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用。本論文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目“稀土摻雜光纖”和“新型特種光纖”的支持下，在導師的指導和全體科研小組的團隊協(xié)作下，對采用MCVD結(jié)合溶液摻雜法制作低團簇高濃度的摻鉺光纖、高濃度摻鉺光纖中的鉺離子團簇率的分析以及高濃度摻鉺雙結(jié)構(gòu)光纖的設(shè)計進行了深入系統(tǒng)的研究，獲得以下創(chuàng)新性成果： 1.研究了采用MCVD結(jié)合溶液摻雜法實現(xiàn)低團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簇的重要因素。觀察不同條件下制作的摻鉺光纖預制棒形貌，分析了共摻不同組分的疏松層對預制棒形貌以及鉺離子濃度和團簇的影響。通過實驗對比，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，并認為這種作用應歸因于浸泡溶液時的化

3、學吸附作用，并采用分子動力學方法仿真說明了共摻Al3+有助于削弱鉺離子團簇的趨勢。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％，最高達到了1mol％。 2.提出了一種簡單的測試鉺離子團簇率的方法，利用該方法測試了自制的高濃度摻鉺光纖的團簇率，并通過對光纖放大性能的數(shù)值擬合與實驗測試結(jié)果的對

4、比，驗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+的團簇；過高濃度的摻入GeO2則會導致較大的鉺離子團簇率，這歸因于共摻GeO2的疏松層孔隙較大且分布不均勻，驗證說明了消除鉺離子團簇的關(guān)鍵是共摻物的選取和疏松層的沉積。 3.基于摻鉺光纖團簇模型，分析了團簇率對EDFA放大性能

5、的影響，認為鉺離子的團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現(xiàn)30dB的小信號增益，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，并分析了鉺離子團簇對于雙包層光纖放大器性能的影響，認為與纖芯單模泵浦時的情況相比，在包層泵浦的情況下，團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，認為截斷圓形等嚴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，否則將會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)光纖也進行了全面分析，總結(jié)分析了外包層引入空