[發明專利]基于原子層沉積技術的高濃度鉺鋁共摻放大光纖及其制造方法

無效

• 申請號: 201110190433.4
• 申請日: 2011-07-08
• 公開（公告）號: CN102253446A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 孫曉嵐;董艷華;李超;劉曉虹;謝莉彬
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G02B6/036
• 分類號: G02B6/036;C23C16/40;C23C16/44
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

????本發明涉及一種基于原子層沉積技術的高濃度鉺鋁共摻放大光纖及其制造方法，屬于光纖技術領域。

背景技術

稀土摻雜放大光纖作為光纖通信的核心元件，可用于構建激光器、光放大器、傳感器、寬帶光源等系統。因其具有增益高、噪聲低、功率大、工作頻帶寬、偏振無關、信道串擾小等特性，從單純的光信號放大已廣泛應用到信息、國防、醫藥、工業等領域。然而，隨著光通信技術的快速發展，現有放大光纖的性能已無法滿足寬帶、高速通信的需求。傳統的光纖摻雜技術主要有基于改進化學氣相沉積法（MCVD）的氣相和液相兩種技術，但由于它們的摻雜材料大多以亞微米微粒的形式存在，導致均勻性較差，摻鉺光纖在摻雜濃度較高時，易聚集形成團簇，引起濃度猝滅、光致暗化等現象，制約了其光放大性能。而Er³⁺與Al³⁺聯合摻雜可以有效解決這一問題。

原子層沉積（ALD）技術是一種化學氣相沉積技術，它是將摻雜源的氣相前驅體脈沖交替的引入到加熱反應器中，然后依次進行化學吸附過程沉積于基底表面，直至表面飽和時自動終止。其優點主要體現在：可以精確控制薄膜厚度（原子層尺度）；由于前驅體是飽和化學吸附，可保證生成保形、均勻、大面積的薄膜；可廣泛適用于各種基質材料；對溫度的要求不高等。由于其摻雜的高均勻、高濃度、多元性等特性，應用到光纖制備過程中，就可以制備出均一性好、分散性高、摻雜濃度高的摻鉺光纖。

因此，從摻雜技術入手，深入探索新型摻稀土元素放大光纖的制備技術，制備均一性好、分散性高、摻雜濃度高的鉺鋁共摻光纖，是提高鉺鋁共摻光纖有源器件性能的必由之路，具有廣泛的研究意義和普遍的應用價值。

發明內容

本發明的目的在于根據原子層沉積技術的優勢，將納米材料與光纖制備相結合，提供一種基于原子層沉積技術的高濃度鉺鋁共摻放大光纖及其制造方法。該光纖具有增益譜寬、放大效率高、結構簡單、價位低廉，易于產業化生產等特點，可用于制作激光器、光放大器、傳感器、寬帶光源等。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種基于原子層沉積技術的高濃度鉺鋁共摻放大光纖，包括纖芯和包層，其特征在于所述纖芯是由純石英或摻雜少量高折射率的GeO₂疏松層，及利用原子層沉積技術同時沉積適量具有放大功能的稀土元素鉺離子和鋁離子構成，所沉積的鉺鋁混合薄膜位于纖芯中；所述包層是由比纖芯折射率低的純石英構成。

一種基于原子層沉積技術的高濃度鉺鋁共摻放大光纖的制造方法，用于制作上述光纖，其操作方法如下：

1）首先在改進化學氣相沉積法（MCVD）制棒機上用氣相沉積法依次沉積包層（2）及純石英或摻雜少量高折射率的GeO₂疏松層，然后將預制棒石英管安放在原子層沉積（ALD）技術的沉積反應腔中，再利用ALD技術交替沉積Er₂O₃和Al₂O₃薄膜，直到到達理想厚度。其中Er(thd)₃和O₃是用來沉積Er₂O₃的氣相前驅體，Al(CH₃)₃和O₃用來生長Al₂O₃薄膜。整個反應腔采用輻射加熱，溫度均勻，控制在300-400℃之間。反應前驅體的氣相脈沖受惰性氣體脈沖閥門控制，被引入反應室中。沉積過程中，采用微脈沖模式，可避免過多的反應前驅體充滿反應室，又可提供足夠的劑量和反應時間使分子滲入到疏松層煙炱中。采用三通閥門結構設計，可十分方便地采用惰性氣體對容器內壁及其相鄰管路內多余的反應前驅體及其副產物進行清洗。

2）將經過包層沉積和特殊纖芯沉積后的石英管，采用縮棒工藝形成實心光纖預制棒；

3）拉制光纖。

本發明的放大機理：

摻雜鋁離子不僅可以降低鉺離子團聚，提高摻雜濃度，而且可以有效的使摻鉺放大光纖的增益譜平坦化。由于三價的鉺離子需要6到8個氧原子進行配位，而SiO₂的玻璃網絡結構很致密，其中的非橋接氧含量很少，使得鉺離子難以與石英玻璃網絡體系形成化學鍵而結合，所以當鉺離子濃度提高時，SiO₂所提供的非橋接氧不能滿足它們的配位需要，這使得鉺離子處于高焓的狀態。根據熱力學原理，它們不得不團簇在一起共享非橋接氧以降低焓。共摻后，Al離子可以提供更多的非橋接氧，降低鉺離子團簇，提高鉺離子的摻雜濃度。