一種摻鉺光子晶體光纖的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種摻鉺光子晶體光纖，涉及光子晶體光纖領域。該摻鉺光子晶體光纖包括由內至外依次排列的石英纖芯、開有若干個空氣孔的空氣孔層、石英外包層、涂層，空氣孔均沿光纖軸向分布并貫穿于整根光纖，空氣孔排列形成多層環圈，環圈的層數至少為5層，每層環圈中的空氣孔大小均相同，每層環圈中的空氣孔均以石英纖芯為中心，呈正六邊形排列，每層環圈中的空氣孔的數量＝環圈層數*6；石英纖芯包括摻雜芯層，摻雜芯層摻有鉺離子、鐠離子。該摻鉺光子晶體光纖具有優良的抗輻照性能，能夠滿足航天用光纖陀螺的熒光光源、復雜環境的摻鉺光纖放大器EDFA等特殊環境下的應用需求。
【專利說明】
一種摻鉺光子晶體光纖
技術領域
[0001 ]本發明涉及光子晶體光纖領域，具體涉及一種摻鉺光子晶體光纖。
【背景技術】
[0002] 在惡劣的核輻射環境下，光纖的輻照損傷對光纖信息傳輸有很大的影響，特別是 在強脈沖輻射場中，光纖的瞬態感生損耗可高達數千dB;低劑量率環境下的長期輻照積累， 也會產生較大的永久損傷。對于光纖而言，當其中含有鍺離子、鋁離子等著色離子時，在γ 射線的照射下，光纖中部分自有電子會被這些著色離子所捕獲，從而在光纖中形成色心，形 成新的吸收帶，導致在可見光的波段出現較大的損耗，甚至不透光。對于摻鉺光纖來說，由 于摻鉺光纖的纖芯內部摻雜有著色離子，受輻照后光纖損耗將更加明顯，因此需要針對性 的開展摻雜工藝、新的耐輻照光纖結構設計、拉絲工藝、光纖預輻照等工藝手段方面的研 究。
[0003] 光子晶體光纖具有靈活的結構設計特性，通過對光子晶體光纖進行一定的結構設 計，可以實現良好的抗輻照特性。人們紛紛研究各種方法將光子晶體光纖的抗輻照特性和 摻鉺光纖的特性結合起來，形成具有抗輻照特性的摻鉺光子晶體光纖。然而，現有的摻鉺光 子晶體光纖的抗輻照性能較差，不能滿足航天用光纖陀螺的熒光光源、復雜環境的摻鉺光 纖放大器m)FA等特殊環境下的應用需求。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了克服上述【背景技術】的不足，提供一種摻鉺光子晶體光纖，該 摻鉺光子晶體光纖具有優良的抗輻照性能，能夠滿足航天用光纖陀螺的熒光光源、復雜環 境的摻鉺光纖放大器m)FA等特殊環境下的應用需求。
[0005] 本發明提供一種摻鉺光子晶體光纖，包括由內至外依次排列的石英纖芯、開有若 干個空氣孔的空氣孔層、石英外包層、涂層，所述空氣孔均沿光纖軸向分布并貫穿于整根光 纖，所述空氣孔排列形成多層環圈，所述環圈的層數至少為5層，每層環圈中的空氣孔大小 均相同，每層環圈中的空氣孔均以石英纖芯為中心，呈正六邊形排列，每層環圈中的空氣孔 的數量=環圈層數*6;所述石英纖芯包括摻雜芯層，所述摻雜芯層摻有鉺離子、鐠離子。
[0006] 在上述技術方案的基礎上，所述石英纖芯還包括摻氟包層，所述摻氟包層包覆在 所述摻雜芯層的外側。
[0007] 在上述技術方案的基礎上，所述摻雜芯層中還摻有一定量的硼離子。
[0008] 在上述技術方案的基礎上，所述空氣孔層中空氣孔的占空比為25%~40%。
[0009] 在上述技術方案的基礎上，所述摻氟包層與石英外包層的相對折射率差為-0.0% ~-1·0%〇
[0010] 在上述技術方案的基礎上，所述空氣孔層中的環圈層數為5~9層。
[0011] 在上述技術方案的基礎上，所述空氣孔層中的環圈層數為7層。
[0012] 在上述技術方案的基礎上，相鄰的兩個所述空氣孔的間距為3. Ομπι~6. Ομπι。
[0013] 在上述技術方案的基礎上，所述空氣孔的內徑為1 ·Ομηι~4·0μηι。
