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    稀土光学玻璃纤维 缝纫机 » 绷缝机 | 作者:admin 发布日期:2017-08-11 查看次数:108
    核心提示:  信干线,接人网传输外,在光学器件如潜望镜、换向器、像增强器、变像管、全息摄影、图像放大显示管、微光摄像管、医用内窥镜、“光刀”、高速摄影、高空侦察系统、红外成像、星光摄谱和信号显示等方面具有广泛用
      信干线,接人网传输外,在光学器件如潜望镜、换向器、像增强器、变像管、全息摄影、图像放大显示管、微光摄像管、医用内窥镜、“光刀”、高速摄影、高空侦察系统、红外成像、星光摄谱和信号显示等方面具有广泛用途。此外,光纤传感,基于外部各种物理量或化学量的变化引起光纤光学参数(包括相位、极化、波长、幅度、模功率分布、光程等)的变化。例如:(1)由于电磁场变化,导致光波X、Y方向的相位差改变,从而用来测量电场磁场强度;(2)光纤受压或弯曲,引起光纤内芯材料的几何变形,导致光功率传输分布,光波极化的变化,用来测量受力大小、弯曲、旋转的程度,可用在程序控制及测量大型建筑和桥梁变形监控、火箭、飞机和轮船的导航、导弹光纤制导、光学陀螺等;(3)氟化物光纤温度传感器用于环境温度监控、高温测量、分布式多点同时温度测量;(4)测量生物化学有害气体、液体及其含量时,大多数利用气体、液体分子在近中红外波段的光谱吸收特性,利用带有非氧化物光纤的傅立叶转换红外光谱仪,可对这些气体和液体的浓度进行远距离的检测。  1985年英国南安普顿(Southampton)大学Poole等用MOCVD法研制渗钦、渗辑光纤,稀土兀素与石英光纤的结合引起了光通信技术一次革命性的变化,目前掺稀土在石英光纤已掺人钦、钬、铕、镱、铽、镝、铥、铒等多种离子,浓度为(1 106,并已制得单模、多模、保偏等各等系统。  1.1氧化物光纤光纤通讯的最大特点是中继间距离长和传输容量大,要求光纤具有低损耗、低色散。应选择最低本征损耗的玻璃成分及适合该组成的制造技术,即通过高纯度,均匀性优越的玻璃合成,折射率精密控制制造波导结构来实现。  氧化物玻璃具有稳定的玻璃态,由多种氧化物构成的多组分玻璃,透过波长范围取决于透过范围最狭窄的组合,虽然本征吸收损耗比较大,但软化点使瑞利损耗(折射率变化引起)变小,且能较易地合成稳定均匀的玻璃。用于光纤的玻璃有钠钙系统和硼硅酸钠系统;通过改变玻璃的成分易控制折射率,用双坩埚法制造了阶跃型光纤,其特点是除了热膨胀系数和软化温度一致外,芯皮间折射率差大,适于制造大数值孔径光纤。  石英玻璃的本征损耗低,约为。2dB/km,稳定,Si02熔点约1700故在高温下制造,杂质的挥发而获高纯度(299.9999%,过渡金属离子11等<109〉。掺杂微量是提高纤芯折射率,应用化学气相沉积法(ChemicalVaPOT CVD),使揍杂石英玻璃合成变为现实,可实现超高强度和波导结构的精密控制。包层一般是纯Si2,若是多包层光纤,则包层中含少量氟来降低包层折射率。目前,石英系统玻璃在光纤中占主要地位。  光纤的制造分为预制棒的制造,拉丝和涂覆(均在超净环境中进行),成缆。  1.1.1预制棒的制造合成具有波导结构的高纯预制石英玻璃坯棒,又分为管内气相沉积法,轴向气相沉淀法和外气相沉积法。  气相沉积法,是目前制作高质量石英玻璃纤维最通用的方法。在石英内不断通人各种超纯的原料气体(如SiCl4,GeCl4,PCl3,BBr3等)及反应气体氧气。石英管的外柱常为20mm,内径为17mm左右。石英管夹在玻璃车床上,常以每分钟几十转的速度转动。用氢氧喷灯以每分钟十几厘米的速度沿反应管来回运动几十次。由于外氢氧焰燃烧的高温加热,使管内气体发生化学反应,反应生成物便沉积在石英管内壁,形成多层玻璃状物质。