摻雜光纖預(yù)制棒制造工藝的改進(jìn)

王 芹

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

很多高功率光纖激光器或放大器使用的光纖都是活性離子摻雜光纖。鐿離子(Yb3＋)具有較寬的發(fā)射帶寬(一般為 975～1200nm)、激發(fā)壽命長(zhǎng)并且可以在較高濃度的情況下和二氧化硅共存，使之成為制造摻雜光纖的首選[1]。

由于摻雜光纖設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器的高功率輸出。光纖結(jié)構(gòu)，如大模場(chǎng)(LMA)光纖、大平坦模(LFM)光纖，以及具有幾何形狀纖芯的光纖[2-5]，都有助于光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步增大。在這些方面優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通常需要制造具有大芯徑和更加復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)于這兩個(gè)先決條件，制造過(guò)程中需要能夠以可控的方式將 10層左右的摻雜層沉積下來(lái)。

使用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)制備制作的光纖預(yù)制棒過(guò)程中[6]，在室溫條件下，由于稀土離子的鹵化物本身蒸氣壓低，不可能將其(如Er3+和Yb3+)沉積在傳統(tǒng)的起泡系統(tǒng)中。為增加稀土離子在石英玻璃中的溶解度，我們加入了 Al，但仍會(huì)遇到類(lèi)似問(wèn)題[7]。為克服這些問(wèn)題，我們使用溶液摻雜法[8-10]。在芯部沉積階段前，降低燃燒溫度將一個(gè)多孔氧化物層沉積層(疏松層)在石英管內(nèi)部沉積；再將做好疏松層的石英管從車(chē)床上取出，并垂直浸泡在溶液中，溶液中含有溶解在溶劑中的稀土元素。經(jīng) 1～2h后抽干溶液，剩下的溶劑蒸發(fā)；然后在車(chē)床上重新組裝石英管，將摻雜有稀土元素的疏松層進(jìn)行燒結(jié)，形成光纖預(yù)制棒。溶液摻雜技術(shù)，由于其工藝簡(jiǎn)單、成本低，被廣泛用來(lái)制作摻雜光纖預(yù)制棒。

然而，其缺點(diǎn)也是明顯的。在預(yù)制棒制造過(guò)程中需要沉積多個(gè)層，當(dāng)石英管重新裝回到車(chē)床上時(shí)，必須重新熔接，這種重復(fù)的拆卸和組裝將減少預(yù)制棒可用的長(zhǎng)度，無(wú)形中增加了單根預(yù)制棒的成本；此外，在設(shè)備間傳送石英管時(shí)，也有可能引入污染物和降低預(yù)制棒強(qiáng)度的灰塵等雜質(zhì)，而且溶液浸泡疏松層過(guò)程非常耗時(shí)，只適合2～4層的沉積。

在本文中，我們采用了一種改進(jìn)的溶液摻雜技術(shù)，由于取消了從車(chē)床上拆卸和重新裝配石英管的過(guò)程，大幅減少了疏松層與溶液摻雜過(guò)程所需的時(shí)間，同時(shí)也提高了鐿離子的摻雜濃度。

1 制作預(yù)制棒

在 MCVD設(shè)備上制備光纖預(yù)制棒，取一根石英管作為沉積管。首先制作疏松層，二氧化硅以氣相沉積的方式沉積在石英管內(nèi)壁上。為了保證疏松層良好的疏松度，火焰溫度應(yīng)控制在 1550～1650℃之間。不像傳統(tǒng)的溶液摻雜法那樣，從車(chē)床上移除石英管，而是如圖 1所示，把一個(gè)直徑小一些的石英管放入沉積管的尾部，另一端管通過(guò)塑料軟管連接在泵上。在石英管的頂端使用特制的適配器固定，以避免觸碰疏松層。摻雜溶液通過(guò)輸送管以 5～15mL/min的速率緩慢輸送到疏松層。一旦這一層完全浸透達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度，輸送管就會(huì)被取出，剩下的溶劑就會(huì)蒸發(fā)掉。在新的工藝中，石英管并沒(méi)有完全浸入到摻雜溶液中，疏松層上只有薄薄的一層溶液，更容易蒸發(fā)。然后充入惰性氣體進(jìn)行干燥，時(shí)間約為 30min，完全干燥后，摻雜的氧化層就會(huì)被燒結(jié)，再通過(guò)常規(guī)方式進(jìn)行縮棒。

