掺铒多芯宽带放大光纤的制作方法

1.本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种掺铒多芯宽带放大光纤。


背景技术：

2.从古代的烽火狼烟产生光信号来进行信息传递，到电话、电报，再到现在连接全球的因特网，通信技术经历了从低频到高频再到微波进而到光频的进化过程。光纤通信技术的出现和发展是电信史上的一次重大变革。目前，世界上超过80％的信息都是通过光纤来传输的，而未来的通信技术更是建立在光纤通信技术上的。但是随着物联网、大数据、云计算等技术的发展，信息领域对通信系统容量的需求越来越大，这对光纤传输系统提出了更高的要求，采用传统的单芯光纤在传输容量上已经远远不能满足目前信息传输容量的需求，为了进一步提升单根光纤的传输容量，人们开始考虑将单芯光纤变为单根多芯光纤，即在共同的包层中存在着多个纤芯，使得原本的单芯光纤由一条信息通道拓展为多条，大大增加了光纤的密集度分布，提高了单根光纤的传输容量。因此，多芯光纤网络被作为突破目前传统光网络传输容量极限的新技术而备受关注。
3.1979年，s.inao等首次提出多芯光纤的概念，1994年7月法国电信公司提出了多芯单模光纤概念，并与阿尔法特公司进行了4芯单模光纤的设计研究与开发，用实验制造的100多公里多芯光纤与普通单芯光纤的情况做对比，结果表明多芯光纤密集度得到了极大的提高。2017年，烽火科技基于单模七芯光纤搭建了空分复用及波分复用技术的光网络实现了超高速、超长距离及超大容量光信息传输。
4.在现有的用于宽带放大的多芯掺铒光纤中，由于传统石英光纤掺铒后增益带宽的仅为35nm-40nm，故而导致用于传输系统中的多芯光纤单根单芯的传输容量受到了限制，要想将增益带宽进一步得到拓展，提高光通信的传输容量，可通过提高光纤的稀土离子的掺杂浓度，如提高掺铒离子掺杂浓度来增强光纤的增益能力，进而获得较宽的3db带宽，但是，采用提高掺铒离子掺杂浓度来增强光纤的增益能力，在实际应用中仍存在较多问题，例如铒离子的掺杂过高会导致铒离子的浓度猝灭，反而会降低光纤的增益；再如中国授权专利(授权号为cn 111517637 b)公布了一种掺稀土多芯光纤、光纤预制棒及其制备方法和应用，但是该方法为气相沉积法，该方法生产效率低、均一性差、难进行高浓度掺杂，最终该产品的成本升高、稳定性差。
5.有鉴于此，实有必要开发一种既能提高光纤中稀土离子掺杂浓度又能使稀土离子在高浓度掺杂时不发生团簇且有较宽增益带宽的多芯光纤。


技术实现要素：

6.本发明的实施例提供一种掺铒多芯宽带放大光纤，其既能提高光纤中稀土离子掺杂浓度又能使稀土离子在高浓度掺杂时不发生团簇且有较宽增益带宽，从而在本就有较高密集度分布的多芯光纤基础上，使多芯光纤单通道的通信容量能够进一步拓展，从而使得光纤传输系统的传输容量大大提高。
7.为了解决上述技术问题，本发明的实施例公开了如下技术方案：
8.提供了一种掺铒多芯宽带放大光纤，包括：
9.信号芯；以及
10.从内至外依次包覆于所述信号芯的周向外侧的包层及涂覆层；
11.其中，所述信号芯包括一中心芯以及六根周围芯，六根所述周围芯围绕所述中心芯布置并形成正六边形结构，每根所述周围芯位于正六边形结构的相应一个顶点，所述中心芯位于正六边形结构的中心，以使得：两两所述周围芯间的距离不小于10μm；每根所述周围芯与所述中心芯间的距离不小于10μm。
12.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述信号芯的基质材料为掺杂有稀土离子和共掺物的石英玻璃。
13.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述稀土离子为铒、铥、钬离子中的至少一种，其中，所述稀土离子均匀分布在所述中心芯及周围芯的内壁。
