一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒及其制备方法

1.本发明涉及光纤预制棒制造技术，具体涉及一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒及其制备方法。


背景技术：

2.随着卫星组网、星座计划、深空探测等空间领域对通信需求的不断提升，传统无线电通信由于带宽限制，已无法满足人类空间探索大宽带、高速率、实时性的通信需求。空间激光通信技术由于其极高的传输速率、极大的通信容量、良好的保密性、不需要无线电频率使用许可、体积小、重量轻等优点，成为未来空间链路的发展方向，已经成为全世界研究的热点之一。掺铒光纤放大器作为空间激光通信系统的关键部件，主要用于光发射系统的高功率放大和光接收系统的前置放大，在空间激光通信中发挥着重要作用。然而，由于掺铒光纤放大器长时间工作在太空轨道恶劣的辐照环境，其关键材料掺铒光纤会受到高能粒子辐照的强烈作用，导致其激光增益性能大幅下降甚至完全失效，因此除在器件表面增加防辐射屏蔽的被动防护技术外，必须提高掺铒光纤自身的抗辐射特性。
3.通常，为提高er
3+
在石英玻璃中的溶解度、光纤折射率或改善光纤性能而必须掺入大量共掺剂，如al、ge等，这些共掺剂的引入可以避免er团簇而发生浓度淬灭效应，同时满足数值孔径0.23
±
0.02的要求来保证泵浦光和信号光的单模传输。然而，这些共掺剂辐照诱导形成的相关色心在短波长或可见光波段的吸收带拖尾使得近红外区产生附加损耗，这也是导致掺铒光纤激光性能急剧下降的最主要原因。德国弗劳恩霍夫研究所在进一步研究中发现纤芯中al组分对辐致损耗影响最大，a1含量最低的光纤辐致损耗也最低(ieee transactions on nuclear science 1998,45:439-444)。研究表明，al组分辐照敏感主要是与玻璃网络中al的相关缺陷有关，其中有4个缺陷吸收峰的拖尾均覆盖掺铒光纤的激光工作波段。因此，少al掺杂是提高掺铒光纤耐辐照性能的有效手段。
4.目前，仅有荷兰draka公司采用纳米颗粒掺杂技术制备出了具有良好耐辐照性能的少al甚至无al掺铒光纤，然而仅依靠该技术并不能有效分散er
3+
，为避免离子浓度淬灭效应，er
3+
掺杂浓度不能高于1000ppm(us8467123b2)，导致其激光增益性能无法进一步提升，无法满足光纤不同增益要求，且难以满足空间激光通信应用需求。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒及其制备方法，解决现有掺铒光纤共掺剂含量高导致耐辐照性能差或纳米颗粒掺杂技术无法实现er
3+
高浓度掺杂的技术问题，有效地降低了掺铒光纤的辐照敏感性，使其能够更好地满足空间辐照环境的应用需求。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒，其特殊之处在于：包括芯区和由内至外依次包覆在芯区外表面的掺氟包层和纯石英阻挡层，所述掺氟包层与纯石英阻挡层的
相对折射率差δn1的取值范围为0.007～0.020；
8.所述芯区由内至外依次包括中心掺铒区和非掺铒区；
9.所述掺氟包层由内至外依次包括过渡层和掺氟石英层；
10.所述过渡层和掺氟石英层的折射率相等，芯区与掺氟包层的相对折射率差δn的取值范围为0.013～0.021。
11.进一步地，所述中心掺铒区的组分及含量分别为sio2：95.0～99.7wt.％，er2o3：0.1～1.2wt.％，al2o3：0.2～2.3wt.％，ce2o3：0～1.5wt.％；所述非掺铒区的组分及含量分别为sio2：95.0～98.5wt.％，geo2：1.5～5.0wt.％；所述过渡层的组分及含量分别为sio2：93.0～96.9wt.％，geo2：1.0～2.5wt.％，f：2.1～4.5wt.％；所述掺氟石英层的组分及含量分别为sio2：95.7～98.5wt.％，f：1.5～4.3wt.％。
12.进一步地，所述中心掺铒区和非掺铒区的外径比为1：1.05～1.3，所述芯区与过渡层的外径比为1：1.5～4，所述掺氟石英层与纯石英阻挡层的外径比为1：1.05～1.2。
13.一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
14.步骤1)采用等离子体化学气相沉积法制备锗氟共掺石英管、掺氟石英管；
15.步骤2)将步骤1)制备得到的锗氟共掺石英管作为沉积衬管，采用改进的化学气相沉积结合螯合物气相掺杂的方法依次沉积非掺铒区和中心掺铒区，并高温烧缩成实心芯棒；
16.步骤3)将步骤2)得到的实心芯棒最外层纯石英层去除；
17.步骤4)根据芯包比的需求，采用一次或多次套管工艺将步骤3)处理好的芯棒与步骤1)制备得到的掺氟石英管结合制成前面所述的掺铒光纤预制棒；多次套管工艺时，将上一次套管后的外部纯石英阻挡层去除。
18.进一步地，步骤1)中，所述锗氟共掺石英管由内至外依次排列为过渡层、纯石英层，过渡层和纯石英层的外径比为1：1.05～1.2；
19.所述掺氟石英管由内至外依次排列为掺氟石英层、纯石英阻挡层，掺氟石英层与纯石英阻挡层的外径比为1：1.05～1.2。
20.进一步地，步骤2)中，沉积参数为：沉积温度为1300～1900℃，转速为30rpm/min，氢氧焰的移动速度为80～100mm/min。
21.进一步地，步骤3)具体为，采用机械研磨或抛光法将步骤2)得到的实心芯棒最外层纯石英层去除；
22.步骤4)中，多次套管工艺时，需采用机械研磨或抛光法将上一次套管后的外部纯石英阻挡层去除。
23.本发明的有益效果：
24.1)本发明耐辐照掺铒光纤在光纤结构上引入掺氟包层设计，大大降低了光纤单模传输对芯区绝对折射率的要求，ge、al含量可以降低5～20倍，且含量可根据er
3+
浓度实现最佳匹配，大量地减少了芯区共掺剂的掺入，有效地降低了掺铒光纤的背景传输损耗，同时也有效地降低了与共掺剂相关的辐致色心所引起的附加损耗，极大程度地提高掺铒光纤的耐辐照性能。
25.2)本发明耐辐照掺铒光纤中的er
3+
集中掺杂在芯区的中央区域，可以使中央区域
的er
3+
得到充分激励，避免光强较弱的边缘部分因er
3+
未被充分激励而成为吸收体，使增益下降，同时该芯区结构也可使al组分含量降低，进一步降低掺铒光纤的辐照敏感性。
26.3)本发明耐辐照掺铒光纤的结构中引入掺ge的非铒掺杂区和掺杂ge、f的过渡层，可作为芯区和包层的粘度匹配层，降低光纤应力损耗。
27.4)本发明耐辐照掺铒光纤预制棒制备方法中，锗氟共掺石英管、掺氟石英管中纯石英层的引入，可有效抑制芯棒沉积、套管、光纤拉丝过程中因高温条件引起的氟挥发，保持光纤波导结构的稳定。
附图说明
28.图1是本发明实施例所制备的耐辐照掺铒光纤预制棒截面结构示意图；
29.图2是本发明实施例所制备的耐辐照掺铒光纤预制棒截面折射率分布示意图；
30.图3是比较例制备的掺铒光纤预制棒的截面折射率分布示意图；
31.图4是比较例和本发明实施例一、三制备的耐辐照掺铒光纤在不同辐照条件下的增益衰减对比图。
32.附图标记：1-中心掺铒区，2-非掺铒区，3-过渡层，4-掺氟石英层，5-纯石英阻挡层，6-纤芯，7-包层。
具体实施方式
33.为使本发明更加容易理解，以下结合附图及具体实施例来详细说明本发明。应当理解，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
34.下面通过附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
