稀土摻雜光纖

稀土摻雜光纖的制作與普通光纖的制作相比,除了都同樣需要進(jìn)行沉積外,還需要進(jìn)行"摻雜"的操作。目前的沉積方法有外部氣相沉積法(OVD: Outside Vapour Deposition)、軸向氣相沉積法(VAD: Vapour Axial Deposit)改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition)、等離子化學(xué)氣象沉積法(PCVD: Plasma Asisted Chmical Vapor Deposition)及直接納米粒子沉積法(DND: Direct Nanoparticle Deposition)[4i]。而摻雜方法按照摻雜物的形態(tài)可分為氣相摻雜和溶液摻雜兩大類。其中,MCVD法結(jié)合溶液慘雜技術(shù)由于其操作簡(jiǎn)單、摻雜溶液濃度及組分容易控制,它也是最常用的稀土摻雜光纖制作方法。

在MCVD結(jié)合溶液摻雜的制棒過程中,影響光纖最終性能的好壞主要由疏松層的質(zhì)量和摻雜操作來決定。之前有研究指出,反向沉積疏松層有利于摻雜濃度的提高。印度中央玻璃與陶瓷研究所的M. Pal等人指出采用反向沉積疏松層,比在1200~1300 °C時(shí)正向沉積疏松層制得的摻雜光纖要有較大的纖芯厚度,較高的數(shù)值孔徑以及較高的摻雜效率,并且提出了 "預(yù)燒結(jié)"更能保證疏松層質(zhì)量。俄羅斯的V.F.Khopin等人對(duì)于最優(yōu)化的預(yù)燒結(jié)的溫度和溶液浸泡的時(shí)間做了研究,并指出了由于酒精比水有較小的表面張力,因此用酒精作為溶劑會(huì)使完全浸透的時(shí)間變得更短。在文中給出的濃度范圍內(nèi),稀土離子在最終預(yù)制棒中的濃度與溶液中的濃度成正比。同為印度中央玻璃與陶瓷研究所的A.Dhar等人做了一系列的實(shí)驗(yàn),給出了很多有用的結(jié)論1)疏松層的厚度與沉積溫度和組分有關(guān),Ge和P的摻入會(huì)減小沉積厚度,增大疏松孔,并且疏松層沉積溫度的降低增大了疏松孔面積相對(duì)于沉積面積的比值,從而導(dǎo)致?lián)姐s濃度的提高;2)摻雜溶液本身的組分和溶劑對(duì)光纖中輯離子的濃度都有影響,其中招離子濃度的提高會(huì)使輯離子濃度提高,酒精作為溶劑比水作為溶劑更有利于輯離子濃度的提高。澳大利亞悉尼大學(xué)光纖技術(shù)中心的F.Z. Tang等人對(duì)制作共摻輯、錦的光纖有著深入的研究,得到了如下的結(jié)論1)多次浸泡和熱處理的溶液摻雜法能夠有效的提高光纖預(yù)制棒中輯和銀的含量;2)對(duì)只摻輯/共摻銀、銀的的光纖預(yù)制棒分別進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)無論是鉺含量曲線還是預(yù)制棒折射率分布圖上都會(huì)在芯子的中心出現(xiàn)一個(gè)"凹陷",而銀、鋁共摻的預(yù)制棒沒有這種情況;3)浸泡和熱處理的次數(shù)越多,提高鉺和鋁的含量。

在疏松層沉積前驅(qū)物確定的情況下,疏松層的質(zhì)量只與沉積溫度有關(guān),并且疏松層的好壞可以用疏松孔面積相對(duì)于沉積面積的比值這個(gè)參量來定量的衡量;摻雜溶液的組分對(duì)提高最終預(yù)制棒中鉺的存在量有著非常大的影響,尤其是鍋的加入對(duì)于輯濃度的提高尤為明顯,并且溶劑的選擇會(huì)影響溶液的滲透程度。稀土摻雜的機(jī)理主要停留在離子的吸附效應(yīng)，在疏松層及摻雜溶液確定的情況下對(duì)摻雜機(jī)理的研究同樣有助于提高摻雜效率。由于疏松層實(shí)際上是一個(gè)多孔介質(zhì)。

在世界范圍內(nèi),光纖激光器的技術(shù)方案已經(jīng)表現(xiàn)出全光纖結(jié)構(gòu)的明顯趨向,這種光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成的全光纖一體化激光器,從激光的產(chǎn)生到激光的傳輸,全部在光纖環(huán)境中進(jìn)行,從而表現(xiàn)出了眾多顯著的優(yōu)越性,也使得人們對(duì)光纖激光器提出更高功率的要求。

