特种光纤和制备工艺技术

特种玻璃光纤和制备工艺技术

1.光纤的分类与应用

光纤即光导纤维,它是工作在光波波段的一种介质波导多为圆柱形,它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射原理约束在其界面内,使光沿光纤轴线的方向传播。光纤有多种不同的分类方法,根据光纤的组成材料不同,可以分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、晶体及液芯等特种光纤等。其中,石英玻璃光纤的传输损耗最低已经广泛应用于光通信传输;多组分玻璃光纤材料损耗大,但其芯-皮折射率可在较大范围内调节有利于制备大数值孔径的光纤,且其稀土掺杂浓度大可以用于光纤激光器和放大器;塑料光纤虽然成本低,但损耗大、稳定性差难于应用。按光纤的结构分,有:①单包层光纤,其基本结构是两层圆柱状介质,内层芯层的折射

率大于外层包层,满足一定条件的光在界面处产生全反射被束缚在芯层传播;②双包层光纤,它是在稀土掺杂的单模光纤外面形成了一个大尺寸、大数值孔径的多模泵浦区,又称内包层,双包层光纤的出现大大提高了泵浦功率从而推动了大功率光纤激光器的发展;③光子晶体光纤,它是由周期性排列的毛细孔组成包层,芯层可以是玻璃也可以是空气孔形成的结构缺陷。光子晶体光纤的导光机理与传统光纤不完全相同,它利用光子带隙结构使一定波长和传输常数范围内的光无法在横向扩展而穿透包层材料,从而达到沿轴向传播的目的。此外,按折射率的分布光纤又分为阶跃型(SI和渐变型(GI,所谓阶跃型光纤,是指在纤芯和包层内,折射率分布是均匀的,只有在包层与纤芯界面处,折射率的变化是阶跃的。渐变型光纤,是指在光纤的轴心处,其折射率最大,而沿光纤横截面径向r 的增大而逐渐变小,到了纤芯与包层的交界处,降到与包层折射率相等的数值,而包层中的折射率分布是均匀的。

根据光纤中传输模式的数量,又可将光纤分为单模光纤和多模光纤两类。传输模式是指光在光纤中传播时的电磁场分布形式,一种电磁场分布称为一个传输模式。当光纤中只传输一种模式时,这种光纤被成为单模光纤。单模光纤纤芯芯径极细,约为4~10μm,其折射率分布一般采取阶跃分布。单模光纤只传输基模,不存在模式色散,传光特性较好,它适用于大容量、长距离光纤通信。但由于截面尺寸小,在制

备、连接、耦合上都比较困难。当光纤中传输多种模式时,这种光纤被成为多模光纤。多模光纤直径约为50μm。由于多模光纤存在着模式色散,使得其带宽变窄。

2.多组分玻璃光纤

多组分玻璃光纤是相对石英玻璃光纤来说的,它的基质是多组分玻璃。目前,研究和应用较多的包括:氧化物玻璃光纤、氟化物玻璃光纤、硫化物玻璃光纤以及新兴的氧氟化物玻璃光纤。

最早的玻璃激光输出是在硅酸盐玻璃光纤中实现的,但是硅酸盐玻璃光纤相对于石英玻璃光纤没有突出优点,且传输损耗比较大,所以一直没有得到实际的应用。磷酸盐玻璃成纤性能好,对稀土离子溶解度高,基质声子能量高(约为1100cm-1可降低稀土的上转换效率,非常适合用作光纤激光器光纤以及高增益光纤放大器。典型的EDFA中Er3+的浓度为300~500ppm,而磷酸盐玻璃光纤Er3+的掺杂浓度高达几十万ppm,高浓度能够有效吸收泵浦功率、提高其单位增益强度。美国Kigre公司和NP Photnics公司都有商业化的掺Er3+磷酸盐玻璃光纤放大器,其最大单位增益为5.4dB/cm,损耗小于0.1dB/cm。国内华南理工大学自制的掺Er3+磷酸盐玻璃光纤单位增益到达了2.5dB/cm。此外,磷酸盐玻璃光纤还可以掺杂Yb3+或Er3+用作光纤激光器。

