜濃度高的摻鉺光纖。因此，從摻雜技術(shù)入手，深入探索新型摻稀土元素放大光纖的制備技術(shù)，制備均一性好、分散性高、摻雜濃度高的鉺鋁共摻光纖，是提高鉺鋁共摻光纖有源器件性能的必由之路，具有廣泛的研究意義和普遍的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)原子層沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將納米材料與光纖制備相結(jié)合， 提供一種基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖及其制造方法。該光纖具有增益譜寬、放大效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)位低廉，易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，可用于制作激光器、光放大器、傳感器、寬帶光源等。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖，包括纖芯和包層，其特征在于所述纖芯是由純石英或摻雜少量高折射率的Geh疏松層，及利用原子層沉積技術(shù)同時(shí)沉積適量具有放大功能的稀土元素鉺離子和鋁離子構(gòu)成，所沉積的鉺鋁混合薄膜位于纖芯中； 所述包層是由比纖芯折射率低的純石英構(gòu)成?！N基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖的制造方法，用于制作上述光纖，其操作方法如下1)首先在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)制棒機(jī)上用氣相沉積法依次沉積包層(2)及純石英或摻雜少量高折射率的GeA疏松層，然后將預(yù)制棒石英管安放在原子層沉積(ALD)技術(shù)的沉積反應(yīng)腔中，再利用ALD技術(shù)交替沉積Er2O3和Al2O3薄膜，直到到達(dá)理想厚度。其中 Er (thd) 3和O3是用來(lái)沉積Er2O3的氣相前驅(qū)體，Al (CH3) 3和O3用來(lái)生長(zhǎng)Al2O3薄膜。整個(gè)反應(yīng)腔采用輻射加熱，溫度均勻，控制在300-400°C之間。反應(yīng)前驅(qū)體的氣相脈沖受惰性氣體脈沖閥門控制，被引入反應(yīng)室中。沉積過(guò)程中，采用微脈沖模式，可避免過(guò)多的反應(yīng)前驅(qū)體充滿反應(yīng)室，又可提供足夠的劑量和反應(yīng)時(shí)間使分子滲入到疏松層煙炱中。采用三通閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可十分方便地采用惰性氣體對(duì)容器內(nèi)壁及其相鄰管路內(nèi)多余的反應(yīng)前驅(qū)體及其副產(chǎn)物進(jìn)行清洗。2)將經(jīng)過(guò)包層沉積和特殊纖芯沉積后的石英管，采用縮棒工藝形成實(shí)心光纖預(yù)制棒；
3)拉制光纖。本發(fā)明的放大機(jī)理
摻雜鋁離子不僅可以降低鉺離子團(tuán)聚，提高摻雜濃度，而且可以有效的使摻鉺放大光纖的增益譜平坦化。由于三價(jià)的鉺離子需要6到8個(gè)氧原子進(jìn)行配位，而S^2的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很致密，其中的非橋接氧含量很少，使得鉺離子難以與石英玻璃網(wǎng)絡(luò)體系形成化學(xué)鍵而結(jié)合，所以當(dāng)鉺離子濃度提高時(shí)，SiO2所提供的非橋接氧不能滿足它們的配位需要，這使得鉺離子處于高焓的狀態(tài)。根據(jù)熱力學(xué)原理，它們不得不團(tuán)簇在一起共享非橋接氧以降低焓。共摻后，Al離子可以提供更多的非橋接氧，降低鉺離子團(tuán)簇，提高鉺離子的摻雜濃度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
1)均一性好、分散性高；
2)摻雜濃度高、增益譜寬、放大效率高；
3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)位低廉，易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，可用于構(gòu)建激光器、光放大器及傳感器等。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的原子層沉積(ALD)法沉積稀土元素薄膜層的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下 實(shí)施例一
參見(jiàn)圖1，本發(fā)明是一種基于原子層沉積(ALD)技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖，由兩部分組成纖芯(1)和包層(2)。纖芯(1)的材料也有兩部分構(gòu)成，純石英疏松層或摻雜少量高折射率的GeA疏松層(1-1)，及利用ALD技術(shù)交替沉積適量具有放大功能的稀土元素鉺離子和鋁離子薄膜(1-2)。而包層(2)是由低折射率的純石英構(gòu)成。實(shí)施例二
基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖的制造方法，用于制作上述光纖，其制作步驟如下
1)首先在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)制棒機(jī)上用氣相沉積法依次沉積包層(2)及純石英或摻雜少量高折射率的GeA疏松層，然后將預(yù)制棒石英管安放在原子層沉積(ALD)技術(shù)的沉積反應(yīng)腔中，再利用ALD技術(shù)交替沉積Er2O3和Al2O3薄膜，直到到達(dá)理想厚度；其中 Er (thd) 3和O3是用來(lái)沉積Er2O3的氣相前驅(qū)體，Al (CH3) 3和O3用來(lái)生長(zhǎng)Al2O3薄膜。整個(gè)反應(yīng)腔采用輻射加熱，溫度均勻，控制在300-400°C之間；反應(yīng)前驅(qū)體的氣相脈沖受惰性氣體脈沖閥門控制，被引入反應(yīng)室中；沉積過(guò)程中，采用微脈沖模式，可避免過(guò)多的反應(yīng)前驅(qū)體充滿反應(yīng)室，又可提供足夠的劑量和反應(yīng)時(shí)間使分子滲入到疏松層煙炱中。采用三通閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可十分方便地采用惰性氣體對(duì)容器內(nèi)壁及其相鄰管路內(nèi)多余的反應(yīng)前驅(qū)體及其副產(chǎn)物進(jìn)行清洗；