采用电子计算机控制各种原料气体的组分,流量以及氢氧焰喷灯的移动速度,可使石英系光纤的断面折射率分布达到预先设计的要求。然后把石英管高温烧熔成致密的实心棒,便获光纤的预制棒。  水解反应,SiCL+2H20Si02+4HCI,使高纯原料SiCl4等气化,再通过高温氢氧焰生成玻璃微粒组成的粉尘。喷灯上面有一根石英棒,玻璃粉尘就沉积在它的顶部,将石英棒不停的旋转,并且向上提拉,在石英棒下方就生成多孔的预制棒。然后将多孔棒置于炉中,通于氯化亚硫酰气体,除去表面残留的氢氧根离子,最后再加热到1500~1700T,烧熔成透明的预制棒。轴向法中氧化物沉积速度比管内法提高5~10倍,适于制作大型棒材。  氧焰喷嘴,经高温分解合成得到玻璃粉尘,一层一层地沉积在耐火材料(常用碳一类的材料)心棒表面,形成多孔的预制棒。拔去心棒后,再放人高温炉内加热熔缩,得到透明的预制棒。此法能制大直径的预制棒,一次拉几十公里长的光纤。以追求高的性能价格比并占领市场。美国康宁的0VD法现已进入第五代工艺,用这种工艺生产的普通单模光纤(G652光纤)的平均损耗在lln处已达0.33dB/km,在1.55Mra处达到0.189dB/km,且生产成本每公里仅12美元;而日本的VAD法生产成本15美元八m.改进MCVD法的成本更高。  等离子体化学气相沉积法(PCVD,PlasmaCVD)基本上与MCVD法相同,只是加热源采用等离子火焰。此法可制得大尺寸坯棒。  另外还有几种属非气相工艺方法,如多组分玻璃熔融法,溶胶凝胶法,机械成型法1.1.2拉丝与涂覆将预制棒装夹在一个送棒机上,送入石墨加热炉,在接近2000软化下,预制棒下端被加热至近熔融状态,拉制成外径为100~150um的光纤。外径用激光束扫描法测量光纤的直径,测量结果反馈到拉丝速度拉制。目前可方便地将直径控制在±以内。  因为石英光纤本身较脆,不耐弯曲和磨擦,所以在纤维成形后,要立即涂覆丙烯酸树脂或硅树脂,通过加热或紫外光照射的方法使其固化,形成一层坚固的涂层。一般在成缆前要进行二次涂覆,涂覆提高了光纤机械强度和减少光纤传输损耗。外径约为250Mm,光纤弯曲半径允许小至5mm左右。涂覆层有阻水功能,通常预期使用寿命1年以上。采用密封涂覆可阻止氢扩散,减缓光纤疲劳,使光纤寿命提高,且有效消除光纤表面的微裂纹,增强抗拉强度。目前密封碳涂覆光纤(折射率为100~200)被认为是最好的,已被用于海底光缆和电力用架空地线卷绕光缆。涂覆层降低光纤的耐热性,用于-40~50尤。  涂覆过的光纤组合起来可以制成各种光缆。光缆的结构形式有层状光缆,单元型光缆,衬架型光缆以及带状光缆。光缆的增强材料可以是金属,也可以是非金属。光缆与同轴电辑相比,具有不串话,质轻(Si02密度为2.2g/cm3),直径小,施工简单等特点。  1.2氟化物光纤与氧化物玻璃光纤相比,氟化物玻璃因紫外吸收而引起损耗较小;还由于红外吸收位于长波侧,在于声子吸收的两者交点上与氧化物光纤要低100倍,因此可延长中继距离。锆钡镧系(ZBLAN)玻璃在短波侧有两个吸收峰,故在短波区的透过率要高于氧化物玻璃,2.5m附近的Nd吸收,是其主要成分镧中掺有Nd杂质。氟锆酸盐的弱点是经受不了液态水的侵蚀,机械强度较低,碱金属氟化物的引人使其化学稳定进一步降低。  玻璃包皮氟化物玻璃光纤预制棒早期采用二次浇注法制备:采用无水高纯氟化物原料(卤化物均需进一步提纯)按一定配比放置在耐氟化熔体侵蚀的铂、金或玻璃态碳坩埚中加热熔化,澄清和均化,为了减少玻璃中的含氧杂质及由此产生的散射损耗,配合料中应引人适量的NH4HF2等氟化剂,整个熔制过程应在尽可能干燥的气氛或含有C12,CC14和NF3等反应气氛中进行;将皮料玻璃浇人预热的柱状模子中,待玻璃部分凝固后倒出中心未凝固的玻璃液;将芯料玻璃液浇铸到包层管中,退火后获得所需的光纤预制棒。经改进为离心浇注法;使管状加器内壁形成管状包层,玻璃层,再将芯料注入其中。