一种掺镱光纤及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤制造技术领域，更具体地，设及一种渗镜光纤及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 将稀±类元素添加到光纤的巧区中形成渗稀±光纤，具有光放大功能，可应用于 激光器、光放大器等光源W及传输系统中。其中利用含有稀上类元素镜（孔）的光纤即渗镜 光纤制作的光纤激光器，其光束品质良好，可得到高功率的输出光，并且该光纤激光器输出 光的振荡波长与现有高功率激光器之一的Nd-YAG激光器基本相同，在1ym附近。因此，渗 孔的激光器继承了传统激光器的焊接、标记、切割等材料加工用途。
[0003] 制备渗镜光纤的工艺方法主要为液相渗杂法和气相渗杂法。液相渗杂法是制备渗 镜光纤最早采用的工艺方法，也是目前国际上普遍采用的方法。它是通过MCVD工艺在反应 管内壁沉积结构疏松的石英玻璃沉积层，将该种沉积层浸泡在含有稀±离子的溶液中，使 沉积层吸附溶液中的稀±离子，然后再经过脱水、玻璃化等工艺将稀±离子渗入进反应管 中。
[0004] 为了得到高性能的渗镜光纤，必须提高孔渗杂浓度，从而提高孔光纤将累浦光吸 收转化为信号光的能力，侣（A1)作为共渗剂，对Yb浓度的提高具有重要的作用，然而A1浓 度的提高也会同时增加光纤的折射率，要得到单模输出的Yb光纤，光纤巧层折射率就会有 一定的限制，因此如何提高A1的渗杂浓度并保持光纤的单模特性，是Yb光纤工艺研究的一 个重要课题。
[000引已公开通过将氧化侣（Al203)和五氧化二磯化05)共同添加到由二氧化娃玻璃 (Si02)构成的母料中，可W抑制巧的折射率上升。氧化侣与五氧化二磯的添加浓度（mol%) 越接近等量，则越接近纯的二氧化娃的折射率。上述渗镜光纤的制备方法对于提高Yb渗杂 浓度有一定的作用，但也存在不足。如大量渗杂五氧化二磯，由于五氧化二磯在高温下挥发 严重，在制作预制椿的过程中容易形成折射率剖面的中屯、凹陷W及光纤实际折射率偏移。
【发明内容】
[0006] 为克服现有技术中渗镜光纤的高浓度与单模特性难W兼顾的不足，本发明所要解 决的技术问题是，提供一种能够保持单模输出的=包层高浓度渗镜光纤，W及精确控制折 射率剖面的该渗镜光纤预制椿及光纤的制造方法。
[0007] 本发明为实现上述目的采用了W下技术方案：
[000引本发明的渗镜光纤具备至少含有孔与A1的巧层和围绕该巧层的玻璃基质包层，W及围绕该玻璃基质包层的低折射率涂覆层，所述玻璃基质包层包括内包层和外包层，其 中所述内包层折射率低于巧层而高于外包层。
[0009] 优选地，所述内包层与外包层折射率差为0~0. 1%。
[0010] 优选地，所述内包层与巧层的直径之比为1~10。
[0011] 优选地，所述玻璃基质包层可W为石英玻璃基质包层。
[0012] 优选地，所述渗镜光纤的玻璃外包层直径为80ym~600ym，巧层直径为4ym~ 50ym。外包层折射率为1. 4546~1. 4575 (测试激光波长为670nm)，巧层折射率与内包层 折射率差为0. 06%~0. 95%，NA范围是0. 05至0. 2。
[0013] 进一步优选地，所述光纤的NA范围是0. 065至0. 075。
[0014] 优选地，所述的渗镜光纤，其巧层除了孔，A1之外，还渗杂有氣F和/或磯P，F渗 杂剂用来降低巧层的折射率，而P用于中和巧层中的A1，其作用也是降低巧层的折射率， P的渗杂量也可W大于A1 (WP元素和A1元素摩尔浓度计算），从而巧层的折射率由P贡 献，而原有的A1则起到降低P提供的折射率的作用。其巧层渗杂Yb元素的摩尔含量为 0.Olmol%~1. 5mol%，渗杂A1元素的摩尔含量为0.Imol%~5mol%，渗杂F元素的摩尔 含量为Omol%~2mol%，渗杂P元素的摩尔含量为Omol%~13mol%。
[0015] 优选地，所述的渗镜光纤，其玻璃内包层基质材料为Si化，渗杂材料至少含有Ge、 F、A1、P中的一种或多种。Ge、Al、P的作用是提高内包层的折射率，而F渗杂的作用是降低 包层折射率。该玻璃内包层渗杂Ge元素的摩尔含量为0.Olmol%~1. 5mol%，渗杂F元素 的摩尔含量为0.Imol%~Imol%，渗杂A1元素的摩尔含量为0.Imol%~Imol%，渗杂P 元素的摩尔含量为Omol%~2. 5mol%。
[0016] 优选地，所述渗镜光纤的巧层热膨胀系数是5. 78~5. 85X1(TV°C，内包层的热膨 胀系数是5. 56~5. 64X1(TV°C。两者与外包层的石英玻璃基质形成热膨胀系数梯度，缓 解和分散了残余在光纤巧区中的应力，提高了光纤在传输高功率激光时的高温稳定性。
[0017] 优选地，所述渗镜光纤的吸收系数在激光测试波长为915nm时，大于或等于 3. 2地/m，所述光纤的光束质量因子M2小于或等于1. 3。
[001引相应地，本发明还提供了一种上述渗镜光纤的制作方法，其中所述渗镜光纤的包 层的制造方法是采用PCVD或MCVD管内沉积基质材料和渗杂材料，巧层的制造方法是采用 MCVD沉积基质材料和渗杂材料，所用的MCVD制造方法可采用溶液法或气相沉积方法；所述 渗镜光纤，其预制椿在拉丝过程中，采用20-70g的低张力拉丝，W保证巧层和内包层之间 较低的折射率差值。
