稀土掺杂特种光纤的制备与应用研究(项目总结报告)

1、光子学基础课程项目研究报告题目(选题号)： 名 称 组 号： 任课教师： 组 长： 学号 姓名 工作量比例 签名 成 员： 学号 姓名 工作量比例 签名 成 员： 学号 姓名 工作量比例 签名 成 员： 学号 姓名 工作量比例 签名 成 员： 学号 姓名 工作量比例 签名 成 员： 学号 姓名 工作量比例 签名 联系方式： 组长手机号 二零 年 月 日稀土掺杂特种光纤的制备与应用研究刘瑶、瞿诗雨、胡天骄、陈伟杰2015年1月3日摘 要：近年来，特种光纤及器件在光纤通信、光纤传感、光纤激光等领域有非常广泛的应用。关键词：English Title Uses the Same Format as

2、the Chinese TitleAbstract: An English abstract must be included, which may contain just a few lines. A longer summary of 300400 words is also required to be attached to the end of the report. The summary will be used for the assessment of your technical English proficiency. You must write it in your

3、 own words. Anyone who simply copies from materials written by others will not pass the examination.Key Words：引言：稀土掺杂特种光纤在光纤激光器、放大器和传感器中有着广泛的应用，并且最近几年得到了很大的发展，所用的掺杂剂有Nd3+, Era+, Ge3+, Pr3+, Ho3+, Eu3+等。稀土掺杂光纤对于光纤激光器、放大器和传感器等各种应用具有很大的吸引力。它的特点是具有圆柱形波导结构，芯径小，很容易实现高密度泵浦，使激射阀值低，散热性能好，其芯径大小与通信光纤很匹配，耦合容量及效

4、率高，可形成传输光纤与有源光纤的一体化，是实现全光通信的基础。近年来，纳米技术在光纤制备和加工领域，尤其在改善光纤性能、研制新型光纤器件等方面起到了重要的作用。纳米技术的应用主要在两个方面：采用特种拉锥技术，可以制备具有几十纳米到亚微米直径的纳米尺度光纤；采用纳米掺杂技术，可以将各种材料以纳米薄膜或纳米粒子的形式掺入到光纤中，从而提升现有光纤的光放大、光非线性、光纤激光等方面的性能。正文：一、纳米半导体掺杂光纤制备目前，一般采用改进化学气相沉积(modified chemical vapor deposition , MCVD)技术制备纳米掺杂半导体光纤预制棒，并采用常规石英光纤拉丝塔拉制光纤

5、。光纤预制棒的制备工艺流程如下：首先，以纯石英管作为预制棒基管，通入SiCl4和氧气反应生成二氧化硅，作为包层结构；其次，InP层和二氧化硅层交替沉积，作为有源内包层结构，其中InP的沉积采用高温气化方法，并采用氮气作为载气，以避免半导体材料的氧化；再次，通入GeCl4 , SiCl4和氧气反应生成掺锗二氧化硅，作为纤芯；最后，在高温条件下对反应基管进行玻璃化和收棒。在沉积过程中，对未完全玻璃化的InP沉积样品进行透射电镜测试，结果如图1所示。图中可见，二氧化硅材料中掺入了具有纳米尺度的InP粒子。利用光纤预制棒分析仪(PK2600)对纳米半导体掺杂光纤预制棒的折射率分布进行观测，结果如图2所

6、示。光纤预制棒具有纤芯和2个InP掺杂内包层结构，其中第一个InP掺杂内包层具有较高的掺杂浓度和厚度，折射率差高达2. 5%；第二个InP掺杂内包层具有较低的掺杂浓度，折射率差为0.3%。利用普通石英光纤拉丝塔将上述纳米InP掺杂光纤预制棒拉制成纤，为了与普通单模光纤匹配，光纤外径取为125 微米。利用光学显微镜对拉制所得光纤的端面进行观察，纤芯直径约为8 微米，InP内包层厚度约为400 纳米。二、稀土掺杂特种光纤应用研究（一）稀土掺杂光纤传感器由于光纤的复用性、适应恶劣环境下的工作能力、多功能、抗电磁干扰以及高精度等优点，光纤传感器的应用越来越广泛。掺杂稀土元素的光纤传感原件在光纤光学测温