大功率的光纖激光器會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)生各種非線性現(xiàn)象,如受激拉曼散射(SRS: Stimulated Raman Scattering)、受激布里淵散射(SBS: Stimulated Brillouin Scattering)、自相位調(diào)制(SPM: Self-Phase Modulation)等,這些非線性制約光纖激光器功率提高的最大因素。

光纖中的非線性效應(yīng)主要與光纖中的光強(qiáng)及光纖有效長(zhǎng)度有關(guān)。因此降低光纖中的非線性效應(yīng)有兩條途徑,其一是減小光纖的有效長(zhǎng)度,在光纖激光器和放大器中就要求使用更短的摻雜光纖,這對(duì)摻雜光纖的放大性能提出了更高的要求;再有就是減小光纖中的光功率密度,要在不降低注入能量的前提下減小光強(qiáng),光纖就必須提供更大的有效面積,以降低光纖中能量的集中程度。這一做法同時(shí)也有利于降低端面損傷和熱自聚焦等問題對(duì)光纖激光器輸出功率的限制。如果靠增大纖芯直徑的方法來增大光纖模場(chǎng)直徑,那么為了讓光纖還能繼續(xù)在大于原來的截止波長(zhǎng)的條件下單模運(yùn)轉(zhuǎn),就必須要相應(yīng)的減小纖芯的折射率差否則,光纖很有可能會(huì)在工作波長(zhǎng)上變?yōu)槎嗄＿\(yùn)轉(zhuǎn)。很多的商用稀土摻雜光纖通過增加纖芯尺寸來增大有效面積,從而放棄了單模運(yùn)轉(zhuǎn)條件。具有大芯徑、低數(shù)值孔徑的少模或多模摻雜光纖,可以結(jié)合選模技術(shù)構(gòu)造的單模運(yùn)轉(zhuǎn)光纖激光。但是這樣的激光器結(jié)構(gòu)既增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本,又降低了可靠性;同時(shí)多模光纖本身也存在有穩(wěn)定性方面的隱患。為了獲得結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高的大功率單模光纖激光器,各種實(shí)現(xiàn)LMA稀土摻雜單模光纖的理論和方法仍是研究熱點(diǎn)。

降低纖芯的射率差以實(shí)現(xiàn)盡可能小的數(shù)值孔徑的方法能夠在一定程度上增大模場(chǎng)面積,英國(guó)南安普頓大學(xué)光電子研究中心的D.J.Richardson等人在1997年報(bào)道了具有310um模場(chǎng)面積的EDF,其NA低至0.066。這樣低的NA也是目前工藝所能達(dá)到的極限,并且這樣的光纖抗彎損性能會(huì)比較差,實(shí)際應(yīng)用潛力不大。因此只是按照傳統(tǒng)的方法,簡(jiǎn)單減小NA的方法遇到了瓶頸。在光子晶體光纖(PCF: Photonic Crystal Fiber)的研究興起之后,純石英的光子晶體光纖能夠具有無盡單模(Endless Single Mode)特性,為大模場(chǎng)面積單模光纖提供了新的研究方向,一些研究成果已經(jīng)在相關(guān)文獻(xiàn)上報(bào)道過。但是基于光子晶體的LMA稀土摻雜單模光纖的制作也有不足:1)光子晶體光纖的制作本身就是工藝難點(diǎn),難以保證制作的穩(wěn)定性和重復(fù)性;2)由于高濃度稀土慘雜光纖預(yù)制棒的纖芯折射率會(huì)高于純石英的折射率,利用現(xiàn)有的降低折射率的技術(shù)很難降低到純石英的水平,這使得最終的光纖不能實(shí)現(xiàn)無盡單模,進(jìn)而影響到光纖的大模場(chǎng)性能。除此之外,斯坦福大學(xué)的A. E. Siegman在2003年提出了一種新的概念 增益導(dǎo)引光纖,與傳統(tǒng)階躍光纖不同的是這種光纖纖芯的折射率比包層的折射率小,傳統(tǒng)的全內(nèi)反射理論在這種光纖中不再適用。理論分析表明,采用增益導(dǎo)引效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)芯徑百微米量級(jí)的單模大模場(chǎng)光纖。一些基于這種理論的增益導(dǎo)引折射率反導(dǎo)引(GG-IAG: Gain-Guided, Index-AntiGuided Fiber)光纖激光器也己經(jīng)有報(bào)道。但是這種光纖的模式特性不僅與光纖的芯徑、波長(zhǎng)、包層折射率和芯包層折射率差有關(guān),還與增益因子有關(guān),這一特性與粟浦能量等因素的顯著影響,難以保證光纖使用的穩(wěn)定性。另外,香港城市大學(xué)的K. Chiang和V. Rastogi在2002年提出了瓣?duì)罟饫w(SCF: Segmented Cladding Fiber)來增大纖芯的有效面積,它的纖芯由高折射率材料組成,包層由高折射率材料瓣與低折射率材料瓣交替組成。但是這種光纖的制作都依賴于聚合物材料,不適用于普通光纖的制作設(shè)備,并且會(huì)引入不必要的損耗,因此不具備制作商用大功率光纖激光器的能力。這些新型結(jié)構(gòu)的光纖雖然確實(shí)能增大光纖的有效模場(chǎng)面積,但是在工藝和具體應(yīng)用上都存在實(shí)用化的問題。