[0014] 在上述技術方案的基礎上，所述摻雜芯層的直徑為3. Ομπι~8. Ομπι。
[0015] 與現有技術相比，本發明的優點如下：
[0016] (1)本發明充分利用摻鉺光子晶體光纖的結構設計靈活的特點，合理優化空氣孔 層的結構，控制空氣孔的環圈層數，有效實現光子晶體光纖的抗輻照特性；同時在摻雜纖層 引入鐠離子與鉺離子共摻，進一步提高光纖的抗輻照特性。該摻鉺光子晶體光纖具有優良 的抗輻照特性，在輻照總劑量為IOOKrad的條件下，該摻鉺光子晶體光纖在1200nm波長下的 輻照感生損耗增加值小于〇.5dB/m，能夠滿足航天用光纖陀螺的熒光光源、復雜環境的摻鉺 光纖放大器H)FA等特殊環境下的應用需求。
[0017] (2)摻雜纖層外包覆有摻氟包層，摻氟包層中的氟離子一方面降低包層的折射率， 有利于全反射通光，另一方面也有利于光纖的抗輻照特性。
[0018] (3)該摻鉺光子晶體光纖的纖芯還可以同時摻入硼離子，能夠抵抗由于引入鐠離 子而帶來的團聚和功率提升情況下的暗化等效應，從而提高基于摻鉺光子晶體光纖的摻鉺 光纖激光器的工作性能。
[0019] (4)本發明在980nm的吸收系數可達到5.5dB/m~12dB/m，在1550nm的吸收系數可 達到12dB/m~21dB/m，能夠滿足摻鉺光纖放大器EDFA到摻鉺熒光光源的不同應用需求。該 摻鉺光子晶體光纖在980nm栗浦光和1550nm輸出光均為單模傳輸，能夠保障良好的栗浦效 率和出光的光束質量。1550nm模場直徑可控制在3.0微米~8.0微米，能夠滿足不同器件設 計的使用需求。
[0020] (5)本發明設計有特別的空氣孔層數和空氣孔占空比，使摻鉺光子晶體光纖在波 長13 IOnm~1550nm波段具有最優的背景損耗和色散特性，并能實現良好的增益，提高光轉 換效率。通過微孔和纖芯的優化組合將光子晶體光纖的截止波長靈活優化，從而能夠靈活 控制光纖的零色散波長，在1310nm和1550nm之間根據實際需要靈活調整。
[0021] (6)本發明采用多極法設計，合理優化空氣孔層的結構，控制空氣孔的環圈層數， 使摻鉺光子晶體光纖在波長980nm~1550nm范圍內保持單模傳輸。本發明中的空氣孔設計 為正六邊形分布，還有利于進行比較精確的拉制。
[0022] (7)本發明具有優良的抗彎曲性能，在5mm彎曲半徑下的最小彎曲附加損耗小于 0.2dB〇
【附圖說明】
[0023]圖1:本發明實施例中實際研制的摻鉺光子晶體光纖的端面結構圖；
[0024]圖2:本發明實施例中摻鉺光子晶體光纖的環圈結構設計圖；
[0025] 圖3:本發明實施例3中摻鉺光子晶體光纖的吸收圖譜；
[0026] 圖4:本發明實施例10中摻鉺光子晶體光纖的模場直徑測試圖。
[0027]附圖標記：1 一石英纖芯，Ia-摻雜芯層，Ib-摻氟包層，2-空氣孔，3-石英外包 層，4-涂層。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。
[0029] 參見圖1、圖2所示，本發明實施例提供一種摻鉺光子晶體光纖，該光纖包括由內至 外依次排列的石英纖芯1、開有若干個空氣孔2的空氣孔層、石英外包層3、涂層4,空氣孔層 包覆在石英纖芯1的外側，石英外包層3采用純二氧化硅制成，并包覆在空氣孔層的外側，涂 層4涂覆在石英外包層3的外側;空氣孔2均沿光纖軸向分布并貫穿于整根光纖，空氣孔2排 列形成多層環圈，環圈的層數至少為5層，每層環圈中的空氣孔2大小均相同，每層環圈中的 空氣孔2均以石英纖芯1為中心，呈正六邊形排列，每層環圈中的空氣孔2的數量=環圈層 數*6;石英纖芯1包括摻雜芯層la、摻氟包層lb，摻雜芯層Ia摻有鉺離子、鐠離子，以及少量 的鋁離子和鍺離子，摻氟包層Ib包覆在摻雜芯層Ia的外側。
