一种用作增益介质的掺铋多组分玻璃光纤及其制备方法

1.本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种用作增益介质的掺铋多组分玻璃光纤及其制备方法。


背景技术：

2.自从上世纪激光器和低损耗石英光纤相继问世以来，现代通信技术实现了全球的信息共享与交互。人们对主动激光介质的研究给予了极大的关注，以稀土掺杂石英玻璃作为增益介质，实现了在光纤放大器与光纤激光器中的广泛应用。随着信息量爆炸式增长，现有的光纤通信系统面对了前所未有的挑战。传统的光纤通信系统基本都运用在c与l波段，而且仅使用其中的一小部分。其他的若干通信波段没有被广泛的应用的原因是没有合适的增益介质。
3.掺铋光纤在光通信波段展现了巨大的潜力，其近红外发光覆盖了整个光通信波段。因此，开发高增益的铋掺杂光纤具有重要的研究意义和应用价值。近年来，研究人员利用mcvd法制备了掺铋玻璃光纤并实现了多波段光放大及光纤激光的应用。由于mcvd法制备的预制棒多为一元、二元，掺铋玻璃光纤纤芯铋含量低(大约为0.005mol％)，因此增益中心含量也较低，较难实现高增益。
4.纤芯熔融法是获得高掺铋离子多组分玻璃光纤的有效方法(如：专利公开号cn104609722a)。然而，利用该方法制备的掺杂铋离子光纤仅表现出荧光效应，而没表现出光纤的放大自发辐射效应，不符合作为增益光纤的要求。


