一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤及其制备方法与应用。


背景技术：

2.现如今，光纤可作为传输媒介实现长距离、大容量通信，且随着光纤损耗的降低及新的激光器件和光检测器等光通信器件的不断研制成功，光纤通信得到爆炸式的发展，各种实用的光纤通信系统陆续出现。
3.光传输技术一直在不断的发展前进之中，光源、传输介质、传输技术、光器件等各个方面的发展进步，促进了光网络的整体提升。与此同时，光纤应用范围已经由传统领域逐步扩展到太空、核设施等恶劣应用环境中。在这些环境中，光纤材料会因为受到诸如射线、质子、中子等重离子的辐射而导致光纤性能显著下降，因此需要提高特种有源光纤的抗辐照性能。此外，随着激光雷达技术的快速发展，其在太空、核设施等恶劣环境中的应用需求也越发广泛，其中保偏铒镱共掺光纤是激光雷达中的重要介质，直接决定了激光雷达的主要性能。在高能辐射条件下，高能辐射会导致光纤损耗急剧增加，甚至导致光纤增益失效，因此要想激光雷达在高能辐射环境中正常使用，必须提高保偏铒镱共掺光纤的抗辐照性能，基于以上说明，抗辐照保偏铒镱共掺光纤的研发具有重要意义。
4.现有技术中，通过铈的掺杂可以提高光纤的抗辐射性，即抑制光损耗的增加，但在光纤制备过程中，ce
3
离子的掺杂量不能过多，否则会导致光纤的损耗急剧增大，而掺杂过少达不到抗辐照的作用，这也就阻碍了光纤抗辐照性能的进一步提高，因此，需提供一种抗辐照性能更好且不明显提高光纤损耗的保偏铒镱共掺光纤。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤及其制备方法与应用，抗辐照性能好，且对光纤的损耗小，光纤的综合性能好。
6.为达到上述技术目的，本技术采用以下技术方案：第一方面，本技术提供一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，包括以下步骤：s1.在石英反应管内壁沉积磷硅酸盐疏松层；s2.将具有磷硅酸盐疏松层的石英反应管浸泡在含有er
3
、yb
3
、al
3
、ce
3
和sb
3
的掺杂溶液中，浸泡7-9h后取出，并在干燥气氛下干燥，得到掺杂石英管；s3.在所述掺杂石英管的磷硅酸盐疏松层上沉积ge2o3层，得到磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管；s4.将磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管烧缩成透明的石英预制棒；s5.将所述石英预制棒插入含硼棒的石英套管中，再经拉制即得所述抗辐照保偏铒镱共掺光纤。
7.优选的，所述掺杂溶液中，er
3
的配制浓度为0.01-0.35mol/l，yb
3
的配制浓度为
0.15-0.35mol/l，al
3
的配制浓度为1.05-3.25mol/l。
8.优选的，所述ce
3
的配制浓度为0.05-0.08mol/l。
9.优选的，所述sb
3
的配制浓度为0.01-0.03mol/l。
10.优选的，步骤s2中，浸泡过程保持所述具有磷硅酸盐疏松层的石英反应管以20-50rpm的速度旋转。
11.优选的，s1的具体步骤如下：氢氧灯从左向右移动，在1400-1700℃下向石英反应管内同时通入100-300sccm的sicl4以及总流量为300-500sccm的pocl3和o2的混合气体，即得具有磷硅酸盐疏松层的石英反应管。
12.优选的，s3的具体步骤如下：氢氧灯从右向左移动，在1300-1600℃下，向所述掺杂石英管内同时通入300-500sccm的gecl4和500-1000sccm的o2，得到磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管。
13.第二方面，本技术提供一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤。
14.优选的，包括石英套管，同时轴向插设于所述石英套管内部的石英预制棒及2根硼棒，所述石英预制棒设于所述石英套管的中心，2根硼棒关于所述石英预制棒呈对称分布。
