稀土掺杂特种光纤课程项目.doc

稀土掺杂特种光纤：制备、特性与应用 2014/2/16摘 要：通过对稀土掺杂特种光纤的学习，我们总结了关于其制备特性与应用的相关知识，并分块做出了分析与讨论。主要包括制备中预制棒制备分类的区别与联系，掺稀土光纤与其他光纤比较的特点，以及掺铒光纤主要在放大器领域的应用。关键词：预制棒、稀土、掺铒光纤、特性Rare-Earth-Doped Special Fiber：Preparation、Feature and ApplicationAbstract: Through the study of Rare-Earth-Doped Special Fiber, we summarize the characteristics of its preparation and application of knowledge, and we also made the analysis and discussion in different aspect. Mainly includes the preparation of the preparation of classification of the differences and relations of perform , the characteristics of rare earth doped fiber compared with other fiber, and mainly in the field of amplifier applications.Key Words：preform、rare earth、Er-doped fiber、features1. 引言近一个学期对光子学的学习过后，我们大致对光纤这种光传导工具有了微薄的了解，起初它只是人们制造出的透明度很高，细如蜘蛛丝一般的玻璃纤维，在“光纤之父”高锟1966年提出光纤可以用作通信媒介后得到了很大的发展，而现在大城市几乎完成了已经光纤到家的目标，它已经走进了我们的生活。下面我们小组将从稀土掺杂特种光纤入手，通过自学互助，同大家一起认识并了解这个奇妙的工具。2. 稀土掺杂光纤概况通过一个寒假对所查资料的潜心研究后，我们也对自己所研究的题目稀土掺杂特种光纤的制备、特性与应用有了更深的了解。稀土掺杂特种光纤一般都会选用纤芯中掺杂含Nd3+（钕）、Er3+(铒)、Ge3+（锗）、Pr3+（镨）、Pu3+（钚）、Eu3+（铕）等等的掺杂剂。稀土掺杂光纤具有圆柱形波导结构，芯径小，很容易实现高密度泵浦，使激射阈值低，散热性能好，它的芯径大小与通信光纤很匹配，稿合容量及效率高等等特点。3. 稀土掺杂特种光纤的制备光线的制备首先要制备光纤预制棒，也就是具备光纤基本结构（纤芯和外包层）的光纤，再通过拉丝的方式进行塑形，最后光纤成缆。稀土掺杂特种光纤的制备的核心特点在于在光纤预制棒的制备时掺杂了部分稀土元素（铒，钕等），使其对光的折射率发生适当改变，改变激光阈值实现提高了光纤的传输特性和适用范围。图1.制作光纤工艺流程3.1 预制棒的制备稀土掺杂光纤预制棒的制备方式有多种，如化学气相沉积法（CVD）、微波等离子体化学气相沉积法（PCVD）、改进的化学气相沉积法（MCVD）、棒外气相沉积法（OVD）、轴向气相沉积法（VAD）以及改进的OVD。目前使用比较成熟的制备方式为MCVD,VAD,OVD以及PCVD。制备光纤预制棒需要保证内部石英原材料的纯度高，对于预制棒的尺寸要求精密度高，并且预制棒内部的纤丝的折射率要大于外包层，化学气相沉积法OVD，是通过化学反应，利用氧气作为载体气体，将气态的卤化物带入反应区域进行反应，提高原材料的纯度，实现预制棒的要求。化学气相沉积法（CVD，Chemical Vapor Deposition)，是指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。经过CVD处理后，表面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时产生的刮痕。经过改进而得到的化学气相沉积法（MCVD）是我们书上介绍的常规方法，同样使用氧气或者氩气作为载体气体，将卤化物运载到反应区域，这时通过玻璃车床的旋转，使反应器皿不停地旋转，并且进行高温加热，生成玻璃氧化物粉尘SIO2GEO2和SIO2，在加热过程中将喷灯左右移动，使反应后的玻璃薄膜形成多层透明的特点，再经过高温烧结，形成致密透明，这种制备的方式，使置备棒产生两层的沉积物质，由于两种沉积物的折射率不同，所以保证了光线的全反射。