专利名称：光纤、光学放大器、光纤激光器和光纤初级预制件制造方法
技术领域：
本发明涉及光纤领域，尤其涉及掺杂有稀土(例如，稀土离子)的辐射不敏感光纤。本发明还涉及制造这种光纤的方法。
背景技术：
传统上，光纤(S卩，通常由一个或多个包覆层围绕的玻璃纤维)包括中央纤芯和光包层，其中，中央纤芯的功能是传输光信号以及可能地放大光信号，以及光包层的功能是将光信号限制在中央纤芯内。为了提供引导光信号的该功能，中央纤芯的折射率n。通常高于包层的折射率ng(即，ne>ng)。
通常通过向中央纤芯和/或包层引入掺杂物来获得中央纤芯和包层之间的折射率差。
通常中央纤芯和光包层是通过诸如改进的化学气相沉积(MCVD)、外部气相沉积 (OVD)、轴向气相沉积(VAD)等的气相沉积所获得的。利用MCVD工艺，外包层被制成包括沉积管以及可能地额外的包层或套筒。一般而言，通过浸透例如可在MCVD工艺的中间步骤获得的二氧化硅(SiO2)的多孔层而掺入诸如铝或稀土族元素(以下称为“稀土”、“稀土掺杂物”、“稀土离子”或“稀土掺杂元素”)等的挥发性低的元素。使用包含稀土的溶液来使稀土浸透到沉积物内。例如，可以从溶解盐获得这种溶液。
进行光信号放大的系统通常使用掺杂有稀土的光纤。例如，在铒掺杂光纤放大器(EDFA)中使用掺杂有铒的光纤，以放大在一些远程光通信系统内传输的光信号。这些 EDFA在功耗和光功率转换效率方面具有高的性能。掺杂有稀土的光纤通常具有由二氧化硅基质(matrix)构成的中央纤芯，其中，该二氧化硅基质包含重量浓度约为百万分之 250 (250ppm) IOOOppm(即，0. 025重量百分比 0. I重量百分比(wt% ))的诸如铒等的稀土。
放大光纤的增益是入射信号的波长的函数。例如，可以在C波段(1530纳米 (nm) 1565nm)内使用掺杂有铒的光纤。传统上，掺杂有铒的光纤在波段C内的增益宽度约为30纳米(nm) 35nm，并且数值孔径为0.23。然而，当使用其它类型的稀土元素(即， 稀土离子)时，可能使用不同的波长范围。
波分复用(WDM)应用需要高的增益宽度。为此，可以将稀土与用于提高放大率的补充掺杂物相关联。这些补充掺杂物通过防止稀土之间发生相互作用来提高放大率。为此， 这些补充掺杂物必须包围稀土。在使用包含稀土的溶液对光纤进行掺杂时，为了使中央纤芯内的各稀土均被补充掺杂物包围，补充掺杂物的浓度非常高。铝(Al)是补充掺杂物的一个例子。铝作为元素铝而存在，即铝以氧化铝的形式存在于光纤纤芯的玻璃网络内。
在诸如核电站等的暴露至辐射的环境内的应用中，光学系统相对于电子系统存在以下几个优势。光纤的抗电磁干扰性较好且化学稳定性较好。光纤使得可以获得几乎不需要维护的更加安全可靠的通信系统。光纤还使得可以获得高的数据速率。光纤还非常紧凑， 从而特别适用于飞机和航天器所搭载的系统。
然而，暴露至辐射的环境趋于使光纤的背景损耗增大，由此使所传输信号的衰减增大。背景损耗的增大可能是由于在使用基于二氧化硅的光纤的情况下二氧化硅的结构缺陷所引起的，其中，这些缺陷是因辐射而产生的。这些缺陷包括例如悬键和陷阱电荷， 它们吸收以特定波长在光纤内传输的光信号。背景损耗的增大还可能是由于与获得光信号引导的性质所需的掺杂物有关的特定缺陷所引起的。如前面所述，中央纤芯和/或光包层内通常存在掺杂物以获得相对于外包层的特定折射率差。该折射率分布确定了光纤的光学性质。然而，添加这些掺杂物提高了光纤对辐射的灵敏度。以下参考图1来解释掺杂物对于光纤的辐射灵敏度的重要性。图1提供了各种光纤例子中的所传输信号的衰减值。纵轴表示以分贝/公里/格雷(dB/km/Gy)为单位的由辐射引起的衰减(RIA)，因而被标准化成辐射剂量。横轴表示以纳米(nm)为单位的所传输信号的波长。RIA的值越大，辐射对光纤的光学性质的负面影响越大。曲线1是针对以100格雷(Gy)照射具有纯二氧化硅纤芯(即，纤芯内无掺杂物) 的光纤所获取到的。曲线2是根据以360Gy照射中央纤芯内掺杂有铝(铝浓度约为7wt%) 的光纤所获取到的。曲线3是根据以500Gy照射中央纤芯内掺杂有磷(磷浓度约为IOwt % ) 的光纤所获取到的。曲线4是根据以IOOGy照射中央纤芯内掺杂有锗(锗浓度约为5wt%) 的光纤所获取到的。可以看出，在波长约1200nm处之前，一直存在衰减的增大。这将降低光学性能。辐射引起的衰减依赖于所传输信号的波长以及存在于光纤的中央纤芯内的辐射敏感掺杂物。不同的掺杂物展示不同的辐射灵敏度。因而，EDFA中的光信号的衰减依赖于为获得预定引导性质所使用的掺杂物(例如，锗、铝、磷或氟)。信号衰减的增大还依赖于由于制造工艺而引入的因素。例如，使用氯来防止这些原料混有氢氧根离子(0H—)。衰减的增大还依赖于为获得所需的放大性质所使用的补充掺杂物。这些补充掺杂物的例子包括铝、 磷、锑、镧和铋。为了降低光纤的辐射灵敏度，Regnier等人题为“Recent developments in optical fibers and how defense, security and sensing can benefit", Proceedings of the SPIE,Vol. 7306, 2009, pp. 73061-730618-10 的论文提出了，通过改为采用使用二氧化硅纳米颗粒掺杂的稀土，省去了放大性质所需的补充掺杂物。