[0030] 本發明減少摻雜芯層la中鍺、鋁等會增加色心的離子摻雜，同時引入鐠離子共摻， 實現抗輻照特性。摻雜芯層Ia中還摻有一定量的硼離子，用于抵抗由于引入鐠離子而帶來 的團聚和功率提升情況下的暗化等效應。
[0031] 優選的，空氣孔層中的環圈層數為5~9層，典型取值包括6層、7層、8層、9層等;實 際應用中，空氣孔層中的環圈層數最佳為7層。第1層環圈中空氣孔2的數量為Nl = l*6 = 6 個，第2層環圈中空氣孔2的數量為N2 = 2*6=12個，依次類推，第X層環圈中空氣孔2的數量 Nx = x*6〇
[0032] 空氣孔層中空氣孔2的占空比為25%~40%，相鄰的兩個空氣孔2的間距為3. Ομπι ~6·0μηι，空氣孔2的內徑為1 ·0μηι~4·0μηι。
[0033] 摻雜芯層Ia的直徑為3.0μηι~8.0μηι，摻氟包層Ib的直徑為4.0μηι~ΙΟ.Ομηι。摻氟包 層Ib與石英外包層3的相對折射率差為-0.0 %~-1.0 %，摻氟包層Ib的摻氟濃度以摻氟包 層Ib與石英外包層3的相對折射率差來確定。石英外包層3的直徑為80. Ομπι~125. Ομπι，涂層 4 的直徑為 135 · Oym ~245 · Ομπι。
[0034] 石英外包層3外涂覆的涂層4,用于對光纖進行保護。涂層4采用的材料為聚丙烯酸 樹脂或聚酰亞胺，當外界環境惡劣，工作溫度較高時，通過使用耐高溫的聚丙烯酸樹脂或聚 酰亞胺，可使光纖在超過100度條件下保持良好的工作狀態。涂層4采用的材料為聚丙烯酸 樹脂時，光纖的最高長時間工作溫度可達到150度;涂層4采用的材料為聚酰亞胺時，光纖的 最高長時間工作溫度可達300度。涂層4可以為單涂層，也可以為雙涂層。當涂層4為單涂層 時，采用的材料可以為聚丙烯酸樹脂，也可以為聚酰亞胺樹脂。當涂層4為雙涂層時，采用的 材料可以為兩層的聚丙烯酸樹脂，也可為兩層的聚酰亞胺樹脂，或者內層采用聚丙烯酸樹 月旨，外層采用聚酰亞胺樹脂。
[0035] 下面通過15個具體實施例對本發明作進一步詳細說明：
[0036]實施例1~15提供了石英外包層3直徑從80微米~125微米的不同尺寸規格的摻鉺 光子晶體光纖。
[0037] 實施例1~5中摻鉺光子晶體光纖的環圈層數為5層，涂層材料即可采用聚丙烯酸 樹脂，也可采用聚酰亞胺樹脂，涂層4可為單涂層，也可為雙涂層。實施例1~5中摻鉺光子晶 體光纖的結構參數如表1所示：
[0038] 表1、具有5層環圈的摻鉺光子晶體光纖的結構參數
[0041 ] 從表1可以看出，5層環圈的摻鉺光子晶體光纖在IOOKrad的總福射劑量下，1200nm 輻照感生損耗增加值為0.2~0.4dB/m，具有優良的抗輻照性能。5層環圈的摻鉺光子晶體光 纖的980nm吸收系數為5.5~5.9dB/m，1550nm吸收系數為12~13dB/m，采用實施例3進行試 驗時，該摻鉺光子晶體光纖的典型吸收譜如圖3所示。
[0042] 實施例6~10中摻鉺光子晶體光纖的環圈層數為7層，涂層材料可采用聚丙烯酸樹 月旨，也可采用聚酰亞胺樹脂，涂層4可為單涂層，也可為雙涂層。涂層材料采用耐高溫的聚丙 烯酸樹脂時，最高長時間工作溫度可達150度。實施例6~10中摻鉺光子晶體光纖的結構參 數如表2所示：
[0043] 表2、具有7層環圈的摻鉺光子晶體光纖的結構參數
[0045] 從表2可以看出，7層環圈的摻鉺光子晶體光纖在IOOKrad的總福射劑量下，1200nm 輻照感生損耗增加值為0.15~0.4dB/m，具有優良的抗輻照性能。7層環圈的摻鉺光子晶體 光纖的1550nm模場直徑為3~5μπι，采用實施例10進行試驗時，該摻鉺光子晶體光纖的典型 模場測試圖如圖4所示。