14.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述共掺物为铝和磷中的至少一种。
15.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述信号芯中的六根所述周围芯的稀土离子掺杂种类及掺杂浓度均相同；所述中心芯的稀土离子掺杂浓度至少为所述周围芯的稀土离子掺杂浓度的2～3倍。
16.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述中心芯的铒离子掺杂浓度为2200～4600ppm。
17.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述周围芯的铒离子掺杂浓度为1000～2200ppm。
18.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于其既能提高光纤中稀土离子掺杂浓度又能使稀土离子在高浓度掺杂时不发生团簇且有较宽增益带宽，从而在本就有较高密集度分布的多芯光纤基础上，使多芯光纤单通道的通信容量能够进一步拓展，从而使得光纤传输系统的传输容量大大提高。
附图说明
19.下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
20.图1为本发明实施例提供的多芯光纤的截面示意图，图中示出了多芯光纤的各主要组成部分；
21.图2为本发明实施例1提供的多芯光纤的荧光光谱图；
22.图3为本发明实施例2提供的多芯光纤的荧光光谱图；
23.图4为本发明实施例3提供的多芯光纤的荧光光谱图；
24.图中各附图标记如下：
25.1、多芯光纤；
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11、信号芯；
26.12、包层；
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13、涂覆层；
27.116、中心芯；
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112、周围芯。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.实施例1
30.请参见图1所示，图1所示为本发明实施例所提供的掺铒多芯宽带放大光纤1的截面示意图，图中示出了多芯光纤的各主要组成部分。本实施例提供的掺铒多芯宽带放大光纤1为了在提高光纤中稀土离子掺杂浓度的同时，又能使稀土离子在高浓度掺杂时不发生团簇且有较宽增益带宽。
31.本实施例提供的掺铒多芯宽带放大光纤1包括：
32.信号芯11；以及
33.从内至外依次包覆于所述信号芯11的周向外侧的包层12及涂覆层13；
34.其中，所述信号芯11包括一中心芯116以及六根周围芯112，六根所述周围芯112围绕所述中心芯116布置并形成正六边形结构，每根所述周围芯112位于正六边形结构的相应一个顶点，所述中心芯116位于正六边形结构的中心，以使得：两两所述周围芯112间的距离不小于10μm；每根所述周围芯112与所述中心芯116间的距离不小于10μm。
35.具体地，在本实施方式中，多芯光纤1的直径为130μm，包层12由纯石英制成，且包层12的中心区域开设有7个直径为8μm的空气孔，各空气孔的结点间距为10μm；7个空气孔中的其中一个为中心孔，其余六个为周围孔，六个周围孔围绕一个中心孔布置并形成正六边形结构，每个周围孔位于正六边形结构的相应一个顶点，中心孔位于正六边形结构的中心处，在本实施方式中，中心孔构成所述中心芯116，周围孔构成所述周围芯112。