纳米颗粒由二氧化硅基质和稀土构成。此外，纳米颗粒基质可以包含氧化铝。纳米颗粒的这种化学组成确保了稀土不形成聚集体。由于基质不包含补充掺杂物，因此辐射灵敏度降低。然而，补充掺杂物改善了放大品质。省去补充掺杂物排除了诸如WDM等的高光谱带宽应用。此外，二氧化硅对稀土的溶解度有限，这限制了放大增益。因而，对于利用铒进行掺杂，使用二氧化硅纳米颗粒局限于铒的重量浓度小于300ppm的光纤。现有技术还提出了缩短光纤的长度以减少光纤暴露至辐射的体积。这种缩短特别是通过提高光纤的每单位长度的放大增益来获得的。Ma 等人题为"Experimental investigation of radiation effect on erbium—ytterbium co-doped fiber amplifier for space optical communication in low-dose radiation environment”，Optics Express, Vol. 17，No.18，2009，pages 15571to 15577的论文提出了通过使用铒和镱的组合进行掺杂来提高放大效率。然而，该掺杂使光纤的辐射灵敏度增大。辐射灵敏度的增大部分是由从镱向铒传递能量所需的且存在于中央纤芯基质的组合物中的磷所引起的。此外，由于该论文中的解决方案通常包括适合于高功率应用的双包层结构，因此与传统的利用铒进行掺杂的方案相比，其成本较高。Gusarov 等人题为"Radiation sensitivity of EDFAs based on highly doped fibers", Journal of Lightwave Technology, Vol.27, No. 11,2009, pp.1540 to 1545 的论文提出了通过增加存在于光纤内的稀土的量来提高放大效率。然而，如果光纤的中央纤芯内的稀土的浓度高，则观察到在中央纤芯基质内形成稀土的对或者甚至聚集体，这导致非均勻掺杂。由于同时存在诸如稀土之间的淬火等的非辐射机制，因此这种非均勻掺杂使光纤的放大效率下降。稀土之间的这些协作作用包括例如同质上转换(HUC)和对诱发淬火 (PIQ)。这些机制对产生放大的受激辐射进行干涉。例如，在具有铝浓度约为7wt%的二氧化硅中央纤芯的光纤中，淬火现象对于700ppm的铒重量浓度而言很重要。这些不想要的能量传递随着泵浦光束所激发的发射而完成，由此限制了光纤的放大效率。稀土的这些聚集体还可能使诸如光致暗化等的光子退化更突出。由于存在于光纤的中央纤芯的基质内的高度吸收缺陷，因此在该中央纤芯内传播高功率光信号时可能发生光子退化。为了规避这些聚集体，上述论文提出增加补充掺杂物的量。因而，减少光纤暴露至辐射的体积可能因增加了辐射敏感元素的量而失效。铒掺杂放大器光纤可以采用在保持高放大增益的同时便于缩短光纤的长度的多孔包层。例如，根据 Knight 等人题为 “All silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding",Optics Letters, Vol. 21,1996,pp. 1547 to 1549 StJife^lB 知有多孔包层。包括多孔包层的光纤被称为光子晶体光纤、多孔光纤、微结构光纤或光子晶体纤维(PCF)。例如，现有技术已知存在由多层膜构成并且被称为Bragg光纤的多孔光纤。 此外，一些多孔光纤使用禁能带来限制所传输信号。光子晶体光纤通过经由光纤的光包层内的气孔阵列进行内部反射来提供引导。该光纤的中央纤芯可以由纯二氧化硅(不包含掺杂物的二氧化硅)构成。包层由具有气孔的纯二氧化硅构成，因此不再需要使用掺杂物来获得引导性质。例如，Cucinotta 等人题为"Design of erbium-doped triangular photonic-cristal fiber based amplifiers", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 16, No. 9,2004, pp. 2027 to 2029 的论文以及 K. Furusawa 等人题为 “High gain efficiency amplifier based on an erbium doped alumino-silicate holey fiber", Optics Express, Vol. 12，No. 15，2004，pp. 3452 to 3458 的论文提出了掺杂有铒且具有多孔包层的光纤。该多孔包层使得可以改善这些放大器光纤的放大性质。放大性质的改善主要是由于理论上改善了掺杂有稀土的区段分别与泵浦光束和信号光束这两者之间的重叠而产生的。然而，这两篇论文未涉及光纤的辐射灵敏度。