摻雜光纖預制棒制造工藝的改進

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＋)具有較寬的發射帶寬(一般為 975～1200nm)、激發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+)沉積在傳統的起泡系統中。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；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。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定性，在數據點上已經包含了 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。