一种O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤，光纤由外向内依次包括包层、疏松层和纤芯，所述包层是由比纤芯折射率低的纯石英构成；疏松层是掺杂GeO2和P2O3的石英疏松层；纤芯中掺杂有铋,纤芯的外层掺杂氧化铋，内层掺杂GeO2和P2O

【技术实现步骤摘要】
一种O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤及制备方法

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[0001]本专利技术涉及一种基于原子层沉积技术的铋(Bi)掺杂石英光纤，属于光纤


技术介绍
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[0002]当前，互联网上数据传输的爆炸性增长，促进了在线多媒体应用、云计算等相关数据中心互连的更多使用和发展，全球对更高数据传输速率的需求不断增加，这意味着对现代光纤通信系统的容量需求不断增加。开发能够在目前使用的C、L波段(1530nm
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1625nm)之外工作的高效放大器，将提供额外带宽的容量。
[0003]目前，在O波段区域可用的大多数商用放大器是半导体光放大器(SOA)。然而，SOA由于其高噪声系数(NF)、快速动力学、极化灵敏度和非线性，一般不适合用于传输。因此近年来，铋(Bi)已成为一种很有前途的光纤放大器掺杂剂。根据核心组成(二氧化硅、硅酸铝、磷酸硅酸盐等)、结构和泵浦波长，BDFAs(Bi掺杂光纤放大器)可用于在O、E波段范围内提供增益。
[0004]原子层沉积(ALD)技术是一种化学气相沉积技术，它是将掺杂源的气相前驱体脉冲交替引入到加热反应器中，然后依次进行化学吸附过程沉积于基底表面，直至表面饱和时自动终止。其优点主要体现在：可以精确控制薄膜厚度(原子层尺度)；由于前驱体是饱和化学吸附，可保证生成保形、均匀、大面积的薄膜；可广泛适用于各种基质材料。
[0005]2015年，中国专利201510422447.2，提出了一种近红外发光铋掺杂多组分光纤，该专利技术采用管棒法制备光纤。实现了铋高浓度掺杂，但在制备过程中，通过将折射率更高的玻璃棒插入到较低折射率的玻璃管中并且加热连在一起，需要仔细处理防止出现气泡和干扰，光纤制备效率较低且均匀性等受到一定限制。此外，拉丝时需要严格的温度控制，否则会因为铋团聚、析出导致预制棒整体变黑,使得光纤失透,损耗高，发光减弱甚至淬灭。2019年，中国专利201910365061.0提出利用辐照与高温退火诱导铋相关掺杂有源光纤发光效率提高的方法。该方法有利于提高铋相关掺杂有源光纤的发光效率以及荧光寿命，但局限于光纤后处理的条件等设置，该方法的广泛应用受到了一定的限制。2020年，中国专利202010073619.0提出基于高温掺杂改进化学气相沉积(MCVD)和ALD或液相掺杂工艺、高温蒸发掺杂工艺、外部气相沉积工艺结合制备Bi/Er/La/Al共掺石英光纤，该光纤在1530～1625nm范围内表现出宽带荧光，可用于C+L波段超宽谱光源或可调谐激光器。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中光纤的放大波段范围较小的问题，根据原子层沉积技术的优势，将氧化铋纳米材料与光纤制备相结合，提供一种基于原子层沉积技术的铋(Bi)掺杂石英光纤的方法。该光纤具有增益谱宽、放大效率高、结构简单、易于产业化生产等特点，可用于制作激光器、光放大器、传感器、宽带光源等。
[0007]本专利技术的技术原理：
[0008]与稀土(RE)离子相比，光学活性的4f电子被最外层的5s和5p电子屏蔽在环境中，BAC(Bi相关活性中心)中的光学跃迁与铋原子或离子的非屏蔽外电子壳有关。因此，跃迁的波长和能级的结构在很大程度上取决于主玻璃的基体。通过改变主玻璃的组成可以改变铋(Bi)掺杂玻璃的发光波长范围和光学放大范围。这大大改善了铒掺杂光纤增益波长的局限性。此外，相较于通过管棒法、后处理等方式制备O波段铋掺杂光纤，ALD工艺可以精确控制薄膜厚度，保证生成均匀、大面积的薄膜，解决了此前光纤制备效率低且不均匀的问题。同时，根据调查显示，BAC
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P(铋
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磷活性中心)位于O波段中心位置，1300nm处，对铋掺杂光纤在O波段的发光起着至关重要的作用。而Ge掺杂对铋掺杂光纤长波长处的荧光及增益也大有益处。因此，本专利技术提出，在铋掺杂光纤中增加P、Ge元素的掺杂，以进一步增强掺铋光纤在O、E波段的荧光效率，为O、E波段放大器的搭建奠定重要的基础。
[0009]本专利技术采用下述技术方案：
[0010]一种O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤，光纤由外向内依次包括包层、疏松层和纤芯，所述包层是由比纤芯折射率低的纯石英构成；疏松层是掺杂GeO2和P2O3的石英疏松层；纤芯中掺杂有铋。
[0011]纤芯的外层掺杂氧化铋，内层掺杂GeO2和P2O3。
[0012]纤芯直径、包层直径范围分别为d
core
＝Φ8～10μm，d
cladding
＝Φ120～125μm
[0013]掺杂的氧化硅、氧化磷与氧化锗材料的摩尔浓度为0.1mol％
‑
15mol％
[0014]Bi离子浓度范围控制在0.01
‑
1.5mol％；P离子浓度范围控制在0.5