Hilaire 等人题为"Numerical study of single mode Er-doped microstructured fibers :influence of geometrical parameters on amplifier performance", Optics Express, Vol. 14,2006，pp. 10865to 10877 的论文中描述了包括多孔包层的光纤。在该论文中，光纤的长度相对于标准的铒掺杂光纤缩短了 40%以上，同时保持了相同的增益曲线。使光纤的分布最优化以获得波长几乎未改变的90%的重叠。然而， 该论文未涉及光纤的辐射灵敏度。S. Girard 等人题为"Gamma-radiation induced attenuation in PCF Electronic Letters, Vol. 38，No. 20,2002, pp. 1169 to 1171 的论文指出光子晶体光纤的辐射灵敏度在很大程度上依赖于制造纤芯所使用的二氧化硅的纯度。例如，根据S. Girard 等人题为"Radiation-induced defects in fluorine-doped silica-based optical fibers :Influence of pre-loading with H2",Journal of Non-Crystalline Solids,355, 2009，pp. 1089 to 1091的论文还已知，二氧化硅内的氯引起了辐射下的高吸收，特别是在短波长处。然而，这些论文未能描述掺杂有稀土的放大器光纤。特别地，这些论文未涉及放大器光纤的光谱带宽的问题。
发明内容
因此，对于掺杂有稀土的光纤，希望具有低辐射灵敏度以及未劣化的放大性质。为此，本发明提供一种光纤，其从中心到外周依次包括中央纤芯，用于传输和放大光信号并包括包含纳米颗粒的纤芯基质，其中，所述纳米颗粒由包含稀土族离子形式的掺杂物的纳米颗粒基质构成；光包层，其包住所述中央纤芯并用于限制所述中央纤芯所传输的光信号，其中，所述光包层具有沿着所述光纤的长度延伸的多个孔，所述多个孔以一定间距分隔开；以及外包层。换言之，本发明涉及一种光纤，其从中心到外周依次包括中央纤芯，用于传输和放大光信号并包括包含纳米颗粒的纤芯基质，其中，所述纳米颗粒由包含稀土族掺杂物的纳米颗粒基质构成；包住所述中央纤芯的光包层，用于限制所述中央纤芯所传输的光信号， 并具有沿着所述光纤的长度延伸的多个孔，其中，所述多个孔以一定间距彼此分隔开；以及外包层。在实施例中，各孔的间距恒定，以便于进行光纤制造工艺。在本发明中，补充掺杂物是指存在于纳米颗粒基质内且包围稀土元素的掺杂元素。这些补充掺杂物可以是例如铝、磷、锑、镧或铋或者它们中的一个或多个组合。在一个实施例中，所述光包层的氯重量浓度小于500ppm，并且所述光包层不包含重量浓度大于十亿分之一的其它化学元素(杂质)。在一个实施例中，所述光包层的氯重量浓度小于lOOppm，并且所述光包层不包含重量浓度大于十亿分之一的其它化学元素。在一个实施例中，所述光包层由纯二氧化硅制成。在一个实施例中，所述孔和所述中央纤芯仅具有绕光纤的中心的π阶旋转对称性(symmetries of rotation of order π )。这表示通过使该图案绕中心旋转角度π，将恢复相同的结构。在这种情况下，纤芯在两个主正交方向上具有不同的大小，由此定义了快轴和慢轴并产生偏振保持光纤(作为例子，基于如下设计的三角格，在该设计中，隔着纤芯相对且属于纤芯附近的第一行中的六个孔的两个孔的大小相等，但这两个孔的大小与所有其它的孔的大小不等)。在一个实施例中，孔以2微米(μ m) 10 μ m的间距分隔开。
在一个实施例中，所述孔具有基本上为圆形的截面，并且各孔的直径相对于间距的比在0.3 0.9的范围内。在一个实施例中，所述纤芯基质由二氧化硅、优选为纯二氧化硅制成。在一个实施例中，所述中央纤芯内的稀土族掺杂物的重量浓度在200ppm IOOOppm的范围内并且纳米颗粒基质浓度在0. 5wt% 5wt%的范围内。在一个实施例中，对于所述纳米颗粒，纳米颗粒基质相对于稀土族掺杂剂的原子比在10 500的范围内，优选在50 350的范围内。在一个实施例中，所述纳米颗粒基质的材料是从氧化铝(即三氧化二铝或Al2O3) 和/或二氧化硅中选择出的。在一个实施例中，所述稀土族掺杂物是从铒、镱、铥以及它们中的一个或多个组合中选择出的。本发明还提供一种光学放大器，其包括根据本发明的光纤的至少一部分并且使用在150毫瓦(mW) 1. 5瓦(W)的范围内的泵浦功率。在一个实施例中，所述光学放大器在C波段(S卩，1530nm 1560nm)内的带宽在 25nm 3&im的范围内。本发明还提供包括根据本发明的光纤的至少一部分的光纤激光器。本发明还提供一种光纤初级预制件的制造方法，包括以下步骤形成步骤，用于形成包括掺杂有稀土族元素的纳米颗粒的预制件组成部分(还称为芯)，其中，所述预制件芯用于形成光纤的中央纤芯；制造多个毛细管；以及将所述毛细管配置成中心包括所述预制件芯的毛细管束。