自從英籍華裔學(xué)者高棍在1966年指出利了用光導(dǎo)纖維進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄?光纖的制作及應(yīng)用至今仍然是相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。1970年,美國(guó)制作出全球第一條損耗低于20 dB/km的光纖,這成為了光纖能夠真正應(yīng)用于信息傳輸?shù)睦锍瘫?987年,英國(guó)南安普頓大學(xué)在多次研制摻銀光纖(EDF: Erbium Doped Fiber)的基礎(chǔ)上,首先制造出了工作在1.54 mn的摻鉺光纖放大器(EDFA: Erbium Doped Fiber Ainplifier),EDFA的發(fā)明使得長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能。

除了光纖損耗以外,光纖中的非線性以及光纖色散等效應(yīng)也嚴(yán)重制約了光纖通信向更高速率、更大容量和更長(zhǎng)距離方向的發(fā)展。現(xiàn)在的商用光纖的損耗已經(jīng)降到很低的水平,并且各種光放大器也解決了長(zhǎng)距離傳輸中信號(hào)中繼的問題。對(duì)于光纖色散,傳統(tǒng)的光纖色散分段補(bǔ)償技術(shù),在數(shù)據(jù)傳輸率超100 Gb/s時(shí),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的色散補(bǔ)償難以精確實(shí)現(xiàn)。而光正交頻分復(fù)用(0-0FDM: Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing)具有優(yōu)良的抗色散能力,近些年成為了光通信研究的熱點(diǎn)。從1996年開始,有少量的工作將OFDM應(yīng)用到光通信領(lǐng)域。但直到2001年,研究人員才認(rèn)識(shí)到OFDM在光通信中抗色散的價(jià)值。隨后的0-0FDM技術(shù)發(fā)展迅猛:2008年,澳大利亞墨爾本大學(xué)實(shí)現(xiàn)了在1000 km長(zhǎng)度的普通單模光纖中傳輸107 Gb/s的高速信號(hào);2009年,墨爾本大學(xué)實(shí)現(xiàn)了 1 Tb/s相干的光OFDM (CO-OFDM: Coherent Optical OFDM)系統(tǒng),在單模光纖上傳輸了 600在2012年的最新報(bào)道中,NEC美國(guó)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合密接波分復(fù)用技術(shù)(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing),實(shí)現(xiàn)了單模光纖傳輸距離為 165 km 的 101.7 Tb/sOFDM系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)中采用了偏振復(fù)用以及128正交幅度調(diào)制。盡管如此,0-0FDM系統(tǒng)也有其亟需解決的問題。對(duì)于超100 Gb/s的高速光通信系統(tǒng),常采用更密集的光載波和較高階的高階光調(diào)制來獲得更高的系統(tǒng)容量。由于更密集的光載波意味著需要的光功率越大,從而帶來更大的非線性損傷,并且超100 Gb/s系統(tǒng)的非線性損傷對(duì)系統(tǒng)性能的影響較低速系統(tǒng)更為嚴(yán)重。如為減小非線性損傷而降低每個(gè)載波的光功率,那么對(duì)于同樣的光纖鏈路超100 Gb/s系統(tǒng)所能達(dá)到光信噪比(OSNR:Optical Signal Noise Ratio)會(huì)降低,無電中繼傳輸距離會(huì)被縮短,從而不能滿足超長(zhǎng)距離傳輸?shù)膽?yīng)用要求。在保證輸入光功率不變的前提下,為了減小光纖中非線性效應(yīng)的影響,必須增大光纖的有效模場(chǎng)面積。使用具有大芯徑的多模光纖可以達(dá)到增大模場(chǎng)面積的效果,但是多模光纖存在模間色散,其衰減也比單模光纖大，不利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的光傳輸。近期基于多?；蛏倌９饫w的0-0FDM的文獻(xiàn)報(bào)道,給出的傳輸距離從幾百米到幾公里不等都不足以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。因此必須通過合理的設(shè)計(jì),降低整個(gè)芯區(qū)的有效折射率來獲得大的有效模場(chǎng)面積,同時(shí)保證光纖在工作波長(zhǎng)為單模運(yùn)轉(zhuǎn),這在介紹大模場(chǎng)面積摻銀光纖時(shí)將詳細(xì)說明。