技术实现要素：

5.为了克服目前纤芯熔融法仍无法制备具有放大自发辐射效应的高掺杂铋离子多组分光纤的局限性，本发明的目的在于提供一种基于纤芯熔融法制备的用作增益介质的掺铋多组分玻璃光纤及其制备方法。本发明的玻璃光纤具有铋掺杂浓度高、光纤放大自发辐射效应明显等特点。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种掺铋多组分玻璃光纤，由掺铋多组分玻璃纤芯和包层组成，经纤芯熔融法拉丝制备成掺铋多组分玻璃光纤。
8.所述掺铋多组分玻璃纤芯，主要由以下按摩尔百分比计的原料制备而成：
9.geo2：10～40％，优选为12～20％
10.al2o3：20～30％
11.mgo：8～20％，优选为8～10％
12.bi2o3：0.3～1％
13.余量为sio2。
14.所述掺铋多组分玻璃纤芯的原料，还包括b2o3；
15.此时所述掺铋多组分玻璃纤芯，由以下按摩尔百分比计的原料制备而成：
16.geo2：10～40％，优选为12～20％
17.al2o3：20～30％
18.mgo：8～20％，优选为8～10％
19.bi2o3：0.3～1％
20.b2o3：0.5～2％
21.余量为sio2。
22.所述掺铋多组分玻璃光纤的包层为高纯石英管。
23.所述掺铋多组分玻璃光纤的制备方法，包括以下步骤：
24.1)将sio2、geo2、al2o3、mgo以及bi2o3进行熔融，获得玻璃熔体；或者将sio2、geo2、al2o3、mgo、bi2o3以及b2o3进行熔融，获得玻璃熔体；
25.2)将玻璃熔体浇注模具中，退火处理，冷却，获得玻璃；
26.3)将玻璃加工成纤芯玻璃棒，并置于中空的包层中，制成预制棒；
27.4)将预制棒拉制成光纤。
28.所述熔融是指于1500℃～1650℃进行熔融保温1～2小时，随后搅拌30～45分钟，最后降温30℃～50℃熔融10～30分钟。
29.所述退火处理的条件为450～600℃退火处理18～30h。所述冷却的速率为0.1～2℃/min。
30.所述模具为预热的模具，预热的温度为450～600℃。
31.纤芯玻璃棒尺寸为直径1.5～3mm，长度为50～80mm；
32.所述包层(石英棒)内径大于纤芯棒0.05～0.1mm，外径25～35mm，长度150～300mm。
33.纤芯玻璃棒置于包层中后，包层的底部采用实心石英棒封口。采用实心石英棒封口时利用氢氧焰烧结使其粘附在一起。
34.所述拉制是指拉丝，拉丝的温度为2030～2100℃，拉丝的时间为10～15min。
35.当原料中含有b2o3时，拉丝的温度为2000～2030℃。
36.拉丝塔以200℃/min迅速升温至包层的拉丝温度，通过调整拉丝速度及进料速度，拉制可以和商用石英光纤匹配的尺寸。
37.光纤的直径为125～150μm。
38.所述掺铋多组分玻璃光纤在光放大器和光纤激光器中用作增益介质。
39.本发明通过合理设计玻璃中的微观拓扑环境，不仅提高铋的掺杂量，且能够提高掺铋多组分玻璃光纤的近红外发射并使其表现出放大自发辐射效应。现有技术中，并未有人研制出al2o3大于20％的多组分增益光纤。
40.本发明解决了传统mcvd方法无法实现铋高掺、纤芯组分单一、工艺复杂的技术难题，且解决了管棒法所制得的光纤无法与商用石英光纤熔接的难题，在熔接后用808nm泵浦获得了宽带放大自发辐射信号，放大自发辐射信号随着激光功率增加而增加。
41.与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：
42.(1)采用本发明的方法，铋在纤芯中的掺杂浓度比传统的mcvd法制备的铋掺杂光纤高两个数量级，不会出现管棒法制备的铋掺杂光纤发光中心易失活的现象，
43.(2)纤芯部分为多组分玻璃，突破了mcvd法和管棒法制备的光纤的组分限制，且制
备工艺简单；
44.(3)采用本发明的方法，掺铋多组分玻璃光纤可很好的与商业石英光纤进行熔接，且具有明显的宽带放大自发辐射谱(放大自发辐射)信号，可覆盖1.1μm～1.5μm近红外波段；
45.(4)采用本发明的方法，可用于光放大器和光纤激光器中的增益介质，提高光通信系统的信息传输能力。
附图说明
46.图1为本发明的实施例1中光纤的侧面显微镜图；
47.图2为本发明的实施例1中光纤的放大自发辐射谱；
48.图3为本发明的实施例3中光纤的侧面显微镜图；
49.图4为氧化铝低于20％时对比例1的光纤的侧面显微镜图；
50.图5为氧化铝低于20％时对比例1的光纤的放大自发辐射谱。
具体实施方式
51.下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
52.实施例1
53.一种掺铋多组分玻璃光纤的制备方法，包括以下步骤：
54.(1)选取高纯度的sio2、geo2、al2o3、mgo、bi2o3作为原料，其中sio2:geo2:al2o3:mgo:bi2o3的摩尔比为56:14:21:8.5:0.5，称量总重量为150g的原料，将原料在玛瑙研钵中研磨30分钟，得到充分混合的原料；
55.(2)将研磨好的混合物放在氧化铝坩埚中，并在1550℃进行熔化1小时，随后用石英搅拌棒搅拌30分钟(每10分钟换一根洁净的石英搅拌棒)，最后降温50℃保温20分钟；
56.(3)将玻璃熔体浇注在550℃预热的长方体金属模具中，迅速将玻璃块体转移至马弗炉，在550℃进行退火，保温20小时，最后以0.5℃/min的速率冷却降至室温，得到消除内应力后的透明棕红色多组分玻璃；
57.(4)将(3)所制备的玻璃在冷加工机床上加工成直径2.5mm、长度70mm多组分玻璃芯棒，并对其表面进行抛光；
58.(5)将(4)所制备的铋掺杂多组分玻璃芯棒进行酸清洗，放入包层石英管(内径2.6mm，外径25mm)中，石英管底部用实心的石英棒封口(氢氧焰处理)，得到完整的铋掺杂多组分玻璃光纤预制棒；
59.(6)将(5)制备的预制棒置于高温拉丝塔内，以200℃/min迅速升温至2050℃，保温15分钟，预制棒软化，通过调整进料速度及拉丝速度，拉制直径125μm的掺铋多组分玻璃光纤。