换言之，本发明涉及一种光纤初级预制件的制造方法，包括以下步骤形成步骤， 用于形成包括掺杂有稀土族元素的纳米颗粒的预制件组成部分，其中，所述预制件组成部分用于形成光纤的中央纤芯；制造多个毛细管；以及将所述毛细管配置成中心包括所述预制件组成部分的毛细管束。在一个实施例中，采用基于纯二氧化硅的材料来制造用于形成光纤的中央纤芯的所述预制件芯。在一个实施例中，所述毛细管的氯重量浓度小于500ppm，并且所述毛细管不包含重量浓度大于十亿分之一的其它化学元素(即，杂质)。在一个实施例中，所述毛细管的氯重量浓度小于lOOppm，并且所述毛细管不包含重量浓度大于十亿分之一的其它化学元素。在一个实施例中，所述毛细管由纯二氧化硅制成。在一个实施例中，所述形成步骤包括以下步骤沉积步骤，用于在管的内表面上产生多孔沉积物，其中，所述多孔沉积物具有管状；利用掺杂有稀土族元素的纳米颗粒的悬浮液浸透所述多孔沉积物；使浸透后的所述多孔沉积物玻璃化；(由于该多孔沉积物已被浸透，因此认为是浸透沉积物)使包括所述管和所述多孔沉积物的组合收拢；以及
提取收拢后的浸透沉积物，其中，所述沉积物构成了用于形成光纤的中央纤芯的所述预制件组成部分。在一个实施例中，经由改进的化学气相沉积技术来进行所述沉积步骤。在一个实施例中，所述形成步骤包括如下步骤形成包括掺杂有稀土族元素的纳米颗粒的棒；使所述棒玻璃化；以及使所述棒收拢，其中，所述棒构成了用于形成光纤的中央纤芯(11)的预制件芯。在一个实施例中，经由溶胶-凝胶工艺来制造所述棒。在一个实施例中，用于制造多个毛细管的步骤包括以下步骤在管的内表面上产生沉积物，其中，所述沉积物具有管状；提取该管状的沉积物；以及从该管状的沉积物拉制所述毛细管。在一个实施例中，用于制造多个毛细管的步骤包括以下步骤在管的内表面上产生沉积物，其中，所述沉积物具有管状；以及从内表面上具有所述沉积物的所述管拉制所述毛细管。在一个实施例中，经由等离子化学气相沉积技术来执行产生沉积物的步骤。在一个实施例中，预制件的芯内的纳米颗粒的浓度在IO16/立方厘米(cm3) IO18/ cm3的范围内。在一个实施例中，所述纳米颗粒基本上为球形并且其直径在5nm 25nm的范围内。在根据本发明的光纤中，通过使用包括稀土的纳米颗粒来执行稀土的掺杂。使用纳米颗粒进行掺杂使得可以限制或者甚至消除对辐射敏感的补充掺杂物的使用。根据本发明的光纤还包括具有孔的光包层，还被称为多孔包层。光包层内的孔使得可以在不使用对辐射敏感的掺杂物的情况下提供光纤的引导性质。此外，这些孔使得可以通过提高转换效率来缩短光纤长度。这缩短了光纤暴露至辐射的长度。因而，根据本发明的光纤对辐射非常不敏感。光纤的这些特性使得可以获得最优的辐射性质和放大性质。
通过阅读以下对以非限制性的示例的方式并且参考附图所给出的本发明的具体实施例的说明，本发明的其它特征和优点变得清楚，其中图1 (已说明)示出作为存在于光纤内的掺杂物和该光纤所传输的信号的波长的函数的、该光纤内的辐射引起的衰减；图2示出根据本发明的光纤的一个示例；图3示出根据本发明的光纤的另一示例；图4示出根据本发明的光纤的又一示例；图5说明本发明的方法的步骤；图6说明本发明的一个特定实施例的方法的步骤；图7说明本发明的一个特定实施例的方法的步骤；以及
图8示出本发明的一个特定实施例的光纤的截面图。
具体实施例方式在根据本发明的光纤的实施例中，通过使用包含稀土掺杂物的纳米颗粒来使光纤掺杂有稀土。利用纳米颗粒进行掺杂通常使得可以限制使用或者甚至不使用对辐射敏感的补充掺杂物。这些光纤的实施例还包括也被称为多孔包层的具有孔(hole)的光包层。光包层内的孔使得可以在不使用辐射敏感掺杂物的情况下提供光纤的引导性质。此外，这些孔使得可以通过提高转换效率来缩短光纤长度。这样缩短了光纤暴露至辐射的长度。由此， 根据本发明的光纤对辐射极不敏感。光纤的这些特性使得可以获得期望的辐射性质和放大性质。参考作为根据本发明的光纤的示例的截面图的图2、3、4和8来说明根据本发明的光纤。这些附图示出各光纤在与各光纤的轴垂直的平面的截面图。采用用于传输光信号的诸如二氧化硅等的材料来制造光包层。光包层包括沿着光纤的长度延伸的孔10。换言之，孔10在与光纤的轴平行的方向上延伸。这些孔10形成规则的孔阵列，在该孔阵列中，相邻的两个孔的轴以间距ΛΛ分隔开。在与光纤的轴垂直的横向平面上，孔10的截面被组织成三角形周期阵列的形式。 除了光纤的纤芯11所占据的中心区域以外(即中心区域内的孔被移除)，通过使中心形成等边三角形的三个孔的图案重复来获得该周期阵列。此外，在实际实现该结构时，这些孔10排列成孔的同心环。术语“环”应当作最广义的理解，特别是包括如图2、3、4和8所示的大致六边形。图2、3、4和8所示的例子不限制本发明。特别地，这些孔10可以排列成不同的周期阵列。同心环可以具有除六边形以外的几何形状。孔10填充有诸如空气或二氧化碳(CO2)等的气体。孔10内的介质不同于孔10之间的材料。因而，孔10内的介质和孔10周围的材料具有不同的折射率。孔10的数量和体积使得可以调节光包层的折射率。因而，孔10的数量和体积使得可以调节光纤的数值孔径以及光纤的中央纤芯11的折射率与光包层的折射率之间的差。