[发明专利]一种管‑熔体法制备梯度折射率YAS玻璃芯光纤的方法

说明书

技术领域

本发明涉及YAS玻璃芯光纤制备领域，具体涉及一种管-熔体法制备梯度折射率YAS玻璃芯光纤的方法。

背景技术

在如今的光纤通信系统中，色散问题已成为限制系统通信容量（速率，距离）的主要问题。相比于阶跃型多模光纤，梯度型多模光纤利用折射率梯度分布来压制模间色散，其具有更宽的工作带宽，及更低的衰减性能，在高速以太网中得到广泛的应用。梯度型光纤主要有两种制备方法：（1）通过MCVD法可以精确化控制设计梯度折射率分布石英光纤，整个过程要实时改变掺杂剂的含量，工艺较复杂，制备时间较长。（2）通过界面凝胶或连续挤压扩散工艺制备梯度折射率塑料光纤，整个工艺成本很低且接续和柔韧性好。但是塑料光纤对环境耐受性能较差，主要用于室内短途布线。需要寻找一种易于操作的石英包层的梯度型光纤的制备方法，以充分发挥梯度型石英包层光纤在通信系统的作用。另外梯度折射率光纤可以作为光纤微透镜，相比于商用一些基于结构改变制备的光纤微透镜，梯度折射率光纤能够直接焊接应用于全光纤系统，具有非常好的应用优势，也是时下研究的一个热门方向。

2008年美国Ballato 最先研究了采用管-熔体法制备YAS玻璃芯光纤，使用YAG单晶作为预制棒纤层，拉制光纤后表征了元素分布曲线，并且研究了元素扩散随半径变化的规律。此后，Ballato组和上海光机所对于此法进行改进，用不同掺杂离子（Er Yb Nd）和不同掺杂量（0.1%，1%，5%，10%，15%，50%）的YAG陶瓷或YAG晶体作为预制棒芯层并且报道了一系列关于管-熔体法制备YAS玻璃芯的进展。在这些研究中，研究内容主要为元素的分布规律以及部分关于调控获得光纤的元素分布的尝试。基于元素分布以调控光纤折射率及其应力变化的规律则没有提及。本发明通过改进管-熔体法，在基于SiO₂扩散时间方面的诱导调控进行优化，成功制备出数值孔径为0.4左右的梯度折射率分布结构光纤。

由于YAS（Y-Al-Si-O）玻璃具有很宽的成玻组分范围，Si质量分数在0-55wt%均可成玻，且光学及热膨胀性能与石英包层较匹配。另外相比于石英光纤，YAS含有更高的Y，Al含量。一方面，较高Y的含量可以提高YAS玻璃对稀土元素的溶解性，如在YAG陶瓷稀土掺杂量可达15 at%而不出现团簇和淬灭；另一方面，Y，Al含量提高了光纤非线性效应受激布里渊散射（SBS）的阈值，使其有希望应用于高能激光领域。

如采用工业常用的管棒法拉制梯度折射率的YAS芯玻璃光纤，首先要制备具有梯度折射率的预制棒，再在石英玻璃软化点温度附近拉丝。首先，制备梯度YAS预制棒需要在改进的化学气相沉积（MCVD）工艺在石英体系逐层改变载有Al，Y，稀土离子气体的流速，以精确控制折射率的梯度分布。相比于制备阶跃型光纤，这个过程会极大增加工艺复杂性和成本。另外在拉丝过程，由于YAS玻璃特性对于SiO₂具有较强的溶解倾向，这会改变原有梯度预制棒的折射率分布结构。

发明内容

为了克服管棒法制备YAS玻璃芯梯度折射率光纤存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种简易的管-熔体法制备梯度折射率YAS玻璃芯光纤的方法。利用类似梯度折射率塑料光纤（GI-POF）的界面凝胶或连续挤压扩散工艺通过离子迁移过程调控折射率分布，最终获得梯度分布的YAS玻璃芯光纤。结果表明这种多模光纤具有对称的折射率和应力分布，并且数值孔径较大为0.4左右。另外制备的多模光纤也具有优秀的光束质量，在近场下激光光束强度分布只呈现TEM₀₀模式。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种管-熔体法制备梯度折射率YAS玻璃芯光纤的方法，包括如下步骤：

（1）将YAG材料作为芯棒，所述YAG材料可以是采用固相烧结法制备的YAG陶瓷或者采用商用微下拉法制备的YAG单晶；

（2）选取高纯中通石英管为包层管；

（3）将步骤（1）制备的YAG材料机械加工为圆柱体，将柱面和端面超声清洗，除去杂质；

（4）将步骤（3）清洗后的YAG柱体插入合适内径的中通石英管中，石英管的一端用较细的高纯石英玻璃堵住并且在氢氧焰处理下封管，制成预制棒；

（5）将步骤（4）的预制棒固定在拉丝塔上，使加热区升温至YAG熔融，同时石英包层软化，待预制棒底端在自重力下掉棒后开始拉丝；

（6）通过改变预制棒在热区内拉丝的时间，来实现光纤折射率的调控，得折射率梯度分布的YAS玻璃芯光纤。