预制成形时,滴料,包层界面存在微晶、气泡等缺陷,进而研究开发了挤压法,使滴料、包层、超包层并列,通过对其挤压可形成三层很长的预制棒。目前超低损耗氟化物玻璃光纤的研究致力于从工艺上继续消除亚微观散射中心和杂质吸收引起的损耗和超长光纤的制造技术。  1.3光纤的主要特性1.3.1损耗特性光在光纤中传输,光功率随传输呈指数衰减。a是稳态条件下每单位长度内的功率衰减分贝数,即:杂质、原子缺陷吸收损耗;(2)散射损耗:瑞利、波导结构散射损耗,非线性效应损耗;(3)弯曲(宏弯、微弯)损耗和涂覆层造成的损耗;(4)损耗谱:出现三个损耗高峰。三个低损耗波段:0.85pm的短波长,第一窗口;比上损耗更小的长波窗口,普通单模光纤在1口的损耗分别为0.35和0.2dB/km.稀土元素作为杂质引人,增加光纤中离子的吸收峰,从而在光纤内引起增强光吸收和散射。在吸收带内,光纤损耗很大;而在光纤的受激辐射带内,光纤损耗应该小;故该光纤具有高损耗和低损耗的两种窗口,前者成为激光泵浦波段,后者成为激工作波段。现有氟化物玻璃光纤中非本征散射损耗比石英光纤大得多,从而阻碍氟化玻璃光纤损耗进一步下降。在太空中制造的五种掺杂氟化物281柯21'、8£1、1、人1、!')光纤损耗降到0.001(/111.在1.3111通信窗口的光放大器是由镨氟化物光纤制成的。  1.3.2色散特性根据多色光时延差产生的原因,分为材料色散、波导色散、模间色散、剖面色散、高阶色散和偏振模色散等。现代光通信中基本都使用单模光纤,主要包括材料色散、波导色散1.3.2.1材料色散光在光纤中的传输速度为Vx:C为真空中光速;11是光纤的折射率,是光波波长的函数,非单色光传输时,光脉冲被展宽,是由光纤材料引起的色散,其大小由ns-X曲线的斜率决定,材料色散Dm此时DM=0,为零材料色散波长。氟化玻璃是无机玻璃中折射率最低、色散最小的玻璃,其折射率介于1.3-1.6间,阿贝数10.6-6.0.可通过合理选择光纤芯、皮料的折射差和光纤芯径,使光纤零色散波长接近其最低损耗波长;此外,还可用氯化物或溴化物部分取代芯料玻璃中氟化物,使材料色散移向长波段,实现在最低损耗波长处零色散传输。  1.3.2.2波导色散由于波导结构不同,使同一模式的脉冲因频率不同而产生时延,因此调节光纤参数可使波导色散在需要的1.55m波长范围内抵消材料色散,便是色散位移光纤DSF(DispelBionshifedFiber)、Truewave光纤和LEAF光纤的设计原理。它们零色散波长XZD分别被移到1.55pm、1.53pm和l.5lfxm处,与最低损耗波长相重合。单模光纤中总色散为材料色散和波导色散的代数和,单模具有色散特性最优的结构,作为大容量传输媒介使用。  1.3.3非线性特性是因束缚电子在所施加电磁场作用下产生非简谐运动的,导致电偶极子的感应极化矢量P和电场矢量E不成正比:决定材料的线性折射率;二阶极化率X(2)可引起二次谐波效应、光学和频效应,对石英光纤因具对称分子结构,所以x(2)趋于零,故石英光纤不出现二阶非线性效应;光纤中最低阶的非线性效应来自三阶极化率x(3),它能导致产生自相位调制SPM(Self-phaseModelaticm)、交叉相位性折射和光弧子等现象。  石英材料的非线性折射率系数比一般的非线性介质要低两个数量级左右,约为因此在石英块状介质中光学非线性现象及其微弱,要求的功率密度很高,但光纤产生光学非线性现象所需的功率阈值可比块状介质降低几个数量级,通常在几毫瓦的功率下(属于普通半导体二极管的功率输出范围)即可观察到一些非线性效应,掺杂稀土离子,可降该过程的阚值功率。光纤中的非线性系数1.3.4对外场敏感特性掺稀土光纤比常规光纤具有较高的温度敏感特性;如光纤中掺人低浓度钕后,其吸收光谱随温度变化更灵敏,且在600mn处损耗值与温度在-196~125间成线性关系。