專利名稱:石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖及其制作方法，特別適合于稀土摻雜特種光纖的制作，屬于光纖通信領域。
背景技術：
摻鉺光纖放大器已經(jīng)在光纖通信領域得到了廣泛的應用，是光纖通信系統(tǒng)中的一個極其重要的器件。但是普通的石英基摻鉺光纖制作的摻鉺光纖放大器，增益譜波動大，達到了10dB以上。
同時目前的石英基摻鉺光纖放大器中所用的摻鉺光纖的鉺離子濃度比較低，因此使用長度很長，使摻鉺光纖放大器(EDFA)的成本較高。這種摻鉺光纖的吸收系數(shù)比較小，在980nm處吸收系數(shù)在5dB/m左右，在1530nm處的吸收系數(shù)通常在6dB/m至8dB/m。這樣，制作一個C波段摻鉺光纖放大器，摻鉺光纖的長度就需要25米左右；而制作一個L波段摻鉺光纖放大器，摻鉺光纖的長度將需要100米左右，使得EDFA的價格昂貴。摻鉺光纖放大器的成本主要集中在摻鉺光纖上。
此外，對于摻鉺光纖激光器來說，利用吸收系數(shù)小的摻鉺光纖，通常需要十幾米，由于在拉絲過程中光纖會產(chǎn)生扭絞，這樣光纖的偏振態(tài)就很難保持。因此，對于光纖激光器來說，要使激光器的腔長僅可能短，這樣就需要吸收系數(shù)高的摻鉺光纖。這種光纖同時可用于研制保偏的稀土摻雜光纖，用于光纖激光器，實現(xiàn)偏振態(tài)穩(wěn)定的激光輸出。
國內(nèi)外的研究表明在摻鉺光纖中摻鉍可以使增益譜變得平坦，同時提高了鉺離子的摻雜比例，但是石英基中摻入重元素鉍非常困難，目前尚未見到石英基光纖中同時摻鉍和鉺的報道。國際上有采用鉍基玻璃摻鉺方面的研究。
但是由于在光纖通信系統(tǒng)中，幾乎所有的光纖都是石英基的，因此鉍基摻鉺光纖很難在實際光纖系統(tǒng)中得到應用，而石英基光纖由于兼容性好、熔接損耗小、抗熱性能好等優(yōu)點得到了廣泛的應用。為了使石英玻璃結構中能夠摻入鉍和鉺，就需要進一步改善石英基的玻璃結構。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，從而提出了石英基鉍鎵鉺鋁共摻的光纖。通過在石英基中，同時摻入鉍、鎵、鉺和鋁，可以有效地將鉍和鉺摻入石英基光纖。在不摻鎵和鋁時，鉍很難摻入到石英基玻璃網(wǎng)絡中，極容易出現(xiàn)芯區(qū)析晶，這樣將極大地增加光纖的背景損耗，降低光纖的性能。本發(fā)明中鎵和鋁的摻入，很好地解決了摻鉍時預制棒芯區(qū)的析晶問題，使鉍容易摻入到石英基光纖中，同時提高了鉺離子的摻雜濃度。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的。
一種石英基的鉍鎵鉺鋁共摻光纖的制作方法，它包含以下步驟1.利用傳統(tǒng)的化學氣相沉積(MCVD)方法在石英管內(nèi)先沉積阻擋層，再沉積纖芯疏松層。疏松層材料組分可以是純二氧化硅，或二氧化硅和其它改變折射率材料(鍺、磷、氟等)的混合物。
2.本發(fā)明的關鍵是芯區(qū)的摻雜成分和含量，首先就要配制鉍、鎵、鉺和鋁的混合鹽溶液。先配制單獨的鉍鹽溶液、鎵鹽溶液、鉺鹽溶液、鋁鹽溶液，然后按一定比例配制鉍、鎵、鉺和鋁的混合鹽溶液。鉍、鎵、鉺和鋁的混合鹽溶液中各種摻雜離子的濃度為Bi3+0.2～0.5mol/lGa3+0.2～0.5mol/lEr3+0.005mol/l～0.05mol/lAl3+0.2～1mol/l3.采取在線摻雜的方法，用配制好的鉍、鎵、鉺和鋁的混合鹽溶液浸泡疏松層，將鉍、鎵、鉺和鋁離子摻入到芯區(qū)。采用在線摻雜的方式，可以節(jié)省摻雜的溶液，同時提高了摻雜光纖制作過程中的潔凈度，降低光纖的基底損耗。
4.對浸泡過溶液的疏松體進行氯氣脫水過程，然后將疏松體熔化，最后經(jīng)縮棒、套管等過程得到了芯區(qū)摻有鉍、鎵、鉺和鋁的光纖預制棒，經(jīng)拉絲得到石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖。
