一种L+与L+U波段有源石英光纤及其制备方法

本发明属于光纤，更具体的涉及一种l+与l+u波段的有源石英光纤及其制备方法。

背景技术：

1、随着信息化时代的到来，特别是以5g/6g通信技术、人工智能、物联网和云计算等为代表的大数据技术的飞速发展，高速大容量的数据传输需求飞速增长，对光纤通信系统的传输容量提出了更高的要求。相对于提高系统并行容量所带来的成本提升，直接拓宽系统传输带宽成为最有效的途径。目前，传统掺铒石英光纤的带宽被限制在c波段(1530-1565nm)，成为限制光纤通信系统传输容量的瓶颈，无法满足未来海量的数据传输需求。因此，需要研制新型的有源石英光纤，拓展l波段(1565-1625nm)的带宽，实现大容量且超远距离的光通信。

2、目前，l波段掺铒光纤的制备工艺取得了一定进展。例如抗辐照超宽带l-band掺铒光纤及其制备方法和应用(cn202210133289.9)，一种用于c波段和l波段同时放大的双芯掺铒光纤(cn202211415283.7)和一种超宽带增益掺铒光纤及其制备方法(cn201910757031.4)等专利，还有通过改进的化学气相沉积工艺mcvd结合溶液掺杂技术成功制备出er/yb/p共掺的磷硅酸盐光纤(opt.lett.46,5834-5837,2021)，er3+/ce3+共掺磷硅酸盐光纤(j.lightwave technol.39,5933-5938,2021)和er3+:yb3+共掺磷铝硅酸盐光纤(j.lightwave technol.20,1-7,2023)。但上述专利和期刊论文的放大带宽最多仅拓展至1625nm，未能实现更长波长(l+和l+u波段)的通信。因此，需要设计一种新型的有源石英光纤来实现l+和l+u波段带宽拓展。

3、本发明对一种bi/er/la/al共掺l波段或c+l波段石英光纤及制备方法(cn202010073619.0)做出改进，利用mcvd工艺和高温掺杂技术制备l+与l+u波段的有源石英光纤，可以精确控制掺杂离子浓度并实现更高浓度的掺杂，且光纤预制棒一次性成形，制得的光纤背景损耗低，可用于实现l+和l+u波段通信，成为未来解决石英光纤通信系统传输容量瓶颈的有效途径，在光纤放大和传感等方面具有巨大的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对传统掺铒石英光纤的带宽被限制在c波段的技术问题，提出一种l+与l+u波段的有源石英光纤及其制备方法，光纤中包含铋、锗、铒、镱、镧和铥等离子。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种l+和l+u波段有源石英光纤，包括纤芯和包层，包层是由石英疏松层构成，纤芯位于包层中心，纤芯中掺杂有铋、锗、铒、镱、镧和铥或铝中的两种或者多种离子。

4、纤芯直径为9.0±6.0μm，包层直径为125.0±25.0μm。

5、所述纤芯1的掺杂离子浓度高，其中铋离子浓度≥0.002at％，锗离子浓度≥5.0at％，铒离子浓度≥0.02at％，镱离子浓度≥0.2at％，镧离子浓度≥0.2at％，铥离子浓度≥0.05at％。

6、l+波段增益范围在1560～1630nm之间，l+u波段增益范围为1550～1680nm之间。

7、所述光纤在l波段存在两个发射宽峰，分别是位于1560nm附近的铒离子发射宽峰和1620±30nm范围内的铋锗相关的活性中心bac-ge宽峰，二者的活性中心存在重叠现象，通过激发泵浦同时激发两个活性中心，实现l+和l+u波段带宽拓展。

8、应用于保偏光纤、有源高阶光纤放大器和光纤激光器，包括一阶、二阶、三阶、四阶、五阶和六阶等光放大与不同阶的涡旋光放大及相应的高阶光纤激光器(阶数1-10)。

9、一种l+和l+u波段有源石英光纤的制备方法，纤芯是利用mcvd与高温掺杂技术精确控制掺杂离子浓度，实现高浓度有源离子掺杂；或者是mcvd、外部气相沉积ovd与溶液掺杂方法结合；或者是mcvd与原子层沉积技术ald结合进行掺杂。