它的优点是可以使用掺杂元素的卤化物，但是这种制备方式还是具备不足。如形成薄膜的沉积物的热膨胀系数不同，导致在冷却后，容易出现断裂，对于这种方法，需要在制备前严格控制掺杂物的剂量。并且由于掺杂剂不稳定，所以容易出现挥发和升华导致实际的置备棒折射率降低不满足要求。棒外气相沉积法（OVD）主要依靠卤化物的水解反应，在利用氢氧火焰喷灯喷到旋转的中心棒上形成预制棒，经过水解得到的粉末状沉积物可以不断积聚形成预制棒外层。在烧结过程中通入适当氮气可以出去沉积物中残留的气体。Ovd法沉积速度快并且保证精度高成本较低同样适合大规模生产。轴向气相沉积法（VAD）的制备原理与ovd原理完全相同，区别在于，它是在母棒端部形成的而不是在外表面。3.2 光纤的拉制、涂覆用以上方法制作好的石英在进行光纤拉制（也叫光纤拉锥）后变成了细细的光纤芯，我们在浙江大学光通信的网站上找到了拉制的英文视频，将2根光纤芯以一定的方式靠拢,运用光纤拉锥技术在高温加热下熔融,同时向两侧拉伸,最终在加热区域形成的锥形晶体在重力的作用下将制备棒拉成细细的纤芯。采用光纤拉锥技术制作的光纤探头具有十分良好的灵敏度。通过资料的查阅，我们也得知利用移动火苗式光纤拉锥技术,通过控制参数可以制成任意形状的拉锥光纤。而对固定火焰拉锥系统,可以通过控制拉伸距离来得到特定的锥形光纤的长度和腰区直径。而光纤的涂覆层是光纤的最外层结构。在玻璃光纤被预制棒拉出来的同时，为了防止受灰尘的污染，而用紫外光固化的一层弹性涂料。涂覆通常是在拉丝过程中进行的，当光纤向下拉制时，光纤通过涂覆器，就可以在光纤表面均匀地涂上涂覆剂，以便提高光纤的低温性能和抗微弯性。3.3 光纤成缆 涂覆后的光纤虽然机械强度有所提高，但是仍然算得上十分脆弱，必须用恰当的方法妥善对其进行保护，所以最后我们常选用金属材料或复合材料对其进行光纤成缆，以便用于各种环境。4. 稀土掺杂特种光纤的特点作为特种光纤的一支,稀土掺杂光纤在其二十多年的历史中发展迅速。在光纤芯部掺入微量稀土离子的特种光纤可被制成多种有源和无源器件,如光纤激光器放大器、滤波器和传感器等,属光纤激光器和放大器的研制、开发最为普遍,并已应用于实际光纤通信中去。光纤放大器在降低中继成本的同时,还能提高传输容量,它们将使光通信在09年代发生巨大变化。美国，中国等国家在掺稀土离子光纤领域的研究十分活跃，那是因为掺稀土光纤可以大大提高光纤的性能，从而为信息时代的发展加速奠定了技术基础。以掺饵光纤放大器为例子，由于掺饵光纤放大器 (EDFA) 具有增益高、频带宽、噪声低、效率高、连接损耗低、偏振不灵敏等特点，因此从 20 世纪 90 年代初开始得到飞速发展。经过十几年的发展，掺饵光纤放大器己成为光纤通信技术最突出的成就之一。受激掺饵 (Er) 光纤具有三能级系统.由于光纤损耗和 DWDM 的损耗都是限制光通信传输距离的主要因素，因而在远程光通信系统中必须进行中继。采用 EDFA可以将电-光-电中继改变为全光中继，以延长通信距离，并降低成本，方便运转和维护。采用 EDFA，可以补偿传输光链路的损耗及光分路器所造成的分配损耗，极大地增大光纤 CATV 阻的网径，这己成为光纤 CATY 技术中的要点之一。EDFA 是最早得到实用化的光纤放大器。随着光通信和城域网技术的发展，掺饵光纤放大器技术也在不断地向前发展.同时，各种类型的光放大器的开发和实用，也将进一步推动光通信领域技术的发展，从而满足不断增长的数据业务的需求。又比如掺镱光纤，镰单模石英光纤具有增益带宽宽、上能级荧光寿命长、量子效率高和无浓度猝灭、无激发态吸收等特点，激光输出波长在1. 01-1. 162 m 范围内可调，可用于高功率激光系统和泵浦1. 3m 掺 P+光纤放大器、掺 Tm3+上转换光纤激光器等.掺Yb3+光纤放大器可以实现功率放大和小信号放大，因而可用于光纤传感器、自由空间激光通信和超短脉冲放大等领域.掺Yb3+单模石英光纤实现了 10kW 峰值功率和 2 ns脉宽的激光输出。为了提高对光谱域的利用度，我们又提出了使用掺铥光纤的理论，并且更好地发掘利用光纤丰富的带宽资源。