36.作为进一步改进，所述信号芯11的基质材料为掺杂有稀土离子和共掺物的石英玻璃，该石英玻璃具有微孔结构，更具体地，该微孔结构为空间联通的纳米孔道，该微孔结构有利于进行离子和分子等温的吸附，其中，纳米孔道的平均尺寸为10～50nm在优选的实施方式中，所述稀土离子为铒、铥、钬离子中的至少一种，其中，所述稀土离子均匀分布在所述中心芯116及周围芯112的内壁。或者，只要稀土离子能发挥本文所述功能，可以是任何稀土离子。共掺物在周围芯112中共掺，共掺物为铒、镱、磷、铝中的至少两种。
37.在其他实施方式中，在周围孔中填充设计配比的共掺石英玻璃即形成布置于周围孔中的所述周围芯112，同理，在中心孔中填充设计配比的共掺石英玻璃即形成布置于中心孔中的所述中心芯116。在本实施例中，中心芯116的基质为铒、铝共掺石英玻璃，其中，铒离子的有效掺杂浓度为3500ppm；六个周围芯112的基质也是铒、铝共掺石英玻璃，其中，铒离子的有效掺杂浓度为1500ppm；中心芯116及周围芯112的光放大带宽均为49nm。
38.实施例2
39.请参见图1所示，图1所示为本发明实施例所提供的掺铒多芯宽带放大光纤1的截面示意图，图中示出了多芯光纤的各主要组成部分。本实施例提供的掺铒多芯宽带放大光纤1为了在提高光纤中稀土离子掺杂浓度的同时，又能使稀土离子在高浓度掺杂时不发生团簇且有较宽增益带宽。
40.本实施例提供的掺铒多芯宽带放大光纤1包括：
41.信号芯11；以及
42.从内至外依次包覆于所述信号芯11的周向外侧的包层12及涂覆层13；
43.其中，所述信号芯11包括一中心芯116以及六根周围芯112，六根所述周围芯112围绕所述中心芯116布置并形成正六边形结构，每根所述周围芯112位于正六边形结构的相应一个顶点，所述中心芯116位于正六边形结构的中心，以使得：两两所述周围芯112间的距离不小于10μm；每根所述周围芯112与所述中心芯116间的距离不小于10μm。
44.具体地，在本实施方式中，多芯光纤1的直径为125μm，包层12由纯石英制成，且包层12的中心区域开设有7个直径为6μm的空气孔，各空气孔的结点间距为10μm；7个空气孔中的其中一个为中心孔，其余六个为周围孔，六个周围孔围绕一个中心孔布置并形成正六边形结构，每个周围孔位于正六边形结构的相应一个顶点，中心孔位于正六边形结构的中心处，在本实施方式中，中心孔构成所述中心芯116，周围孔构成所述周围芯112。
45.作为进一步改进，所述信号芯11的基质材料为掺杂有稀土离子和共掺物的石英玻璃，该石英玻璃具有微孔结构，更具体地，该微孔结构为空间联通的纳米孔道，该微孔结构有利于进行离子和分子等温的吸附，其中，纳米孔道的平均尺寸为10～50nm。在优选的实施方式中，所述稀土离子为铒、铥、钬离子中的至少一种，其中，所述稀土离子均匀分布在所述中心芯116及周围芯112的内壁。或者，只要稀土离子能发挥本文所述功能，可以是任何稀土离子。共掺物在周围芯112中共掺，共掺物为铒、镱、磷、铝中的至少两种。
46.在其他实施方式中，在周围孔中填充设计配比的共掺石英玻璃即形成布置于周围孔中的所述周围芯112，同理，在中心孔中填充设计配比的共掺石英玻璃即形成布置于中心孔中的所述中心芯116。在本实施例中，中心芯116的基质为铒、磷共掺石英玻璃，其中，铒离子的有效掺杂浓度为2200ppm；六个周围芯112的基质也是铒、磷共掺石英玻璃，其中，铒离子的有效掺杂浓度为1000ppm；中心芯116及周围芯112的光放大带宽均为72nm。
47.实施例3
48.请参见图1所示，图1所示为本发明实施例所提供的掺铒多芯宽带放大光纤1的截面示意图，图中示出了多芯光纤的各主要组成部分。本实施例提供的掺铒多芯宽带放大光纤1为了在提高光纤中稀土离子掺杂浓度的同时，又能使稀土离子在高浓度掺杂时不发生团簇且有较宽增益带宽。