15.第三方面，本技术提供一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤在辐照剂量大于等于1000gy条件下的应用。
16.本技术的有益效果如下：1.本方法制备的抗辐照保偏铒镱共掺光纤克服了保偏铒镱共掺光纤抗辐照性能差的弱点，通过优化共掺离子的种类和含量配比大大提高了光纤的抗辐照性能，使该光纤在制备时不需在包层外设置额外的抗辐照保护层，降低了生产难度、成本、检查和维护难度；2.本技术在提升光纤的抗辐照性能的同时，降低了对光纤玻璃结构变化的影响，对光纤的背景损耗小，性能优良，光纤的综合性能优；3.通过本方案制备的抗辐照保偏铒镱共掺光纤体积和重量小，更适用于在外太空的应用。
附图说明
17.图1为本技术光纤的结构示意图；图2为经辐照后各光纤的激光光谱图；图3为光纤的背景损耗结果；图中：1、石英预制棒；2、硼棒；3、石英套管。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.术语定义如本文所用，“mcvd”是指“改良的化学气相沉积法”，其工艺是从基管的进气端由氧气作为载气将待反应的原料载带入基管，在基管外面用燃烧器加热，间接加热基管内的
反应原料，生产玻璃体，沉积在基管内壁的过程。
20.如本文所用，“反应管”是指高纯石英反应管heraeus的f300。
21.基于以上定义，本技术的实施例提供一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，包括以下步骤：s1.利用mcvd工艺，在石英反应管内壁沉积磷硅酸盐疏松层，为下一步液相掺杂稀土离子提供附着点；s2.将具有磷硅酸盐疏松层的石英反应管浸泡在含有er
3
、yb
3
、al
3
、ce
3
和sb
3
的掺杂溶液中，浸泡7-9h后取出，将浸泡后的石英管置于干燥气氛中干燥，除去管中残余的水分和氢氧根，干燥气氛是氧气、氦气、氮气和氯气组成的混合气体，其中氯气流量为100-200sccm，以除去管中残余的水分和氢氧根，得到掺杂石英管；s3.干燥完成后，利用mcvd工艺，在所述掺杂石英管的磷硅酸盐疏松层上沉积ge2o3层，得到磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管；s4.将磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管在1800-2300℃高温下烧缩，此过程中石英反应管内保持微负压，直至保持反应管完全烧缩成实心透明的石英预制棒1；ge2o3层在本方案中具备提高纤芯折射率，从而使模场直径、截止波长等满足设计要求的作用。
22.s5.将所述石英预制棒1插入提前准备的含硼棒2的石英套管3中，整体放入拉丝塔中拉制成即得所述抗辐照保偏铒镱共掺光纤。
23.如本领域技术人员所公知，诱导光损耗主要与玻璃基质中色心的形成有关，单一掺杂抗辐照元素例如铈，可以提高光纤的抗辐射性，即抑制光损耗的增加，但在光纤制备过程中，ce
3
离子的掺杂量不能过多，超过了阈值后反而会带来反效果，例如会导致光纤的损耗急剧增大，这也就阻碍了光纤抗辐照性能的进一步提高。
24.基于此，创立了本发明。
25.本方案利用共掺ce
3
和sb
3
来提高保偏铒镱共掺光纤的抗辐照性能，同时保证光纤的背景损耗小，其机理在于，辐照会诱导产生电荷和空穴，从而形成色心，这会导致光损耗的增加。这些色心主要分为捕获空穴形成的色心、捕获电子形成的色心；铈离子是多价离子，ce
3
离子可以捕获空穴转化为ce
4
，而ce
4
又可以捕获电子转化为ce
3
，所以ce
3
和ce
4
可以作为缓冲物质，抑制色心的形成，从而提高光纤的抗辐照性能；掺入sb离子会提高光纤中非桥氧键的含量，而非桥氧键与空穴会形成相关色心，此时对抗辐照性能有害，但sb离子离子也是多价离子：sb
3
，sb
4
，sb
5
，它们与ce
3
和ce
4
类似，也可作为缓冲物质，抑制色心的形成，此时提高了光纤的抗辐照性能，总体来说，ce和sb的共同掺入协同作用，较单一掺杂而言有两方面优势：1.降低了单一掺杂对玻璃结构变化的影响，2.进一步提高了抗辐照性能。
