一种掺铒光子晶体光纤的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种掺铒光子晶体光纤，涉及光子晶体光纤领域。该掺铒光子晶体光纤包括由内至外依次排列的石英纤芯、开有若干个空气孔的空气孔层、石英外包层、涂层，空气孔均沿光纤轴向分布并贯穿于整根光纤，空气孔排列形成多层环圈，环圈的层数至少为5层，每层环圈中的空气孔大小均相同，每层环圈中的空气孔均以石英纤芯为中心，呈正六边形排列，每层环圈中的空气孔的数量＝环圈层数*6；石英纤芯包括掺杂芯层，掺杂芯层掺有铒离子、镨离子。该掺铒光子晶体光纤具有优良的抗辐照性能，能够满足航天用光纤陀螺的荧光光源、复杂环境的掺铒光纤放大器EDFA等特殊环境下的应用需求。
【专利说明】
一种掺铒光子晶体光纤
技术领域
[0001 ]本发明涉及光子晶体光纤领域，具体涉及一种掺铒光子晶体光纤。
【背景技术】
[0002] 在恶劣的核辐射环境下，光纤的辐照损伤对光纤信息传输有很大的影响，特别是 在强脉冲辐射场中，光纤的瞬态感生损耗可高达数千dB;低剂量率环境下的长期辐照积累， 也会产生较大的永久损伤。对于光纤而言，当其中含有锗离子、铝离子等着色离子时，在γ 射线的照射下，光纤中部分自有电子会被这些着色离子所捕获，从而在光纤中形成色心，形 成新的吸收带，导致在可见光的波段出现较大的损耗，甚至不透光。对于掺铒光纤来说，由 于掺铒光纤的纤芯内部掺杂有着色离子，受辐照后光纤损耗将更加明显，因此需要针对性 的开展掺杂工艺、新的耐辐照光纤结构设计、拉丝工艺、光纤预辐照等工艺手段方面的研 究。
[0003] 光子晶体光纤具有灵活的结构设计特性，通过对光子晶体光纤进行一定的结构设 计，可以实现良好的抗辐照特性。人们纷纷研究各种方法将光子晶体光纤的抗辐照特性和 掺铒光纤的特性结合起来，形成具有抗辐照特性的掺铒光子晶体光纤。然而，现有的掺铒光 子晶体光纤的抗辐照性能较差，不能满足航天用光纤陀螺的荧光光源、复杂环境的掺铒光 纤放大器m)FA等特殊环境下的应用需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服上述【背景技术】的不足，提供一种掺铒光子晶体光纤，该 掺铒光子晶体光纤具有优良的抗辐照性能，能够满足航天用光纤陀螺的荧光光源、复杂环 境的掺铒光纤放大器m)FA等特殊环境下的应用需求。
[0005] 本发明提供一种掺铒光子晶体光纤，包括由内至外依次排列的石英纤芯、开有若 干个空气孔的空气孔层、石英外包层、涂层，所述空气孔均沿光纤轴向分布并贯穿于整根光 纤，所述空气孔排列形成多层环圈，所述环圈的层数至少为5层，每层环圈中的空气孔大小 均相同，每层环圈中的空气孔均以石英纤芯为中心，呈正六边形排列，每层环圈中的空气孔 的数量=环圈层数*6;所述石英纤芯包括掺杂芯层，所述掺杂芯层掺有铒离子、镨离子。
[0006] 在上述技术方案的基础上，所述石英纤芯还包括掺氟包层，所述掺氟包层包覆在 所述掺杂芯层的外侧。
[0007] 在上述技术方案的基础上，所述掺杂芯层中还掺有一定量的硼离子。
[0008] 在上述技术方案的基础上，所述空气孔层中空气孔的占空比为25%~40%。
[0009] 在上述技术方案的基础上，所述掺氟包层与石英外包层的相对折射率差为-0.0% ~-1·0%〇
[0010] 在上述技术方案的基础上，所述空气孔层中的环圈层数为5~9层。
[0011] 在上述技术方案的基础上，所述空气孔层中的环圈层数为7层。
[0012] 在上述技术方案的基础上，相邻的两个所述空气孔的间距为3. Ομπι~6. Ομπι。
[0013] 在上述技术方案的基础上，所述空气孔的内径为1 ·Ομηι~4·0μηι。
