一种Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤及其制备方法，属于光纤技术领域。
【背景技术】
[0002]由于通信系统的快速发展，1.55Mi通信窗口已不能满足远距离、大容量通信的需求，全光通信势在必行。目前，掺稀土元素(例如铒、铥、镱等)的光纤放大器，由于其具有带宽宽、增益高等特点，且由掺稀土元素(钕、镨、铥、铒)光纤产生的宽带荧光光源具有输出光谱稳定、受环境影响小、输出功率高等优点一直是人们研究的热点，尤其是掺铒光纤早已普遍商用。然而，掺铒光纤放大器增益带宽只有35 nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗传输窗口的一部分，严重限制了石英光纤固有的容纳波长信道数。
[0003]铋离子由于其600-900 nm，1150-1800 nm范围内的宽带荧光特性，是宽带光源的理想材料。且光谱稳定性好、谱线宽、功率高的光源，在光纤传感系统、光纤陀螺仪等领域，具有非常重要的应用价值。由于稀土元素产生的荧光带宽很难超过100 nm，那么具有更宽荧光带宽的铋材料则更具优势。因此，将铋元素与铒元素共掺入光纤中，可以实现从600-1600 nm超宽带荧光放大。
[0004]原子层沉积(ALD)技术是一种化学气相沉积技术，它是将掺杂源的气相前驱体脉冲交替引入到加热反应器中，然后依次进行化学吸附过程沉积于基底表面，直至表面饱和时自动终止。其优点主要体现在:可以精确控制薄膜厚度(原子层尺度)；由于前驱体是饱和化学吸附，可保证生成保形、均匀、大面积的薄膜;可广泛适用于各种基质材料;对温度的要求不高等。由于其掺杂具有高均匀、高浓度、多元性等特性，应用到Bi/Er共掺石英光纤制备过程中，就可以制备出均一性好、分散性高、掺杂浓度高的Bi/Er共掺石英光纤。
[0005]不仅如此，在1150-1800 nm范围内，没有光纤激光器存在，而这个波长范围的光纤激光器在光通信系统、医学、天文学方面占有重要地位。光纤激光器主要由于光束质量好，斜率效率尚等优点受到青睐。因此，从惨杂技术入手，深入探索新型惨杂光纤的制备技术，制备均一性好、分散性高、Bi/Er共掺石英光纤，具有广泛的研究意义和普遍的应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于根据原子层沉积技术的优势，将Bi203和Er203纳米材料与光纤制备相结合，提供一种Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤及其制备方法。该光纤具有增益谱宽、放大效率高、结构简单、价位低廉，易于产业化生产等特点，可用于制作激光器、光放大器、传感器、宽带光源及光纤的高非线性效应特性等。
[0007]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤，包括纤芯、内包层和包层，所述纤芯是由掺杂高折射率Ge02的石英材料构成，所述内包层是Bi/Er或Bi/Er/Al离子掺杂材料构成，所述包层是由纯石英材料构成，所述内包层包裹纤芯并位于包层的中部。
[0008]所述纤芯与内包层整合为Bi/Er/Ge或Bi/Er/Al/Ge共掺的芯层结构。
[0009]所述纤芯掺杂离子为铋离子(ΒΡ,ΒΓ，Bi3+, Bi5+)、铒离子Er3+或铝离子Al3+与提高折射率分布的二氧化锗。
[0010]所述内包层是利用原子层沉积技术交替沉积适量Bi/Er或Bi/Er/Al共掺材料，沉积厚度为10-2000 nm。
[0011 ] 所述纤芯直径DCore=i> 5?20μηι，内包层直径Dinner ciadding= Φ 8?50μηι，包层直径Dcladding= φ 40~400μ?? ο
[0012]所述芯层直径D ^core= φ 5-80μ??，包层直径Dcdadding= φ 60-400μ??，芯层与包层折射率差为0.3%-5.5%之间，且包层形状为圆形、四边形、六边形或八边形。
[0013]光纤的吸收峰分别为500 土 40，700 土 20，800 ± 20，1000 土 40 与 1550 土 50nm ；荧光光谱范围:600-900，1000-1400与 1450-1800nm;增益范围在 1000-1380与 1400-1800nmo
[0014]一种Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤的制备方法，步骤如下:
