CN114637068B - 一种增益均衡少模掺铒光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增益均衡少模掺铒光纤及其制备方法，该光纤由内至外依次包括纤芯、内包层和外包层，纤芯为具有不同掺饵浓度的二氧化硅层，其包括位于纤芯中心区域的圆形芯层、以及依次包绕在圆形芯层***的第一环形芯层和第二环形芯层；圆形芯层、第一环形芯层和第二环形芯层的掺饵浓度分别为a1、a2和a3，则满足关系式：a2＜a1，a2＜a3；圆形芯层、第一环形芯层和第二环形芯层的折射率分别为n1、n2和n3，则满足关系式：n2＞n3＞n1。本发明通过匹配不同折射率剖面设计，利用PCVD工艺有效地在纤芯的制备过程中进行铒离子掺杂浓度的调控，降低了铒离子掺杂浓度的精度控制难度，从而调控了信号光场与掺铒离子的重叠程度，并达到模式增益均衡的效果。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通讯技术领域，具体涉及一种增益均衡少模掺铒光纤及其制备方法。
背景技术
自二十世纪九十年代起单根普通石英光纤的传输容量以每四年约十倍的速率快速增长。如今普通单模光纤(Single mode fiber，SMF)的传输容量可达100Tbit/s，已经接近香农定理的传输极限，然而这却不足以满足当今信息社会数据化及智能化对数据传输指数级增长所渴望的容量需求。为了解决未来通信扩容的难题，突破现有光纤通信的技术瓶颈，少模光纤由于可以在一根光纤中传输多个模式，极大的提高单根光纤的传输容量，已成为学科前沿和研究的热点。
而在少模掺铒光纤放大器中，不同模式获得的增益差决定着传输信号的质量以及***的稳定性。因此，模式增益均衡成为了衡量少模传输***性能的关键指标。目前主要有以下三种策略来调节不同模式之间的增益差值：调节光纤的折射率分布、优化泵浦方式和改进掺杂稀土离子分布。有研究表明单纯通过泵浦方式的优化很难达到理想的效果，主要还是通过优化光纤的折射率剖面和稀土离子掺杂剖面来实现增益均衡。基于这种方法，中国发明专利公开号CN112180499A(公开日为2021-01-05)，公开了一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤，该发明为了能够达到模式增益均衡，提出了多层芯掺杂的光纤结构设计。分别在多层芯中掺杂不同浓度的铒离子，不同芯层铒离子的掺杂浓度比为1:0.9119:1.3447，调控了信号光场与掺铒离子的重叠程度，降低模式增益差。中国发明专利公开号CN113341499A(公开日为2021-09-03)，公开了另一种具有单芯结构多层铒离子掺杂的增益均衡少模铒纤，其在纤芯上进行了分层掺杂，获得不同掺铒浓度的掺铒层；掺铒层包括第一掺铒层、第二掺铒层；其中：第一掺铒层位于纤芯的中心；第二掺铒层包围第一掺铒层；第二掺铒层的主***于纤芯上，且部分掺入包层。不同芯层铒离子的掺杂浓度比为1.05:1至1.25:1，第二掺铒层的芯外的铒离子分布能够更好地与高阶模重叠，减少各模式之间光场与铒离子的重叠积分，进而对每个模式都产生相似的增益效果，有效地减小模式增益差，达到良好的模式增益均衡效果。但是从制备的角度来看，这两种光纤的铒离子掺杂都过于复杂，稀土光纤的掺杂比普通的无源光纤更难制备的主要原因是稀土原料的饱和蒸汽压不同于常规的硅锗磷料，常规的硅锗磷料在低温30～40℃时就具有很高的饱和蒸气压，只需要将原料放在足够大的料坛，给与一定的温度蒸发，利用载气或者直接用负压抽，通过MFC控制流量就能保证原料的分压不变，则流量与掺杂浓度呈线性关系，通过MFC可以比较精确控制每个掺杂原料的浓度。而稀土原料比如螯合物即使是在接近200℃时饱和蒸气压也远小于常规料在30～40℃时的饱和蒸气压，导致流量与掺杂浓度之间不成线性关系，很难实现复杂铒离子掺杂剖面精确控制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增益均衡少模掺铒光纤及其制备方法，其目的是为克服现有技术中模式增益差较大、使用复杂铒离子掺杂导致的制作工艺难度大的缺陷。本发明通过匹配不同折射率剖面设计，利用等离子体气相沉积(PCVD)工艺和自制的稀土原料高温供料***，能够有效的在光纤预制棒纤芯的制备过程中进行铒离子掺杂浓度的调控，大大降低了铒离子掺杂浓度的精度控制难度，从而有效调控了信号光场与掺铒离子的重叠程度，来达到模式增益均衡的效果。
