稀土摻雜特種光纖課程項目

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上稀土摻雜特種光纖：制備、特性與應(yīng)用 2014/2/16摘 要：通過對稀土摻雜特種光纖的學(xué)習(xí)，我們總結(jié)了關(guān)于其制備特性與應(yīng)用的相關(guān)知識，并分塊做出了分析與討論。主要包括制備中預(yù)制棒制備分類的區(qū)別與聯(lián)系，摻稀土光纖與其他光纖比較的特點，以及摻鉺光纖主要在放大器領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：預(yù)制棒、稀土、摻鉺光纖、特性Rare-Earth-Doped Special Fiber：Preparation、Feature and ApplicationAbstract: Through the study of Rare-Earth-Doped Special Fiber, we sum

2、marize 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 fib

3、er compared with other fiber, and mainly in the field of amplifier applications.Key Words：preform、rare earth、Er-doped fiber、features1. 引言近一個學(xué)期對光子學(xué)的學(xué)習(xí)過后，我們大致對光纖這種光傳導(dǎo)工具有了微薄的了解，起初它只是人們制造出的透明度很高，細如蜘蛛絲一般的玻璃纖維，在“光纖之父”高錕1966年提出光纖可以用作通信媒介后得到了很大的發(fā)展，而現(xiàn)在大城市幾乎完成了已經(jīng)光纖到家的目標(biāo)，它已經(jīng)走進了我們的生活。下面我們小組將從稀土摻雜特種光纖入手，通過自學(xué)互助，同

4、大家一起認識并了解這個奇妙的工具。2. 稀土摻雜光纖概況通過一個寒假對所查資料的潛心研究后，我們也對自己所研究的題目稀土摻雜特種光纖的制備、特性與應(yīng)用有了更深的了解。稀土摻雜特種光纖一般都會選用纖芯中摻雜含Nd3+（釹）、Er3+(鉺)、Ge3+（鍺）、Pr3+（鐠）、Pu3+（钚）、Eu3+（銪）等等的摻雜劑。稀土摻雜光纖具有圓柱形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，芯徑小，很容易實現(xiàn)高密度泵浦，使激射閾值低，散熱性能好，它的芯徑大小與通信光纖很匹配，稿合容量及效率高等等特點。3. 稀土摻雜特種光纖的制備光線的制備首先要制備光纖預(yù)制棒，也就是具備光纖基本結(jié)構(gòu)（纖芯和外包層）的光纖，再通過拉絲的方式進行塑形，最后光纖成

5、纜。稀土摻雜特種光纖的制備的核心特點在于在光纖預(yù)制棒的制備時摻雜了部分稀土元素（鉺，釹等），使其對光的折射率發(fā)生適當(dāng)改變，改變激光閾值實現(xiàn)提高了光纖的傳輸特性和適用范圍。圖1.制作光纖工藝流程3.1 預(yù)制棒的制備稀土摻雜光纖預(yù)制棒的制備方式有多種，如化學(xué)氣相沉積法（CVD）、微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）、改進的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）、棒外氣相沉積法（OVD）、軸向氣相沉積法（VAD）以及改進的OVD。目前使用比較成熟的制備方式為MCVD,VAD,OVD以及PCVD。制備光纖預(yù)制棒需要保證內(nèi)部石英原材料的純度高，對于預(yù)制棒的尺寸要求精密度高，并且預(yù)制棒內(nèi)部的纖絲的折射率要大于外包層

6、，化學(xué)氣相沉積法OVD，是通過化學(xué)反應(yīng)，利用氧氣作為載體氣體，將氣態(tài)的鹵化物帶入反應(yīng)區(qū)域進行反應(yīng)，提高原材料的純度，實現(xiàn)預(yù)制棒的要求?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD，Chemical Vapor Deposition)，是指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的過程。在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采用CVD方法制備。經(jīng)過CVD處理后，表面處理膜密著性約提高30%，防止高強力鋼的彎曲，拉伸等成形時產(chǎn)生的刮痕。經(jīng)過改進而得到的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）是我們書上介紹的常規(guī)方法，同樣使用氧氣或者氬氣作為載體氣體，將鹵化物運載到反應(yīng)區(qū)域

7、，這時通過玻璃車床的旋轉(zhuǎn)，使反應(yīng)器皿不停地旋轉(zhuǎn)，并且進行高溫加熱，生成玻璃氧化物粉塵SIO2GEO2和SIO2，在加熱過程中將噴燈左右移動，使反應(yīng)后的玻璃薄膜形成多層透明的特點，再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，形成致密透明，這種制備的方式，使置備棒產(chǎn)生兩層的沉積物質(zhì)，由于兩種沉積物的折射率不同，所以保證了光線的全反射。它的優(yōu)點是可以使用摻雜元素的鹵化物，但是這種制備方式還是具備不足。如形成薄膜的沉積物的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致在冷卻后，容易出現(xiàn)斷裂，對于這種方法，需要在制備前嚴(yán)格控制摻雜物的劑量。并且由于摻雜劑不穩(wěn)定，所以容易出現(xiàn)揮發(fā)和升華導(dǎo)致實際的置備棒折射率降低不滿足要求。棒外氣相沉積法（OVD）主要依靠鹵化