1)利用MCVD沉积二氧化硅疏松层，并将其高温处理半玻璃化状态，为包层；
2)然后，利用ALD将氧化铋与氧化铒或氧化铋、氧化铒与氧化铝材料均匀沉积在包层表面，为内包层；
3)沉积二氧化锗，浓度控制在1-15mol%，且将掺有二氧化锗的疏松层半玻璃化，为芯层；
4)通过重复步骤2)的循环周期来调节氧化铋、氧化铒与氧化铝的掺杂浓度与掺杂粒子分布情况；
5)采用MCVD高温缩棒得到光纤预制棒，最后，将掺杂光纤预制棒在拉丝塔上进行光纤拉丝。
[0015]祕源前驱体为Bis(2，2，6，6-tetra-methyl-3, 5-heptaned1nato) Bismuth
(III)(Bi(thd)3) (thd = 2，2，6，6-tetramethyl_3，5-heptaned1ne)，三(2，2，6，6_四甲基-3，5-庚二酮酸)铋(III)或(2，2，6，6_四甲基-3，5-庚二酮)铋或三(2，2，6，6_四甲基-3,5-庚二酸)铋；或Bi(N(SiMe3)2)3(Me: CH3)，三三甲基硅胺基铋;铒源前驱体为Er(thd)3，三(2，2，6，6_四甲基-3，5-庚二酮酸)铒;铝源前驱体为A1 (CH3)3 (TMA)，三甲基铝;氧源前驱体为臭氧或去离子水。
[0016]氧化铝沉积100-3000循环周期，氧化铋颗粒沉积100-2000循环周期，沉积温度范围200-300°C，前驱体脉冲时10-1000 s、热源温度为100_450°C、反应温度为120_400°C与气体流速控制在20-600 sccm;Er203颗粒100-3000个循环周期，沉积温度范围200-500°C，交替沉积Bi203和Er203共150-4000个循环周期。
[0017]利用原子层沉积技术精确控制前驱体脉冲时间、热源温度、反应温度与气体流速等工艺参数沉积掺杂氧化铋、氧化铒或氧化铝氧化物，或其氧化物半导体材料，所述原子层沉积技术的控制参数均采用微沉积为20-2000层，其中每个沉积循环在0.01-0.25 nm;且所述掺杂氧化铋、氧化铒或氧化铝氧化物，或其氧化物半导体材料的摩尔浓度为5 ppm-25mol%。
[0018]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点:
l、Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤可实现从600-1600 nm超宽带放大；2、采用原子层沉积技术，均一性好，掺杂浓度高，方便可行，从而得到更高品质的Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤;3、结构简单、价位低廉，易于产业化生产，可用于构建光纤激光器、光放大器、光纤传感，以及高非线性效应特性等。
【附图说明】
[0019]图1是本发明光纤的结构示意图。
[0020]图2为本发明实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021 ]本发明的优选实施例结合【附图说明】如下:
实施例一:
参见图1 (a)，一种Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤，包括纤芯1、内包层2和包层3，纤芯1是由掺杂少量高折射率的Ge02的二氧化硅疏松层构成，内包层2是Bi/Er或Bi/Er/Al共掺离子材料构成，在石英基底21表面采用原子层沉积技术沉积内包层，内包层的Bi/Er或Bi/Er/A1共掺材料构成。首先沉积A1203纳米颗粒100循环周期与Bi203纳米颗粒100循环周期，铝源前驱体为三甲基铝A1 (CH3)3 (TMA);氧源前驱体为臭氧03或去离子水H20，Bi(thd)3是Bi203的气相前驱体材料，沉积温度200°C;然后，沉积Er203纳米颗粒100个循环周期，Er(thd)3和03是用来沉积Er203的气相前驱体，沉积温度范围200°C。交替沉积Bi203和Er203共150个循环周期，根据循环周期调节掺杂离子浓度。然后，在氧化物表面沉积芯层，纤芯由Si02和Ge02共掺材料构成。然后，踏缩成棒;最后经拉丝搭拉丝，制成Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤。其中，Bi/Er或Bi/Er/Al共掺石英光纤，其特征在于纤芯、内包层，包层直径范围分力U 为Dcor