[发明专利]一种大模场单模耐辐照铒镱共掺光纤及其制备方法

说明书

本发明公开了一种大模场单模耐辐照铒镱共掺光纤及其制备方法，解决了现有高能粒子辐照条件下铒镱共掺光纤性能下降甚至失效以及更高功率单模输出的问题，包括由内至外依次设置的纤芯、内包层、外包层；所述纤芯包括由内至外依次设置的中心芯层、环形下陷芯层、环外芯层；所述纤芯的Er、Yb组分含量由内到外沿径向呈幂函数渐变分布，幂函数的指数α为0.3～0.6，具体含量为：Er：0.05～0.3Wt.％，Yb：1～5Wt.％；纤芯共掺组分为P、Ce、F；所述外包层为下陷掺氟层。

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种大模场单模耐辐照铒镱共掺光纤及其制备方法。

背景技术

空间激光通信技术具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优势，且其通信终端体积小、功耗低、实用性极高，被认为是解决传统无线电通信带宽不足、速率不高、实时性不好的最佳方案。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。

近年来，探月、火星探测等深空探索活动日益频繁，空间数据高速率、远距离的传输显得尤为关键，因而对光纤放大器的输出功率提出了更高的要求。但是，传统掺铒光纤放大器的饱和输出功率只能达到约30dBm(1W)，无法满足空间激光通信高输出功率的要求。研究人员发现，在掺铒光纤中共掺Yb³⁺是最为理想的解决方案，由于Yb³⁺具有比Er³⁺更大的吸收截面(800～1100nm)，且Yb³⁺在磷硅酸盐基质中的溶解度远远大于Er³⁺，因而Yb³⁺可作为敏化剂使能量从Yb³⁺的²F_5/2能级传递到Er³⁺的⁴I_11/2能级，有效提升光纤对泵浦光的吸收，从而显著提高增益和输出功率。因此，铒镱共掺光纤放大器适合用于1.5μm波段的高功率放大，实现高速率、远距离的空间激光通信。

然而，太空环境中存在大量辐射源，诸如γ射线、电子、质子、α粒子等高能粒子束，铒镱共掺光纤器件受到太空高能粒子辐照的强烈作用，使光纤传输损耗急剧增加，激光增益性能大幅下降最终失效。通常，纤芯组分中除Er³⁺、Yb³⁺外，通常为提高稀土离子在石英玻璃中的溶解度、改变光纤折射率或改善光纤性能而必须引入共掺剂，如Al、P等，但这些共掺剂不仅在短波长有较强的吸收带，还可导致近红外范围辐致损耗的增加，使得铒镱共掺光纤的耐辐照性能明显降低。

此外，为保证Er³⁺、Yb³⁺的高浓度均匀掺杂，纤芯中P含量须为10-17mol％，使得其数值孔径为0.11-0.17，无法继续降低，导致铒镱共掺光纤单模运转的最大芯径为11～12μm，功率继续提升将会面临着非线性效应问题，从而限制了其更高激光功率单模输出。为提高激光器的输出功率同时保证其光束质量，降低非线性效应阈值，大模场低数值孔径光纤逐渐成为了研究热点。因此，提高铒镱共掺光纤的耐辐照性能和大模场单模激光输出对于实现其空间应用具有重要意义。

发明内容

为解决高能粒子辐照条件下铒镱共掺光纤性能下降甚至失效以及更高功率单模输出的问题，本发明提供一种新型结构、耐辐照、大模场单模的铒镱共掺光纤。

一种大模场单模耐辐照铒镱共掺光纤，其特殊之处在于：包括由内至外依次设置的纤芯、内包层、外包层；

所述纤芯包括由内至外依次设置的中心芯层、环形下陷芯层、环外芯层；

所述纤芯的Er、Yb组分含量由内到外沿径向呈幂函数渐变分布，幂函数的指数α为0.3～0.6，具体含量为：Er：0.05～0.3Wt.％，Yb：1～5Wt.％；纤芯共掺组分为P、Ce、F；

所述外包层为下陷掺氟层。