为实现上述目的，按照本发明第一方面，提供一种增益均衡少模掺铒光纤，光纤由内至外依次包括纤芯、内包层和外包层，纤芯为具有不同掺铒浓度的二氧化硅层，其包括位于纤芯中心区域的圆形芯层、以及依次包绕在圆形芯层***的第一环形芯层和第二环形芯层；其中，
圆形芯层、第一环形芯层和第二环形芯层的掺铒浓度分别为a1、a2和a3，则满足关系式：a2＜a1，a2＜a3；
圆形芯层、第一环形芯层和第二环形芯层的折射率分别为n1、n2和n3，则满足关系式：n2＞n3＞n1。
进一步地，圆形芯层、第一环形芯层和第二环形芯层的掺铒浓度进一步地满足关系式：a2＜a1＝a3；
进一步地，圆形芯层与第二环形芯层中铒离子的掺杂浓度均为4*10-24m-3～5*10- 24m-3，第一环形芯层铒离子的掺杂浓度为0。
进一步地；其中，
圆形芯层的半径为2～3μm，第一环形芯层的半径为7～8μm，第二环形芯层的半径为11～12μm；
以外包层为参考层，则圆形芯层的相对折射率为0.005～0.0055，第一环形芯层的相对折射率为0.0075～0.008，第二环形芯层的相对折射率为0.006～0.0065。
进一步地，圆形芯层中的掺杂剂还包括铝离子；第一环形芯层和第二环形芯层中的掺杂剂还包括铝、锗或者磷离子中至少一种。
进一步地，内包层包括第一内包层、以及邻近外包层的第二内包层；其中，第二内包层和外包层的折射率分别为n4和n5，则满足关系式：n4≤n5。
进一步地；其中，
第一内包层的半径为12～16μm，第二内包层的半径为20～22μm；外包层的半径为61.5～63.5μm；
以外包层为参考层，则第一内包层的相对折射率为-0.0005～0.0005，第二内包层的相对折射率为-0.01～0。
进一步地；其中，
第一内包层为纯二氧化硅层或者为多元掺杂的二氧化硅层，第一内包层中的掺杂剂包括锗、磷或者氟离子中至少一种；
第二内包层为纯二氧化硅层或者掺氟的二氧化硅层。
进一步地，外包层的截面为圆形或者正八边形，光纤还包括涂覆于外包层外表面的涂覆层，涂覆层包括邻近于外包层的第一涂覆层、以及第二涂覆层；其中，当外包层的截面为正八边形时，第一涂覆层含氟低折涂层；且以外包层为参考层，该第一涂覆层的相对折射率≤-0.073。
按照本发明第二方面，提供一种如上所述的增益均衡少模掺铒光纤的制备方法，方法包括：
采用PCVD工艺，将四氯化硅气体和相应的掺杂原料气体通入石英衬管内以使其在管内壁沉积，形成第内包层；
采用PCVD工艺，利用稀土供料***将氯化铒和其它掺杂原料加热到蒸发温度并传输到石英衬管内，通过调整通入稀土供料***的载气流量和蒸发温度来控制掺杂浓度，从而制备出不同掺铒浓度的二氧化硅层作为纤芯；
将沉积完毕的石英衬管进行熔缩烧结工序，形成实芯的掺铒光纤预制棒；
将掺铒光纤预制棒套入合适尺寸的套管，通过高速拉丝拉工序制成目标尺寸的少模掺铒光纤；或者
将掺铒光纤预制棒套入合适尺寸的套管并将套管打磨成八边体，在八边体表面涂覆低折射率涂料，再通过高速拉丝拉工序制成目标尺寸的少模掺铒光纤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
第一、提供了一种增益均衡的掺铒少模光纤，其纤芯为具有不同掺铒浓度的二氧化硅层，包括位于纤芯中心区域的圆形芯层、以及依次包绕在圆形芯层***的第一环形芯层和第二环形芯层；其中，可以调控圆形芯层与第二环形芯层的掺铒层的浓度大于第一环形芯层掺铒层浓度；这种设计工艺不仅大大的降低了铒离子掺杂精度的难度，同时调控了信号光场与掺铒离子的重叠程度，具有良好的模式增益均衡的效果。