8、物的水解反應(yīng)，在利用氫氧火焰噴燈噴到旋轉(zhuǎn)的中心棒上形成預(yù)制棒，經(jīng)過水解得到的粉末狀沉積物可以不斷積聚形成預(yù)制棒外層。在燒結(jié)過程中通入適當(dāng)?shù)獨饪梢猿鋈コ练e物中殘留的氣體。Ovd法沉積速度快并且保證精度高成本較低同樣適合大規(guī)模生產(chǎn)。軸向氣相沉積法（VAD）的制備原理與ovd原理完全相同，區(qū)別在于，它是在母棒端部形成的而不是在外表面。3.2 光纖的拉制、涂覆用以上方法制作好的石英在進行光纖拉制（也叫光纖拉錐）后變成了細細的光纖芯，我們在浙江大學(xué)光通信的網(wǎng)站上找到了拉制的英文視頻，將2根光纖芯以一定的方式靠攏,運用光纖拉錐技術(shù)在高溫加熱下熔融,同時向兩側(cè)拉伸,最終在加熱區(qū)域形成的錐形晶體在重力的作用下

9、將制備棒拉成細細的纖芯。采用光纖拉錐技術(shù)制作的光纖探頭具有十分良好的靈敏度。通過資料的查閱，我們也得知利用移動火苗式光纖拉錐技術(shù),通過控制參數(shù)可以制成任意形狀的拉錐光纖。而對固定火焰拉錐系統(tǒng),可以通過控制拉伸距離來得到特定的錐形光纖的長度和腰區(qū)直徑。而光纖的涂覆層是光纖的最外層結(jié)構(gòu)。在玻璃光纖被預(yù)制棒拉出來的同時，為了防止受灰塵的污染，而用紫外光固化的一層彈性涂料。涂覆通常是在拉絲過程中進行的，當(dāng)光纖向下拉制時，光纖通過涂覆器，就可以在光纖表面均勻地涂上涂覆劑，以便提高光纖的低溫性能和抗微彎性。3.3 光纖成纜 涂覆后的光纖雖然機械強度有所提高，但是仍然算得上十分脆弱，必須用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄍ咨茖ζ?/p>

10、進行保護，所以最后我們常選用金屬材料或復(fù)合材料對其進行光纖成纜，以便用于各種環(huán)境。4. 稀土摻雜特種光纖的特點作為特種光纖的一支,稀土摻雜光纖在其二十多年的歷史中發(fā)展迅速。在光纖芯部摻入微量稀土離子的特種光纖可被制成多種有源和無源器件,如光纖激光器放大器、濾波器和傳感器等,屬光纖激光器和放大器的研制、開發(fā)最為普遍,并已應(yīng)用于實際光纖通信中去。光纖放大器在降低中繼成本的同時,還能提高傳輸容量,它們將使光通信在09年代發(fā)生巨大變化。美國，中國等國家在摻稀土離子光纖領(lǐng)域的研究十分活躍，那是因為摻稀土光纖可以大大提高光纖的性能，從而為信息時代的發(fā)展加速奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。以摻餌光纖放大器為例子，由于摻餌光

11、纖放大器 (EDFA) 具有增益高、頻帶寬、噪聲低、效率高、連接損耗低、偏振不靈敏等特點，因此從 20 世紀(jì) 90 年代初開始得到飛速發(fā)展。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，摻餌光纖放大器己成為光纖通信技術(shù)最突出的成就之一。受激摻餌 (Er) 光纖具有三能級系統(tǒng).由于光纖損耗和 DWDM 的損耗都是限制光通信傳輸距離的主要因素，因而在遠程光通信系統(tǒng)中必須進行中繼。采用 EDFA可以將"電-光-電"中繼改變?yōu)槿庵欣^，以延長通信距離，并降低成本，方便運轉(zhuǎn)和維護。采用 EDFA，可以補償傳輸光鏈路的損耗及光分路器所造成的分配損耗，極大地增大光纖 CATV 阻的網(wǎng)徑，這己成為光纖 CATY 技術(shù)

12、中的要點之一。EDFA 是最早得到實用化的光纖放大器。隨著光通信和城域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，摻餌光纖放大器技術(shù)也在不斷地向前發(fā)展.同時，各種類型的光放大器的開發(fā)和實用，也將進一步推動光通信領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，從而滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。又比如摻鐿光纖，鐮單模石英光纖具有增益帶寬寬、上能級熒光壽命長、量子效率高和無濃度猝滅、無激發(fā)態(tài)吸收等特點，激光輸出波長在1. 01-1. 162 m 范圍內(nèi)可調(diào)，可用于高功率激光系統(tǒng)和泵浦1. 3m 摻 P+光纖放大器、摻 Tm3+上轉(zhuǎn)換光纖激光器等.摻Y(jié)b3+光纖放大器可以實現(xiàn)功率放大和小信號放大，因而可用于光纖傳感器、自由空間激光通信和超短脈沖放大等領(lǐng)域.摻Y(jié)b

