一种宽带的Er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤及其应用

本发明属于光纤，具体涉及一种宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤及其应用。

背景技术：

1、随着第五代通信技术的全面商用，对高容量、高速率的光纤通信网络需求不断增加，作为现代光纤通信网络中的重要组成部分，光纤放大器的增益带宽是影响通讯容量的一个重要因素。尽管过渡金属离子(如cr4+和ni2+)和主族金属元素bi在光通信波段具有宽带发光特性，但它们的发光受周围晶体场环境影响极大，且掺杂浓度极低，在玻璃光纤中发光非常弱，能级寿命较短，噪声系数较高，尚不能在现代光通信领域获得实际应用。

2、稀土离子掺杂玻璃光纤能克过渡金属离子和主族金属元素掺杂玻璃光纤的缺陷，受到相关领域研究人员的广泛关注和研究。在特定的1.5μm通信窗口波段，掺er3+石英光纤的带宽有限(～35nm)，并随着现代光纤通信需求的增加，这个问题日益严峻。近二三十年来，研究人员不断尝试研发满足光网络信号放大需求的新型宽带增益光纤，特别是希望在一根光纤上实现c+l波段(1530～1625nm)的光网络信号放大，增大光通信容量，降低运行成本。在研发一种新型宽带增益光纤，通常需要先从块状玻璃开始，在稀土离子掺杂玻璃中获得宽带发光，然后再制备成光纤。尽管有研究在er3+掺杂玻璃中获得了宽带的发光，如q.qian等人在er3+掺杂锑硼硅酸盐玻璃中获得了带宽为90nm的1.5μm波段发光(qian q,zhao c,yang gf,et al.thermal stability and spectroscopic properties of er3+-doped antimony-borosilicate glasses[j].spectrochimica acta part a:molecularand biomolecular spectroscopy,2008,71(1):280-285.)，r.f.wang等人也在er3+掺杂锗酸盐玻璃中实现了最大带宽为81nm的1.5μm波段的发光(wang r,zhou d,zhao z,etal.effect of optical basicity on broadband infrared fluorescence in erbium-doped germanate glasses[j].journal of alloys and compounds,2012,513:339-342.)，但受限于光纤制备的苛刻要求，如拉丝过程中的析晶、元素扩散等会显著降低光纤的发光性能，包括发光效率和增益带宽。大部分研究仅限于er3+掺杂块体玻璃，目前能成功拉制成为光纤的报道有限，导致er3+掺杂玻璃光纤在1.5μm波段的带宽较窄(＜80nm)。d.l.yang制备了铒镱共掺锗碲酸盐玻璃光纤，fwhm为72nm(35th australian conferenceon optical fibre technology.ieee,2010:1-3)。本课题组也制备出了er3+掺杂碲酸盐玻璃光纤，获得了3db带宽为60～80nm的ase光谱[陈东丹.掺稀土碲酸盐玻璃与光纤应用基础问题研究[d].广州：华南理工大学，2010]。最近，y.xie等人报道了一种包层为石英、纤芯为er3+掺杂硅酸盐玻璃的复合光纤，其在1.5μm波段宽带约为55nm(xiey,congz,zhaoz,etal.preparation of er:yag crystal-derived all-glass silica fibers for a1550-nm single-frequency laser[j].journal of lightwave technology,2021,39(14):4769-4775.)，仍难以满足现代光纤通信需求的，特别是在l波段。此外，研究人员提出通过er3+/tm3+共掺来获得宽的近红外发射带宽，但由于稀土离子固有跃迁特征，它们的能级比较接近，不同稀土离子之间会存在不必要的能量传递和非辐射跃迁，阻碍了er3+/tm3+共掺玻璃光纤的发展，无法实现1.5μm波段宽带发光。因而拓宽er3+掺杂玻璃光纤的在1.5μm波段增益带宽，可实现更多的波数的复用和解复用，进而实现更多光信号的传送，可满足不断增长的高容量、高速率的光通信的需求，还可满足宽带可调谐光纤激光器的需求，将具有重要的应用价值。

技术实现思路

1、本发明拟解决现有的稀土掺杂玻璃光纤难以在1.5μm波段实现超宽带发光这一技术难题，目的在于提供一种宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤及其应用，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤ase光谱覆盖1450～1700nm，其3db带宽可达80～115nm。基于此光纤可实现1.5μm波段宽带光放大和宽带可调谐激光输出。

