特种光纤和制备工艺技术文档格式.docx

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由于多模光纤存在着模式色散,使得其带宽变窄。

2.多组分玻璃光纤

多组分玻璃光纤是相对石英玻璃光纤来说的,它的基质是多组分玻璃。

目前,研究和应用较多的包括:

氧化物玻璃光纤、氟化物玻璃光纤、硫化物玻璃光纤以及新兴的氧氟化物玻璃光纤。

最早的玻璃激光输出是在硅酸盐玻璃光纤中实现的,但是硅酸盐玻璃光纤相对于石英玻璃光纤没有突出优点,且传输损耗比较大,所以一直没有得到实际的应用。

磷酸盐玻璃成纤性能好,对稀土离子溶解度高,基质声子能量高（约为1100cm-1可降低稀土的上转换效率,非常适合用作光纤激光器光纤以及高增益光纤放大器。

典型的EDFA中Er3+的浓度为300~500ppm,而磷酸盐玻璃光纤Er3+的掺杂浓度高达几十万ppm,高浓度能够有效吸收泵浦功率、提高其单位增益强度。

美国Kigre公司和NPPhotnics公司都有商业化的掺Er3+磷酸盐玻璃光纤放大器,其最大单位增益为5.4dB/cm,损耗小于0.1dB/cm。

国内华南理工大学自制的掺Er3+磷酸盐玻璃光纤单位增益到达了2.5dB/cm。

此外,磷酸盐玻璃光纤还可以掺杂Yb3+或Er3+用作光纤激光器。

重金属氧化物玻璃光纤声子具有声子能量小、红外透过范围广、稀土掺杂浓度高、非线性折射率高等优点,在光纤放大器、非线性光纤等方面得到了广泛研究与应用。

用于WDM系

统的掺铒光纤放大器（EDFA放大的C波段（1530~1565nm只覆盖了石英单模光纤低损耗窗口的一部分,能容纳的波长信道数大约只有40个（信道间隔100GHz,随着计算机网络及其它数据传输服务的飞速发展,EDFA已远远不能满足人们的需求。

采用碲酸盐玻璃基质的掺Er3+光纤或掺Tm3+光纤能使信号在C+L波段（1530~1610nm或S波段（1420~1520nm宽带区域实现有效的放大,从而大大光纤网络的数据传输容量。

2002年NTT公司将EDTFA用在L波段的放大,并利用TDFA和EDFA实现了在S+C+L三个波段之间1000个信道的WDM传输实验,经过117km传输后信噪比大于25dB（相对于误码率的数量级为10-12,实验表明是实际可行的。

目前,日本NTT已有商品化的用碲酸盐掺铒光纤做成的EDTFA模块出售,美国Thorlabs公司也有稀土掺杂碲酸盐玻璃光纤产品。

尽管EDTFA出现时间不是很长,但其实用化进程进展非常快。

如何提高其综合指标,实现高效增益放大,并能和现有的通讯网络实现稳定连接,是目前EDTFA的研究重点。

铋酸盐玻璃光纤具有较高的非线性折射率,化学稳定性也较碲酸盐玻璃和氟化物玻璃光纤好,并且成本低。

作为非线性玻璃光纤得到了广泛研究,另外它也可作为Er3+掺杂光纤放大器基质材料。

2002年K.Kikuchi等人首次提出了无掺杂的铋酸盐玻璃光纤用于全光网络信号处理可能性,制备了Bi2O3-SiO2基质的玻璃光纤,测得其在1550nm的非线性系数为64W-1Km-1。

2004年,T.Nagashima等制备了1550nm处非线性系数高达1360W-1Km-1的铋酸盐玻璃光纤,是石英光纤的300倍这也是迄今为止报道的最大非线性系数。

2004年英国Southampton大学光电子中心报道了一种铋酸盐玻璃基质的光子晶体光纤,测定其在1550nm处的非线性系数为1100W-1Km-1,理论计算表明芯径在0.8μm时其最大非线性系数可到达2200W-1Km-1。