[0014] 在上述技术方案的基础上，所述掺杂芯层的直径为3. Ομπι~8. Ομπι。
[0015] 与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0016] (1)本发明充分利用掺铒光子晶体光纤的结构设计灵活的特点，合理优化空气孔 层的结构，控制空气孔的环圈层数，有效实现光子晶体光纤的抗辐照特性；同时在掺杂纤层 引入镨离子与铒离子共掺，进一步提高光纤的抗辐照特性。该掺铒光子晶体光纤具有优良 的抗辐照特性，在辐照总剂量为IOOKrad的条件下，该掺铒光子晶体光纤在1200nm波长下的 辐照感生损耗增加值小于〇.5dB/m，能够满足航天用光纤陀螺的荧光光源、复杂环境的掺铒 光纤放大器H)FA等特殊环境下的应用需求。
[0017] (2)掺杂纤层外包覆有掺氟包层，掺氟包层中的氟离子一方面降低包层的折射率， 有利于全反射通光，另一方面也有利于光纤的抗辐照特性。
[0018] (3)该掺铒光子晶体光纤的纤芯还可以同时掺入硼离子，能够抵抗由于引入镨离 子而带来的团聚和功率提升情况下的暗化等效应，从而提高基于掺铒光子晶体光纤的掺铒 光纤激光器的工作性能。
[0019] (4)本发明在980nm的吸收系数可达到5.5dB/m~12dB/m，在1550nm的吸收系数可 达到12dB/m~21dB/m，能够满足掺铒光纤放大器EDFA到掺铒荧光光源的不同应用需求。该 掺铒光子晶体光纤在980nm栗浦光和1550nm输出光均为单模传输，能够保障良好的栗浦效 率和出光的光束质量。1550nm模场直径可控制在3.0微米~8.0微米，能够满足不同器件设 计的使用需求。
[0020] (5)本发明设计有特别的空气孔层数和空气孔占空比，使掺铒光子晶体光纤在波 长13 IOnm~1550nm波段具有最优的背景损耗和色散特性，并能实现良好的增益，提高光转 换效率。通过微孔和纤芯的优化组合将光子晶体光纤的截止波长灵活优化，从而能够灵活 控制光纤的零色散波长，在1310nm和1550nm之间根据实际需要灵活调整。
[0021] (6)本发明采用多极法设计，合理优化空气孔层的结构，控制空气孔的环圈层数， 使掺铒光子晶体光纤在波长980nm~1550nm范围内保持单模传输。本发明中的空气孔设计 为正六边形分布，还有利于进行比较精确的拉制。
[0022] (7)本发明具有优良的抗弯曲性能，在5mm弯曲半径下的最小弯曲附加损耗小于 0.2dB〇
【附图说明】
[0023]图1:本发明实施例中实际研制的掺铒光子晶体光纤的端面结构图；
[0024]图2:本发明实施例中掺铒光子晶体光纤的环圈结构设计图；
[0025] 图3:本发明实施例3中掺铒光子晶体光纤的吸收图谱；
[0026] 图4:本发明实施例10中掺铒光子晶体光纤的模场直径测试图。
[0027]附图标记：1 一石英纤芯，Ia-掺杂芯层，Ib-掺氟包层，2-空气孔，3-石英外包 层，4-涂层。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0029] 参见图1、图2所示，本发明实施例提供一种掺铒光子晶体光纤，该光纤包括由内至 外依次排列的石英纤芯1、开有若干个空气孔2的空气孔层、石英外包层3、涂层4,空气孔层 包覆在石英纤芯1的外侧，石英外包层3采用纯二氧化硅制成，并包覆在空气孔层的外侧，涂 层4涂覆在石英外包层3的外侧;空气孔2均沿光纤轴向分布并贯穿于整根光纤，空气孔2排 列形成多层环圈，环圈的层数至少为5层，每层环圈中的空气孔2大小均相同，每层环圈中的 空气孔2均以石英纤芯1为中心，呈正六边形排列，每层环圈中的空气孔2的数量=环圈层 数*6;石英纤芯1包括掺杂芯层la、掺氟包层lb，掺杂芯层Ia掺有铒离子、镨离子，以及少量 的铝离子和锗离子，掺氟包层Ib包覆在掺杂芯层Ia的外侧。