掺入铽、钬等离子的稀土光纤,由于稀土离子使玻璃磁光常数有增大效应,可用于改进光纤磁量计,电流计等的灵敏度。  2光放大光纤对于长距离的光通讯,为了使衰减的光放大,虽有目前的把光变成电信号再进行放大;但为了提高可靠性和效率,实现无中继长距离通讯,保持光的原样进行放大,铒掺杂光学纤维(EbriumDopedFiberEDF)用作光放大器可显示出40dB(放大因数为1万倍)增益,并满足了光直接放大器所必要的全部条件。其是在激光器的研究基础上发展而来,且是紧接的,1961年,Smitzer等开创性利用棒状掺钕包层玻璃波导获得了波长的激光,1963年研制出第一台惨钦玻璃光放大器,1974年Stone等研制出能够在室温下连续工作的惨钕光纤激光器。1987年Mears等研制出掺铒熔石英光纤激光放大器(EDFA),为波分复用(WDM),密集波复用(DWDM)高速光通信系统等开辟广阔应用前景。可见,促成光纤放大器发展的是稀土元素。  掺稀土元素光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土元素(如,Nd3+,Tm3+或Ho3+等),作为增益介质的电介质材料,泵浦光激发铒离子实现粒子数反转,弱光信号经合波器进入铒光纤后因受激辐射而获光放大。其优点是工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区(1.3 1.6pn),且结构简单,与线路的耦合损耗小、噪声低、增益高(可达50dB以上);它的带宽在和1.55pm.窗口各有40nm左右,与光纤的极化状态无关,所需泵浦功率也较低(数十毫瓦),一般采用半导体激光器即可,于光纤熔接技术已经成熟,易于与线路连接,因此用于各种光纤系统,作光源时易于耦合;工作时不产生大量热,无需冷却;一般在连续泵浦下工作。  缺点是难与其它器件集成;从而限制它在光电子集成中的应用。  2.1掺稀土离子的玻璃纤维激光玻璃容易拉制成纤维,由于光学纤维的增益长度较大,所以在常温下容易产生激光。  表1中列举了常温下在熔石英纤维(S)和氟化物玻璃纤维(F)中产生光放大的稀土离子。  表1掺杂稀土离子光纤的激光性能离子光纤泵浦激光(mn)输出激光波长(run)掺杂浓度阈值(mw)熔石英玻璃s氟化物玻璃F 2.1.1基质玻璃的选择稀土离子与基质相互作用,通过声子支持无辐射跃迁过程而损失能量。为提高稀土离子发光的量子效率,需寻找低声子能量的基质。通常基质的声子能量大小有以下顺序:氧化物(800cm-11400cm-1)在氧化物玻璃中以碲酸盐玻璃的声子能量最小,在氟化物玻璃中以氟化铟为基础的玻璃声子能量为最小,硫化物玻璃中以硫化镓玻璃为最小。  2.1.2光纤通信窗口1.3111的纤维放大材料石英玻璃光纤的最小色散波长在1.3/rni处。在1.3Lmi窗口的光纤通信干线已铺设了很多,人们一直在探索1.3pm的光纤放大器材料。掺Er3的氟化物玻璃光纤放大器(F-EDFA)的激光产生于1G4到3H5的跃迁,在1级上往往由于多声子弛豫而降低量子效率,在64氟化玻璃基质中当InF3代替ZrF4后,玻璃的声子频率下降,在相同的泵浦功率,掺lV+的InF3玻璃光纤的增益G高于以ZrF4为基质玻璃(表EP+在玻璃中的能级图表2氟化物玻璃单模光纤的损耗和增益基础玻璃芯直径(叫)截止波长损耗增益系数,(dB/mw,InF3/GaF3为基础的氟化物玻璃光纤当输出功率变化在±10%范围内,波长区间约为35nm.应用于波分复用(WDM)光通信时,波长范围还能较小。  与掺IV+氟化物玻璃光纤相比,掺Pi3的硫化物玻璃光纤具有更高的转换功率。在输人信号约为-30dBm,用1017mn波长的激光双向泵浦,工作波长为1340mn,掺杂浓度750x1(T6,光纤长。