2、本发明的目的通过如下技术方案实现：

3、本发明提供一种宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤，所述光纤纤芯为er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃，光纤包层为石英玻璃或多组分氧化物玻璃。

4、进一步地，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤的ase光谱覆盖1450～1700nm。

5、进一步地，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤ase光谱的3db带宽为80～115nm。

6、进一步地，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤为单模光纤。

7、进一步地，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤纤芯的直径为4～12μm，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤包层直径为122～128μm。

8、进一步地，所述多组分氧化物玻璃选自多组分硅酸盐玻璃、多组分锗酸盐玻璃、多组分锗硅酸盐玻璃中的两种以上。不同氧化物玻璃可实现折射率和拉丝性能的调节，进而制备不同结构的增益光纤。

9、进一步地，所述包层为全固结构或含有周期性微孔结构。可进一步调控光纤的性能(包括模场、非线性、色散平坦、双折射、泵浦吸收效率等)，可制备出大模场单模光纤，实现高功率的单模激光输出。

10、进一步地，所述含有周期性微孔结构的微孔直径为2～3nm。

11、进一步地，所述含有周期性微孔结构的微孔直径为3nm。

12、进一步地，所述包层表面有聚合物涂覆层。

13、进一步地，所述er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃采用高温熔融-退火法制备，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤采用热拉法，其中热拉法包括管棒法和纤芯熔融法，即所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤可采用商用光纤拉丝塔制备，实现规模化、低成本制备。

14、进一步地，所述宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤采用管棒法制备。

15、本发明提供所述一种宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤在制备1.5μm波段光放大器中的应用。

16、本发明还提供所述一种宽带的er3+掺杂多组分氧化物玻璃光纤在制备1.5μm波段激光产生元件中的应用。

17、进一步地，所述一种宽带的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤可用于制备1.5μm波段光纤放大器和制备1.5μm波段激光产生元件。可实现1.5μm波段可调谐激光、单频激光和锁模激光输出，进而应用于光通信、医疗、成像、激光雷达、传感、材料加工以及中红外激光等领域。

18、本发明通过创造性探索研究发现，稀土离子的发光与玻璃的微结构单元有着密切的联系，而不同的基质玻璃有着不同的微结构单元，对稀土离子的发光峰位和带宽产生一定的影响，如使得发光峰位发生蓝移或红移，发光光谱展宽等。实现er3+宽带发光的方式之一是通过调节稀土离子的配位环境，致使其发射光谱的上下能级发生劈裂，从而增加其发射的带宽。锗酸盐玻璃具有高的晶体场强度，能够增大稀土发光离子的stark劈裂。与er3+掺杂石英光纤以及磷酸盐光纤相比，er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤在1.5μm波段发光峰会发生明显的红移(≥20nm)，可显著拓宽l波段的增益带宽，且通过调整锗酸盐玻璃的组分来调控其玻璃网络结构，ge-o-ge具有多种qn(n＝1～4)模式，可使多组分锗酸盐玻璃中er3+的能级发生了更多的劈裂，从而增加了er3+的发射带宽。此外，基质玻璃还需满足光纤制备的要求，需具有良好的抗析晶性能、机械强度等。多组分锗酸盐玻璃具有良好的机械加工性能和热拉性能，是近红外激光光纤优异的基质材料。因此，玻璃基质的选择是关键的，不同的玻璃基质中er3+具有未知的属性，从实现宽带发光以及拉制光纤这一目标出发，本发明设计了特定的玻璃组分调控玻璃的离子配位局域环境，使er3+与多组分锗酸盐基质玻璃具有协同匹配的作用，实现宽带发光，同时具有良好的热拉性能，可制备成性能优异的增益光纤。

19、本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：

20、(1)本发明制备的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤，其ase光谱覆盖1450～1700nm，其3db带宽可达80～115nm，增益带宽范围大，且c+l波段的发光强度超过最大发光强度值的一半。

21、(2)本发明显著拓宽了er3+掺杂玻璃光纤在1.5μm波段的增益带宽，可实现更多波数的复用和解复用，进而实现更多光信号的传送，可满足不断增长的高容量、高速率的光通信的需求，本发明制备的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤为1.5μm波段宽带光放大器提供核心材料。

22、(3)本发明制备的er3+掺杂多组分锗酸盐玻璃光纤，为1.5μm波段的宽带可调谐的光纤激光器提供核心材料。