‑
15.0mol％；Ge离子浓度范围控制在0.1
‑
5.0mol％。
[0015]首先在基管内壁沉积GeO2和P2O3，然后沉积氧化铋，氧化铋沉积完毕后再次沉积GeO2和P2O3，最后缩棒拉丝成型。
[0016]利用原子层沉积技术掺杂氧化铋材料，其特征在于所述前驱体，铋源前驱体为Bis(2,2,6,6
‑
tetra
‑
methyl
‑
3,5
‑
heptanedionato)Bismuth(III)(Bi(tmhd)3)，三(2,2,6,6
‑
四甲基
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3,5
‑
庚二酮酸)铋(III)或(2,2,6,6
‑
四甲基
‑
3,5
‑
庚二酮)铋或三(2,2,6,6
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四甲基
‑
3,5
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庚二酸)铋；或Bi(N(SiMe3)2)3(Me:CH3)，三三甲基硅胺基铋；氧源前驱体为O3,臭氧或H2O，去离子水。
[0017]利用原子层沉积技术结合改进化学气相沉积技术精确控制前驱体脉冲时间、热源温度、反应温度与气体流速，以调解掺杂氧化铋、氧化磷与氧化锗的沉积厚度与掺杂浓度。
[0018]前驱体脉冲时10
‑
100ms，热源温度为100
‑
200℃，反应温度为180
‑
300℃，气体流速控制在200
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500sccm，沉积氧化铋的控制参数均采用微沉积为100
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2000层，其中每个沉积循环在0.01
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0.25nm；Bi离子浓度范围控制在0.01
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1.5mol％；P离子浓度范围控制在0.5
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15.0mol％；Ge离子浓度范围控制在0.1
‑
5.0mol％。
[0019]Bi源加热温度控制在100～300℃，脉冲时间为200～400ms；氧源脉冲时间为200～1000ms；整个反应腔温度均匀，反应温度为200～400本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤，光纤由外向内依次包括包层、疏松层和纤芯，其特征在于:所述包层是由比纤芯折射率低的纯石英构成；疏松层是掺杂GeO2和P2O3的石英疏松层；纤芯中掺杂有铋。2.根据权利要求1所述O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤，其特征在于：纤芯的外层掺杂氧化铋，内层掺杂GeO2和P2O3。3.根据权利要求2所述O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤，其特征在于：纤芯直径、包层直径范围分别为d
core
＝Φ8～10μm，d
cladding
＝Φ120～125μm。4.根据权利要求2所述O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤，其特征在于：掺杂的氧化硅、氧化磷与氧化锗材料的摩尔浓度为0.1mol％
‑
15mol％。5.根据权利要求4所述O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤，其特征在于：Bi离子浓度范围控制在0.01
‑
1.5mol％；P离子浓度范围控制在0.5
‑
15.0mol％；Ge离子浓度范围控制在0.1
‑
5.0mol％。6.一种O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤的制备方法，其特征在于：首先在基管内壁沉积GeO2和P2O3，然后沉积氧化铋，氧化铋沉积完毕后再次沉积GeO2和P2O3，最后缩棒拉丝成型。7.根据权利要求6所述O波段与E波段放大铋掺杂石英光纤的制备方法，其特征在于：利用原子层沉积技术掺杂氧化铋材料，其特征在于所述前驱体，铋源前驱体为Bis(2,2,6,6
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tetra
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methyl
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3,5
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heptanedionato)Bismuth(III)(Bi(tmhd)3)，三(2,2,6,6
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四甲基
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【专利技术属性】
技术研发人员：王廷云，文建湘，陈艳，王伟琪，董艳华，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：