第二、本发明提供了一种增益均衡的掺铒少模光纤制备方法，通过匹配不同折射率剖面设计，利用等离子体气相沉积(PCVD)工艺和自制的高温供料***进行基料和掺杂材料沉积，沉积的过程中没有微粒产生，由于沉积组分为离子和原子级别，对于实现高均匀性和分散性的掺稀土光纤具有天然的优势。同时利用了PCVD可以沉积大尺寸深掺氟的包层和芯层、折射率控制精准的优点，更加适合于复杂剖面的少模铒纤的制备。
第三、本发明提供了一种增益均衡的掺铒少模光纤制备方法，使用了等离子体气相沉积(PCVD)工艺。然而，传统的光纤掺杂技术主要有基于改进化学气相沉积法(MCVD)的气相和液相两种工艺，但由于它们的掺杂材料大多以亚微米微粒的形式存在，导致均匀性较差，掺铒光纤在掺杂浓度较高时，易聚集形成团簇，引起浓度猝灭等现象，制约了其光放大性能。同时，MCVD工艺还存在折射率精确控制较差、复杂剖面结构难制备、以及容易出现沉积层掺杂过厚时衬管易变性和堵管的风险。本发明使用等离子体气相沉积(PCVD)方法制备掺铒少模光纤时，由于沉积组元是原子、离子或者活性基团，使掺杂离子具备高的均匀性、分散性和高掺杂浓度的特点，从而满足了大尺寸深掺氟的包层需求。
附图说明
图1为按照本发明实施例1实现的一种增益均衡少模掺铒光纤的结构示意图；
图2为按照本发明实施例2实现的一种增益均衡少模掺铒光纤的结构示意图；
图3为按照本发明实施例1实现的一种增益均衡少模掺铒光纤的增益光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，本发明涉及的函数方程中符号“*”为运算符号表示前后两个常量或者向量的相乘，“/”为运算符号表示前后两个常量或者向量的相除，本发明中所有函数方程遵循数学的加减乘除运算法则。
以下为本发明中涉及的一些属于的定义和说明：
光纤或者光纤预制棒结构：从光纤最中心的轴线开始算起，根据折射率的变化，定义居于光纤横截面的中心部分为纤芯1，居于光纤截面中紧邻芯层的环形区域为内包层2，居于光纤截面中紧邻内包层2的纯二氧化硅的环形区域为外包层3。
m-3：每立方米的掺杂离子个数。
相对折射率：
数值孔径：
其中ni为不同沉积层所对应的折射率，n0为外包层3纯SiO2的折射率。
本发明提供一种增益均衡少模掺铒光纤，光纤由内至外依次包括纤芯1、内包层2和外包层3，纤芯1为具有不同掺铒浓度的二氧化硅层，其包括位于纤芯1中心区域的圆形芯层1-1、以及依次包绕在圆形芯层1-1***的第一环形芯层1-2和第二环形芯层1-3；其中，
圆形芯层1-1、第一环形芯层1-2和第二环形芯层1-3的掺铒浓度分别为a1、a2和a3，则满足关系式：a2＜a1，a2＜a3；
圆形芯层1-1、第一环形芯层1-2和第二环形芯层1-3的折射率分别为n1、n2和n3，则满足关系式：n2＞n3＞n1。
本发明通过控制第一环形芯层1-2的铒离子浓度小于圆形芯层1-1和第二环形芯层1-3可以有效调控信号光场与掺铒离子的重叠程度，降低模式增益差。此外，这种浓度的调控工艺比较容易实现，大大降低了实际操作难度；众所周知，稀土光纤的掺杂，尤其是铒离子的掺杂比普通的无源光纤更难制备的主要原因是因为稀土原料的饱和蒸汽压不同于常规的硅锗磷料，常规的硅锗磷通过MFC可以比较精确控制每个掺杂原料的浓度。而稀土原料比如螯合物即使是在接近200℃时饱和蒸气压也远小于常规料在30～40℃时的饱和蒸气压，导致流量与掺杂浓度之间不成线性关系，很难实现复杂铒离子掺杂剖面精确控制；是故传统将不同掺铒离子浓度进行精确控制工艺操作起来十分复杂。本发明设计第一环形芯层1-2的铒离子浓度小于圆形芯层1-1和第二环形芯层1-3，一方面可以降低模式增益差，一方面可以降低工艺难度。
具体地，圆形芯层1-1、第一环形芯层1-2和第二环形芯层1-3的掺铒浓度进一步地满足关系式：a2＜a1＝a3。
本发明可以进一步将圆形芯层1-1和第二环形芯层1-3的掺铒浓度设计为相同，这样从制备工艺的角度来看操作实现起来更简单，可以在制备圆形芯层1-1和第二环形芯层1-3时使用相同的制备工艺、以及工艺条件，无需频繁调整工艺设备参数，同时还能达到相应的技术效果。