[0030] 本发明减少掺杂芯层la中锗、铝等会增加色心的离子掺杂，同时引入镨离子共掺， 实现抗辐照特性。掺杂芯层Ia中还掺有一定量的硼离子，用于抵抗由于引入镨离子而带来 的团聚和功率提升情况下的暗化等效应。
[0031] 优选的，空气孔层中的环圈层数为5~9层，典型取值包括6层、7层、8层、9层等;实 际应用中，空气孔层中的环圈层数最佳为7层。第1层环圈中空气孔2的数量为Nl = l*6 = 6 个，第2层环圈中空气孔2的数量为N2 = 2*6=12个，依次类推，第X层环圈中空气孔2的数量 Nx = x*6〇
[0032] 空气孔层中空气孔2的占空比为25%~40%，相邻的两个空气孔2的间距为3. Ομπι ~6·0μηι，空气孔2的内径为1 ·0μηι~4·0μηι。
[0033] 掺杂芯层Ia的直径为3.0μηι~8.0μηι，掺氟包层Ib的直径为4.0μηι~ΙΟ.Ομηι。掺氟包 层Ib与石英外包层3的相对折射率差为-0.0 %~-1.0 %，掺氟包层Ib的掺氟浓度以掺氟包 层Ib与石英外包层3的相对折射率差来确定。石英外包层3的直径为80. Ομπι~125. Ομπι，涂层 4 的直径为 135 · Oym ~245 · Ομπι。
[0034] 石英外包层3外涂覆的涂层4,用于对光纤进行保护。涂层4采用的材料为聚丙烯酸 树脂或聚酰亚胺，当外界环境恶劣，工作温度较高时，通过使用耐高温的聚丙烯酸树脂或聚 酰亚胺，可使光纤在超过100度条件下保持良好的工作状态。涂层4采用的材料为聚丙烯酸 树脂时，光纤的最高长时间工作温度可达到150度;涂层4采用的材料为聚酰亚胺时，光纤的 最高长时间工作温度可达300度。涂层4可以为单涂层，也可以为双涂层。当涂层4为单涂层 时，采用的材料可以为聚丙烯酸树脂，也可以为聚酰亚胺树脂。当涂层4为双涂层时，采用的 材料可以为两层的聚丙烯酸树脂，也可为两层的聚酰亚胺树脂，或者内层采用聚丙烯酸树 月旨，外层采用聚酰亚胺树脂。
[0035] 下面通过15个具体实施例对本发明作进一步详细说明：
[0036]实施例1~15提供了石英外包层3直径从80微米~125微米的不同尺寸规格的掺铒 光子晶体光纤。
[0037] 实施例1~5中掺铒光子晶体光纤的环圈层数为5层，涂层材料即可采用聚丙烯酸 树脂，也可采用聚酰亚胺树脂，涂层4可为单涂层，也可为双涂层。实施例1~5中掺铒光子晶 体光纤的结构参数如表1所示：
[0038] 表1、具有5层环圈的掺铒光子晶体光纤的结构参数
[0041 ] 从表1可以看出，5层环圈的掺铒光子晶体光纤在IOOKrad的总福射剂量下，1200nm 辐照感生损耗增加值为0.2~0.4dB/m，具有优良的抗辐照性能。5层环圈的掺铒光子晶体光 纤的980nm吸收系数为5.5~5.9dB/m，1550nm吸收系数为12~13dB/m，采用实施例3进行试 验时，该掺铒光子晶体光纤的典型吸收谱如图3所示。
[0042] 实施例6~10中掺铒光子晶体光纤的环圈层数为7层，涂层材料可采用聚丙烯酸树 月旨，也可采用聚酰亚胺树脂，涂层4可为单涂层，也可为双涂层。涂层材料采用耐高温的聚丙 烯酸树脂时，最高长时间工作温度可达150度。实施例6~10中掺铒光子晶体光纤的结构参 数如表2所示：
[0043] 表2、具有7层环圈的掺铒光子晶体光纤的结构参数
[0045] 从表2可以看出，7层环圈的掺铒光子晶体光纤在IOOKrad的总福射剂量下，1200nm 辐照感生损耗增加值为0.15~0.4dB/m，具有优良的抗辐照性能。7层环圈的掺铒光子晶体 光纤的1550nm模场直径为3~5μπι，采用实施例10进行试验时，该掺铒光子晶体光纤的典型 模场测试图如图4所示。
