高濃度摻鉺光纖的研制.pdf

1、摻鉺光纖在光通信、傳感、材料加工和軍事等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。本論文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目“稀土摻雜光纖”和“新型特種光纖”的支持下，在導(dǎo)師的指導(dǎo)和全體科研小組的團(tuán)隊(duì)協(xié)作下，對采用MCVD結(jié)合溶液摻雜法制作低團(tuán)簇高濃度的摻鉺光纖、高濃度摻鉺光纖中的鉺離子團(tuán)簇率的分析以及高濃度摻鉺雙結(jié)構(gòu)光纖的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，獲得以下創(chuàng)新性成果： 1.研究了采用MCVD結(jié)合溶液摻雜法實(shí)現(xiàn)低團(tuán)簇的高濃度摻鉺光纖的關(guān)鍵問題

2、，包括疏松層的形貌以及共摻物的選取。首先利用電子探針微束分析(EPMA)對不同溫度下沉積的疏松層形貌進(jìn)行了觀察，分析了疏松層沉積溫度對疏松層的厚度、孔隙影響，指出了疏松層孔隙的形貌是影響鉺離子濃度和團(tuán)簇的重要因素。觀察不同條件下制作的摻鉺光纖預(yù)制棒形貌，分析了共摻不同組分的疏松層對預(yù)制棒形貌以及鉺離子濃度和團(tuán)簇的影響。通過實(shí)驗(yàn)對比，分析說明了增加溶液中的Bi3+、Al3+濃度可以提高光纖中的摻鉺濃度，并認(rèn)為這種作用應(yīng)歸因于浸泡溶液時(shí)的化

3、學(xué)吸附作用，并采用分子動(dòng)力學(xué)方法仿真說明了共摻Al3+有助于削弱鉺離子團(tuán)簇的趨勢。最后，制作了多種高濃度摻鉺光纖，包括高濃度摻鉺光敏光纖、僅共摻鋁的高濃度摻鉺光纖、多組分疏松層制作的高濃度摻鉺光纖、多金屬元素共摻鉺高濃度摻鉺光纖，光纖中的摻鉺濃度均超過了0.1mol％，最高達(dá)到了1mol％。 2.提出了一種簡單的測試鉺離子團(tuán)簇率的方法，利用該方法測試了自制的高濃度摻鉺光纖的團(tuán)簇率，并通過對光纖放大性能的數(shù)值擬合與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的對

4、比，驗(yàn)證了此方法的正確與可行。自制高濃度摻鉺光纖中鉺離子團(tuán)簇率的測定結(jié)果表明，除了摻入高濃度GeO2的摻鉺光敏光纖外其余光纖的團(tuán)簇率都小于0.1。通過對測定結(jié)果的分析，說明共摻Al3+可以很好的消除Er3+的團(tuán)簇；過高濃度的摻入GeO2則會(huì)導(dǎo)致較大的鉺離子團(tuán)簇率，這歸因于共摻GeO2的疏松層孔隙較大且分布不均勻，驗(yàn)證說明了消除鉺離子團(tuán)簇的關(guān)鍵是共摻物的選取和疏松層的沉積。 3.基于摻鉺光纖團(tuán)簇模型，分析了團(tuán)簇率對EDFA放大性能

5、的影響，認(rèn)為鉺離子的團(tuán)簇將損害放大器的增益性能，惡化其噪聲指數(shù)，并降低量子轉(zhuǎn)換效率；并通過求解高濃度摻鉺光纖模型，分析了光纖的纖芯參數(shù)對于摻鉺光纖放大性能的影響，認(rèn)為提高纖芯的折射率和縮小芯徑有利于提高摻鉺光纖的增益性能；同時(shí)發(fā)現(xiàn)縮小摻鉺區(qū)域在纖芯中所占的比例，可以使摻鉺光纖放大性能對 4.纖芯芯徑和折射率的變化不敏感。測試了自制摻鉺光纖的ASE譜和增益譜，說明只需1m～2m的自制高濃度摻鉺光纖即可實(shí)現(xiàn)30dB的小信號(hào)增益，從而

6、可以縮短放大器中摻鉺光纖的使用長度。根據(jù)摻鉺光纖的放大性能說明了Al3+通過影響光纖中鉺離子的Stark能級結(jié)構(gòu)，可以有效的使摻鉺光纖放大器的增益譜平坦化。 5.建立了考慮鉺離子團(tuán)簇的雙包層高濃度摻鉺光纖的放大器模型，并分析了鉺離子團(tuán)簇對于雙包層光纖放大器性能的影響，認(rèn)為與纖芯單模泵浦時(shí)的情況相比，在包層泵浦的情況下，團(tuán)簇率對放大器的增益性能影響明顯減弱，說明包層泵浦有利于削弱鉺離子團(tuán)簇的影響。并利用束傳播法(BPM)分析比較了

7、多種形狀內(nèi)包層的泵浦吸收情況，認(rèn)為截?cái)鄨A形等嚴(yán)重破壞圓對稱性的形狀可以使雙包層光纖對泵浦的吸收系數(shù)基本保持定值；分析認(rèn)為縮小內(nèi)包層面積可以提高雙包層光纖放大器的增益性能，但必須以提高內(nèi)包層的數(shù)值孔徑為代價(jià)，否則將會(huì)降低泵浦的耦合效率；也分析了纖芯參數(shù)對于雙包層光纖放大器的影響，發(fā)現(xiàn)與纖芯單模泵浦時(shí)的情況相反，提高雙包層光纖的纖芯芯徑和降低纖芯折射率有利于提高放大性能。對引入空氣孔的雙包層微結(jié)構(gòu)光纖也進(jìn)行了全面分析，總結(jié)分析了外包層引入空