因而，光包层内的孔10使得可以在不使用掺杂物的情况下获得中央纤芯11的折射率和光包层的折射率之间的差。将光信号限制中央纤芯11内而不存在掺杂物。这减少了对辐射敏感的掺杂物的量。例如，在图8所示的特定实施例中，孔10具有直径为φ Λ的圆形截面。间距Λ Λ 在2μπι IOym的范围内。比Φ孔/Λ孔在0. 3 0. 9的范围内。光包层具有由孔组成的 2 6个同心六边形环。由于光纤制造工艺的不确定性，因此孔10可能改变。例如，针对间距Λ Λ和直径 φ孔的值，孔10的公差为20% (例如，10%以下或者5%以下)。因此，这里，间距和直径的标称值包括20%的公差。以相同的间距(相同的外部毛细管直径)为目标从而得到三角格和容易装配是可行的，但也可以通过改变毛细管之间的直径(例如，行之间)来以不同的孔直径为目标。但从容易制备的方面而言，最优选的方案是以相同的间距和相同的孔直径作为目标。
在其它实施例中，孔10的截面为具有不同的直径Φ &的圆形。在图2所示的特定实施例中，中心位于穿过光纤中心的直线上的孔的直径小于光包层内的其它孔的直径。在图3所示的另一特定实施例中，第一个环内的直接相对的孔的直径小于其它孔的直径。与标准的基于掺杂的阶梯折射率包层技术相比，光包层内的孔10使得可以改善掺杂有稀土的区域12与泵浦光束之间的重叠和/或掺杂有稀土的区域12与信号光束之间的重叠，其中，在标准的阶梯折射率技术中，纤芯的折射率比(无任何孔的)包层的折射率高。改善掺杂有稀土的区域12与泵浦光束和/或信号光束之间的重叠使得可以使光纤的长度最优化。对于相同浓度的稀土以及对于波长分别为980nm和1550nm的泵浦光束和信号光束，与利用掺杂物来获得中央纤芯11和光包层之间的折射率差的现有技术光纤相比， 根据本发明的光纤的长度的缩减量在20% 50%的范围内。换言之，与典型的现有技术光纤相比，该光纤的每单位长度的放大增益较大。因而，与现有技术光纤的暴露长度相比，本发明的光纤暴露至辐射的长度较短(例如，短了 20 50% )。此外，孔10的数量和体积确定了光纤的其它光学性质。间距Λ &具有在光纤的有效区域和光纤的弯曲损耗之间实现折衷的值。在孔10具有直径φ Λ的圆形截面的该例子中，间距Λ Λ和比Φ λ/Λ &进一步使光纤的单模行为针对该光纤(例如，在放大时)所使用的波长稳定化。因而，间距Λ Λ和比Φ λ/Λ &确保了光纤的截止波长λ。小于泵浦波长 (对于铒为980nm或1480nm)。已将光包层描述为包括具有圆形截面的孔10，但本发明不限于此。特别地，孔10 可以具有除圆形以外的截面形状(例如，与标准圆形相比在一个方向上延长的圆形(或珍珠形状)或者椭圆形)。中央纤芯11是位于光纤中心且由光包层包住的光纤部分。在与光纤的轴垂直的平面上，中央纤芯11是位于从光纤中心起的、与第一个孔10环相切的圆内的区域。在一个实施例中，中央纤芯11占据上述位于光纤中心的点的周期阵列中的单个
点ο在孔10具有直径Φ Λ的圆形截面(图8所示)的本实施例的一个例子中，中央纤芯11具有直径2Γι = 2Χ Λ孔-Φ孔的圆形截面。将该等式代入图8所示的空间关系得出以下等式:八孔=①掺杂；这表示毛细管的直径等于掺杂预制件组成部分的直径，从而使制造简化并确保了多孔包层内的间距恒定。因而，在一些实施例中，在不会干扰间距均勻性的情况下制造出具有最大可能直径的掺杂预制件芯。在第一个环的孔10具有不同的直径的图2和3所示的本实施例中的其它例子中， 纤芯11具有椭圆形的截面。中央纤芯11的另一实施例包括阵列中位于光纤的中心的点以及该阵列的一个或多个其它点。图4示出本实施例的一个例子。中央纤芯11具有基本上为四边形的截面。中央纤芯11包括纤芯基质和纳米颗粒。纤芯基质包围掺杂有稀土的纳米颗粒。纤芯基质用于在中央纤芯11内引导光信号。纤芯基质不包含掺杂物。特别地，纤芯基质不包含用于获得中央纤芯11和光包层之间的折射率差的掺杂物。因而，纤芯基质不包含造成信号出现辐射引起的衰减的掺杂物。纤芯基质11的氯重量浓度小于lOOOppm。(例如在诸如纯二氧化硅等的材料中) 通常使用氯以防止混入氢氧根离子(Off)。然而，氯在可见光的波长范围内产生高的由辐射引起的吸收。使光纤内的氯的量最小化提高了光纤的耐辐射性。纤芯基质11不包含通过标准化学分析可检测到的其它化学元素。等离子体炬或电感耦合等离子体(ICP)技术是化学分析技术的例子。例如，纤芯基质11不包含重量浓度大于十亿分之一(PPb)的其它化学元素特别是金属杂质或阳离子。换言之，在纤芯基质中， 除氯以外的化学元素的重量浓度小于十亿分之一。因而，所有的无氯污染物或杂质的总和不超过十亿分之一。由此，中央纤芯11的基质包含有限量的可以使光纤所传输的信号衰减的化学元素。在纤芯基质中，使信号的由辐射引起的衰减最小。纤芯基质不包含在可用的波长范围内引起大于0.05分贝/米/千格雷(dB/m/kGy)的辐射损耗的化学元素。在这方面，可用的波长范围是指包括光纤所传输的信号的波长的波长范围。对于铒，例如，可用的波长范围是 900nm 1600nm。纤芯基质是例如主要包含二氧化硅的玻璃体基质。纤芯基质11是例如纯二氧化硅(例如，不包含掺杂物的二氧化硅)。中央纤芯11还包含纳米颗粒。这些纳米颗粒由纤芯基质包围。通过纳米颗粒来使中央纤芯11掺杂有稀土。纳米颗粒包含在中央纤芯11的中心区域12内，其中，中心区域12具有直径为Φ 惨杂的大致圆形的截面。掺杂区域12的直径①惨杂通常在？口！！！ ^^！！！的范围内。直径Φ