具体地，圆形芯层1-1与第二环形芯层1-3中铒离子的掺杂浓度均为4*10-24m-3～5*10-24m-3，第一环形芯层1-2铒离子的掺杂浓度为0。
本发明可以进一步将圆形芯层1-1和第二环形芯层1-3的掺铒浓度设定在一定范围，将第一环形芯层1-2铒离子的掺杂浓度设定为0，这样在同时满足上述不等式关系的同时，还可以进一步简化操作步骤。本发明将圆形芯层1-1与第二环形芯层1-3中铒离子的掺杂浓度范围控制在4*10-24m-3～5*10-24m-3，是因为当浓度高于5*10-24m-3，会产生浓度猝灭，光纤损耗也会增大；当浓度低于4*10-24m-3，会影响光纤的增益倍数。
具体地；其中，圆形芯层1-1的半径为2～3μm，第一环形芯层1-2的半径为7～8μm，第二环形芯层1-3的半径为11～12μm；以外包层3为参考层，则圆形芯层1-1的相对折射率为0.005～0.0055，第一环形芯层1-2的相对折射率为0.0075～0.008，第二环形芯层1-3的相对折射率为0.006～0.0065。
本发明中为了保证光纤的数值孔径NA，同时还掺杂了其他的元素。具体地，圆形芯层1-1中的掺杂剂还包括铝离子；第一环形芯层1-2和第二环形芯层1-3中的掺杂剂还包括铝、锗或者磷离子中至少一种。
具体地，内包层2包括第一内包层2-1、以及邻近外包层3的第二内包层2-2；其中，第二内包层2-2和外包层3的折射率分别为n4和n5，则满足关系式：n4≤n5。本发明为进一步地提高光纤的弯曲损耗，设计第二内包层2-2的折射率小于外包层3的折射率。
具体地；其中，第一内包层2-1的半径为12～16μm，第二内包层2-2的半径为20～25μm；外包层3的半径为61.5～63.5μm；以外包层3为参考层，则第一内包层2-1的相对折射率为-0.0005～0.0005，第二内包层2-2的相对折射率为-0.01～0。
本发明中为了保证光纤的数值孔径NA，同时还掺杂了其他的元素。具体地；其中，第一内包层2-1为纯二氧化硅层或者为多元掺杂的二氧化硅层，第一内包层2-1中的掺杂剂包括锗、磷或者氟离子中至少一种；第二内包层2-2为纯二氧化硅层或者掺氟的二氧化硅层。
具体地，外包层3的截面为圆形或者正八边形，光纤还包括涂覆于外包层3外表面的涂覆层，涂覆层包括邻近于外包层3的第一涂覆层、以及第二涂覆层；其中，当外包层3的截面为正八边形时，第一涂覆层含氟低折涂层；且以外包层3为参考层，该第一涂覆层的相对折射率≤-0.073。众所周知，一般的光纤都是单包层的光纤，光只在纤芯里面传输，纤芯***的玻璃部分统称为玻璃包层，本发明中即为外包层3；本发明制备工艺除了可以制备这种单包层的光纤，还可以制备成双包层的光纤，双包层的光纤就是在外包层3外表面涂覆一层低折射率涂料，这样光可以同时在包层和纤芯里面传输。本发明使用双包层的光纤工艺时，外包层3的截面为正八边形，且以外包层3为参考层，该第一涂覆层的相对折射率≤-0.07，该折射率范围对光纤的弯曲损耗有好处。
本发明提供一种如上所述的增益均衡少模掺铒光纤的制备方法，该方法包括：
步骤1：采用PCVD工艺，将四氯化硅气体和相应的掺杂原料气体通入石英衬管内以使其在管内壁沉积，形成第内包层2；
步骤2：采用PCVD工艺，利用稀土供料***将氯化铒和其它掺杂原料加热到蒸发温度并传输到石英衬管内，通过调整通入稀土供料***的载气流量和蒸发温度来控制掺杂浓度，从而制备出不同掺铒浓度的二氧化硅层作为纤芯1；
步骤3：将沉积完毕的石英衬管进行熔缩烧结工序，形成实芯的掺铒光纤预制棒；
步骤4：如果制备单包层的光纤：
将掺铒光纤预制棒套入合适尺寸的套管，通过高速拉丝工序制成目标尺寸的少模掺铒光纤；
步骤5：如果制备双包层的光纤：
将掺铒光纤预制棒套入合适尺寸的套管并将套管打磨成八边体，在八边体表面涂覆低折射率涂料，再通过高速拉丝拉工序制成目标尺寸的少模掺铒光纤。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1～5以及对比例1
