[发明专利]光纤、光学放大器、光纤激光器和光纤初级预制件制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤领域，尤其涉及掺杂有稀土(例如，稀土离子)的辐射不敏感光纤。本发明还涉及制造这种光纤的方法。

背景技术

传统上，光纤(即，通常由一个或多个包覆层围绕的玻璃纤维)包括中央纤芯和光包层，其中，中央纤芯的功能是传输光信号以及可能地放大光信号，以及光包层的功能是将光信号限制在中央纤芯内。为了提供引导光信号的该功能，中央纤芯的折射率n_c通常高于包层的折射率n_g(即，n_c＞n_g)。

通常通过向中央纤芯和/或包层引入掺杂物来获得中央纤芯和包层之间的折射率差。

通常中央纤芯和光包层是通过诸如改进的化学气相沉积(MCVD)、外部气相沉积(OVD)、轴向气相沉积(VAD)等的气相沉积所获得的。利用MCVD工艺，外包层被制成包括沉积管以及可能地额外的包层或套筒。一般而言，通过浸透例如可在MCVD工艺的中间步骤获得的二氧化硅(SiO₂)的多孔层而掺入诸如铝或稀土族元素(以下称为“稀土”、“稀土掺杂物”、“稀土离子”或“稀土掺杂元素”)等的挥发性低的元素。使用包含稀土的溶液来使稀土浸透到沉积物内。例如，可以从溶解盐获得这种溶液。

进行光信号放大的系统通常使用掺杂有稀土的光纤。例如，在铒掺杂光纤放大器(EDFA)中使用掺杂有铒的光纤，以放大在一些远程光通信系统内传输的光信号。这些EDFA在功耗和光功率转换效率方面具有高的性能。掺杂有稀土的光纤通常具有由二氧化硅基质(matrix)构成的中央纤芯，其中，该二氧化硅基质包含重量浓度约为百万分之250(250ppm)～1000ppm(即，0.025重量百分比～0.1重量百分比(wt％))的诸如铒等的稀土。

放大光纤的增益是入射信号的波长的函数。例如，可以在C波段(1530纳米(nm)～1565nm)内使用掺杂有铒的光纤。传统上，掺杂有铒的光纤在波段C内的增益宽度约为30纳米(nm)～35nm，并且数值孔径为0.23。然而，当使用其它类型的稀土元素(即，稀土离子)时，可能使用不同的波长范围。

波分复用(WDM)应用需要高的增益宽度。为此，可以将稀土与用于提高放大率的补充掺杂物相关联。这些补充掺杂物通过防止稀土之间发生相互作用来提高放大率。为此，这些补充掺杂物必须包围稀土。在使用包含稀土的溶液对光纤进行掺杂时，为了使中央纤芯内的各稀土均被补充掺杂物包围，补充掺杂物的浓度非常高。铝(Al)是补充掺杂物的一个例子。铝作为元素铝而存在，即铝以氧化铝的形式存在于光纤纤芯的玻璃网络内。

在诸如核电站等的暴露至辐射的环境内的应用中，光学系统相对于电子系统存在以下几个优势。光纤的抗电磁干扰性较好且化学稳定性较好。光纤使得可以获得几乎不需要维护的更加安全可靠的通信系统。光纤还使得可以获得高的数据速率。光纤还非常紧凑，从而特别适用于飞机和航天器所搭载的系统。

然而，暴露至辐射的环境趋于使光纤的背景损耗增大，由此使所传输信号的衰减增大。

背景损耗的增大可能是由于在使用基于二氧化硅的光纤的情况下二氧化硅的结构缺陷所引起的，其中，这些缺陷是因辐射而产生的。这些缺陷包括例如悬键和陷阱电荷，它们吸收以特定波长在光纤内传输的光信号。

背景损耗的增大还可能是由于与获得光信号引导的性质所需的掺杂物有关的特定缺陷所引起的。如前面所述，中央纤芯和/或光包层内通常存在掺杂物以获得相对于外包层的特定折射率差。该折射率分布确定了光纤的光学性质。然而，添加这些掺杂物提高了光纤对辐射的灵敏度。以下参考图1来解释掺杂物对于光纤的辐射灵敏度的重要性。

图1提供了各种光纤例子中的所传输信号的衰减值。纵轴表示以分贝/公里/格雷(dB/km/Gy)为单位的由辐射引起的衰减(RIA)，因而被标准化成辐射剂量。横轴表示以纳米(nm)为单位的所传输信号的波长。RIA的值越大，辐射对光纤的光学性质的负面影响越大。

曲线1是针对以100格雷(Gy)照射具有纯二氧化硅纤芯(即，纤芯内无掺杂物)的光纤所获取到的。曲线2是根据以360Gy照射中央纤芯内掺杂有铝(铝浓度约为7wt％)的光纤所获取到的。曲线3是根据以500Gy照射中央纤芯内掺杂有磷(磷浓度约为10wt％)的光纤所获取到的。曲线4是根据以100Gy照射中央纤芯内掺杂有锗(锗浓度约为5wt％)的光纤所获取到的。可以看出，在波长约1200nm处之前，一直存在衰减的增大。这将降低光学性能。