60.对制备好的光纤进行表征，所制备的掺铋多组分玻璃光纤透光性能良好，芯连续且芯包结构完整，光纤柔韧性良好。将光纤与商用石英光纤熔接后测试其放大自发辐射谱，泵浦光为808nm，发现其具有一个宽带的信号，信号强度随泵浦功率的提高而提高。由此可见，本发明中该光纤具有作为光放大器和光纤激光器中增益介质的潜力。
61.图1为本发明的实施例1中光纤的侧面显微镜图；
62.图2为本发明的实施例1中光纤的放大自发辐射谱。
63.实施例2
64.一种掺铋多组分玻璃光纤的制备方法，包括以下步骤：
65.(1)选取高纯度的sio2、geo2、al2o3、mgo、bi2o3作为原料，其中sio2:geo2:al2o3:mgo:bi2o3的摩尔比为46:15:30:8.5:0.5，称量总重量为150g的原料，将原料在玛瑙研钵中研磨30分钟，得到充分混合的原料；
66.(2)将研磨好的混合物放在氧化铝坩埚中，并在1650℃进行熔化1小时，随后用石英搅拌棒搅拌30分钟(每10分钟换一根洁净的石英搅拌棒)，最后降温30℃保温20分钟；
67.(3)将玻璃熔体浇注在550℃预热的长方体金属模具中，迅速将玻璃块体转移至马弗炉，在550℃进行退火，保温20小时，最后以0.5℃/min的速率冷却降至室温，得到消除内应力后的透明棕红色多组分玻璃；
68.(4)将(3)所制备的玻璃在冷加工机床上加工成直径2.5mm、长度50mm多组分玻璃芯棒，并对其表面进行抛光；
69.(5)将(4)所制备的铋掺杂多组分玻璃芯棒进行酸清洗，放入包层石英管(内径2.6mm，外径25mm)中，石英管底部用实心的石英棒封口(氢氧焰处理)，得到完整的铋掺杂多组分玻璃光纤预制棒；
70.(6)将(5)制备的预制棒置于高温拉丝塔内，以200℃/min迅速升温至2100℃，保温15分钟，预制棒软化，通过调整进料速度及拉丝速度，拉制直径125μm的掺铋多组分玻璃光纤。
71.对制备好的光纤进行表征，所制备的掺铋多组分玻璃光纤透光性能良好，芯连续且芯包结构完整，光纤柔韧性良好。将光纤与商用石英光纤熔接后测试其放大自发辐射谱，泵浦光为808nm，发现其具有一个宽带的信号。由此可见，本发明中该光纤具有作为光放大器和光纤激光器中增益介质的潜力。
72.实施例3
73.一种掺铋多组分玻璃光纤的制备方法，包括以下步骤：
74.(1)选取高纯度的sio2、geo2、al2o3、mgo、bi2o3、b2o3作为原料，其中sio2:geo2:al2o3:mgo:bi2o3:b2o3的摩尔比为56:14:20:8.5:0.5:1，称量总重量为150g的原料，将原料在玛瑙研钵中研磨30分钟，得到充分混合的原料；
75.(2)将研磨好的混合物放在氧化铝坩埚中，并在1560℃进行熔化1小时，随后用石英搅拌棒搅拌30分钟(每10分钟换一根洁净的石英搅拌棒)，最后降温40℃保温20分钟；
76.(3)将玻璃熔体浇注在550℃预热的长方体金属模具中，迅速将玻璃块体转移至马弗炉，在550℃进行退火，保温20小时，最后以0.5℃/min的速率冷却降至室温，得到消除内应力后的透明棕红色多组分玻璃；
77.(4)将(3)所制备的玻璃在冷加工机床上加工成直径2.5mm、长度70mm多组分玻璃芯棒，并对其表面进行抛光；
78.(5)将(4)所制备的铋掺杂多组分玻璃芯棒进行酸清洗，放入包层石英管(内径2.6mm，外径25mm)中，石英管底部用实心的石英棒封口(氢氧焰处理)，得到完整的铋掺杂多组分玻璃光纤预制棒；
79.(6)将(5)制备的预制棒置于高温拉丝塔内，以200℃/min迅速升温至2000℃，保温
15分钟，预制棒软化，通过调整进料速度及拉丝速度，拉制直径125μm的掺铋多组分玻璃光纤。
80.对制备好的光纤进行表征，所制备的掺铋多组分玻璃光纤透光性能良好，如图3所示，芯连续且芯包结构完整，且芯径较小，利于和商业通信光纤熔接。将光纤与商用石英光纤熔接后测试其放大自发辐射谱，泵浦光为808nm，发现其具有一个宽带的信号。由此可见，本发明中该光纤具有作为光放大器和光纤激光器中增益介质的潜力。
81.图3为本发明的实施例3中光纤的侧面显微镜图。
82.对比例1
83.当氧化铝低于20％时，一种掺铋多组分玻璃光纤的制备方法，包括以下步骤：
84.(1)选取高纯度的sio2、geo2、al2o3、mgo、bi2o3作为原料，其中sio2:geo2:al2o3:mgo:bi2o3的摩尔比为66:20:5:8.5:0.5，称量总重量为150g的原料，将原料在玛瑙研钵中研磨30分钟，得到充分混合的原料；
85.(2)将研磨好的混合物放在氧化铝坩埚中，并在1650℃进行熔化1小时，随后用石英搅拌棒搅拌30分钟(每10分钟换一根洁净的石英搅拌棒)，最后降温30℃保温20分钟；
86.(3)将玻璃熔体浇注在550℃预热的长方体金属模具中，迅速将玻璃块体转移至马弗炉，在550℃进行退火，保温20小时，最后以0.5℃/min的速率冷却降至室温，得到消除内应力后的多组分玻璃；
87.(4)将(3)所制备的玻璃在冷加工机床上加工成直径2.5mm、长度50mm多组分玻璃芯棒，并对其表面进行抛光；
88.(5)将(4)所制备的铋掺杂多组分玻璃芯棒进行酸清洗，放入包层石英管(内径2.6mm，外径25mm)中，石英管底部用实心的石英棒封口(氢氧焰处理)，得到完整的铋掺杂多组分玻璃光纤预制棒；
89.(6)将(5)制备的预制棒置于高温拉丝塔内，以200℃/min迅速升温至2100℃，保温15分钟，预制棒软化，通过调整进料速度及拉丝速度，拉制直径125μm的掺铋多组分玻璃光纤。
90.对制备好的光纤进行表征，光纤横截面较粗糙，芯不圆，且没有测得ase的信号。
91.图4为氧化铝低于20％时对比例1的光纤的侧面显微镜图；
92.图5为氧化铝低于20％时对比例1的光纤的放大自发辐射谱。
93.上述实施例为本发明中较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。