步骤1：将石英衬管安装于PCVD车床，在石英衬管内通入相应流量的四氯化硅气体或者四氯化硅、六氟乙烷气体沉积相应厚度制备第二内包层2-2，再通入相应流量四氯化硅气体或者四氯化硅、以及四氯化锗、三氯氧磷、六氟乙烷气体三者中至少一种沉积相应厚度制备第一内包层2-1；
步骤2：通过稀土供料***将氯化铒和氯化铝分别加热到相应温度，根据光纤设计要求所需的各元素掺杂浓度通过调整各原料的流量和蒸发温度调节掺杂的浓度，制备出不同铒离子掺杂浓度的目标芯层。
步骤3：将沉积完毕的衬管从PCVD车床取下，安装在HEC上进行熔缩烧结工序，形成实芯的掺铒光纤预制棒；
步骤4：将多层掺杂的掺铒预制棒套入合适尺寸的套管高速拉丝拉制成目标尺寸的少模铒纤。
步骤5：如果需要制备的是双包层的光纤，则需要先将套管打磨成八边形，然后匹配低折射率涂料拉制成目标尺寸的少模铒纤。
下表1是五种不同结构增益均衡的少模铒纤实施例参数表，实施例1没有做深掺F第二内包层2-2，外包层3为圆形；实施例2主要将第二内包层2-2做了深掺F，外包层3为八边形；实施例3只要将第二内包层2-2做了深掺F，外包层为圆形，其它实施例和对比例参数如表1所示。以上实施例1～5和对比例1均利用PCVD加自制高温输料***制备。图1和图2分别给出了实施例1和实施例2的剖面结构图。图3为实施例1通过优化增益测试平台和光纤参数后增益图，表2为实施例1～5和对比例1通过优化增益测试平台和光纤参数后增益结果。
表1实施例1～5和对比例1少模掺铒光纤制备参数
表2实施例1～5和对比例1少模掺铒光纤参数后增益结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 | |
| 6个LP模式的增益范围 | ＞20dB | ＞20dB | ＞20dB | ＞20dB | ＞20dB | ＞20dB |
| 6个LP模式的增益差 | 1.3dB | 1.8dB | 1.5dB | 1.4dB | 1.3dB | 4dB |
从附图3可知，实施例1各阶信号模式的增益在泵浦功率从100到600mW的增加过程中逐渐增大，在泵浦功率为600mW时，每个模式的增益都大于20dB,6个LP模式的增益差1.3dB，说明使用本发明方法制备的光纤具有高的增益幅度，并且本发明的实施例1光纤具有良好增益均衡的效果。综合表1～2以及附图3，本发明制备的少模掺铒光纤，通过调控圆形芯层与第二环形芯层的掺铒层的浓度大于第一环形芯层掺铒层浓度，以使其纤芯为具有不同掺铒浓度的二氧化硅层；这种设计工艺不仅大大的降低了铒离子掺杂精度的难度，而且有效调控了信号光场与掺铒离子的重叠程度，使少模掺铒光纤具有良好的模式增益均衡的效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种增益均衡少模掺铒光纤，所述光纤由内至外依次包括纤芯(1)、内包层(2)和外包层(3)，其特征在于，所述纤芯(1)为具有不同掺铒浓度的二氧化硅层，其包括位于所述纤芯(1)中心区域的圆形芯层(1-1)、以及依次包绕在所述圆形芯层(1-1)***的第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)；其中，
所述圆形芯层(1-1)、第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)的掺铒浓度分别为a1、a2和a3，则满足关系式：a2＜a1，a2＜a3；
所述圆形芯层(1-1)、第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)的折射率分别为n1、n2和n3，则满足关系式：n2＞n3＞n1，通过匹配不同折射率剖面设计，降低掺铒浓度的精度控制难度；
所述内包层(2)包括第一内包层(2-1)、以及邻近所述外包层(3)的第二内包层(2-2)；其中，所述第二内包层(2-2)和外包层(3)的折射率分别为n4和n5，则满足关系式：n4≤n5；
