特种光纤及器件研究

图 １ 纳 米 Ｉ Ｐ掺 杂 二 氧 化 硅 ｎ
Ｆ ｇ １ Ｉ Ｐ ａ ｏ ａ ｔ ｌｓ ｄ ｐ ｄ ｓｌ ａ ｉ ． ｎ ｎ ｎ ｐ ｒｉ ｅ ｏ ｅ ｉ ｃ ｃ ｉ
ｆ
釜
２
童
① 采用特种拉锥技术 ， 可以制备具有几十纳米到亚 微米直径 的纳米尺度光纤 ； 采 用纳米掺杂技术 ， ②
Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｏ ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｏ ｅ ｂ ｒ ｒａ ｉｔ ｎ ｒ ｓ ｔ ｎ ｂ ｒ ｌ ｄ ｉ ｇ ｍｏ ｅ ｒ ｓ ｎ ｎ ｂ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ：ｎ ｎ —ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｄ ｐ ｄ ｆ ｅ ；ｉ ｄ ａ ｉ ｅ ｉ ａ ｔｆ ｅ ；ｃａ ｄ ｎ ｄ ｅ ｏ ａ ｔ ｆ ｅ ； ｉ ｒ ｏ ｓ ｉ ｉ
应用 ．
关键词 ： 纳米 半导体掺杂光纤 ； 抗辐射光纤 ； 包层模谐振光 纤 ； 量子 点 ； 光纤放 大器 ； 光纤传感器
中 图 分 类 号 ： Ｎ ２ Ｔ ５ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１０ －８ １ ２ １ ） －３００ ０ ７２６ （ ０ １ ０ ０ ６ －８ ４
论 指导 和技 术方 案 ．
学特种光纤与光接入 网省部共建重点实验室培育基
地以石英光纤 为基础 ， 结合纳米材料 、 半导体材料 ， 研制 出多种 具 有 特 殊结 构 、 能 及 特 殊 应 用 的特 种 功
１ 纳米 半导体 掺杂光纤
光 纤放 大 器 的高 增 益 、 噪 声 以及 对 信 号 透 明 低
（ ｅ ａｏａ ｒ ｏ ｐｃａｙＦｂ ｒ ｐｉｓ ｎ ｐｉ ｌ ｃｅｓＮ ｔｏｋ ， ｈｎ ｈｉ ｎｖｒｉ ， ｈｎｈ ｉ ０ ０ ２ Ｃ ｉａ Ｋ ｙＬｂ ｒｔｙ ｆ ｅｉｌ ｉ ｔ ｄＯ ｔａ Ａ ｃｓ ｅ ｒｓ Ｓ ａｇａ Ｕ ｉ ｓｙ Ｓ ａｇ ａ ２０ ７ ， ｈｎ ） ｏ Ｓ ｔ ｅ Ｏ ｃａ ｃ ｗ ｅ ｔ
收 稿 日期 ：０ １０ —６ ２ １ －６１ 基金项 目 ： 国家 自然科 学基 金资助项 目（ ０ ３ ０ ３ ６９７０ ） 通信 作者 ： 王廷云（ ９ ３～） 男 ， １６ ， 教授 ， 博士生导师 ， 士， 博 研究方 向为特种光纤 、 光纤传感等．Ｅ－ ｉ： ｗ ｎ ＠ｓｕ ｅｕ ｃ ｍａ ｔ ａｇ ｈ ．ｄ ．ｎ ｌｙ ：
利 用普 通石 英光 纤拉 丝 塔将 上述 纳 米 ＩＰ掺 杂 ｎ 光 纤预 制棒 拉 制成纤 ， 了与普通 单 模光 纤 匹 配 ， 为 光 纤外 径 取为 １５ ｍ． 用光 学 显微 镜 对拉 制 所 得 光 ２ 利 纤 的端 面进 行观 察 ， 果 如 图 ３所 示 ， 芯 直径 约 为 结 纤 ８ ｍ， Ｐ内包 层厚 度 约为 ４ ０ｎ１ Ｉ ｎ ０ ｎ．
图 ３ ＩＰ掺杂光 纤端 面显微照片 ｎ