[0046]实施例11~15中掺铒光子晶体光纤的环圈层数为9层，涂层材料即可采用聚丙烯 酸树脂，也可采用聚酰亚胺树脂，涂层4可为单涂层，也可为双涂层。实施例11~15中掺铒光 子晶体光纤的结构参数如表3所示：
[0047 ]表3、具有9层环圈的掺铒光子晶体光纤的结构参数
[0049] 从表3可以看出，9层环圈的掺铒光子晶体光纤在IOOKrad的总福射剂量下，1200nm 福照感生损耗增加值为0.1~0.2dB/m，具有优良的抗福照性能。
[0050] 本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变 型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围 之内。
[0051] 说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种掺铒光子晶体光纤，该光纤包括由内至外依次排列的石英纤芯（1)、开有若干个 空气孔(2)的空气孔层、石英外包层(3)、涂层(4)，所述空气孔(2)均沿光纤轴向分布并贯穿 于整根光纤，其特征在于:所述空气孔(2)排列形成多层环圈，所述环圈的层数至少为5层， 每层环圈中的空气孔(2)大小均相同，每层环圈中的空气孔(2)均以石英纤芯（1)为中心，呈 正六边形排列，每层环圈中的空气孔(2)的数量=环圈层数*6;所述石英纤芯（1)包括掺杂 芯层（la)，所述掺杂芯层（la)掺有铒离子、镨离子。2. 如权利要求1所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述石英纤芯（1)还包括掺氟 包层（lb)，所述掺氟包层（lb)包覆在所述掺杂芯层（la)的外侧。3. 如权利要求1所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述掺杂芯层（la)中还掺有一 定量的硼离子。4. 如权利要求1所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述空气孔层中空气孔(2)的 占空比为25%~40%。5. 如权利要求2所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述掺氟包层（lb)与石英外包 层(3)的相对折射率差为-0.0%~-1.0%。6. 如权利要求1所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述空气孔层中的环圈层数为 5~9层。7. 如权利要求6所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述空气孔层中的环圈层数为 7层。8. 如权利要求1所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:相邻的两个所述空气孔(2)的 间距为 3. Ομπι~6. Ομπι。9. 如权利要求1所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述空气孔(2)的内径为Ι.Ομπι ~4·0μπι〇10. 如权利要求1所述的掺铒光子晶体光纤，其特征在于:所述掺杂芯层（la)的直径为 3 · Ομπι~8 · Ομπ?ο
【文档编号】G02B6/036GK105842779SQ201610392053
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】罗文勇, 杜城, 李伟, 严垒, 陈超, 张洁, 雷琼, 刘承香, 赵磊
【申请人】烽火通信科技股份有限公司