10、具体步骤如下：

11、1)清洗石英基管，利用mcvd工艺向高纯度的石英基管通入高纯度的o2和sicl4，在高温条件下发生氧化反应并均匀沉积在石英基管上，形成一定厚度的sio2疏松层，制备出半透明的玻璃管；

12、2)利用高温掺杂系统设备，在高温状态下，通过超高纯的载气等将铋、铒、镱、镧或铥的前聚体材料输送至沉积有二氧化硅疏松层的反应基管内，然后混合高温加热使各种原料发生反应并交替沉积，获得具有一定掺杂浓度、均匀分散、适当配比的疏松层掺杂体系；

13、3)利用mcvd工艺沉积geo2，浓度控制在5.0at％以上，获得含有锗及其他掺杂离子的疏松层，并高温玻璃化处理；

14、4)经高温缩棒过程，获得光纤预制棒芯棒，并根据尺寸要求对预制棒进行套管至合适的尺寸，再将光纤预制棒放入光纤拉丝塔，在一定温度下将预制棒拉制成规定尺寸的光纤，获得所述l+与l+u波段的有源石英光纤。

15、高温加热到挥发温度150-350℃，超高纯的载气是指纯度大于99.999％的高纯氦气、高纯氩气或高纯氮气，铋的前聚体为bi(tmhd)3、bicl3或bibr3，铒的前聚体为er(tmhd)3，镱的前聚体为yb(tmhd)3，镧的前聚体为la(tmhd)3，和铥的前聚体为tm(tmhd)3。

16、本发明的技术原理：在掺铒石英光纤中掺杂稀土离子可以有效改善光纤的发光性能，在掺铒石英光纤中掺杂镧离子可以破坏硅氧稳定结构，并且包围在铒离子附近，有利于提高石英光纤中铒离子的掺杂浓度，降低浓度猝灭效应。铋和铒离子之间存在能量转移过程，可以有效提高铒离子的泵浦效率。除此之外，铋离子还易与其相关的基质材料形成铋相关的活性中心(bacs)，如bac-ge，可以进一步拓展掺铒光纤的带宽。铋离子可以抑制铒离子的上转换发光效应，从而增强铒离子在l波段的发射峰，并且铋和铒离子之间存在能量转移的过程，可以有效提高铒离子的泵浦吸收效率，从而对铒离子的发光特性起到促进作用。铋和锗离子可以形成bac-ge，在1600nm后形成宽峰，起到拓展l+和l+u波段带宽的作用。通过激光器泵浦有源光纤可以同时激发出铒离子和bac-ge两个活性中心，从而让铒离子为l波段短波长区域(1600nm前)提供增益，bac-ge放大l波段长波长区域(1600nm后)的信号，实现放大带宽的拓展。

17、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：

18、1、利用mcvd工艺和高温掺杂技术，可以精确控制铋锗铒镧铥等离子的掺杂浓度并实现更高浓度的掺杂，制得的光纤背景损耗低，获得性能优越的l+和l+u波段有源石英光纤，该l+与l+u波段的有源石英光纤具有离子掺杂浓度高、荧光强度强、高增益、带宽拓展、稳定性高、光纤结构简单和制备工艺易于产业化等特点，对于拓展光纤在低损耗通信窗口的带宽，打破当前通信容量瓶颈，提升光纤通信系统传输容量具有指导意义。

19、2、通过铋锗铒镧铥等离子掺杂，提高铒离子在1560nm附近的发光强度，并在1600nm后形成bac-ge宽峰，实现l+和l+u波段带宽拓展。

20、3、光纤结构简单、光纤制备过程可控、制备环节简单、制备成本低廉，易于产业化，可用于远距离光纤通信传输。