Ｆｉ ． Ｍ ｉ ｒ ｇ ａ ｈ ｏ ｅ Ｉ Ｐ ｄ ｐ ｄ ｆ ｅ ｒ ｓ ｅ ｔｏ ｇ３ ｃ ｏ ｒ ｐ ｆｔ ｎ ｏ ｅ ｂ ｒ ｃ ｏ ｓｓ ｃ ｎ ｈ ｉ ｉ
利用光纤 预制棒分 析仪 （ Ｋ ６０ 对纳米半导 体掺 Ｐ ２０ ）
可 以将各 种材 料 以纳 米薄 膜或 纳米 粒 子 的形 式 掺 入
到光 纤 中 ， 而 提 升 现 有 光 纤 的 光 放 大 、 非 线 性 、 从 光
重
量
．
光纤 激光 等方 面 的性 能． 实 验 室从 ２０ 本 ００年 初 开 始
Βιβλιοθήκη Baidu
图 ２ Ｉ Ｐ掺 杂 光 纤 预 制 棒 折 射 率分 布 ｎ
光纤 ， 括 纳米 半 导 体 掺 杂 光 纤 、 辐 射 光 纤 、 层 包 抗 包 模谐 振 光纤 以及 渐逝 波激 发半 导 体量 子 点 光纤 放 大
器等 ， 为解 决现 有 光 纤 应 用 系 统 中的 难 题 提 供 了理
光纤 为核 心 ， 展 出许 多 交 叉 技 术 领 域 ¨ 上 海 大 拓 。．
第 ４期
王廷 云 ， ： 等 特种 光纤及器 件研究
３１ ６
传 输 等特 点 ， 得光 纤 通信 的优 势得 以充 分 体现 ． 使 光 纤 放 大器 的研 究 推 动 了光 纤 通信 技 术 向超 高 速 、 超 宽带 、 超大 容 量 、 长距 离 的 方 向 发 展 ， 使 密 集 波 超 并 分 多 路 复 用 （ ｅｓ ｗ ｖｌ ｇｈｄｖ ｉ ｌｐｅｉ ， ｄｎｅ ａｅｅ ｔ ｉｓ ｎｍｕｔｌｘ ｇ ｎ ｉｏ ｉ ｎ Ｄ Ｍ） 光孤 子传 输 、 光 网络 等 技 术 的应 用 成 为 ＷＤ 、 全 可能 ， 因此 ， 光纤 放 大器 成为 当代 光纤 通 信 系 统 的核 心 器件 之 一． 目前 ， 随着 通 信 容 量 的 不 断 提 升 ， 们 人 对 光纤 通 信传 输 带 宽 提 出 了更 高 的 要 求 ， 统 的掺 传
Ｆ ｇ ２ Ｒｅ ｒ ｃｉ ｅ ｎ ｅ ｄ ｓ—ｂ ｔｏ ｏ ｔ ｅ ｒ ｆ ｒ ｉ． ｆ ａ ｔ ｉ ｄ ｘ ｉｔ ｕ ｉ ｎ ｆ ｈ ｐ ｅｏ ｍ ｖ
ｄｏ ｄ ｔ Ｉ Ｐ ｐｅ ｗｉｈ ｎ
研究纳米半导体掺杂光纤 ， 并探索 了其在光纤 宽带
放 大方 面 的应 用 ．
１１ 纳 米半 导体 掺杂 光纤 制 备工 艺 ． 目前 ， 般 采 用 改 进 化 学 气 相 沉 积 （ ｄｆ ｄ 一 ｍｏｉｅ ｉ ｃｅ ｉ￣ ｖｐｒ ｅｏｉｏ ， Ｃ Ｄ） ｈｍｃ ａｏ ｐｓｉｎ Ｍ Ｖ 技术 制 备纳 米 掺 杂 ｄ ｔ 半导 体光 纤预 制 棒 ， 采 用 常 规 石 英 光 纤 拉 丝 塔 拉 并
制光纤． 光纤预制棒的制备工艺流程如下 ： 首先 ， 以纯石英管作为预制棒基管 ， 通入 Ｓ １ 和氧气反应 ｉ Ｃ
生成 二氧 化硅 ， 为包 层结 构 ； 作 其次 ， Ｐ层 和二 氧化 Ｉ ｎ 硅 层交 替 沉积 ， 为有 源 内包 层 结构 ， 中 ＩＰ的沉 作 其 ｎ 积 采用 高 温气 化 方 法 ， 采 用 Ｎ 并 作 为 载 气 ， 以避 免 半 导体 材 料 的 氧 化 ； 次 ， 入 Ｇ Ｃ ＳＣ 和 氧 气 再 通 ｅ １，ｉ１