2)將經(jīng)過(guò)包層(2)沉積和特殊纖芯(1)沉積后的石英管，采用縮棒工藝形成實(shí)心光纖預(yù)制棒；
3)拉制光纖。實(shí)施例三
本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，特別之處如下
參見(jiàn)圖2，本基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖的制造步驟如下 1)將預(yù)制棒石英管安放在ALD的沉積反應(yīng)腔中(11)，采用輻射加熱，整個(gè)反應(yīng)腔的溫度均勻，控制在300-400°C之間。2)在石英管內(nèi)壁沉積Er2O3薄膜(12)，Er (thd) 3和O3用來(lái)生長(zhǎng)Er2O3薄膜，反應(yīng)前驅(qū)體的氣相脈沖受惰性氣體脈沖閥門控制，被弓丨入反應(yīng)室中。沉積過(guò)程中，采用微脈沖模式，這種脈沖模式，可避免過(guò)多的反應(yīng)前驅(qū)體充滿反應(yīng)室，但同時(shí)又可提供足夠的劑量和反應(yīng)時(shí)間使分子滲入到疏松層煙炱中。3)惰性氣體清理反應(yīng)腔(13)、(15)，主要是清除多余的反應(yīng)前驅(qū)體及其副產(chǎn)物。本系統(tǒng)采用三通閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可十分方便地對(duì)容器內(nèi)壁及其相鄰管路進(jìn)行清洗。4)在石英管內(nèi)壁沉積Al2O3薄膜(14) ,Al(CH3)3和O3是Al2O3薄膜的化學(xué)前驅(qū)體。5)在石英管內(nèi)壁連續(xù)或交替沉積Er2O3及Al2O3薄膜(16)、( 17)，直到到達(dá)理想厚度。最后得到高濃度鉺鋁共摻光纖預(yù)制棒，進(jìn)一步拉絲成放大光纖。
權(quán)利要求
1.一種基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖，包括纖芯(1)和包層(2)， 其特征在于所述纖芯(1)是由純石英或摻雜少量高折射率的GeA疏松層，及利用原子層沉積技術(shù)同時(shí)沉積適量具有放大功能的稀土元素鉺離子和鋁離子構(gòu)成，所沉積的鉺鋁混合薄膜位于纖芯(1)中；所述包層(2)是由比纖芯(1)折射率低的純石英構(gòu)成。
2.一種基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖的制造方法，用于制作權(quán)利要求1所述的基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖，其制作步驟如下首先在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)制棒機(jī)上用氣相沉積法依次沉積包層(2)及純石英或摻雜少量高折射率的GeO2疏松層，然后將預(yù)制棒石英管安放在原子層沉積(ALD)技術(shù)的沉積反應(yīng)腔中，再利用ALD技術(shù)交替沉積Er2O3和Al2O3薄膜，直到到達(dá)理想厚度；其中 Er (thd) 3和O3是用來(lái)沉積Er2O3的氣相前驅(qū)體，Al (CH3) 3和O3用來(lái)生長(zhǎng)Al2O3薄膜；整個(gè)反應(yīng)腔采用輻射加熱，溫度均勻，控制在300-400°C之間；反應(yīng)前驅(qū)體的氣相脈沖受惰性氣體脈沖閥門控制，被引入反應(yīng)室中；沉積過(guò)程中，采用微脈沖模式，可避免過(guò)多的反應(yīng)前驅(qū)體充滿反應(yīng)室，又可提供足夠的劑量和反應(yīng)時(shí)間使分子滲入到疏松層煙炱中；采用三通閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可十分方便地采用惰性氣體對(duì)容器內(nèi)壁及其相鄰管路內(nèi)多余的反應(yīng)前驅(qū)體及其副產(chǎn)物進(jìn)行清洗；將經(jīng)過(guò)包層(2)沉積和特殊纖芯(1)沉積后的石英管，采用縮棒工藝形成實(shí)心光纖預(yù)制棒；拉制光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖及其制造方法，屬光纖技術(shù)領(lǐng)域。本放大光纖由纖芯和包層組成，原子層沉積的鉺鋁混合薄膜位于纖芯結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積法在特殊的改進(jìn)化學(xué)氣相沉積(MCVD)制棒機(jī)上依次進(jìn)行包層及部分纖芯材料純石英疏松層沉積，然后在石英疏松層上利用原子層沉積技術(shù)交替沉積Er2O3及Al2O3薄膜，得到光纖預(yù)制棒，最后進(jìn)行拉制光纖。本發(fā)明中的基于原子層沉積技術(shù)的高濃度鉺鋁共摻放大光纖，具有均一性好、分散性高、摻雜濃度高、增益譜寬、放大效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)位低廉、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，可用于構(gòu)建光纖激光器、光纖放大器及光纖傳感器等。
文檔編號(hào)G02B6/036GK102253446SQ20111019043
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者劉曉虹, 孫曉嵐, 李超, 董艷華, 謝莉彬 申請(qǐng)人:上海大學(xué)