[0019] 内外包层结构设计的实际效果为，通过提高内包层的折射率，相对地通过降低巧 层与内包层折射率的差，可W维持纤巧中较高的A1、孔渗杂浓度，从而在维持较高的光纤 包层吸收系数的情况下，降低巧层NA，实现单模输出即光纤质量因子接近于1 ;换言之，是 在不改变巧层NA的情况下，增加纤巧渗杂的A1、孔浓度，实现更高的包层吸收。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明专利的光纤剖面示意图W及光纤折射率剖面示意图，其中ni和di是 巧层的折射率和直径，ri2和d2是玻璃内包层的折射率和直径，n3和d3是玻璃外包层的折射 率和直径，ri4和d4是低折射率涂覆层的折射率和直径；
[0021] 图2是本发明专利的光纤预制椿实际剖面图，其中1是纤巧部分，2是内包层部分， 3是外包层部分。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用w解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0023] 为了方便理解本发明，首先将本发明设及的专业术语集中定义如下：
[0024]MCVD;ModifiedQiemicalVapourD巧osition，改进的化学气相沉积方法。
[0025]PCVD;PlasmaactivatedQiemicalVapourDeposition,等离子化学气相沉积方 法。
[0026] 折射率剖面；光纤预制椿及光纤的折射率与其半径之间的关系曲线。
[0027] 相对折射率差：
【主权项】
1. 一种掺镱光纤，其特征在于，具备至少含有镱Yb与铝Al的芯层和围绕该芯层的玻璃 基质包层，以及围绕该玻璃基质包层的低折射率涂覆层，所述玻璃基质包层包括内包层和 外包层，其中所述内包层折射率低于芯层而高于外包层。
2. 如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述内包层与外包层折射率的差值为 O ~0? 1%〇
3. 如权利要求1或2所述的掺镱光纤，其特征在于，所述外包层在测试激光波长为 670nm 时，折射率为 1. 4546 ~1. 4575。
4. 如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述芯层折射率与内包层折射率的差 值为0. 06%~0. 95%，所述光纤的数值孔径NA范围是0. 05至0. 2。
5. 如权利要求1或4所述的掺镱光纤，其特征在于，所述光纤的NA范围是0. 065至 0.075。
6. 如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述内包层与芯层的直径之比为1~ 10。
7. 如权利要求1或6所述的掺镱光纤，其特征在于，所述外包层直径为80 ym~ 600 y m，芯层直径为4 y m~50 y m。
8. 如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述芯层除了 Yb和Al之外，还掺杂有 F和/或P，芯层掺杂Yb元素的摩尔含量为0? Olmol %~I. 5mol %，掺杂Al元素的摩尔含 量为0? Imol %~5mol %，掺杂F元素的摩尔含量为Omol %~2mol %，掺杂P元素的摩尔含 量为 Omol % ~13mol %。
9. 如权利要求1或8所述的掺镱光纤，其特征在于，所述内包层玻璃基质的掺杂材料 至少含有Ge、F、Al、P中的一种或多种，该内包层掺杂Ge元素的摩尔含量为0.0 lmol%~ 1.5mol %，掺杂F元素的摩尔含量为0.1mol %~Imol %，掺杂Al元素的摩尔含量为 0.1mol %~Imol %，掺杂P元素的摩尔含量为Omol %~2. 5mol %。
10. 如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述芯层热膨胀系数是5. 78~ 5. 85X 10_7/°C，内包层的热膨胀系数是5. 56~5. 64X 10_7/°C。
11. 如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述掺镱光纤的吸收系数在激光测试 波长为915nm时，大于或等于3. 2dB/m，所述光纤的光束质量因子M2小于或等于1. 3。
12. 如权利要求1或11任一项所述的掺镱光纤的制造方法，其特征在于，所述掺镱光纤 的包层是采用PCVD或MCVD方法管内沉积制造基质材料和掺杂材料，芯层采用MCVD沉积基 质材料和掺杂材料，所述的MCVD制造方法为溶液法或气相沉积方法；所述掺镱光纤的预制 棒在拉丝过程中，采用20-70g的低张力拉丝。
【专利摘要】本发明公开了一种掺镱光纤及其制备方法，具备至少含有镱Yb与铝Al的芯层和围绕该芯层的玻璃基质包层，以及围绕该玻璃基质包层的低折射率涂覆层，所述玻璃基质包层包括内包层和外包层，其中所述内包层折射率低于芯层而高于外包层。内包层采用Ge、P、Al、F作为掺杂剂，芯层掺杂F、P作为掺杂剂，采用MCVD法制备预制棒，控制拉丝温度使光纤处于较低张力下拉丝得到所需的光纤。通过提高内包层的折射率，相对地通过降低芯层与内包层折射率的差，可以维持纤芯中较高的Al、Yb掺杂浓度，从而在维持较高的光纤包层吸收系数的情况下，降低芯层NA，实现单模输出即光纤质量因子接近于1。本发明可以制造高浓度掺镱光纤，实现较高的包层吸收系数。
【IPC分类】G02B6-02, G02B6-036
【公开号】CN104865634
【申请号】CN201510318829
【发明人】陈苏, 杨玉诚, 曹蓓蓓
【申请人】长飞光纤光缆股份有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月11日