35.本发明一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒，其结构如图1所示，包括芯区和由内至外依次包覆在芯区外表面的掺氟包层和纯石英阻挡层5，掺氟包层与纯石英阻挡层5的相对折射率差δn1的取值范围为0.007～0.020；芯区由内至外依次包括中心掺铒区1和非掺铒区2；掺氟包层由内至外依次包括过渡层3和掺氟石英层4；过渡层3和掺氟石英层4的折射率相等，芯区与掺氟包层的相对折射率差δn的取值范围为0.013～0.021，相对折射率分布示意图如图2所示。
36.其中，中心掺铒区1的组分及含量分别为sio2：95.0～99.7wt.％，er2o3：0.1～1.2wt.％，al2o3：0.2～2.3wt.％，ce2o3：0～1.5wt.％；非掺铒区2的组分及含量分别为sio2：95.0～98.5wt.％，geo2：1.5～5.0wt.％；过渡层3的组分及含量分别为sio2：93.0～96.9wt.％，geo2：1.0～2.5wt.％，f：2.1～4.5wt.％；掺氟石英层4的组分及含量分别为sio2：95.7～98.5wt.％，f：1.5～4.3wt.％。中心掺铒区1和非掺铒区2的外径比为1：1.05～1.3，芯区与过渡层3的外径比为1：1.5～4，掺氟石英层4与纯石英阻挡层5的外径比为1：1.05～1.2。
37.本发明还提供了上述基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒的制备方法，下面通过实施例和比较例进行详细的描述说明。
38.比较例：
39.以普通掺铒光纤作为比较对象，采用f-300石英管作为沉积衬管，通过改进的化学气相沉积法结合螯合物气相掺杂的方法制备普通掺铒光纤预制棒，其结构为包层7包覆在
纤芯6的外表面，普通掺铒光纤预制棒的折射率分布示意图如附图3所示。首先依次对f-300石英管进行预热、氧化除杂；并通入sf6气体侵蚀f-300石英管内壁；侵蚀结束后，按照表1设计的纤芯6组分流量，设置反应物料sicl4、er(tmhd)3、alcl3、gecl4的流量；通入f-300石英管内开始沉积芯层，沉积温度为1950℃，转速为30rpm/min，氢氧焰的移动速度为100mm/min；沉积结束后，通入5sccm的cl2将石英管烧缩成实心棒。采用电子探针对普通掺铒光纤预制棒的纤芯6进行测试，测试结果表明，纤芯6的组分及平均含量分别约为sio2：83.8wt.％，er2o3：0.4wt.％，al2o3：8.3wt.％，geo2：7.5wt.％。以纯石英管作为套管，选择合适的套管工艺对预制棒进行套管，以使其满足光纤芯包比的要求，在2050℃的温度下进行拉丝并涂覆，获得4/125μm普通掺铒光纤，其基本性能参数如表6所示。
40.表1比较例中纤芯各沉积层的组分流量(sccm)
41.纤芯沉积层数sicl4er(tmhd)3gecl4alcl31～930012052048010300120550500
42.实施例一：
43.采用等离子体化学气相沉积法分别制备外表面带有石英层的锗氟共掺石英管和掺氟石英管。锗氟共掺石英管由内至外依次排列为过渡层3、纯石英层，其外径比为1：1.1，掺氟石英管由内至外依次排列为掺氟石英层4、纯石英阻挡层5，其外径比为1：1.15；过渡层3和掺氟石英层4的绝对折射率相等，二者与纯石英的相对折射率差δn1均为0.015。电子探针测试结果表明，过渡层3的组分及含量分别为sio2：94.6wt.％，geo2：1.3wt.％，f：4.1wt.％；掺氟石英层4的组分及含量分别为sio2：96.4wt.％，f：3.6wt.％。