具有最大值使得可以保持应用于比φ λ/α Λ的约束，特别是在光纤制造期间。纳米颗粒由基质和所嵌入的稀土形成。纳米颗粒基质包围稀土。纳米颗粒基质的组成和结构有利于稀土的溶解。该纳米颗粒基质不依赖于光纤的纤芯基质11的组成。例如，纳米颗粒基质通常为二氧化硅或氧化铝或者它们的组合。稀土使得可以放大中央纤芯11所传输的信号。在光纤中，稀土采用稀土族的同一化学元素的离子形式。稀土例如是铒(Er)、镱( )、铥(Tm)或它们的组合，或者是使得可以通过光泵浦进行放大的任何其它稀土。例如，稀土是用于在C波段内进行放大的铒。经由纳米颗粒进行掺杂使得可以避免稀土聚集。因此，无需使中央纤芯11充满补充掺杂物以防止稀土聚集。因而，在减少中央纤芯11内的辐射敏感元素的量的同时，保持了放大性质。例如，中央纤芯11的掺杂区域12内的稀土的重量浓度在200ppm IOOOppm(包括端点)的范围内，并且中央纤芯11的掺杂区域12内的纳米颗粒基质浓度为0.5wt% 5wt%，优选在1. 5wt% 的范围内。例如，纳米颗粒中的纳米颗粒基质相对于稀土的原子比为10 500，优选在50 350的范围内，更优选在50 200的范围内。光纤还具有典型的外包层。例如，由于成本原因，外包层通常是天然二氧化硅。在其它例子中，外部的光包层采用掺杂二氧化硅。对于相同的放大性能，根据辐射条件和光纤工作条件，与一般的现有技术光纤相比，根据本发明的光纤的耐辐射性高出2 100倍、通常为10 1000倍。因而，在可用波长范围内，根据本发明的光纤的由辐射引起的衰减在0. 005dB/m/kGy 0. 05dB/m/kGy的范围内。此外，由于使用小量的补充掺杂物或者甚至不存在补充掺杂物，根据本发明的光纤的在照射之前的背景损耗(background losses before irradiation)低。因而，在 IOOOnm 1200nm的波长范围内，照射前的背景损耗通常小于5分贝/千米(dB/km)，或者甚至小于2dB/km。根据本发明的光纤在保持对辐射极度不敏感的情况下，根据包含在光纤内的补充掺杂物的量，可用于诸如单通道应用等的低带宽应用和诸如波分复用应用等的宽带宽应用。在一个实施例中，纳米颗粒基质不包含补充掺杂物。例如，纳米颗粒基质是二氧化硅。纳米颗粒内的稀土的重量浓度在150ppm 250ppm的范围内。光纤的由辐射引起的衰减在 0. 005dB/m/kGy 0. 05dB/m/kGy 的范围内。在一个实施例中，纳米颗粒基质包含补充掺杂物，其中，这些补充掺杂物用于改善高浓度的稀土的分解，改善光纤的增益性质并且维持稀土之间的物理屏障。这些补充掺杂物使得可以在无需牺牲耐辐射性的情况下获得宽的带宽。在本实施例的一个例子中，纳米颗粒基质是诸如氧化铝等的氧化物，其中，该氧化物便于实现稀土在纳米颗粒内的良好分布，并且使得可以扩宽谱窗以提供针对波分复用应用的放大增益。在该例子中，纤芯11内的稀土的重量浓度在200ppm 400ppm的范围内，并且补充掺杂物的浓度在2. 5wt% 3. 5wt%的范围内。这便于实现相对宽的带宽和低的由铒引起的衰减，其中，由铒引起的衰减与存在于光纤内的铒的量成比例。因此，在利用铒进行掺杂的情况下，光纤在波长1530nm处与铒有关的每单位长度的衰减在3分贝/米(dB. πΓ1) 6dB.Hr1的范围内，并且光纤的带宽在25nm 32nm的范围内。包括孔10的光包层传输基本光模式的一部分并且可对中央纤芯11所传输的信号产生干涉。光包层对所传输信号的影响随着光纤的半径快速减小。实际上，主要由包括围绕中央纤芯11的第一个孔10环的部分来传输光信号。在图8所示的实施例中，有可能对所传输信号产生干涉的区域是半径为0. 5Λ Λ 1. 5 Λ Λ的环形区域。在一个实施例中，光包层的氯重量浓度小于500ppm，优选小于lOOppm。此外，光包层不包含通过标准化学分析手段可检测到的其它化学元素。等离子体炬或电感耦合等离子体(ICP)技术是化学分析技术的例子。例如，光包层不包含重量浓度高于十亿分之一的其它化学元素。换言之，光包层内的除氯以外的化学元素的重量浓度小于十亿分之一。因而， 光包层包含有限量的可以使中央纤芯11所传输的信号衰减的辐射敏感化学元素或杂质。因而，通过光包层使信号的由辐射引起的衰减最小化。光包层不包含引起大于 0. 05分贝/米/格雷(dB/m/Gy)的辐射损耗的化学元素。在一个实施例中，直径为Φ 的掺杂有稀土的区域12没有覆盖整个中央纤芯11。 在本实施例中，与纤芯与(无任何孔的)包层相比具有较高的折射率的标准阶梯折射率技术相比，仅改善了中央纤芯11和泵浦光束之间的重叠或者中央纤芯11和信号光束之间的重叠。例如，该重叠在0.6 0.7的范围内。