特種光纖不僅在光通信領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用,在其他相關(guān)領(lǐng)域,稀土摻雜特種光纖也扮演了重要的角色。隨著工藝的進(jìn)步,稀土摻雜光纖在近些年得到了很大的發(fā)展。除了常用的將Er3+作為摻雜劑,其他的稀土離子,如Yb3、Tm3、Ho3+、Nd3+、Pr3+、Eu3+等,也都被當(dāng)做摻雜劑制作成了稀土摻雜特種光纖。這些稀土摻雜光纖不僅能用于光信號(hào)的放大,還能用于制作光纖激光器和光纖傳感器等光纖器件。同時(shí)基于稀土摻雜的各種光纖器件以及光電子器件的應(yīng)用也從光纖通信延伸到傳感、醫(yī)療、材料加工以及國(guó)防等領(lǐng)域。

實(shí)際上不僅不同的稀土摻雜元素能夠提供光纖新的特性,即使對(duì)于一種特定的稀土摻雜光纖,只要通過新型的幾何設(shè)計(jì)或者共摻入其他非稀土元素,也能帶來許多新的特性和應(yīng)用。就本實(shí)驗(yàn)室最常研制的EDF來說,有許多基于其改進(jìn)的新的光纖:保偏摻輯光纖(PMEDF: Polarization-Maintaining EDF)、光敏摻光纖(Photosensitive)保偏光敏摻銀光纖(PMPEDF: PM and Photosensitive EDF)、微結(jié)構(gòu)摻輯光纖(Microstructured EDF)、雙包層摻銀光纖(DC-EDF:Double-Clad)大模場(chǎng)面積摻輯光纖(LMA-EDF: Large-Mode-Field -AreaEDF)、雙芯摻銀光纖(TC-EDF: Twin-Core)等來用于特殊的需求。

在光纖的纖芯中，摻雜如何（Er）、欽（Nd）、譜（Pr）等稀土族元素的光纖。1985年英國(guó)的索斯安普頓（Sourthampton）大學(xué)的佩思（Payne）等首先發(fā)現(xiàn)摻雜稀土元素的光纖（Rare Earth DoPed Fiber）有激光振蕩和光放大的現(xiàn)象。于是，從此揭開了慘餌等光放大的面紗，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)用的1.55pmEDFA就是利用摻餌的單模光纖，利用1.47pm的激光進(jìn)行激勵(lì)，得到1.55pm光信號(hào)放大的。另外，摻錯(cuò)的氟化物光纖放大器（PDFA）正在開發(fā)中。

光纖通信系統(tǒng)工作在兩個(gè)低損耗窗口:1.55μm波段和1.31μm波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。

摻稀土元素的光纖放大器是利用光纖中摻雜稀土元素(如餌和鈦等)，引起增益而實(shí)現(xiàn)光放大的。其優(yōu)點(diǎn)是工作波長(zhǎng)恰好落在光纖通信的最佳波長(zhǎng)區(qū)(1.3~1.6μm)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與線路的耦合損耗很小，噪聲低，增益高，頻帶寬，與光纖偏振狀態(tài)無關(guān)，所需泵浦功率也較低。

使用最多的是摻鉺光纖放大器(EDFA)，其工總波長(zhǎng)在1530~1560nm之間，也可增益位移使其工作在1570~1610nm。另外摻銩放大器(TDFA)其一個(gè)增益帶在1480~1510nm，是作為通信窗口中S-band的較理想放大器。還要1310nm的摻鐠放大器以及1060nm附近的摻鐿放大器等等。