13、3+單模石英光纖實現(xiàn)了 10kW 峰值功率和 2 ns脈寬的激光輸出。為了提高對光譜域的利用度，我們又提出了使用摻銩光纖的理論，并且更好地發(fā)掘利用光纖豐富的帶寬資源。摻餌光纖放大器 (EDFA) 一般用在 C 波段和 L 波段，但它僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的-部分，現(xiàn)在 32 路波分復(fù)用系統(tǒng)也基本占滿了這個波段.因此，開發(fā)短被段 s 波段光纖般大器是近幾年放大器研究的一個熱點，而 s 波段放大的光纖放大器是由摻鋸光纖來實現(xiàn)的. 一般報道的 TDFA 用的摻鋸光纖都是氟化物玻璃光纖，由于氟化物光纖的局限性，它在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制.近年來有些關(guān)于石英基摻鋸光纖放大器的報道，但目前其小信

14、號增益較小(約為 8 dB),有望通過進一步的改造得到提高。5. 稀土摻雜特種光纖的應(yīng)用摻稀土光纖的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，人們常將它用于制作激光器放大器和傳感器。在摻稀土光纖的應(yīng)用中我們選擇了探究摻稀土光纖放大器，而在眾多的摻稀土光纖放大器中，我們先就摻鉺光纖放大器(EDFA)的應(yīng)用進行探究，因為鉺光纖放大器的出現(xiàn)是光纖通信發(fā)展史上一個重要里程碑。在此之前，由于不能直接放大光信號，所有的光纖通信系統(tǒng)都只能采用光-電-光中繼方式。光纖放大器可直接放大光信號，這就可使光-電-光中繼變?yōu)槿庵欣^，引起了光纖通信的革命性變革。當(dāng)作為摻鉺光纖放大器泵浦源的0.98um和1.48um的大功率半導(dǎo)體激光器研制成功

15、后，摻鉺光纖放大器趨于成熟，進入了實用化階段。摻鉺光纖放大器的應(yīng)用不僅在于可進行全光中繼。最突出的是在波分復(fù)用(WDM)光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。波分復(fù)用是在一根光纖上傳輸多個光信道，從而充分利用光纖帶寬，有效擴展通信容量的光纖通信方式。由于摻鉺光纖放大器具有約40nm的極寬帶寬，可覆蓋整個波分復(fù)用信號的頻帶，因而用一只摻鉺光纖放大器就可取代與信道數(shù)相應(yīng)的光一電一光中繼器，實現(xiàn)全光中繼。這極大地降低了設(shè)備成本，提高了傳輸質(zhì)量和效率，推動了波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在EDFA+WDM已成為高速光纖通信網(wǎng)發(fā)展的主流，代表新一代的光纖通信技術(shù)。摻鉺光纖放大器的基本工作原理：工作物質(zhì)粒子經(jīng)泵浦源作用，由低能級

16、躍遷到高能級，在一定的泵浦強度下，得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布而具有光放大作用，當(dāng)工作頻帶范圍內(nèi)的信號光輸入時便得到放大。摻鉺光纖放大器細長的纖形結(jié)構(gòu)使得有源區(qū)能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長，有利于降低對泵浦源功率的要求。圖2為正向泵浦的摻鉺光纖放大器原理性光路，其主體是泵浦源與摻鉺光纖。波分復(fù)用器（WDM），它的作用是將不同波長的泵浦光和信號光混合而送入摻鉺光纖對它的要求是能將兩信號有效地混合而損耗最小。光隔離器的作用是防止反射光對光放大器的影響，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。濾波器的作用是濾除放大器的噪聲提高系統(tǒng)的信噪比。在泵浦源作用下的摻鉺光纖中，通過光與工作物質(zhì)的相互作用，泵浦光將能量轉(zhuǎn)移給信號光而將其大。圖2：摻鉺光纖放大器原理性光路圖參考文獻1 劉雙，陳丹平稀土摻雜石英光纖預(yù)制棒制備工藝最新進展 激光與光電子學(xué)進展 2013，40（4），中國激光出版社2 陳月娥，侯藍田YB3+摻雜雙包層光子晶體光纖制備研究光電工程2009 36卷第二期3 馮高鋒，吳鈞，潘晉，張立永，摻鐿石英光纖預(yù)制棒的制備與表征光子學(xué)報2010年 39卷第五期4 姚法之,李菁光纖成纜工藝及設(shè)備評析