ｑ ａ ｔ ｍ ｏ ；ｏ ｔ ａ ｂ ｒａ ｌｆｅ ；ｏ ｔｃ ｂ ｒ ｓ ｎ ｏ ｕ ｎ ｕ ｄ ｔ ｐｉ ｌｆ ｅ ｍｐ ｉ ｒ ｐ ｉ ａ ｆ ｅ ｅ ｓ ｒ ｃ ｉ ｉ ｌ ｉ
近年来 ， 于特种 光纤 及 器件 的光纤 通 信 、 纤 基 光
传感 、 光纤 激 光 、 线 性 系统 等 ， 工 业 、 事 、 空 非 在 军 航 航天 、 医药生 化 等领域 得 到 了广泛 的应 用 ， 以 特种 并
Ａｂ ｔ ａｃ ｓ ｒ ｔ：Ｓ ｅ ｉｌｙ ｐ ｉａ ｂ ｒ ｎ ｏ ｏ ｅ ｔ ｈ ｖ ｗｉ ｅ ｐｐ ｉａｉｎｓ ｎ ｈ ｆ ｌ ｓ ｆ ｏ ｔｃ ｌ ｉｂ ｒ ｐ ｃａｔ ｏ ｔ ｌ ｆ ｅ ｓ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ａ ｅ ｃ ｉ ｄ ａ ｌ ｔｏ ｉ ｔ ｅ ｉ ｄ ｏ ｐ ｉａ ｆ ｅ ｃ ｅ ｃ ｍｍｕ ｉ ａｉｎ ｎ ｅ ｓ ｒ ．Ｒｅ ｅ ｌ ｏ ｎ ｃ ｔｏ ｓ ａ ｄ ｓ ｎ ｏ ｓ ｃ ｎｔ ｙ，ｉ ｈ ｙ Ｌａ ｏ ａ ｏｙ ｏ ｐ ｃａ ｔ ｉ ｅ ｔｃ ｎ ｔｃ ｌＡｃ ｅ ｓ ｎ ｔ ｅ Ｋｅ ｂ ｒ ｔｒ ｆＳ ｅ ｉ ｙ Ｆ ｂ ｒＯｐ ｉ ｓａ ｄ Ｏｐ ｉａ ｃ ｓ ｌ Ｎｅｗｏ ｋ ，Ｓ ａ ｈ ｉ ｔ ｒ ｓ ｈ ｎｇ ａ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｉｅ ｓｔ ｙ，ｖ ｒｏ ｓ ｏ ｅ ｓ ｅ ｉｌｙ ｐｉ ａ ｂ ｒ ｙ ｏ ａ ｉｕ ｎ ｖ ｌ ｐ ｃａｔ ｏ ｔ ｌ ｆ ｅ ｂ ｃ ｍｂｉ ｉ ｎ ｎ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ａ ｄ ｃ ｉ ｓ ｎｎｇ ａ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ ｏ ｔｃ ｌｆｂ ｒ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｈ ｖ ｅ ｎ ｓｕ ｉｄ ａ ｄ ｒｐｏ ｅ ｐ ｉａ ｅ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｅ ｂ ｅ ｔ ｄ ｅ ｎ ｐ ｏ ｓ ｄ，ｆ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｏ ｘ ｍｐ ｅ，ｎ ｎ － ｅ ｃ ｎ ｕ ｔｒ ｄ ｐ ｄ ｆｂ ｒ ａ ｏ ｓ ｍｉ ｏ ｄ ｃ ｏ ｏ ｅ ｅ ， ｉ ｉｒ ｄ ａｉｎ ｒ ｓｓａ ｔｆ ｅ ，ｃ ａ ｄｉｇ ｍｏ ｅ ｒ ｓ ｎ ｎ ｂ ｒａ ｄ ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｕ ｎ ｕ ｄ ｔｆｂ ｒａ ｒａ ｉｔｏ ｅ ｉｔ ｎ ｂ ｒ ｌｄ ｎ ｄ ｅ ｏ ａ ｔｆ ｅ ｎ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒｑ ａ ｔ ｍ ｏ ｅ ｍｐｌ ｅ ，ｅ ｃ ｉ ｉ ｉ ｉ ｒ ｔ． ｉ ｆ Ｔｈ ｐ ｌｃ ｔｏ ｓ ｏ ｄ — ａ ｄ ｆｂ ｒａ ｌｆｅ ｎ ｐ ｃ ａｔ ｂ ｒｓ ｎ ｏ ｓｈ ｖ ｓ ｅ ｎ ｉ ｖ ｓｉａｅ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｆｗｉ ｅ ｂ ｎ ｅ ｍｐ ｉ ｒ ａ ｄ ｓ ｅ ｉｌｙ ｆ ｅ ｅ ｓ ｒ ａ ｅ ａ ｏ ｂ ｅ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｄ． ｉ ｉ ｉ ｌ
第 １ ７卷 第 ４期
２ １ 年 ８月 ０１
上 海 大 学 学 报 （ 然 科 学 版） 自
Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｈ Ｎ Ｈ Ｉ ＮＶ Ｒ ＩＹ Ｎ Ｔ Ｒ ＬＳ Ｉ Ｎ Ｅ Ｏ Ｒ Ａ ＦＳ Ａ Ｇ Ａ ＩＥ ＳＴ （ Ａ Ｕ Ａ ＣＥ Ｃ ） Ｕ
Ｖｏ ．１ ． １ ７ ＮＯ ４
铒光纤放大器的带宽（ ３ ｍ） 约 ０ａ 逐渐显露 出其局限 性． 因此 ， 超宽带 、 高增益 、 低噪声越来越成为光纤放
大 器研 究追 求 的 目标和 国内外研 究者 关 注 的焦点 ． 近 年来 ， 纳米 技 术在 光纤 制备 和 加 工领 域 ， 其 尤 在 改善 光纤 性 能 、 制 新 型 光 纤 器 件 等 方 面 起 到 了 研 重要 的作 用 ． 米 技 术 的 应 用 主要 包 括 两 个 方 面 ： 纳
摘要： 特种光纤及 器件在光纤通信 、 光纤传感 、 光纤激光等 领域 有非常广泛 的应用 ． 近年来 ， 海大学特 种光纤 与光 上
接入 网省部共建重点 实验室将纳米技术 与特 种光纤及器件 相结合 ， 开展 了特种纳 米半 导体掺杂 光纤 、 抗辐 射光纤 、 包层模谐 振光纤 以及量子 点光纤放大器 等方 面 的研 究 ， 并探索 了它 们在 宽光谱 光放 大 、 种光纤 传感 器等 方 面 的 特
反应生成掺锗二氧化硅 ， 作为纤芯 ； 最后 ， 在高温条
件 下对 反应 基 管进 行玻 璃化 和 收棒 ． 在 沉积 过程 中 ， 未 完 全 玻 璃 化 的 ＩＰ沉 积 样 对 ｎ
品进行透射 电镜测试 ， 结果如图 １ 所示． 图中可 见 ， 二 氧化 硅材 料 中掺 人 了具 有 纳米 尺 度 的 ＩＰ粒 子． ｎ
Ａｕｇ ２ １ ． ０１
ｄ ｉ ０ ３ ６／．ｓｎ １０ －８ １２ １ ．４ ０４ ｏ：１ ．９ ９ ｊｉ ．０ ７２ ６ ．０ ０ ．０ ｓ １
特 种 光 纤 及 器 件 研 究
王廷 云 ， 庞拂 飞 ， 曾祥龙 ， 陈振 宜， 陈 娜
（ 上海 大学 特种光纤与光接入 网省 部共建重点实验室 ， 上海 ２０ ７ ） ０ ０ ２
Ｓ ｅ ｉｌｙ Ｏｐ ｉａ ｉ ｅ ｓａ ｄ Ｔｈ ｉ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｐ ｃａｔ ｔｃ ｌＦ ｂ ｒ ｎ ｅｒ Ｃｏ ｏ ｅ ｔ
Ｗ ＡＮＧ ｎ — ｕ Ｔｉ ｇ ｙ ｎ， ＰＡＮＧ ｕ－ｅ ， Ｚ Ｆ ｆ ｉ ＥＮＧ ａ ｇ ｌ ｎ ＣＨＥＮ ｅ — ｉ ＣＨＥＮ Ｘｉ ｎ —ｏ ｇ， Ｚｈ ｎ ｙ ， Ｎａ