44.以上述锗氟共掺石英管作为沉积衬管，采用改进的化学气相沉积结合螯合物气相掺杂的方法制备掺铒光纤芯棒，其截面示意图及折射率分布图分别如附图1、2所示。依次对锗氟共掺石英管进行预热、氧化除杂及侵蚀处理；再根据光纤预制棒芯区中非掺铒区2、中心掺铒区1的组分要求，分别设置反应物料sicl4、er(tmhd)3、alcl3、gecl4的流量，具体如表2所示。将反应物料通入锗氟共掺石英管内开始沉积芯层，沉积温度为1680℃，转速为30rpm/min，氢氧焰的移动速度为100mm/min；沉积结束后，通入5sccm的cl2将其烧缩成实心芯棒。其中实心芯棒的中心掺铒区1和非掺铒区2的外径分别为3.0mm、3.3mm(外径比为1：1.1)，芯区和过渡层3的外径分别为3.3mm和6.5mm(外径比为1：1.97)。电子探针测试结果表明，中心掺铒区1的组分及平均含量分别为sio2：99wt.％，er2o3：0.4wt.％，al2o3：0.6wt.％；非掺铒区2的组分及平均含量分别为sio2：98.2wt.％，geo2：1.8wt.％。
45.采用机械研磨法除掉实心芯棒表面的纯石英层，然后以上述掺氟石英管作为套管，根据光纤芯包比的要求，选择一次或多次套管工艺对掺铒芯棒进行套管处理，多次套管时需除掉前一次套管后的外部纯石英阻挡层5，从而获得最终的掺铒光纤预制棒。其中，本实施例中套管后的掺铒光纤预制棒中掺氟石英层4与纯石英阻挡层5的外径分别为14.2mm、15.6mm(外径比为1：1.1)。最后，在1950℃的温度下进行拉丝并涂覆，获得4/125μm掺铒光纤，光纤的基本性能参数如表6所示。
46.表2实施例一中各沉积层的组分流量(sccm)
47.芯区组成沉积层数sicl4er(tmhd)3alcl3gecl4非掺铒区1～3300//100
中心掺铒区1～1030012040/
48.实施例二：
49.掺铒光纤芯棒的沉积方法、预制棒尺寸、套管处理方法、光纤结构等都与实施例一相同。不同的是锗氟共掺石英管中过渡层3、掺氟石英管中掺氟石英层4与纯石英层的相对折射率差δn1均为0.007；沉积温度为1900℃，转速为30rpm/min，氢氧焰的移动速度为90mm/min，同时沉积芯区时反应物料的设置不同，如表3所示。电子探针测试结果表明，中心掺铒区1的组分及平均含量分别为sio2：95.0wt.％，er2o3：1.2wt.％，al2o3：2.3wt.％，ce2o3：1.5wt.％；非掺铒区2的组分及平均含量分别为sio2：95.0wt.％，geo2：5.0wt.％；过渡层3的组分及含量分别为sio2：96.9wt.％，geo2：1.0wt.％，f：2.1wt.％；掺氟石英层4的组分及含量分别为sio2：98.5wt.％，f：1.5wt.％。芯棒制作完成后，以带有纯石英阻挡层5的掺氟石英管为套管，根据光纤的几何参数选择合适的套管工艺以使其满足光纤芯包比的要求，在1950℃的温度下进行拉丝并涂覆，获得4/125μm掺铒光纤，光纤的基本性能参数如表6所示。
50.表3实施例二中各沉积层的组分流量(sccm)
51.芯区组成沉积层数sicl4er(tmhd)3ce(tmhd)3alcl3gecl4非掺铒区1～3300///240中心掺铒区1～103003601200190/
52.实施例三：
53.掺铒光纤芯棒的沉积方法、套管处理方法、光纤结构等都与实施例一相同。不同的是锗氟共掺石英管中过渡层3、掺氟石英管中掺氟石英层4与纯石英层的相对折射率差δn1均为0.0142；沉积温度为1750℃，转速为30rpm/min，氢氧焰的移动速度为100mm/min，同时沉积芯区时反应物料的设置不同，如表4所示。电子探针测试结果表明，中心掺铒区1的组分及平均含量分别为sio2：97.95wt.％，er2o3：0.37wt.％，al2o3：0.68wt.％，ce2o3：1.0wt.％；非掺铒区2的组分及平均含量分别为sio2：97.5wt.％，geo2：2.5wt.％；过渡层3的组分及含量分别为sio2：94.9wt.