圖1 摻雜光纖預(yù)制棒制作示意圖Fig.1 Preparation of doped fiber preform

2 對(duì)比采用不同工藝制備的預(yù)制棒

我們通過(guò)改進(jìn)工藝流程，優(yōu)化了疏松層、溶劑、浸漬、干燥等條件，使用新的工藝制作了幾根預(yù)制棒，證明此種方法是可行的。

為了比較新工藝和常規(guī)溶液摻雜工藝的差別，利用完全相同的摻雜溶液分別制備一根預(yù)制棒。使用F300石英管(這種石英管一致性較高)，火焰溫度控制在 1600℃左右，制作疏松層。預(yù)制棒 A采用新工藝制備，摻雜溶液以10～12mL/min的進(jìn)料速率被送入石英管，直到疏松層浸透，之后充入氮?dú)飧稍?0min。整個(gè)過(guò)程中，石英管一直在車(chē)床上。預(yù)制棒B采用常規(guī)溶液摻雜法制備，1h垂直浸泡，1h垂直干燥。測(cè)試結(jié)果如圖 2。預(yù)制棒 A的芯 NA值約為0.17，而預(yù)制棒B的芯NA值為0.13；A和B的芯徑分別為0.99mm和0.86mm。每個(gè)預(yù)制棒折射率隨長(zhǎng)度的變化小于 5×10-4。芯徑的微小差異是由于摻雜溶液在導(dǎo)入時(shí)石英管體積增加所致[11]。

圖2 預(yù)制棒A和預(yù)制棒B的折射率分布圖Fig.2 Refractive index profile of Preform A and Preform B

3 對(duì)比兩種工藝制備的摻鐿光纖

為了進(jìn)一步評(píng)估鐿的摻雜濃度，預(yù)制棒 A和預(yù)制棒 B都會(huì)制作成雙包層光纖(DCF)，使用一般的光纖拉絲塔拉制，分別表示為光纖A和光纖B。光纖折射率采用Photon Kinetics S14測(cè)量，光纖A鐿摻雜濃度為 10500×10-6，光纖 B 鐿摻雜濃度為 4800×10-6。使用率光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)在 1285nm 波長(zhǎng)測(cè)量了兩根光纖的損耗，光纖長(zhǎng)度為 100m，光纖 A和光纖B的本底損耗分別為38dB/km和21dB/km。光纖 A的值偏高是由于鐿離子濃度增加導(dǎo)致的散射損耗，其激光輸出功率特性如圖3所示。

圖3 光纖A激光輸出功率和輸出譜Fig.3 Laser output power(linear fit)and output spectrum(inset)of fiber A

為了補(bǔ)償測(cè)量過(guò)程中設(shè)備的微小不穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)點(diǎn)上已經(jīng)包含了 5%的誤差，并應(yīng)用了線(xiàn)性擬合。光纖 A的輸出功率達(dá)到 13.7W，斜率效率為 79%；光纖B最大輸出功率為13.6W，斜率效率為78%。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用新的溶液摻雜工藝制備摻鐿光纖是可行的。該工藝與標(biāo)準(zhǔn) MCVD設(shè)備兼容，與常規(guī)溶液摻雜工藝相比，新工藝可以顯著增加鐿離子的摻雜濃度，減少預(yù)制棒的制作時(shí)間，大幅降低制造成本，提高光纖斜率效率。研制的摻鐿光纖適用于高功率光纖激光器或光纖放大器等領(lǐng)域。