26.制备光纤时掺杂元素对折射率和应力的影响是必须要考虑的，因为折射率会影响光纤的模场直径和数值孔径，而应力太大会直接导致光纤制备过程中石英反应管炸裂，无法制备成光纤。因此，ce和sb离子的掺杂量和其他掺杂离子的掺杂量，以及制备过程中工艺参数对掺杂均匀性的影响都需要综合考虑，成功制备出性能优良的光纤是以上参数经过长期综合优化后的结果。
27.本方案中，所述掺杂溶液中，er
3
的配制浓度为0.01-0.35mol/l，yb
3
的配制浓度为0.15-0.35mol/l，al
3
的配制浓度为1.05-3.25mol/l，掺杂液的溶剂为去离子水或酒精；
由于金属离子会显著提高光纤的背景损耗，因为一般光纤制备过程中要尽可能少的引入金属离子，但为了提高光纤的抗辐照性能，又必须引入这些离子，因此，需要综合考虑各种因素，限定ce和sb离子的掺杂量，本方案中，优选的，所述ce
3
的配制浓度为0.05-0.08mol/l；优选的，所述sb
3
的配制浓度为0.01-0.03mol/l。
28.优选的，步骤s2中，浸泡过程保持所述具有磷硅酸盐疏松层的石英反应管以20-50rpm的速度旋转，从而尽可能使溶质在疏松层上的均匀吸附。
29.优选的，s1的具体步骤如下：氢氧灯从左向右移动，在1400-1700℃下向石英反应管内同时通入100-300sccm的sicl4以及总流量为300-500sccm的pocl3和o2的混合气体，即得具有磷硅酸盐疏松层的石英反应管。
30.优选的，s3的具体步骤如下：氢氧灯从右向左移动，在1300-1600℃下，向所述掺杂石英管内同时通入300-500sccm的gecl4和500-1000sccm的o2，得到磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管。
31.值得注意的是，步骤s1和步骤s3中氢氧灯的移动方向相反,这是因为mcvd设备中进料管是在反应管的左侧，当氢氧灯从左向右移动时，氢氧灯会对管内壁沉积物再一次加热，这将导致沉积物中的易挥发物质受热挥发，进一步导致易挥发物质沉积量达不到设计要求，而氢氧灯从右向左移动时，氢氧灯就不会对反应管内壁沉积物再次加热，从而大大减少了易挥发物的受热挥发。而磷硅酸盐和氧化锗均是易挥发物质，因此本制备方法中将步骤3氢氧灯的移动方向设定为从右向左移动，这可以抑制氧化锗和步骤1中沉积好的磷硅酸盐的挥发，为保障光纤的性能提供基础。本方案中，沉积p和ge的目的有两点：一是提高纤芯折射率，从而确定波导结构；二是有利于er和yb的高浓度均匀掺杂。
32.第二方面，本技术提供一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤，其结构如图1所示，包括石英套管3，同时轴向插设于所述石英套管3内部的石英预制棒1及2根硼棒2，所述石英预制棒1设于所述石英套管3的中心，2根硼棒2关于所述石英预制棒1呈对称分布，该石英套管3内径与石英预制棒1外径的差距绝对值小于1mm，石英套管3壁上沿轴线钻有两条孔通道，其内径为3-15mm，两条孔通道对称分布在石英套管3中心线两侧，其内部分别插有一根的硼棒2，这两根硼棒2的尺寸和规格保持严格一致，且其外径与孔通道内径的差距绝对值小于1mm。
33.第三方面，本技术提供一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤在辐照剂量大于等于1000gy条件下的应用。
34.以下通过具体实施例对本方案进行进一步说明。
35.实施例1一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，包括以下步骤：s1.在石英反应管的内壁沉积磷硅酸盐疏松层，为下一步液相掺杂稀土离子提供附着点，此时温度在1650℃，氢氧灯从左向右移动，向反应管通入500sccm的pocl3和o2的混合气体、300sccm的sicl4；s2.将带磷硅酸盐疏松层的石英反应管浸泡在含有er
3
、yb
3
、al
3
、ce
3
、co
2
离子的水溶液中浸泡7-9小时后取出，其中er
3
的浓度范围为0.03-0.05mol/l，yb
3
的浓度范围为：0.15-0.2mol/l,al
3
的浓度范围为2.2-3.0mol/l，ce