所述第一内包层(2-1)的半径为12～16μm，所述第二内包层(2-2)的半径为20～25μm；外包层(3)的半径为61.5～63.5μm；以所述外包层(3)为参考层，则所述第一内包层(2-1)的相对折射率为-0.0005～0.0005，所述第二内包层(2-2)的相对折射率为-0.01～0。
2.根据权利要求1所述的少模掺铒光纤，其特征在于，所述圆形芯层(1-1)、第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)的掺铒浓度进一步地满足关系式：a2＜a1＝a3。
3.根据权利要求1或2所述的少模掺铒光纤，其特征在于，所述圆形芯层(1-1)与所述第二环形芯层(1-3)中铒离子的掺杂浓度均为4*10-24m-3～5*10-24m-3，所述第一环形芯层(1-2)铒离子的掺杂浓度为0。
4.根据权利要求1所述的少模掺铒光纤，其特征在于；其中，
所述圆形芯层(1-1)的半径为2～3μm，所述第一环形芯层(1-2)的半径为7～8μm，所述第二环形芯层(1-3)的半径为11～12μm；
以所述外包层(3)为参考层，则所述圆形芯层(1-1)的相对折射率为0.005～0.0055，所述第一环形芯层(1-2)的相对折射率为0.0075～0.008，所述第二环形芯层(1-3)的相对折射率为0.006～0.0065。
5.根据权利要求1所述的少模掺铒光纤，其特征在于，所述圆形芯层(1-1)中的掺杂剂还包括铝离子；所述第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)中的掺杂剂还包括铝、锗或者磷离子中至少一种。
6.根据权利要求1所述的少模掺铒光纤，其特征在于；其中，
所述第一内包层(2-1)为纯二氧化硅层或者为多元掺杂的二氧化硅层，所述第一内包层(2-1)中的掺杂剂包括锗、磷或者氟离子中至少一种；
所述第二内包层(2-2)为纯二氧化硅层或者掺氟的二氧化硅层。
7.根据权利要求1所述的少模掺铒光纤，所述外包层(3)的截面为圆形或者正八边形，其特征在于，所述光纤还包括涂覆于所述外包层(3)外表面的涂覆层，所述涂覆层包括邻近于所述外包层(3)的第一涂覆层、以及第二涂覆层；其中，
当所述外包层(3)的截面为正八边形时，所述第一涂覆层含氟低折涂层；且以所述外包层(3)为参考层，该第一涂覆层的相对折射率≤-0.073。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的增益均衡少模掺铒光纤的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
采用PCVD工艺，将四氯化硅气体和相应的掺杂原料气体通入石英衬管内以使其在管内壁沉积，形成第内包层(2)；
采用PCVD工艺，利用稀土供料***将氯化铒和其它掺杂原料加热到蒸发温度并传输到石英衬管内，通过调整通入稀土供料***的载气流量和蒸发温度来控制掺杂浓度，从而制备出不同掺铒浓度的二氧化硅层作为纤芯(1)；
将沉积完毕的石英衬管进行熔缩烧结工序，形成实芯的掺铒光纤预制棒；
将所述掺铒光纤预制棒套入合适尺寸的套管，通过高速拉丝工序制成目标尺寸的少模掺铒光纤；或者
将所述掺铒光纤预制棒套入合适尺寸的套管并将所述套管打磨成八边体，在所述八边体表面涂覆低折射率涂料，再通过高速拉丝工序制成目标尺寸的少模掺铒光纤。
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115980911A (zh) * | 2022-11-28 | 2023-04-18 | 中天科技精密材料有限公司 | 传能光纤及其制备方法、光纤激光器 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1359013A (zh) * | 2000-11-13 | 2002-07-17 | 住友电气工业株式会社 | 光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器以及光纤的制造方法 |
| CN1536378A (zh) * | 1998-12-18 | 2004-10-13 | 皮雷利・卡维***有限公司 | 单模光传输光纤 |
| CN111470769A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-07-31 | 黄宏琪 | 一种稀土掺杂少模光纤的制备方法 |
| CN112099128A (zh) * | 2020-09-23 | 2020-12-18 | 北京交通大学 | 一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤 |
| CN112180499A (zh) * | 2020-09-09 | 2021-01-05 | 北京交通大学 | 一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子的4模光纤 |
| CN112510472A (zh) * | 2019-09-16 | 2021-03-16 | 华为技术有限公司 | 一种少模掺铒光纤以及少模掺铒光纤放大器 |
| CN113341499A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 广东工业大学 | 一种增益均衡的掺铒少模光纤及其通信*** |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005082801A2 (en) * | 2004-02-20 | 2005-09-09 | Corning Incorporated | Optical fiber and method for making such fiber |
| FR2924866B1 (fr) * | 2007-11-09 | 2014-04-04 | Alcatel Lucent | Dispositif a fibre optique dopee aux terres rares pour l'emission ou l'amplification d'un signal dans la bande "s" |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1536378A (zh) * | 1998-12-18 | 2004-10-13 | 皮雷利・卡维***有限公司 | 单模光传输光纤 |
| CN1359013A (zh) * | 2000-11-13 | 2002-07-17 | 住友电气工业株式会社 | 光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器以及光纤的制造方法 |
| CN112510472A (zh) * | 2019-09-16 | 2021-03-16 | 华为技术有限公司 | 一种少模掺铒光纤以及少模掺铒光纤放大器 |
| CN111470769A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-07-31 | 黄宏琪 | 一种稀土掺杂少模光纤的制备方法 |
| CN112180499A (zh) * | 2020-09-09 | 2021-01-05 | 北京交通大学 | 一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子的4模光纤 |
| CN112099128A (zh) * | 2020-09-23 | 2020-12-18 | 北京交通大学 | 一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤 |
| CN113341499A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 广东工业大学 | 一种增益均衡的掺铒少模光纤及其通信*** |
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