[发明专利]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

说明书

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Ersupgt;3+/supgt;高浓度掺杂的技术问题。本发明基于掺氟包层的耐辐照掺铒光纤预制棒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，掺氟包层与纯石英阻挡层的相对折射率差Δnsubgt;1/subgt;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和非掺铒区；掺氟包层由内至外依次包括过渡层和掺氟石英层；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。同时，本发明还提供了制备本发明耐辐照掺铒光纤预制棒的制备方法。

技术领域

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

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。

通常，为提高Er³⁺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(IEEETransactions 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。

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Er³⁺，为避免离子浓度淬灭效应，Er³⁺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。

发明内容

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Er³⁺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。

本发明的技术解决方案是：

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；

所述芯区由内至外依次包括中心掺铒区和非掺铒区；

所述掺氟包层由内至外依次包括过渡层和掺氟石英层；

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。