重金属氧化物玻璃光纤声子具有声子能量小、红外透过范围广、稀土掺杂浓度高、非线性折射率高等优点,在光纤放大器、非线性光纤等方面得到了广泛研究与应用。用于WDM系

统的掺铒光纤放大器(EDFA放大的C波段(1530~1565nm只覆盖了石英单模光纤低损耗窗口的一部分,能容纳的波长信道数大约只有40个(信道间隔100GHz,随着计算机网络及其它数据传输服务的飞速发展,EDFA已远远不能满足人们的需求。采用碲酸盐玻璃基质的掺Er3+光纤或掺Tm3+光纤能使信号在C+L波段

(1530~1610nm或S波段(1420~1520nm宽带区域实现有效的放大,从而大大光纤网络的数据传输容量。2002年NTT公司将EDTFA用在L波段的放大,并利用TDFA和EDFA实现了在S+C+L三个波段之间1000个信道的WDM 传输实验,经过117km

传输后信噪比大于25dB(相对于误码率的数量级为10-12,实验表明是实际可行的。目前,日本NTT已有商品化的用碲酸盐掺铒光纤做成的EDTFA模块出售,美国Thorlabs公司也有稀土掺杂碲酸盐玻璃光纤产品。尽管EDTFA出现时间不是很长,但其实用化进程进展非常快。如何提高其综合指标,实现高效增益放大,并能和现有的通讯网络实现稳定连接,是目前EDTFA的研究重点。铋酸盐玻璃光纤具有较高的非线性折射率,化学稳定性也较碲酸盐玻璃和氟化物玻璃光纤好,并且成本低。作为非线性玻璃光纤得到了广泛研究,另外它也可作为Er3+掺杂光纤放大器基质材料。2002年K.Kikuchi等人首次提出了无掺杂的铋酸盐玻璃光纤用于全光网络信号处理可能性,制备了Bi2O3-SiO2基质的玻璃光纤,测得其在1550nm的非线性系数为

64W-1Km-1。2004年,T. Nagashima等制备了1550nm处非线性系数高达1360W-

1Km-1的铋酸盐玻璃光纤,是石英光纤的300倍这也是迄今为止报道的最大非线性系数。2004年英国Southampton大学光电子中心报道了一种铋酸盐玻璃基质的光子晶体光纤,测定其在1550nm处的非线性系数为1100 W-1Km-1,理论计算表明芯径在0.8μm时其最大非线性系数可到达2200 W-1Km-1。尽管铋酸盐玻璃光纤是目前非线性系数最高的非线性光纤,但其较大熔接损耗和色散在一定程度上限制了其在实际方面的应用。Er3+掺杂铋酸盐玻璃光纤特点是能在C+L波段同时工作,掺铒铋酸盐光纤的研究代表单位为日本旭硝子(Asahi公司,2001年他们报道了掺铒铋酸盐玻璃光纤的增益放大实验结果,同时在C波段和L波段实现了较大的增益结果。

氟化物玻璃光纤具有较宽的红外透过范围和较低的声子能量(大约为400cm-1,既可以用于红外光的传输又可用于光纤放大器和光纤激光器。以ZrF4-BaF2、

HfF4-BaF2两系统为基体材料的氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤,其最低损耗在2.5μm附近为1×10-3dB/km,对于开辟超长波长的通信窗口具有深远的意义。氟化物玻璃光纤放大器的研究主要集中在掺Tm3+光纤放大器(TDFA 和掺Pr3+光纤放大器(PDFA,到目前为止TDFA 基本上都是以氟化物为玻璃基质的,它声子能量低(~400 cm-1,无辐射衰减几率低。铥离子的上能级3H4寿命长,可实现高的功率转换效率(48%,增益一般为20~30dB。其它低声子能量的玻璃基质(如碲酸盐玻璃、硫系玻璃等也可以实现1.48 m荧光输出,但是迄今为止,只有在掺铥氟化物光纤中才实现了增益放大的结果。掺铥ZBLAN氟化物玻璃光纤是现今TDFA 广泛