尽管铋酸盐玻璃光纤是目前非线性系数最高的非线性光纤,但其较大熔接损耗和色散在一定程度上限制了其在实际方面的应用。

Er3+掺杂铋酸盐玻璃光纤特点是能在C+L波段同时工作,掺铒铋酸盐光纤的研究代表单位为日本旭硝子（Asahi公司,2001年他们报道了掺铒铋酸盐玻璃光纤的增益放大实验结果,同时在C波段和L波段实现了较大的增益结果。

氟化物玻璃光纤具有较宽的红外透过范围和较低的声子能量（大约为400cm-1,既可以用于红外光的传输又可用于光纤放大器和光纤激光器。

以ZrF4-BaF2、HfF4-BaF2两系统为基体材料的氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤,其最低损耗在2.5μm附近为1×

10-3dB/km,对于开辟超长波长的通信窗口具有深远的意义。

氟化物玻璃光纤放大器的研究主要集中在掺Tm3+光纤放大器（TDFA和掺Pr3+光纤放大器（PDFA,到目前为止TDFA基本上都是以氟化物为玻璃基质的,它声子能量低（~400cm-1,无辐射衰减几率低。

铥离子的上能级3H4寿命长,可实现高的功率转换效率（48%,增益一般为20~30dB。

其它低声子能量的玻璃基质（如碲酸盐玻璃、硫系玻璃等也可以实现1.48m荧光输出,但是迄今为止,只有在掺铥氟化物光纤中才实现了增益放大的结果。

掺铥ZBLAN氟化物玻璃光纤是现今TDFA广泛使用的增益介质材料。

Pr3+1G4和3H5间的跃迁能在1300nm为中心的很宽的窗口内提供增益,它是一种准四能级系统。

由于Pr3+离子1G4能级与下一能级1F4能量间隔较小,所以只有在低声子能量的玻璃中才能实现1300nm的荧光输出,掺Pr3+ZBLAN玻璃光纤曾被认为是最有可能用作第二通信窗口的光纤放大器增益介质,但是由于其量子效率低导致增益系数提高不上去,严重影响了它的应用。

作为光纤激光器用玻璃光纤,研究最多的就是氟化物玻璃,这是因为它的声子能量低可降低激活离子的无辐射跃迁几率,特别是对于上转换光纤激光器,只有在低声子能量的基质中才能够实现上转换发光。

用氟锆酸盐玻璃光纤研制出的光纤激光器的输出波长范围已经覆盖了从紫外到中红外的广大光区。

如1994年Funk等人采用掺Nd3+的氟锆酸盐玻璃光纤中的上转换输出了381nm的紫外激光,这在纤维、印刷、和医疗技术等方面有重要应用。

1995年Xie等人在掺Pr3+的氟锆酸盐玻璃光纤中利用上转换输出了491,520,615和635nm的篮、绿和红色激光,这在全光显示,激光医疗和数据存储方面有重要应用。

在中红外光区,掺Er3+ZBLAN光纤激光器,用LD激发可以输出波长为2.7μm的激光,可用

于激光医疗。

1992年,Tobben在掺Er3+的ZBLAN玻璃光纤中输出了波长为3.5μm的激光,可用于环境检测等方面。

国内,胡和方等在掺Nd3+ZBLAN玻璃光纤中实现了1.05μm激光的连续输出,输出功率为11mW,斜率效率20%。

此外,Er3+、Tm3+以及Ho3+的上转换发光都在氟化物玻璃中被观察到,并进行了系统研究。

和氟化物晶体一样,氟化物玻璃化学稳定性和成玻璃性能差,制备条件苛刻,原料成本高,这些缺点阻碍了氟化物玻璃光纤的应用。

硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域（1.2-12μm,而且硫化物玻璃光纤具有较宽的光学间隙,自由电子跃迁造成的能量吸收较少,而且温度对损耗的影响较小,其损耗水平在6μm波长处为0.2dB/km,是红外光传输的理想介质。

而且,硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数,用它制作的非线性器件,可以有效地提高光开关的速率,开关速率可以达到数百Gb/s以上。

目前以As-S为基质的硫化物玻璃光纤已经商品化应用,其红外光传输范围1.5~6.0μm,最大损耗小于1dB/m,最小损耗0.1dB/m。

硫化物玻璃光纤主要用作个光被动传输介质,关于硫化物玻璃光纤放大器或激光器的研究报道较少,2000年美国马萨诸塞理工大学的R.S.Quimby等人报道了掺谱硫系光纤构成的PDFA,对比研究了单波长（1030nm和双波长（1030nm和1270nm下泵浦掺镨硫系光纤的放大试验,发现了双波长泵浦条件下转换效率为35%,而单波长泵浦下只有15%。