在典型实施例中，中央纤芯11和孔10仅具有绕光纤中心的π阶旋转对称性。由此，使光纤的截面绕光纤的中央纵轴旋转角度η将得出相同的截面。因此，中央纤芯区域在两个主正交方向上的大小不同，由此定义了快轴和慢轴从而生成偏振保持光纤。例如，基于以下设计的三角格将展示绕光纤中心的η阶旋转对称性，其中，在该设计中，隔着纤芯相对并且属于纤芯附近的第一个环中的六个孔的两个孔具有相对于所有其它孔而言不同的大小。这种η阶旋转对称性使得可以保持在光纤内传输的信号的偏振性。因而，在本发明的光纤的这种实施例中，光包层使得可以在不使用诸如硼等的附加掺杂物的情况下获得偏振保持光纤。通常，在利用掺杂物获得中央纤芯和光包层之间的折射率差的光纤中，通过在中央纤芯的任一侧上的光包层中插入掺杂有硼的二氧化硅的棒来维持所传输信号的偏振性。图2 4示出孔10和中央纤芯11具有π阶旋转对称性的光纤的示例。图8中的光纤示例展示η/3阶对称。因此，图8中的光纤示例不具有π阶对称并且不是偏振保持光纤。以下参考表1和2示出的放大器光纤的(比较)例I、II、III和IV来解释根据本发明的光纤的优点。例I和III是利用诸如锗和/或氟等的掺杂物来获得中央纤芯和光包层之间的折射率差的比较光纤。使中央纤芯掺杂有稀土不是通过利用包含稀土的溶液浸透纳米颗粒而获得的。光纤例II和IV是根据本发明的光纤。借助于光包层内的孔10将信号限制在中央纤芯11内。特别地，在光纤II和IV中，使孔10组织成三角形阵列。此外，通过使用纳米颗粒来使光纤II和IV掺杂有铒。表1给出可用于诸如单通道应用等的窄带宽应用的光纤的例I、II。
权利要求
1.一种光纤，其从中心到外周依次包括中央纤芯(11)，用于传输和放大光信号，其中，所述中央纤芯(11)包括包含纳米颗粒的纤芯基质，所述纳米颗粒由包含稀土族离子形式的掺杂物的纳米颗粒基质构成；包住所述中央纤芯(11)的光包层，用于限制所述中央纤芯(11)所传输的光信号，其中，所述光包层具有沿着所述光纤的长度延伸的多个孔(10)，所述孔(10)相互隔开一定的间距(A ;以及外包层。
2.根据权利要求I所述的光纤，其特征在于，所述光包层包含重量浓度小于500ppm的氯，并且不包含重量浓度大于十亿分之一的其它杂质。
3.根据权利要求I所述的光纤，其特征在于，所述光包层包含重量浓度小于IOOppm的氯，并且不包含重量浓度大于十亿分之一的其它杂质。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光包层由纯二氧化硅制成。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的光纤，其特征在于，所述孔(10)和所述中央纤芯(11)仅具有绕所述光纤的中心的n阶旋转对称性。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的光纤，其特征在于，所述间距(A在 IOiim的范围内。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的光纤，其特征在于，所述孔(10)具有基本上为圆形的截面，并且所述孔(10)各自的直径(Oa)相对于所述间距(A孔)的比在0. 3 0. 9的范围内。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的光纤，其特征在于，所述纤芯基质(11)由纯二氧化硅制成。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的光纤，其特征在于，所述中央纤芯(11)内的来自稀土族的所述掺杂物的重量浓度在200ppm IOOOppm的范围内，并且所述中央纤芯(11) 内的纳米颗粒基质浓度在0. 5wt% 5wt%的范围内。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的光纤，其特征在于，在所述纳米颗粒中，所述纳米颗粒基质相对于来自稀土族的所述掺杂物的原子比在10 500的范围内，优选在50 350的范围内。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的光纤，其特征在于，所述纳米颗粒基质采用从氧化铝、二氧化硅或它们的组合中选择出的材料。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的光纤，其特征在于，来自稀土族的所述掺杂物是从铒、镱、铥或者它们的组合中选择出的。
13.一种光学放大器，其包括根据权利要求I至12中任一项所述的光纤的至少一部分并且使用150mW I. 5W的范围内的泵浦功率。
14.根据权利要求13所述的光学放大器，其特征在于，所述光学放大器在C波段即 1530nm 1560nm内的带宽在25nm 32nm的范围内。
15.一种光纤激光器，其包括根据权利要求I至12中任一项所述的光纤的至少一部分。