％，geo2：1.4wt.％，f：3.7wt.％；掺氟石英层4的组分及含量分别为sio2：96.7wt.％，f：3.3wt.％。芯棒制作完成后，以带有纯石英阻挡层5的掺氟石英管为套管，根据光纤的几何参数选择合适的套管工艺以使其满足光纤芯包比的要求。其中芯区的中心掺铒区1和非掺铒区2的外径分别为2.3mm、3.0mm(外径比为1：1.3)，芯区和过渡层3的的外径分别为3.0mm和4.5mm(外径比为1：1.5)，掺氟石英层4与纯石英阻挡层5的外径分别为12.5mm、15.0mm(外径比为1：1.2)。最后，在1950℃的温度下进行拉丝并涂覆，获得4/125μm掺铒光纤，光纤的基本性能参数如表6所示。
54.表4实施例三中各沉积层的组分流量(sccm)
55.芯区组成沉积层数sicl4er(tmhd)3ce(tmhd)3alcl3gecl4非掺铒区1～6300///120中心掺铒区1～1030012080050/
56.实施例四：
57.掺铒光纤芯棒的沉积方法、套管处理方法、光纤结构等都与实施例一相同。不同的是锗氟共掺石英管中过渡层3、掺氟石英管中掺氟石英层4与纯石英层的相对折射率差δn1均为0.020；沉积温度为1300℃，转速为30rpm/min，氢氧焰的移动速度为80mm/min，同时沉
积芯区时反应物料的设置不同，如表5所示。电子探针测试结果表明，中心掺铒区1的组分及平均含量分别为sio2：99.7wt.％，er2o3：0.1wt.％，al2o3：0.2wt.％；非掺铒区2的组分及平均含量分别为sio2：98.5wt.％，geo2：1.5wt.％；过渡层3的组分及含量分别为sio2：94.5wt.％，geo2：1.0wt.％，f：4.5wt.％；掺氟石英层4的组分及含量分别为sio2：95.7wt.％，f：4.3wt.％。芯棒制作完成后，以带有纯石英阻挡层5的掺氟石英管为套管，根据光纤的几何参数选择合适的套管工艺以使其满足光纤芯包比的要求，与实施例一相同。其中芯区的中心掺铒区1和非掺铒区2的外径分别为1.0mm、1.05mm(外径比为1：1.05)，芯区和过渡层3的外径分别为1.05mm、4.2mm(外径比为1：4)，掺氟石英层4与纯石英阻挡层5的外径分别为12.4mm、13mm(外径比为1：1.05)。最后，在1950℃的温度下进行拉丝并涂覆，获得4/125μm掺铒光纤，光纤的基本性能参数如表6所示。
58.表5实施例四中各沉积层的组分流量(sccm)
59.芯区组成沉积层数sicl4er(tmhd)3alcl3gecl4非掺铒区1300//70中心掺铒区1～10300305/
60.比较例和四个实施例所得光纤的基本性能参数对比如表6所示，可以看出，相比于比较例，按照本发明的方法所得掺铒光纤的背景损耗有所降低，且背景损耗随着共掺剂含量的减少而降低，说明减少芯区共掺剂含量有助于降低光纤背景损耗。图4显示了比较例和实施例一、三所得掺铒光纤的增益随辐照剂量的变化，可以看出，按照本发明的制备方法所得掺铒光纤的增益衰减比普通掺铒光纤明显减少，且掺ce光纤的耐辐照性能比未掺ce有所提高，说明采用本发明的方法可以获得具有优异耐辐照性能的掺铒光纤。
61.表6比较例和四个实施例所制备掺铒光纤的性能参数对比
[0062][0063]