7、方面有很多发展，它的特点是廉价、本征和简单。目前主要有三种形式的荧光光纤传感器：强度型、强度比型、寿命型。1、 荧光强度比测温（强度比型）相比于普通电传感器, 光纤温度传感器具有精度高、传感范围宽、不受电磁干扰等优点。基于荧光强度、荧光寿命的稀土掺杂光纤温度传感器容易受到外部环境的干扰, 测量精度存在不确定性。利用稀土离子两个能级的荧光强度的比值随温度变化的特性进行测温, 可消除这种干扰( 如泵浦源的噪声和波动) , 而且荧光强度比对应力的不敏感性, 使得它可以在很多应力与温度交叉敏感的传感系统中作为温度补偿。荧光光纤温度传感器原理：光纤将脉冲调制光源（激光二极管）的激发光传输到荧光材料（Cr

8、:LiSAF），由荧光材料激发曾相应产生的与温度相关的荧光衰减由探测及接受，计算机分析得荧光寿命参数。下图为Cr:LiSAF荧光测温系统荧光强度比测温技术测量两个不同高态能级到同一低态能级之间的荧光辐射强度比。温度升高时，较高能级发出的荧光强度随温度升高而增强，较低能级的荧光强度随温度升高而减弱，它们的比值随温度升高而增大。荧光光纤温度传感器由激发光源、光纤与光源的耦合、光纤与荧光材料的耦合组成。使用上转换发光（低能量光子激发得到高能量光子）材料NaYF4:Yb3+/Er3+在980nm激光激发下发出可见光，发射波长短于激发波长。下图一为典型荧光材料的能级示意图，下图二为典型荧光强度比测温，下

9、图三为掺杂光纤温度传感系统。 下图为实验测量装置2、高压设备温度在线监测（寿命型）我国大多数高压设备由于采用封闭结构设计且无内部散热装置，当长期工作在高电压、大电流、强磁场环境中时，高温将导致设备运行隐患。基于荧光寿命的光纤温度传感器，用于高压开关柜出头温度监测，将稀土作敏感材料粘贴在被测体表面，以实现非接触测温。荧光光纤温度传感器的电磁不敏感性、尺寸小、本安、遥感能力，能适应高电压大电流检测环节，它的出现将可能解决这一难题。荧光寿命型传感器不受光源和探测器退化及光纤弯曲影响，修正也容易，所以在此采用其作为高压设备监测传感器。根据敏感材料的光谱特性，光源通过准直系统耦合进入光纤，接收的荧光信号

10、中混有激励光，通过光滤波器消除激励光。下图一位探头结构，图二为处理电路框图。3、强度调制型弯曲传感器（强度型）这是一种基于稀土掺杂材料的新型周期性微拉锥玻璃光纤，该光纤的纤芯和包层分别由两种硅酸铅玻璃材料组成，具有可塑性好和易于形成微拉锥的特点该传感器的核心敏感体由聚焦的CO2激光束对稀土掺杂光纤进行周期性和等间距加热方式制备，这种弯曲传感测量系统的传输光强灵敏度达到-28.2W/m，测量误差低于±1% ，具备实际的工程应用价值。目前使用各类光纤器件开发出的弯曲传感器，其核心敏感体是基于光纤光栅或F-P腔。它们的缺点是，由于这些弯曲传感器通常基于弯曲导致的波长偏移测量，因此需要使用昂

11、贵的光学测量仪器来完成测量，如光谱分析仪等。相比之下，如果采用基于强度测量的弯曲传感方式则能够克服上述缺点。由于稀土掺杂光纤具有很独特的光学特性，如高非线性、近红外传输和高温度溶点等特点而得到广泛关注。目前，稀土掺杂玻璃光纤的传感应用正在成为重要和前沿的研究课题（二）稀土掺杂光纤传感器1、多波长掺铒光纤激光器的研究进展多波长激光器能够解决现在波分复用无源光网络的发展问题，因为这种激光器能够为多个信道提供光源，降低成本。而该光纤激光器可以用过掺杂稀土元素来实现。稀土掺杂特种光纤是现在光纤的一个热门，通过掺杂各种稀土，使得光纤能够实现一些人们所预想的功能，改善光学器件的性能，这也是为何稀土掺杂光纤

12、热门所在。多波长掺铒光纤激光器的其中一个主要部分是由环形器、一段未抽运的掺铒光纤和一个带有保偏光纤的Sagnac环形镜组成。掺铒光纤可以吸收不被希望发生的自发辐射，增大激光器信噪比，抑制模式竞争，并且能够引入合适的额外腔损耗，提NALM（非线性放大环形镜）的增益系数G，优化多波长的产生机制。在激光器中，若是使用高掺杂光纤，可以减少谐振腔长度，由此提高激光器的脉冲基本重复的频率，提高所携带的通信信息。在多波长掺铒光纤激光器之前，掺铒光纤激光器已经得到了广泛应用，多波长掺铒光纤激光器是掺铒光纤激光器的严拓，在其基础上开发而来，如图所示，便是掺铒光纤的基本结构，M1镜对泵浦光全透，对信号光全反，M2