由上述方法制得一種石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖，芯部同時摻有稀土元素鉺(Er)和主族元素鉍(Bi)、鎵(Ga)、鋁(Al)。光纖芯區(qū)的基質(zhì)材料為石英基，它的組成可以是純二氧化硅(SiO2)或二氧化硅和其它改變折射率材料的混合物。芯區(qū)的基質(zhì)材料為純二氧化硅時，芯區(qū)折射率主要由鉍、鎵、鋁和鉺的摻雜含量決定，芯區(qū)折射率相對較低。此時這種鉍、鎵、鉺、鋁共摻的光纖，可以利用芯區(qū)折射率低、吸收系數(shù)高的特點，可以做成具有大有效面積纖芯的包層泵浦光纖。當芯區(qū)的基質(zhì)材料為二氧化硅和其它改變折射率材料的混合物時，其它改變折射率材料(例如鍺、磷、氟等)的比例，根據(jù)對光纖折射率的具體要求而定。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明石英基的鉍鎵鉺鋁共摻光纖具有比普通石英基摻鉺光纖高得多的吸收系數(shù)。在1530nm處的吸收系數(shù)達到58dB/m以上，在980nm處的吸收系數(shù)達到了30dB/m。經(jīng)測試這種摻鉺光纖具有平坦的熒光光譜。利用本發(fā)明制作的石英基鉍鎵鉺鋁光纖制作C波段EDFA，實現(xiàn)了平坦的增益譜，光纖放大器的石英基鉍鎵鉺鋁光纖使用長度縮短到了所需普通摻鉺光纖的十分之一以下。同樣，L波段摻鉺光纖放大器的鉍鎵鉺鋁光纖使用長度也縮短到了普通鉺光纖使用長度的十分之一以下，而且實現(xiàn)了較高的L波段增益。本發(fā)明制作的石英基鉍鎵鉺鋁共摻雜光纖具有與普通石英基光纖熔接簡單，吸收系數(shù)高、增益譜平坦等優(yōu)點。使用這種石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖制作光纖放大器可以大大縮短摻雜光纖的長度，最大限度地節(jié)約成本。這種光纖既能保持高增益效率，又降低了成本，因此具有很大的市場應用前景。
圖1是本發(fā)明石英基的鉍鎵鉺鋁共摻光纖預制棒的折射率分布圖。
圖2是本發(fā)明石英基的鉍鎵鉺鋁共摻光纖的吸收譜圖。
圖3是利用是本發(fā)明石英基的鉍鎵鉺鋁共摻光纖制作的C波段EDFA的自發(fā)輻射譜圖。
具體實施方式下面結合附圖的具體實施例對本發(fā)明做進一步描述。
實施例1利用改進型的化學氣相沉積方法(MCVD)在超純石英管內(nèi)先沉積阻擋層，阻擋層的折射率與石英管折射率一致。然后沉積最內(nèi)層，即芯層，沉積芯層的溫度較低，在1200℃至1300℃之間，沉積的芯層為疏松狀(泡沫狀)的白色不透明層，沉積疏松層時的原料為四氯化硅(SiCl4)和氧氣(O2)，得到的疏松層成分為唯一的二氧化硅(SiO2)。然后采用在線摻雜方法，將預先配制好的鉍、鎵、鉺和鋁的混合溶液浸泡疏松層，待不透明的疏松層變透明后，繼續(xù)浸泡一個小時左右。
在浸泡前，關鍵是配制高純度的混合鹽溶液，鹽溶液的摻雜成分也是本發(fā)明的關鍵。在本實施例中，采用了各種摻雜物的氯化物溶液。采用高純的化學試劑氧化鉍、氧化鎵和高純度鹽酸配制成氯化鉍溶液、氯化鎵溶液；采用高純無水氯化鋁和氯化鉺粉末和去離子水配制成氯化鋁溶液和氯化鉺溶液，在浸泡前將這四種氯化鹽溶液按一定比例配制成鉍、鎵、鉺和鋁的混合溶液。
最后對浸泡過鉍鎵鉺鋁鹽溶液的疏松層，進行氯氣脫水過程，除掉芯部疏松層的物理水和化學結合水；接下來對疏松層進行熔化，再經(jīng)縮棒過程得到纖芯摻有鉍鎵鉺鋁的石英基光纖預制棒。測試原始預制棒的折射率分布，根據(jù)測試的預制棒折射率，計算要使光纖截止波長小于980nm條件下需要的外套管厚度。最后經(jīng)拉絲得到石英基鉍鎵鉺鋁共摻的光纖。
如圖1所示是疏松層為純二氧化硅時，石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖預制棒的折射率分布圖，由于在制作光纖疏松層時沒有摻鍺，光纖纖芯沒有出折射率下陷現(xiàn)象。如圖2所示，是我們利用上述實施方式制作的石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖的吸收譜，它在1530nm處的吸收系數(shù)達到了58dB/m，在980nm處的吸收系數(shù)達到了30dB/m。采用這種石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖制成了C波段的摻鉺光纖放大器，如圖3所示為利用本發(fā)明制作的C波段EDFA的自發(fā)輻射譜，增益譜波動小于+/-2dB，具有平坦的增益特性。
利用本實施例制作的石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖，應用到C波段和L波段的光纖放大器中，摻雜光纖的使用長度大大縮短，為利用普通摻鉺光纖制作的摻鉺光纖放大器中的鉺光纖長度的十分之一以下，并且增益譜更寬更平坦。
