稀土摻雜光纖光纖研究

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)境中進行,從而表現(xiàn)出了眾多顯著的優(yōu)越性,也使得人們對光纖激光器提出更高功率的要求。

大功率的光纖激光器會直接導致產(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及光纖有效長度有關(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,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。這一做法同時也有利于降低端面損傷和熱自聚焦等問題對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直徑,那么為了讓光纖還能繼續(xù)在大于原來的截止波長的條件下單模運轉(zhuǎn),就必須要相應(yīng)的減小纖芯的折射率差否則,光纖很有可能會在工作波長上變?yōu)槎嗄＿\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,各種實現(xiàn)LMA稀土摻雜單模光纖的理論和方法仍是研究熱點。

降低纖芯的射率差以實現(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面積,英國南安普頓大學光電子研究中心的D.J.Richardson等人在1997年報道了具有310um模場面積的EDF,其NA低至0.066。這樣低的NA也是目前工藝所能達到的極限,并且這樣的光纖抗彎損性能會比較差,實際應(yīng)用潛力不大。因此只是按照傳統(tǒng)的方法,簡單減小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)文獻上報道過。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,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現(xiàn)無盡單模,進而影響到光纖的大模場性能。除此之外,斯坦福大學的A. E. Siegman在2003年提出了一種新的概念 增益導引光纖,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,采用增益導引效應(yīng),可實現(xiàn)芯徑百微米量級的單模大模場光纖。一些基于這種理論的增益導引折射率反導引(GG-IAG: Gain-Guided, Index-AntiGuided Fiber)光纖激光器也己經(jīng)有報道。但是這種光纖的模式特性不僅與光纖的芯徑、波長、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,香港城市大學的K. Chiang和V. Rastogi在2002年提出了瓣狀光纖(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)的光纖雖然確實能增大光纖的有效模場面積,但是在工藝和具體應(yīng)用上都存在實用化的問題。

稀土摻雜光纖的制作與普通光纖的制作相比,除了都同樣需要進行沉積外,還需要進行"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)改進的化學氣相沉積法(MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition)、等離子化學氣象沉積法(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等人對于最優(yōu)化的預(yù)燒結(jié)的溫度和溶液浸泡的時間做了研究,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使完全浸透的時間變得更短。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驗,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于沉積面積的比值,從而導致?lián)姐s濃度的提高;2)摻雜溶液本身的組分和溶劑對光纖中輯離子的濃度都有影響,其中招離子濃度的提高會使輯離子濃度提高,酒精作為溶劑比水作為溶劑更有利于輯離子濃度的提高。澳大利亞悉尼大學光纖技術(shù)中心的F.Z. Tang等人對制作共摻輯、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)對只摻輯/共摻銀、銀的的光纖預(yù)制棒分別進行測試,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在芯子的中心出現(xiàn)一個"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于沉積面積的比值這個參量來定量的衡量;摻雜溶液的組分對提高最終預(yù)制棒中鉺的存在量有著非常大的影響,尤其是鍋的加入對于輯濃度的提高尤為明顯,并且溶劑的選擇會影響溶液的滲透程度。稀土摻雜的機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摻雜機理的研究同樣有助于提高摻雜效率。由于疏松層實際上是一個多孔介質(zhì)。

自從英籍華裔學者高棍在1966年指出利了用光導纖維進行信息傳輸?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。1970年,美國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,英國南安普頓大學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)也嚴重制約了光纖通信向更高速率、更大容量和更長距離方向的發(fā)展?，F(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距離傳輸中信號中繼的問題。對于光纖色散,傳統(tǒng)的光纖色散分段補償技術(shù),在數(shù)據(jù)傳輸率超100 Gb/s時,對整個系統(tǒng)的色散補償難以精確實現(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。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,研究人員才認識到OFDM在光通信中抗色散的價值。隨后的0-0FDM技術(shù)發(fā)展迅猛:2008年,澳大利亞墨爾本大學實現(xiàn)了在1000 km長度的普通單模光纖中傳輸107 Gb/s的高速信號;2009年,墨爾本大學實現(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年的最新報道中,NEC美國實驗室結(jié)合密接波分復(fù)用技術(shù)(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing),實現(xiàn)了單模光纖傳輸距離為 165 km 的 101.7 Tb/sOFDM系統(tǒng),在實驗中采用了偏振復(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)的非線性損傷對系統(tǒng)性能的影響較低速系統(tǒng)更為嚴重。如為減小非線性損傷而降低每個載波的光功率,那么對于同樣的光纖鏈路超100 Gb/s系統(tǒng)所能達到光信噪比(OSNR:Optical Signal Noise Ratio)會降低,無電中繼傳輸距離會被縮短,從而不能滿足超長距離傳輸?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面積。使用具有大芯徑的多模光纖可以達到增大模場面積的效果,但是多模光纖存在模間色散,其衰減也比單模光纖大，不利于實現(xiàn)長距離的光傳輸。近期基于多?；蛏倌９饫w的0-0FDM的文獻報道,給出的傳輸距離從幾百米到幾公里不等都不足以實現(xiàn)長距離傳輸。因此必須通過合理的設(shè)計,降低整個芯區(qū)的有效折射率來獲得大的有效模場面積,同時保證光纖在工作波長為單模運轉(zhuǎn),這在介紹大模場面積摻銀光纖時將詳細說明。

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、材料加工以及國防等領(lǐng)域。

實際上不僅不同的稀土摻雜元素能夠提供光纖新的特性,即使對于一種特定的稀土摻雜光纖,只要通過新型的幾何設(shè)計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。就本實驗室最常研制的EDF來說,有許多基于其改進的新的光纖: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年英國的索斯安普頓（Sourthampton）大學的佩思（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)實用的1.55pmEDFA就是利用摻餌的單模光纖，利用1.47pm的激光進行激勵，得到1.55pm光信號放大的。另外，摻錯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)，引起增益而實現(xiàn)光放大的。其優(yōu)點是工作波長恰好落在光纖通信的最佳波長區(qū)(1.3~1.6μm)，結(jié)構(gòu)簡單，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。