需要说明的是，以上仅是本发明的描述实施例，不应视为对本发明专利保护范围的限制，凡是本发明所揭示的原理和方法，或在不脱离本发明的精神和范围内对说明书及附图内容进行改进或结构变换，运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒，其特征在于：包括芯区和由内至外依次包覆在芯区外表面的掺氟包层和纯石英阻挡层(5)，所述掺氟包层与纯石英阻挡层(5)的相对折射率差δn1的取值范围为0.007～0.020；所述芯区由内至外依次包括中心掺铒区(1)和非掺铒区(2)；所述掺氟包层由内至外依次包括过渡层(3)和掺氟石英层(4)；所述过渡层(3)和掺氟石英层(4)的折射率相等，芯区与掺氟包层的相对折射率差δn的取值范围为0.013～0.021。2.根据权利要求1所述的一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒，其特征在于：所述中心掺铒区(1)的组分及含量分别为sio2：95.0～99.7wt.％，er2o3：0.1～1.2wt.％，al2o3：0.2～2.3wt.％，ce2o3：0～1.5wt.％；所述非掺铒区(2)的组分及含量分别为sio2：95.0～98.5wt.％，geo2：1.5～5.0wt.％；所述过渡层(3)的组分及含量分别为sio2：93.0～96.9wt.％，geo2：1.0～2.5wt.％，f：2.1～4.5wt.％；所述掺氟石英层(4)的组分及含量分别为sio2：95.7～98.5wt.％，f：1.5～4.3wt.％。3.根据权利要求2所述的一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒，其特征在于：所述中心掺铒区(1)和非掺铒区(2)的外径比为1：1.05～1.3，所述芯区与过渡层(3)的外径比为1：1.5～4，所述掺氟石英层(4)与纯石英阻挡层(5)的外径比为1：1.05～1.2。4.一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)采用等离子体化学气相沉积法制备锗氟共掺石英管、掺氟石英管；步骤2)将步骤1)制备得到的锗氟共掺石英管作为沉积衬管，采用改进的化学气相沉积结合螯合物气相掺杂的方法依次沉积非掺铒区(2)和中心掺铒区(1)，并高温烧缩成实心芯棒；步骤3)将步骤2)得到的实心芯棒最外层纯石英层去除；步骤4)根据芯包比的需求，采用一次或多次套管工艺将步骤3)处理好的芯棒与步骤1)制备得到的掺氟石英管结合制成权利要求1-3任一所述的掺铒光纤预制棒；多次套管工艺时，将上一次套管后的外部纯石英阻挡层去除。5.根据权利要求4所述的一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述锗氟共掺石英管由内至外依次排列为过渡层(3)、纯石英层，过渡层(3)和纯石英层的外径比为1：1.05～1.2；所述掺氟石英管由内至外依次排列为掺氟石英层(4)、纯石英阻挡层(5)，掺氟石英层(4)与纯石英阻挡层(5)的外径比为1：1.05～1.2。6.根据权利要求5所述的一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒的制备方法，其特征在于，步骤2)中，沉积参数为：沉积温度为1300～1900℃，转速为30rpm/min，氢氧焰的移动速度为80～100mm/min。7.根据权利要求6所述的一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒的制备方法，其特征在于：步骤3)具体为，采用机械研磨或抛光法将步骤2)得到的实心芯棒最外层纯石英层去
除；步骤4)中，多次套管工艺时，采用机械研磨或抛光法将上一次套管后的外部纯石英阻挡层(5)去除。

技术总结
本发明涉及光纤预制棒制造技术，具体涉及一种基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒及其制备方法。解决了现有掺铒光纤共掺剂含量高导致耐辐照性能差以及纳米颗粒掺杂技术无法实现Er


技术研发人员：折胜飞 侯超奇 郭海涛 高菘 张岩 李艺昭 李万航
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/7/5