實施例2采用MCVD方法在純石英管內(nèi)沉積阻擋層，然后開始沉積疏松層，沉積纖芯疏松層時，原料氣由四氯化硅(SiCl4)、四氯化鍺(GeCl4)和氧氣(O2)，經(jīng)高溫反應生成了二氧化硅和二氧化鍺的混合物，其中二氧化鍺主要用于提高芯區(qū)的折射率，同時降低沉積疏松層時的溫度，適當改變石英網(wǎng)絡結構。當芯區(qū)疏松層由二氧化硅和二氧化鍺的混合物時，由于摻鍺提高了纖芯折射率，因此要適當調(diào)低在溶液摻雜過程中所配制的鉍、鎵、鉺、鋁的濃度。
下面經(jīng)與實施例1相同的步驟溶液配制、溶液浸泡、氯氣脫水、熔化等過程，在縮棒時與實施例不同的是，在芯區(qū)摻鍺之后，由于二氧化鍺容易高溫揮發(fā)，為了抑制二氧化鍺的揮發(fā)，在縮棒時需要通入四氯化鍺(GeCl4)和氧氣(O2)。接下來，再經(jīng)套管，拉絲等過程與實施例1完全一致。配制的溶液仍為鉍、鎵、鉺和鋁的混合鹽溶液，但具體濃度根據(jù)需要作適當?shù)恼{(diào)整。
實施例3采用MCVD方法在純石英管內(nèi)沉積阻擋層，然后開始沉積疏松層，沉積纖芯疏松層時，原料氣由四氯化硅(SiCl4)、六氟化硫(SF6)和氧氣(O2)，經(jīng)高溫反應生成了二氧化硅和二氟氧硅的混合物。由于摻氟降低纖芯的折射率，因此在摻雜過程中可以適當提高鉍、鎵、鉺、鋁的濃度，以使纖芯具有合適的折射率。當不提高鉍、鎵、鉺、鋁溶液的濃度時，這種摻氟的石英基光纖纖芯具有比純石英基纖芯更低的折射率，更適合制作大有效纖芯面積的光纖，用于包層泵浦的大功率光纖激光器和放大器中。
同樣，經(jīng)溶液配制、溶液浸泡、氯氣脫水、熔化、縮棒、套管、拉絲等過程，得到了纖芯摻氟石英基的鉍鎵鉺鋁光纖。
權利要求
1.石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖的制作方法，其特征在于利用傳統(tǒng)的化學氣相沉積(MCVD)方法在石英管內(nèi)沉積阻擋層，再沉積纖芯疏松層，疏松層材料組分可以是純二氧化硅，或二氧化硅和其它改變折射率材料的混合物，按一定比例配制鉍、鎵、鉺和鋁的混合鹽溶液，采取在線摻雜的方法，浸泡疏松層，再經(jīng)氯氣脫水過程，然后將疏松體熔化，最后經(jīng)縮棒、套管等過程得到了芯區(qū)摻有鉍、鎵、鉺和鋁的光纖預制棒；經(jīng)拉絲成石英基鉍鎵鉺鋁共摻雜的光纖。
2.根據(jù)權利要求
1所述的石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖的制作方法，其特征在于在線摻雜過程中所用的鉍、鎵、鉺和鋁的混合鹽溶液中各種摻雜離子的濃度為Bi3+0.2～0.5mol/l；Ga3+0.2～0.5mol/l；Er3+0.005mol/l～0.05mol/l；Al3+0.2～1mol/l。
3.根據(jù)權利要求
1所述的石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖的制作方法制得石英基鉍鎵鉺鋁光纖，其特征在于芯部的基質(zhì)材料為純二氧化硅、或二氧化硅和其它改變折射率材料的混合物，摻雜物的含量根據(jù)纖芯疏松層材料組成，作相應的變化。
專利摘要
一種石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖及其制作方法，涉及的石英基鉍鎵鉺鋁共摻光纖，通過在石英基光纖纖芯中同時摻入鉍鎵鉺鋁四種元素來實現(xiàn)。這種鉍鎵鉺鋁光纖具有很高的吸收系數(shù)，在1530nm處的吸收系數(shù)可以達到58dB/m以上。利用這種石英基的鉍鎵鉺鋁共摻光纖制作的C波段和L波段摻鉺光纖放大器中摻雜光纖長度縮短到所需普通摻鉺光纖長度的十分之一以下，并實現(xiàn)了平坦的增益譜。利用這種具有高吸收系數(shù)的光纖制作光纖激光器時，光纖長度僅幾十厘米就可，使光纖激光器的偏振態(tài)容易保持，這在混合集成中具有廣闊的應用前景。本發(fā)明對于制造光纖激光器和放大器都具有十分重要的意義和經(jīng)濟效益。
文檔編號C03B37/018GK1994946SQ200610169735
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月28日
發(fā)明者傅永軍, 簡水生, 李堅, 魏淮, 郭鐵英 申請人:北京交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan