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稀土掺杂碲酸盐玻璃放大光纤的研究

成煜  
【摘要】: 光纤通信是20世纪80年代以后发展起来的新型通信方式,具有容量大,无中继传输距离长,可实现全数字通信等特点,已成为今天国际通信的基础。从单波长的SDH技术到多波长的DWDM技术,光纤通信受益于掺铒光纤放大器的发明。在越来越关注效益的今天,宽带放大器的研制已成为如何更有效利用光纤带宽的瓶颈。虽然拉曼放大技术可以实现任一波长的光放大,但是其成本高昂。因此,低成本、宽放大带宽的掺杂稀土光放大技术应运而生。在欧洲已经研发出S+C+L带的基于碲酸盐玻璃的光纤放大器,日本更是达到了实用化。国内在这一领域的研究还处于起步阶段。 本文首先以玻璃形成理论为基础,分析了碲酸盐体系的成玻性能,并通过实验研究,确定了Na_2O-TeO_2-WO_3体系的成玻范围,研究了该体系玻璃的微观结构、热性能和析晶性能等。根据光纤制造工艺要求,确定了调整基础玻璃组份的方向和目标。在此基础上,研究了Na_2S-TeO_2-WO_3碲酸盐玻璃体系,该体系玻璃具有较好的成玻性能,同时具有较高的Tg,是目前研究过的碲酸盐玻璃体系中最高的,表明这种玻璃具有较高的耐热损坏性能。但是该体系玻璃的缺点也同样显著,它的热稳定性差,容易发生脆裂,工艺性能不好。 然后又研究了Na_2O-TeO_2-WO_3-Al_2O_3和TeO_2-TiO_2-La_2O_3碲酸盐玻璃的形成与性能,研究表明,这两个体系玻璃的Tg和Tx-Tg的综合性能较好,具有良好的工艺性。透过光谱的结果表明这两个体系玻璃的光透过率较高,而且紫外吸收截止边较短,具有宽的透过窗口。它的密度很大,大约是SiO_2的2~3倍。 这两个体系玻璃掺杂稀土后仍然具有良好成玻性能,没有析晶或矢透现象。经透过率与折射率测试,在此基础上进行光纤设计。稀土掺杂玻璃的吸收光谱表明,掺杂Er~(3+)在976nm附近有巨大的吸收截面,在1531nm附近有一个更大的吸收截面,说明Er~(3+)在碲酸盐玻璃中有更大的泵浦效率和高的发光量子效率。从荧光光谱上看,Er~(3+)在TeO_2-TiO_2-La_2O_3玻璃中的半高宽要优于Na_2O-TeO_2-WO_3-Al_2O_3玻璃。结合拉曼分析作者认为:TeO_2-TiO_2-La_2O_3玻璃掺杂格位多于Na_2O-TeO_2-WO_3-Al_2O_3玻璃,进而导致荧光半高宽的增大。但是Er~(3+)离子在Na_2O-TeO_2-WO_3-Al_2O_3玻璃中具有更大的放大带宽。同时,Er~(3+)在两种玻璃中掺杂浓度高达10143ppm以上仍然具有良好的溶解性,无“团簇”(clusters)现象,表明碲酸盐玻璃是稀土掺杂的良好基质材料。 采用数值计算设计了光纤的波导结构,分析了光纤的传播模式和截止条件,得出了光纤的光学性能,截止波长在1270nm附近;在1550nm附近色散值为-25ps/nm~*km;在1550nm附近的模场直径为7.12μm。设计数据表明上述碲酸盐玻璃很好地满足了作为EDFA光纤的要求,对熔接损耗、色散和传输条件等要素基本上达到了最优化。根据衰减理论模型分析了碲酸盐玻璃光纤的衰减和降低衰减的途径或方法。 通过模具结构设计,采用整体浇铸和机械加工相结合的方法来制作光纤预制棒。测试了熔体粘度,得到了拉丝过程仿真的基础数据。然后采用掺杂稀土的二氧化硅预制棒对拉丝工艺参数进行了探索,得到了除发热体功率以外的所有工艺参数。 总之,作者认为还需要结合玻璃结构的详细分析,进一步探索扩展的Na_2O-TeO_2-WO_3-Al_2O_3和TeO_2-TiO_2-La2O_3碲酸盐玻璃体系,探索Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂的优化参数,碲酸盐玻璃的机械加工方法和拉丝工艺参数以及降低衰减等有待进一步研究。最后,作者认为需要进一步研究掺杂稀土的碲酸盐玻璃光纤的测试方法和光纤放大系统的测试方法,形成一个完整的研究体系。


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