49.本实施例提供的掺铒多芯宽带放大光纤1包括：
50.信号芯11；以及
51.从内至外依次包覆于所述信号芯11的周向外侧的包层12及涂覆层13；
52.其中，所述信号芯11包括一中心芯116以及六根周围芯112，六根所述周围芯112围绕所述中心芯116布置并形成正六边形结构，每根所述周围芯112位于正六边形结构的相应一个顶点，所述中心芯116位于正六边形结构的中心，以使得：两两所述周围芯112间的距离不小于10μm；每根所述周围芯112与所述中心芯116间的距离不小于10μm。
53.具体地，在本实施方式中，多芯光纤1的直径为300μm，包层12由纯石英制成，且包层12的中心区域开设有7个直径为20μm的空气孔，各空气孔的结点间距为15μm；7个空气孔中的其中一个为中心孔，其余六个为周围孔，六个周围孔围绕一个中心孔布置并形成正六边形结构，每个周围孔位于正六边形结构的相应一个顶点，中心孔位于正六边形结构的中心处，在本实施方式中，中心孔构成所述中心芯116，周围孔构成所述周围芯112。
54.作为进一步改进，所述信号芯11的基质材料为掺杂有稀土离子和共掺物的石英玻璃，该石英玻璃具有微孔结构，更具体地，该微孔结构为空间联通的纳米孔道，该微孔结构有利于进行离子和分子等温的吸附，其中，纳米孔道的平均尺寸为10～50nm。在优选的实施方式中，所述稀土离子为铒、铥、钬离子中的至少一种，其中，所述稀土离子均匀分布在所述中心芯116及周围芯112的内壁。或者，只要稀土离子能发挥本文所述功能，可以是任何稀土离子。共掺物在周围芯112中共掺，共掺物为铒、镱、磷、铝中的至少两种。
55.在其他实施方式中，在周围孔中填充设计配比的共掺石英玻璃即形成布置于周围孔中的所述周围芯112，同理，在中心孔中填充设计配比的共掺石英玻璃即形成布置于中心孔中的所述中心芯116。在本实施例中，中心芯116的基质为铒、铝、磷共掺石英玻璃，其中，铒离子的有效掺杂浓度为4600ppm；六个周围芯112的基质也是铒、铝、磷共掺石英玻璃，其中，铒离子的有效掺杂浓度为2200ppm；中心芯116及周围芯112的光放大带宽均为72nm。
56.对比例1
57.本对比例中心芯铒离子的有效掺杂浓度为1500ppm；周围芯的铒离子的有效掺杂浓度为800ppm；中心芯及周围芯的光放大带宽均为40nm，并且用气相沉积法进行掺杂，其他与实施例1完全一致。
58.性能测试：
59.以下对本发明3个实施例所提供的多芯光纤进行测试，测试方法为：泵浦源采用输出波长976nm的半导体激光器，将激光打入实施例1-3制备的稀土掺杂石英玻璃棒内，然后用perkin elmer lambda 750s光谱仪对1450nm到1650nm波段的相对增益进行测量。测试结果如表1所示：
60.表1实施例的参数表和测试结果表
[0061][0062]
分析表1的数据并结合图2至图4可知，本发明以掺铒石英玻璃为基质制作的掺铒多芯宽带放大光纤，与传统的纯石英掺铒信号芯相比，由于纯石英纤内部含有大量微孔去吸附稀土离子，有利于进行离子和分子等温吸附，吸附效果良好，掺杂离子能够均匀地分布在内壁上，所以不会产生浓度不均匀的聚集，因此不会在高浓度掺杂的情况下产生淬灭，同时，稀土离子浓度增高之后介质增加，即提高掺铒离子掺杂浓度来增强光纤的增益能力，进
而获得8db带宽增益介质增加，因而，本发明提供的掺铒石英玻璃信号芯具有高掺杂、高增益、高均匀性、宽带宽的优点，使得单根多芯光纤可传输光信号的波段得到拓展，最终可大大提高信息通信系统的传输容量。
[0063]
以上对本发明实施例所提供的一种掺铒多芯宽带放大光纤进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。