掺饵光纤放大器 (EDFA) 一般用在 C 波段和 L 波段，但它仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的-部分，现在 32 路波分复用系统也基本占满了这个波段.因此，开发短被段 s 波段光纤般大器是近几年放大器研究的一个热点，而 s 波段放大的光纤放大器是由掺锯光纤来实现的. 一般报道的 TDFA 用的掺锯光纤都是氟化物玻璃光纤，由于氟化物光纤的局限性，它在光通信领域的应用受到了限制.近年来有些关于石英基掺锯光纤放大器的报道，但目前其小信号增益较小(约为 8 dB),有望通过进一步的改造得到提高。5. 稀土掺杂特种光纤的应用掺稀土光纤的应用领域很广泛，人们常将它用于制作激光器放大器和传感器。在掺稀土光纤的应用中我们选择了探究掺稀土光纤放大器，而在众多的掺稀土光纤放大器中，我们先就掺铒光纤放大器(EDFA)的应用进行探究，因为铒光纤放大器的出现是光纤通信发展史上一个重要里程碑。在此之前，由于不能直接放大光信号，所有的光纤通信系统都只能采用光-电-光中继方式。光纤放大器可直接放大光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继，引起了光纤通信的革命性变革。当作为掺铒光纤放大器泵浦源的0.98um和1.48um的大功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。掺铒光纤放大器的应用不仅在于可进行全光中继。最突出的是在波分复用(WDM)光纤通信系统中的应用。波分复用是在一根光纤上传输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信方式。由于掺铒光纤放大器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复用信号的频带，因而用一只掺铒光纤放大器就可取代与信道数相应的光一电一光中继器，实现全光中继。这极大地降低了设备成本，提高了传输质量和效率，推动了波分复用技术的发展。现在EDFA+WDM已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤通信技术。掺铒光纤放大器的基本工作原理：工作物质粒子经泵浦源作用，由低能级跃迁到高能级，在一定的泵浦强度下，得到粒子数反转分布而具有光放大作用，当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。掺铒光纤放大器细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。图2为正向泵浦的掺铒光纤放大器原理性光路，其主体是泵浦源与掺铒光纤。波分复用器（WDM），它的作用是将不同波长的泵浦光和信号光混合而送入掺铒光纤对它的要求是能将两信号有效地混合而损耗最小。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。滤波器的作用是滤除放大器的噪声提高系统的信噪比。在泵浦源作用下的掺铒光纤中，通过光与工作物质的相互作用，泵浦光将能量转移给信号光而将其大。图2：掺铒光纤放大器原理性光路图参考文献1 刘双，陈丹平稀土掺杂石英光纤预制棒制备工艺最新进展 激光与光电子学进展 2013，40（4），中国激光出版社2 陈月娥，侯蓝田YB3+掺杂双包层光子晶体光纤制备研究光电工程2009 36卷第二期3 冯高锋，吴钧，潘晋，张立永，掺镱石英光纤预制棒的制备与表征光子学报2010年 39卷第五期4 姚法之,李菁光纤成缆工艺及设备评析1989年06期5 陶智勇，蔡进我国光纤技术演进与发展的几个阶段 光通信技术2010年01期6 张明慧基于MCVD的光纤预制棒制备及其特性研究哈尔滨工程大学 2011-12-207 江锋; 王正江; 黄本华; 施国棋光纤预制棒外部气相沉积设备的研发光纤与电缆及其应用技术2013-06-258 袁卿瑞我国光纤光缆产业现状及发展趋势分析新材料产业2012-01-059 毛向桥, 新型掺铒光纤及相关激光器的研究,北京交通大学 2010年 10 彭健 , 新型特种光纤的制作及其应用 , 北京交通大学 2012年11 王德乾, 稀土掺杂光纤的研究与应用 , 北京交通大学 2008年12 林凤华.掺铒光纤放大器EDFA特性与技术介绍J.科技创业月刊，2001（9）