硫系玻璃具有很低的声子能量（350cm-1和相当大的折射率,掺杂稀土离子可获得更低的无辐射驰豫速率和更大的受激发射截面,但硫化物玻璃光纤存在着稳定性差、流变性差制备困难等缺点。

为了解决氟化物玻璃较差的化学稳定性和较低机械强度的问题,国内外的研究机构不断改进其物化等性质,同时也开展了发掘新的上转换发光玻璃材料的研究工作。

最近,稀土离子掺杂氧氟微晶玻璃的研究引起了人们的注意,氧氟化物微晶玻璃作为一种新型材料兼具氟化物与氧化物的优点,氧化物作为玻璃基质物化性质稳定、机械强度高,氟化物作为纳米晶相析出并富集了稀土掺杂离子,使得稀土发光离子所处局域环境的声子能量很低,上转换发光效率显著提高。

1993年,WangY和Ohwaki首次报道了单掺Er3+和双掺Er3+/Yb3+的氧氟微晶玻璃,在970nm半导体激光抽运下,其上转换发光强度与氟化物玻璃相比提高了近100倍,红光和绿光上转换发光效率分别增强了2倍和10倍,而且具有了更稳定的化学、机械性能,有比氧化物玻璃或晶体更高的激光损伤阈值。

在氧氟微晶玻璃的制备过程中,稀土离子优先富集在微晶中,这种氟化物微晶的尺寸大约为20nm,它的形成对玻璃的透过率没有损失,与氧氟化物玻璃基质一样,仅是紫外波段吸收带边略有红移。

TickP.A对掺Pr3+氧氟微晶玻璃的发光特性研究表明,同ZBLAN玻璃相比,Pr3+离子的荧光寿命变长,量子效率提高,而且玻璃中的纳米尺寸的微晶所产生的散射损失也极小。

近来对稀土掺杂氧氟微晶玻璃上转换发光的研究呈渐多之势,无论是基质玻璃种类还是掺杂稀土离子的种类研究的越来越丰富,对氟化物微晶相的析晶行为以及稀土离子的上转换发光机理也有了一定的研究和认识。

但是至今还未见有上转换发光氧氟微晶玻璃光纤的报道,康宁公司B.N.Samson等制备出了Nd3+掺杂的氧氟微晶玻璃光纤,并研究了其在激光光谱及放大性能,后来他们还制备了Tm3+、Pr3+等掺杂的氧氟微晶玻璃光纤,没有报道它们的上转换发光特性。

所以关于上转换发光光纤激光器用氧氟微晶玻璃光纤的研究,还有很多工作等待人们去做。

3.多组分玻璃光纤预制棒制备

多组分玻璃光纤的应用前景已被人们所广泛确认,而对基质材料的研究也越来越深入,但要真正大规模实用化,还需解决玻璃光纤预制棒制备和光纤拉丝技术等方面的一些难点和重点。

多组分玻璃光纤预制棒制备和光纤拉丝技术与石英光纤有许多相似之处,但也有很多重要的不同之处。

随着通信光纤的迅猛发展,石英光纤预制棒的制备技术已经比较成熟,其制备技术主要采用化学气相沉积法:

改良化学气相沉积法（MCVD,ModifiedChemicalVapourDepositionMethod、气相轴向沉积法（VAD,VapourAxialDepositionMethod、外部气相沉积法（OVD,OutsideVapourDepositionMethod和等离子化学气相沉积法（PCVD,PlasmaChemicalVapourDeposition等,目前应用较广的是MCVD和VAD法。

