[發明專利]一種大模場單模耐輻照鉺鐿共摻光纖及其制備方法

有效

• 申請號: 202111121323.2
• 申請日: 2021-09-24
• 公開（公告）號: CN113917599B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 折勝飛;侯超奇;郭海濤;高崧;張巖;李藝昭;王根成
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B6/036
• 分類號: G02B6/036;G02B6/02;C03B37/018;C03B37/027;C03C25/54;C03C25/44;C03C25/26;C03C25/1065
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 王少文

本發明公開了一種大模場單模耐輻照鉺鐿共摻光纖及其制備方法，解決了現有高能粒子輻照條件下鉺鐿共摻光纖性能下降甚至失效以及更高功率單模輸出的問題，包括由內至外依次設置的纖芯、內包層、外包層；所述纖芯包括由內至外依次設置的中心芯層、環形下陷芯層、環外芯層；所述纖芯的Er、Yb組分含量由內到外沿徑向呈冪函數漸變分布，冪函數的指數α為0.3～0.6，具體含量為：Er：0.05～0.3Wt.％，Yb：1～5Wt.％；纖芯共摻組分為P、Ce、F；所述外包層為下陷摻氟層。

技術領域

本發明屬于光纖技術領域，具體涉及一種大模場單模耐輻照鉺鐿共摻光纖及其制備方法。

背景技術

空間激光通信技術具有傳輸速率快、通信容量大、抗電磁干擾性能強、保密性高等優勢，且其通信終端體積小、功耗低、實用性極高，被認為是解決傳統無線電通信帶寬不足、速率不高、實時性不好的最佳方案。光纖放大器作為空間激光通信系統的關鍵部件，主要用于光發射系統的高功率放大和光接收系統的前置放大，在空間激光通信中發揮著重要作用。

近年來，探月、火星探測等深空探索活動日益頻繁，空間數據高速率、遠距離的傳輸顯得尤為關鍵，因而對光纖放大器的輸出功率提出了更高的要求。但是，傳統摻鉺光纖放大器的飽和輸出功率只能達到約30dBm(1W)，無法滿足空間激光通信高輸出功率的要求。研究人員發現，在摻鉺光纖中共摻Yb³⁺是最為理想的解決方案，由于Yb³⁺具有比Er³⁺更大的吸收截面(800～1100nm)，且Yb³⁺在磷硅酸鹽基質中的溶解度遠遠大于Er³⁺，因而Yb³⁺可作為敏化劑使能量從Yb³⁺的²F_5/2能級傳遞到Er³⁺的⁴I_11/2能級，有效提升光纖對泵浦光的吸收，從而顯著提高增益和輸出功率。因此，鉺鐿共摻光纖放大器適合用于1.5μm波段的高功率放大，實現高速率、遠距離的空間激光通信。

然而，太空環境中存在大量輻射源，諸如γ射線、電子、質子、α粒子等高能粒子束，鉺鐿共摻光纖器件受到太空高能粒子輻照的強烈作用，使光纖傳輸損耗急劇增加，激光增益性能大幅下降最終失效。通常，纖芯組分中除Er³⁺、Yb³⁺外，通常為提高稀土離子在石英玻璃中的溶解度、改變光纖折射率或改善光纖性能而必須引入共摻劑，如Al、P等，但這些共摻劑不僅在短波長有較強的吸收帶，還可導致近紅外范圍輻致損耗的增加，使得鉺鐿共摻光纖的耐輻照性能明顯降低。

此外，為保證Er³⁺、Yb³⁺的高濃度均勻摻雜，纖芯中P含量須為10-17mol％，使得其數值孔徑為0.11-0.17，無法繼續降低，導致鉺鐿共摻光纖單模運轉的最大芯徑為11～12μm，功率繼續提升將會面臨著非線性效應問題，從而限制了其更高激光功率單模輸出。為提高激光器的輸出功率同時保證其光束質量，降低非線性效應閾值，大模場低數值孔徑光纖逐漸成為了研究熱點。因此，提高鉺鐿共摻光纖的耐輻照性能和大模場單模激光輸出對于實現其空間應用具有重要意義。

發明內容

為解決高能粒子輻照條件下鉺鐿共摻光纖性能下降甚至失效以及更高功率單模輸出的問題，本發明提供一種新型結構、耐輻照、大模場單模的鉺鐿共摻光纖。

一種大模場單模耐輻照鉺鐿共摻光纖，其特殊之處在于：包括由內至外依次設置的纖芯、內包層、外包層；

所述纖芯包括由內至外依次設置的中心芯層、環形下陷芯層、環外芯層；

所述纖芯的Er、Yb組分含量由內到外沿徑向呈冪函數漸變分布，冪函數的指數α為0.3～0.6，具體含量為：Er：0.05～0.3Wt.％，Yb：1～5Wt.％；纖芯共摻組分為P、Ce、F；

所述外包層為下陷摻氟層。