13、镜对信号光部分透射，同时对泵浦光全反，这种结构通过要求光纤端面与镜面紧密相接，来介绍反射损耗。但由于一些外部因素，例如：端面与镜面存在间隙，或者端面形成劈形等，会导致所输出的激光不理想，不能够运用到实际应用中。因此在此基础上，人们逐渐找寻了各种结构的掺铒光纤激光器，各具特色，即刻应用于连续方式的工作，也可以应用于脉冲方式的工作。2、稀土掺杂光纤的研究与应用该篇主要讲述对掺镱光纤的一些实验研究，通过测量其寿命，来研究掺镱高浓度光纤的荧光特性，对其激光器特性进行了数值模拟，测量吸收系数、通过阅读该文，我们得以学习掺镱光纤的一些相关知识，同时也明白了掺镱光纤在稀土掺杂特种光纤中的重要地位，以及为何是

14、现在的一个研究热点。作者通过自行设计、搭建掺杂光纤荧光寿命测试系统，对其寿命进行了分析研究；然后使用Giles两能级模型的数值模拟，分析激光器输出特性；继而搭建环腔光纤激光器；最后对吸收系数和发射系数进行了理论研究。该文章涉及光纤的各种知识领域，我们再此就不一一赘述，仅取我们所需要的光纤激光器进行研究。文中介绍到，光纤激光器的谐振腔主要有两种形式，即线性腔和环形腔。线性腔是通过在光纤两端分别放置一块反射率高的腔镜而形成的。然而这种端面反射镜对光纤端面的缺陷及其敏感，要求较高，腔镜的绝缘镀层还可能受到泵浦光的损坏，因此这种激光器的实用性较差。但也可以通过以下方法避免：1.用波分复用器将泵浦光耦合

15、进腔内；2.直接在光纤上构造光纤光栅；3.用光纤环镜取代高反射腔镜。环形腔也常用于激光器中，可以避免空间烧孔效应，即使没有反射镜，也能构成简单的环形腔激光器。结构如图所示。（三）稀土掺杂光纤放大器光纤放大器是一种对光纤传输系统中的光信号进行直接在线光放大的器件。它不仅结构简单，与系统连接方便，而且它的藕合效率和能力转换效率高，有很大的带宽潜力。另外，由于光纤介质的激光损耗值远大于半导体材料，因此光纤放大器可用来取代光纤通信系统中传统的电子中继器或作为接收机的前置放大器，以提高接收机的灵敏度和信噪比，增加通信距离。其中掺杂光纤放大器(RDFA)是在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素，通过稀土元

16、素的作用，将激光二极管LD泵浦发出的光能量转化到信号光上，可实现对信号光的直接放大，具有实时、宽带、在线、低损耗的全光放大功能。掺杂光纤放大器经过20多年的发展，家族成员很多，其中应用最广泛的主要有：掺铒光纤放大器(EDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA)和掺铥光纤放大器(TDFA)。1、 掺铒光纤放大器(EDFA)经过20多年的实用化发展，光网络对EDFA的功率和可靠性的要求越来越高，自从Jean Marc Delavaux等人采用多模泵浦激光器和双包层铒/镱共掺光纤的方案制造出输出功率为27dBm以上的EDFA。双包层光纤的出现是光纤领域的一大突破，可获得很高的转换效率，已实现了20 W输出

17、的高功率光纤放大器，并已成为研究热点。2007年，Bookham也推出电信级可靠的4 W和6 W多模泵浦激光器，采用12个多模泵浦就可制造输出功率达33 dBm 的EDFA。2、 掺镨光纤放大器(PDFA) PDFA是1 300 nm波长工作的光纤放大器，它是一种准4能级系统。目前，用于稀土离子P r3+掺杂的1 330 nm光纤放大器硫系基质玻璃主要由As-S基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃。虽然PDFA的放大波段在1 300 nm与6. 652光纤的零色散点相吻合，在已建的1 300 nm光通信系统中有着巨大的应用市场，但是由于掺错光纤自身放大特性及机械强度和与普通光纤连接困难等因素，要得到广泛的商业应用还存在一定的困难。3、 掺铥光纤放大器(TDFA) TDFA主要应用在1 450 nm波段，能级系统属于四能级。目前，对于TDFA，能有效实现低粒子数反转态的技术主要有2种：双波长泵浦方式；高掺杂浓度技术。双波