王 芹

(中國電子科技集團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]。

由于摻雜光纖設計和制造技術的進步，實現(xiàn)了光纖激光器的高功率輸出。光纖結構，如大模場(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一步增大。在這些方面優(yōu)化波導結構通常需要制造具有大芯徑和更加復雜的幾何結構，對于這兩個先決條件，制造過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。

使用改進的化學氣相沉積(MCVD)制備制作的光纖預制棒過程中[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，但仍會遇到類似問題[7]。為克服這些問題，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多孔氧化物層沉積層(疏松層)在石英管內部沉積；再將做好疏松層的石英管從車床上取出，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 1～2h后抽干溶液，剩下的溶劑蒸發(fā)；然后在車床上重新組裝石英管，將摻雜有稀土元素的疏松層進行燒結，形成光纖預制棒。溶液摻雜技術，由于其工藝簡單、成本低，被廣泛用來制作摻雜光纖預制棒。

然而，其缺點也是明顯的。在預制棒制造過程中需要沉積多個層，當石英管重新裝回到車床上時，必須重新熔接，這種重復的拆卸和組裝將減少預制棒可用的長度，無形中增加了單根預制棒的成本；此外，在設備間傳送石英管時，也有可能引入污染物和降低預制棒強度的灰塵等雜質，而且溶液浸泡疏松層過程非常耗時，只適合2～4層的沉積。

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

1 制作預制棒

在 MCVD設備上制備光纖預制棒，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壁上。為了保證疏松層良好的疏松度，火焰溫度應控制在 1550～1650℃之間。不像傳統(tǒng)的溶液摻雜法那樣，從車床上移除石英管，而是如圖 1所示，把一個直徑小一些的石英管放入沉積管的尾部，另一端管通過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到預定長度，輸送管就會被取出，剩下的溶劑就會蒸發(fā)掉。在新的工藝中，石英管并沒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行干燥，時間約為 30min，完全干燥后，摻雜的氧化層就會被燒結，再通過常規(guī)方式進行縮棒。

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

2 對比采用不同工藝制備的預制棒

我們通過改進工藝流程，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。預制棒 A采用新工藝制備，摻雜溶液以10～12mL/min的進料速率被送入石英管，直到疏松層浸透，之后充入氮氣干燥30min。整個過程中，石英管一直在車床上。預制棒B采用常規(guī)溶液摻雜法制備，1h垂直浸泡，1h垂直干燥。測試結果如圖 2。預制棒 A的芯 NA值約為0.17，而預制棒B的芯NA值為0.13；A和B的芯徑分別為0.99mm和0.86mm。每個預制棒折射率隨長度的變化小于 5×10-4。芯徑的微小差異是由于摻雜溶液在導入時石英管體積增加所致[11]。

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

3 對比兩種工藝制備的摻鐿光纖

為了進一步評估鐿的摻雜濃度，預制棒 A和預制棒 B都會制作成雙包層光纖(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。使用率光時域反射計(OTDR)在 1285nm 波長測量了兩根光纖的損耗，光纖長度為 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

為了補償測量過程中設備的微小不穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)點上已經包含了 5%的誤差，并應用了線性擬合。光纖 A的輸出功率達到 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 語

利用新的溶液摻雜工藝制備摻鐿光纖是可行的。該工藝與標準 MCVD設備兼容，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，減少預制棒的制作時間，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域。