3
的浓度范围为0.05-0.08mol/l，sb
3
的浓度范围为0.01-0.03mol/l，在浸泡时保持旋转，其旋转速度为20-50rpm，从而尽可能使溶质在疏松层上的均匀吸附，将浸泡后的石英管置于干燥气氛中干燥，除去管中残余
的水分和氢氧根，干燥气氛是氧气、氦气、氮气和氯气组成的混合气体，其中氯气流量为100sccm，干燥结束，得到掺杂石英管；s3.向掺杂石英管管内通入同时通入500sccm的gecl4和100sccm的o2的混合气体，氢氧灯从右向左移动，温度为1600℃，在疏松层上沉积ge2o3层，得到磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管；s4.将磷硅酸盐疏松层上沉积有ge2o3层的掺杂石英管在高温下烧缩成透明的石英预制棒1，温度在1800-2300℃，此过程中石英反应管内保持微负压，直至保持反应管完全烧缩成实心石英预制棒1；s5.将得到石英预制棒1插入到提前准备好的含硼棒2石英套管3中，再将整体放入拉丝塔中拉制成光纤，得到抗辐射保偏铒镱共掺光纤。
36.实施例2一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，其他步骤与实施例1相同，所不同的是，s2.将带磷硅酸盐疏松层的石英反应管浸泡在含有er3 、yb3 、al
3
、ce
3
、co
2
离子的水溶液中浸泡7-9小时后取出，其中er
3
的浓度范围为0.1-0.2mol/l，yb
3
的浓度范围为：0.2-0.3mol/l，al
3
的浓度范围为1.05-1.5mol/l，ce
3
的浓度范围为0.05-0.08mol/l，sb
3
的浓度范围为0.01-0.03mol/l，在浸泡时保持旋转，其旋转速度为20-50rpm，从而尽可能使溶质在疏松层上的均匀吸附，将浸泡后的石英管置于干燥气氛中干燥，除去管中残余的水分和氢氧根，干燥气氛是氧气、氦气、氮气和氯气组成的混合气体，其中氯气流量为100sccm，干燥结束，得到掺杂石英管。
37.实施例3一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，其他步骤与实施例2相同，所不同的是sb
3
的浓度范围为0. 05-0.0 8 mol/l。
38.实施例4一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，其他步骤与实施例2相同，所不同的是ce
3
的浓度范围为0.1-0.2mol/l。
39.对比例1一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，其他步骤与实施例2相同，所不同的是，掺杂溶液中不包括ce
3
。
40.对比例2一种抗辐照保偏铒镱共掺光纤的制备方法，其他步骤与实施例2相同，所不同的是，掺杂溶液中不包括sb
3
。
41.评价测试将实施例1-4和对比例1-2的光纤辐照处理：剂量1000gy，使用-20dbm小信号，对辐照处理后的光纤进行测试，光纤长度均优化到9~13m，测得激光光谱如图2所示；图3给出了性能较好的实施例2的背景损耗图，观察1095nm处的吸收来反应背景损耗，吸收越低说明光纤背景损耗越低，表1给出了实施例1-4和对比例1-2在小信号吸收谱上位于1095nm处的吸收值，实施例1位于1095nm处的吸收为6.566 db/km，光纤背景损耗低。
42.表1 各光纤的背景损耗情况 实施例1实施例2实施例3实施例4对比例1对比例2
1095nm处吸收（db/km）6.576.0616.3214.6853.2760.36
由对比例1-2与本方案的实施例1-4对比可知，本方案在共掺ce
3
和sb
3
时，相较于单一掺杂，光纤的抗辐照效果更佳，光纤性能更好；而将实施例1-2与实施例3-4对比，实施例3-4中过高的ce
3
或sb
3
对光纤损耗较实施例1-2大，因此实施例1-2的光纤性能更优，因此本方案中的ce
3
和sb
3
浓度范围更有利于在减小光纤损耗的同时提升抗辐照效果。
43.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。