此外也发展了一些其它制备方法,如

溶胶-凝胶法等。

与石英光纤不同,多组分玻璃光纤预制棒很难使用化学气相沉积法制备,其制备过程一般需要先制备基质玻璃,然后再采用各种工艺方法制备预制棒。

目前使用较多的方法有管棒法、浇注法以及挤压法等。

3.1管棒法（rod-in-tube

管棒法是制备多组分玻璃光纤预制棒最为常见的方法之一,具体做法是将纤芯玻璃和包层玻璃分别按一定尺寸要求经切割、研磨、抛光等工艺制成纤芯棒和包层套管,并将芯棒插入包层玻璃管中即得到预制棒,其中包层套管的内径和纤芯玻璃棒的直径匹配误差在0.1mm以内,其加工过程简述如图1。

管棒法制备玻璃预制棒的优点是纤芯和包层的直径比例容易控制,工艺原理和加工设备相对比较简单,采用一般的机械加工设备经适当改造后即可。

管棒法制备预制棒也存在一些缺点:

一是当基质玻璃的机械加工性能较差时会增加工艺难度,如加工时玻璃产生裂纹甚至出现断裂、破损等现象;

二是受机械加工条件的限制,包层套管中心孔和芯棒直径有一定限制,若太小则大大增加钻孔、抛光的难度。

因此采用管棒法制备的预制棒很难一次成功拉制单模光纤,一般需要两次或多次拉丝,这使得单模光纤的制备工艺过程相当复杂;

三是在预制棒制备过程中纤芯和包层玻璃易受外界污染,两者界面结合程度也受多种外界因素的影响,如表面洁净度和光洁度等。

因此,在采用管棒法制备预制棒时,首先必须制备高质量的基质

玻璃,消除玻璃中的气泡和条纹,并确保没有裂纹。

此外为了尽量减少光纤附加损耗,芯棒

玻璃切割与抛光

（3玻璃精密退火

（2浇注玻璃液至模具中

高温熔制玻璃

（1块状纤芯玻璃

（2精密加工得到纤芯棒

（3块状包层玻璃

（4加工包层管

（5将纤芯棒插入包层管组

合得到的光纤预制棒

a.块状玻璃制备过程

b.制得的块状玻璃

c.预制棒加工过程

d.管棒法制得的预制棒

图1管棒法制备预制棒过程

和包层套管的机械加工质量要求很高,否则将严重影响光纤的波导结构,使光纤附加损耗增大。

林达愿等曾通过片状玻璃模拟光纤拉丝情况并采用正交试验法设计实验,研究了掺稀土磷酸盐玻璃光纤纤芯与包层界面在不同加工质量时的微观缺陷,结果表明如果包层和纤芯玻璃表面只经过粗磨或细磨处理,在两者界面存在很多空洞,如图2（a、（b所示。

这些空洞在拉丝后不但成为波导结构缺陷,引起光纤损耗增加,而且会降低光纤的机械强度。

当包层和纤芯玻璃经过严格抛光后,则可在很大程度上改善纤芯和包层的界面结合状态,从而可完善光纤的波导结构,如图2（c所示。

实际上,经过粗磨或细磨的玻璃表面虽然表观上比较光滑,然而在显微镜下却显得凹凸不平,如图3所示。

当纤芯和包层接触时,由于玻璃表面不平整,其实际接触面只限于表面很小的凸出部分。

由于在拉丝时玻璃的粘度仍相对较大（~105Pa·

S,表面空位滑移和攀移较难,导致气孔排除困难。

从能量的观点来看,由于表面空位从分散状态成为凝聚态时使自由能降低,致使空位往往凝聚在一起,进一步聚集会形成微观孔。

因此玻璃表面只经过粗磨处理的纤芯和包层之间的界面缺陷最多,而相比之下抛光后的玻璃表面最为平整,拉丝后光纤芯包界面存在的缺陷也最少。

另外在拉丝温度时,纤芯和包层玻璃中粘度较大的其表面空位滑移相对更为困难,其表面气孔的排除也相应较难,因此其表面的加工质量要求更高。

采用管棒法在制备一些特殊形状的光纤预制棒时还有相当大的优势,如异型结构光纤、偏心光纤以及其它微结构光纤。

如华南理工大学光通信材料研究所采用管棒法制作预制棒成功拉制出异型包层光纤和偏心光纤,如图4和5所示。

3.2浇注法（build-incasting

浇注法是指将熔融的包层玻璃浇入预热至玻璃转变温度附近的圆筒模具中,经短暂时间后倒置模具以让模具中心部位熔体流出形成中心孔,再将熔融的纤芯玻璃浇入中心孔部位,经退火冷却后得到具有纤芯-包层结构的预制棒。