[0046]實施例11~15中摻鉺光子晶體光纖的環圈層數為9層，涂層材料即可采用聚丙烯 酸樹脂，也可采用聚酰亞胺樹脂，涂層4可為單涂層，也可為雙涂層。實施例11~15中摻鉺光 子晶體光纖的結構參數如表3所示：
[0047 ]表3、具有9層環圈的摻鉺光子晶體光纖的結構參數
[0049] 從表3可以看出，9層環圈的摻鉺光子晶體光纖在IOOKrad的總福射劑量下，1200nm 福照感生損耗增加值為0.1~0.2dB/m，具有優良的抗福照性能。
[0050] 本領域的技術人員可以對本發明實施例進行各種修改和變型，倘若這些修改和變 型在本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則這些修改和變型也在本發明的保護范圍 之內。
[0051] 說明書中未詳細描述的內容為本領域技術人員公知的現有技術。
【主權項】
1. 一種摻鉺光子晶體光纖，該光纖包括由內至外依次排列的石英纖芯（1)、開有若干個 空氣孔(2)的空氣孔層、石英外包層(3)、涂層(4)，所述空氣孔(2)均沿光纖軸向分布并貫穿 于整根光纖，其特征在于:所述空氣孔(2)排列形成多層環圈，所述環圈的層數至少為5層， 每層環圈中的空氣孔(2)大小均相同，每層環圈中的空氣孔(2)均以石英纖芯（1)為中心，呈 正六邊形排列，每層環圈中的空氣孔(2)的數量=環圈層數*6;所述石英纖芯（1)包括摻雜 芯層（la)，所述摻雜芯層（la)摻有鉺離子、鐠離子。2. 如權利要求1所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述石英纖芯（1)還包括摻氟 包層（lb)，所述摻氟包層（lb)包覆在所述摻雜芯層（la)的外側。3. 如權利要求1所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述摻雜芯層（la)中還摻有一 定量的硼離子。4. 如權利要求1所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述空氣孔層中空氣孔(2)的 占空比為25%~40%。5. 如權利要求2所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述摻氟包層（lb)與石英外包 層(3)的相對折射率差為-0.0%~-1.0%。6. 如權利要求1所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述空氣孔層中的環圈層數為 5~9層。7. 如權利要求6所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述空氣孔層中的環圈層數為 7層。8. 如權利要求1所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:相鄰的兩個所述空氣孔(2)的 間距為 3. Ομπι~6. Ομπι。9. 如權利要求1所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述空氣孔(2)的內徑為Ι.Ομπι ~4·0μπι〇10. 如權利要求1所述的摻鉺光子晶體光纖，其特征在于:所述摻雜芯層（la)的直徑為 3 · Ομπι~8 · Ομπ?ο
【文檔編號】G02B6/036GK105842779SQ201610392053
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】羅文勇, 杜城, 李偉, 嚴壘, 陳超, 張潔, 雷瓊, 劉承香, 趙磊
【申請人】烽火通信科技股份有限公司