16.一种光纤初级预制件制造方法，包括以下步骤形成步骤(35)，用于形成包括掺杂有稀土族元素的纳米颗粒的预制件组成部分(200)，其中，所述预制件组成部分(200)用于形成光纤的中央纤芯(11)；制造多个毛细管(100) (36);以及使所述毛细管(100)排列成中心包括所述预制件组成部分(200)的毛细管束(38)。
17.根据权利要求16所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，用于形成光纤的中央纤芯(11)的所述预制件组成部分(200)是采用基于纯二氧化硅的材料制造的。
18.根据权利要求16或17所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，所述毛细管 (100)包含重量浓度小于500ppm的氯，并且不包含重量浓度大于十亿分之一的其它杂质。
19.根据权利要求16或17所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，所述毛细管 (100)包含重量浓度小于IOOppm的氯，并且不包含重量浓度大于十亿分之一的其它杂质。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，所述毛细管(100)采用纯二氧化硅。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，所述形成步骤(35)包括以下步骤沉积步骤(30)，用于在管(210)的内表面上产生多孔沉积物，其中，所述多孔沉积物具有管状；利用掺杂有稀土族元素的纳米颗粒的悬浮液浸透所述多孔沉积物(31)；使浸透后的所述多孔沉积物玻璃化(32)；使包括所述管(210)和所述多孔沉积物的组合收拢(33);以及提取所述多孔沉积物(34)，其中，所述多孔沉积物构成用于形成光纤的中央纤芯(11) 的所述预制件组成部分(200)。
22.根据权利要求21所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，经由改进的化学气相沉积即MCVD技术来进行所述沉积步骤(30)。
23.根据权利要求16至20中任一项所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，所述形成步骤(35)包括以下步骤形成包括掺杂有稀土族元素的纳米颗粒的棒；使所述棒玻璃化；以及使所述棒收拢，其中，所述棒构成用于形成光纤的中央纤芯(11)的所述预制件组成部分(200)。
24.根据权利要求23所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，经由溶胶-凝胶工艺来制造所述棒。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，用于制造所述多个毛细管(100)的步骤(36)包括以下步骤在管(110)的内表面上产生沉积物(20)，其中，所述沉积物具有管状；提取该管状的沉积物(22);以及从该管状的沉积物拉制所述毛细管(100) (24)。
26.根据权利要求16至24中任一项所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，用于制造所述多个毛细管(100)的步骤(36)包括以下步骤在管(110)的内表面上产生沉积物(20)，其中，所述沉积物具有管状；以及从内表面上具有所述沉积物的所述管(110)拉制所述毛细管(100) (24)。
27.根据权利要求25或26所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，经由等离子化学气相沉积即PCVD技术来执行用于产生所述沉积物的步骤(20)。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，所述预制件组成部分(200)内的所述纳米颗粒的浓度在IOlfVcm3 IO1Vcm3的范围内。
29.根据权利要求16至28中任一项所述的光纤初级预制件制造方法，其特征在于，所述纳米颗粒基本上为球状，并且所述纳米颗粒的直径在5nm 25nm的范围内。
全文摘要
本发明涉及光纤、光学放大器、光纤激光器和光纤初级预制件制造方法，公开了一种掺杂有稀土的辐射不敏感光纤，其从中心到外周依次包括中央纤芯(11)，用于传输和放大光信号，其中，所述中央纤芯(11)包括包含纳米颗粒的纤芯基质，所述纳米颗粒由包含来自稀土族的掺杂物的纳米颗粒基质构成；包住所述中央纤芯(11)的光包层，用于限制所述中央纤芯(11)所传输的光信号，其中，所述光包层具有沿着所述光纤的长度延伸的多个孔(10)，所述孔(10)相互隔开一定的间距(Λ孔)；以及外包层。
文档编号G02F1/39GK102540326SQ201110390969
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者A·帕斯图雷特, D·博伊文, E·布罗夫, G·梅林 申请人:德拉克通信科技公司