采用浇注法需事先使包层玻璃和纤芯玻璃都处于熔融状态,其最大的优点是光纤预制棒的纤芯与包层界面不与外界接触,从而避免被污染的情况;

同时玻璃熔体在下降过程中,对包层内壁起到了抛光的效果,所以纤芯与包层

界面的结合程度非常好。

但是采用浇注法时中心孔的直径较难控制:

如果倒入包层玻璃后间

a.粗磨-粗磨界面状态

b.细磨-细磨界面状态

图2不同加工质量纤芯-

包层的界面状态（500×

c.抛光-抛光界面状态

a.粗磨玻璃表面状态

b.细磨玻璃表面状态图3不同光学加工质量的玻璃表面状态（500×

c.抛光玻璃表面状态

图4异型包层光纤端面

图5偏心光纤端面

隔时间太长则可能无法倒出包层玻璃而不能形成中心孔;

而如果间隔时间太短则孔的直径可能过大。

因此必须通过多次实验确定温度、时间等参数才有可能得到较理想的预制棒,并且在浇注时需注意不能形成气泡和条纹。

此外在包层管的浇注过程中,由于粘度随温度下降而增加很快,中心孔的形状和大小在长度方向很难均匀,而在制备一些特殊结构的光纤预制棒时浇注法显然表现出灵活性不够的缺点。

传统浇注法很难制备尺寸较大的预制棒,并且纤芯直径大小、均匀程度也较难控制,因此通过模具和工艺上的改进对浇注法作了进一步的完善。

上海光机所张军杰等给出了一种改进方法,主要是在圆筒模具顶端加了一个呈漏斗状的顶模,其过程主要分为三步:

（1将熔融包层玻璃液缓慢地倒入已预热至玻璃Tg温度附近的不锈钢筒模中,要求倒至近满,如图6（a所示;

（2快速从电炉中取出已处于熔融状态的芯料玻璃并倒入顶模,使其覆盖包层玻璃液一定高度,此时先倒入的包层玻璃液在筒模内壁粘附并固化形成有一定厚度的套管,如图6（b所示;

（3倒完芯料玻璃液后,将筒模垂直而平稳地提起,如图6（c所示。

此时筒模中心未

凝固的包层玻璃液下漏,同时吸引顶模中的芯料玻璃熔体注入筒模中心。

这样,芯料玻璃与

筒模内壁上的包层玻璃就构成具有纤芯-包

层结构的光纤预制棒,如图6（d所示。

采

用这种方法同样在浇注过程中必须精确控制

时间,特别是倒完玻璃料后与提模之间的时间

间隔,否则不能得到符合要求的预制棒:

间隔

时间太短会发生包层玻璃液下漏速度过快过

多而吸带芯料玻璃液跟随下流过多,这样得到

的预制棒中纤芯直径可能过大;

如果提模过慢

则筒模中包层玻璃液中心也发生固化,从而使玻璃液已无法再流出。

另一种模具改造的方法是在底板上钻一

中心孔,包层中心熔体在筒模底部流入底板中心孔中而得到具有纤芯-包层结构的预制棒,其过程如图7所示:

将精确控制体积的包层玻璃熔体倒入预热的模具中,模具底部放在带有

图6改良浇注法制备光纤预制棒的工艺示意图一

（a（b（c（d

图7改良浇注法制备光纤预制棒的工艺示意图二

浇注包层玻璃浇注纤芯

玻璃

中心孔的底板上。

在包层玻璃熔体中心部分硬化之前将纤芯玻璃熔体倒在包层玻璃液上方,并将模具横向平移至底板中间带孔的位置。

此时,未硬化的包层玻璃熔体流入底板中心孔中,并将纤芯玻璃液引入至包层中心部位,从而形成具有包层-纤芯的预制棒结构。

在浇注法的基础上,还形成了其它方式的预制棒制备技术,如吸注法、旋转浇注法等,这些方法在制备预制棒时均有其优点。

吸注法

使用的圆筒模具底部有特殊设计的蓄液槽,其具体制备过程为:

将包层玻璃熔体倒入模具

中,并在其完全固化前将纤芯玻璃熔体倒入。

由于玻璃熔体冷却过程中会发生体积收缩,因

此当蓄液槽中的包层玻璃冷却发生体积收缩

时,在包层玻璃中心沿长度方向形成圆柱状小

孔,并产生对纤芯玻璃熔体的吸力从而形成纤

芯-包层结构,如图8所示。

采用这种方法可

制备包层/纤芯直径比例相当大的预制棒,并

可通过选择模具底部蓄液空间的体积以及模

具直径精确控制包层/纤芯直径比例和预制棒

长度。

但是在预制棒中也存在纤芯直径成锥形

的现象,且在制备各种包层/纤芯直径比例

的预制棒时显得灵活性不够,即需制备多

种规格的模具。

旋转浇注法也称离心浇注法,是在传

统制备玻璃管的基础上发展而来的,采用

这种方法得到的预制棒在横向和纵向均有

极好的均匀性,其过程如图9所示:

先将

包层玻璃熔体倒入预热的模具中,然后将

模具回转到水平状态并以大于3000rpm的

转速旋转,利用离心作用使熔体均匀附着在模具内表面并在中心形成管状空间,然

后将纤芯玻璃熔体倒入包层管中并将整个模具退火冷却后即可得到预制棒。

采用旋转浇注法制备的预制棒纤芯和包层的同心度非常高,并且包层中心孔大小可通过注入包层玻璃的体积精确控制,从而可制备包层/纤芯直径比例不同的玻璃预制棒。

采用浇注制备预制棒时,一般是将带有玻璃熔体的模具一起放入已加热的退火炉中进行精确退火,因此要求有一定的退火程序,并且降温速率相对较慢,否则模具内的玻璃棒、管会发生粘模和碎裂。

由于所用模具内表面并非完全光洁,从而会污染玻璃预制棒表面,使表面比较粗糙或粘附有尘粒。

在拉制光纤的过程中,这些缺陷会诱导光纤出现微晶、裂纹、气泡或包裹体等,使光纤的损耗增大、机械强度降低,因此需对退火后的预制棒表面进行抛光和清洗。

3.3热粘结法（hot-jointing

利用管棒法与浇注法相结合,发展了热粘结技术制备单模光纤光纤预制棒,制备过程包括三个步骤:

芯棒制备、半圆柱包层浇注和热粘结浇注,如图10所示。

具体制备过程如下:

首先制备符合单模光纤预制棒直径要求的芯棒,可采用机械加工的方法或采用如图11所示的模具浇注,如果制得芯棒的直径较大,还需在拉丝塔中按具体尺寸要求延伸拉细;

再将熔制好的包层玻璃浇注在带有特殊设计盖板的半圆柱型模具中,得到中心带有凹槽的半圆柱型包层玻璃;

将芯棒和半圆柱的包层组合后放入模具中,并加热到玻璃Tg温度保温1

小时,然后

图9旋转浇注法制备预制棒过程

图8吸注法制备预制棒过程示意图浇注包层玻璃浇注纤芯玻璃

再次将熔融的包层玻璃缓慢浇入模具中,如图12所示。

在浇注过程中,为避免熔体流入时带入气泡,应使坩埚口与模具成45度角。

随着浇入熔体的冷却,包层玻璃与纤芯棒可紧密粘结,退火后即可得到预制棒,图13所示的是采用这种方法得到的碲酸盐玻璃光纤预制棒端面图。

3.4挤压法（extrusion

采用挤压法制备预制棒是在高粘度（108~109P下操作,并且相对于前几种制备方法来说其操作温度要低很多,因此这种工艺对于易析晶和高挥发的玻璃系统具有相当大的优势。

其制备方法为:

首先制备高质量的纤芯和包层玻璃块,然后将清洗后的玻璃放入压机圆筒中并在干燥气氛中加热到变形温度,再在50bars

的压力下挤出成形即可,如图14所示。

由于

这种成形技术得到的纤芯直径比较大,因此不

能直接应用于制备单模光纤预制棒。

在需制备

直径较小并且均匀的纤芯结构时可考虑加上包层外套管的方法,而外套管的制备可采用旋

转浇注法制备。

采用挤压法也可单独