6.1m,芯直径为2.5数值孔径为0.31;掺Pr3+GNS(Ga2S3/Na2S)玻璃光纤在1.3―损耗大约为1.2dB/m.当用100mw光泵时,在1.3Mm可获净增益为30B,增益系数为0.81dB/mw掺Pr3+的GNS玻璃光纤的最佳放大波长在1340nm,而掺Pi3的InF3/GaF3玻璃光纤的最佳放大波长在1310mm如连接这两种光纤放大器,就可获得1290mn到1350nm宽波段平坦的增益曲线,对WDM的使用是十分有利的。  2.1.3光纤通信窗口1.5Mm的纤维放大器材料石英玻璃的最小吸收波长在在1.55Mm光纤通信窗口的掺Ei3熔石英光纤放大器(EDFA)已十分成熟并已实用化。由于含EP+的碲酸盐玻璃有较大的增益宽度,所以努力制备低损耗的掺EP+的,以Te02为基础的玻璃光纤;其损耗谱中,1和1吸收峰是EP+引起的,光纤中Er3+含量为4000X106,最小损耗波长在1.2pm.当采用商品原料的Te02,由于存在Te23和TeO,损耗系数约为0.9dB/m;而采用提纯后的Te2原料,光纤损耗系数可降到0.05dB/m,具有制备光纤放大器的价值。测量其小信号增益时,光纤长度为4m,泵浦功率为150mv;测量噪声时光纤长度为lm;光栗功率为200mw,输人信号功率为-30dBm.在~1.61fxm波段间增益大于20dB的波长区间为85um.采用增益平衡技术,可以压缩峰值和平坦区的增益差。此T-EDFA器件可用于WDM光纤通信网络。2.2衡量光放大器性能的主要参数有增益与输出功率、阈值泵浦功率、增益谱宽、噪声系数等。  噪声系数标志着光信号经放大后内含的噪声功率占原有的比例增大量,光输入信号的信噪比(S/N)in与光输出号信噪比(S/N)out的比例为噪声系数(NF),即一般用dB表示。NF的理论极限为3dB.现研制出的EDFA用0.98,1.48泵浦时,NF已分别达到3.1dB和4.1dB,接近理论极限。  2.3掺铒光纤放大器特性影响EDFA性能的因素很多,有设计方面的,也有使用方面的(如输入信号,波长,功率等)。以下仅讨论铒光纤参量,泵浦波长与泵浦方式等对EDFA性能的影响。  2.3.1铒光纤参量包括它的材料特性(光纤基质材料性能,Er3 +掺杂浓度及在纤芯内的分布等)和波导特性。  基质对EDFA的性能影响主要表现在三方面:(1)由于基质原子间的键力使内电场非均匀分布,使原来简并的能级发生Stark分裂,因而在光谱上表现为与这些去简并能级相关的,由电子跃迁产生的精细结构;(2)由于受光纤本身温度和内部电场的影响,能谱会加宽;因此铒离子在不同的基质中有不同的光跃迁特性;(3)影响EDFA的增益系数,带宽,掺EP+浓度,所需泵浦功率,信号的转换功率等。为了与普通单模光纤兼容,易连接,铒光纤的基质用得最多的是Ge-Si和Ge-Al-Si型。在硅基玻璃光纤中掺入适量的A1可提高掺EP+浓度,且易将EP+控制在纤芯的中心区以改进泵浦效率,使增益平坦,减少与单模光纤的接头损耗;然而,掺A1增加散射损耗,并易受到氢气的腐蚀而老化。  2.3.1.2Er掺杂浓度及在纤芯内分布1990年Urquhart等提出分布式掺铒光纤放大器(DEDFA),可是实践中却很不理想。在Pp(泵浦功率)小时,Er限定在纤芯附近可改善增益及增益系数,但在高PP时改善不大。数值孔径NA增大时,增益系数增大;当NA =980nm时,增益系数可达23dB/mw.基态离子吸收泵浦光后跃迁到激光上能级的速率正比于泵浦强度。为了增加对Er3+的泵浦效率,减少对泵浦功率的要求,必须将泵浦功率和EP+限制在尽可能小的面积内,措施之一就是增加纤芯与包层折射率差An到0.04左右(比标准单模光纤高10倍),但过高的An会引起光散射损耗增加;另外要有适当的小纤芯直径(一般为2 2.3.1.3波导结构有三种(1)可与普通标准单模光纤兼容;(2)可与1500nm色散位移(DSF)相兼容;(3)模场尺寸小于前两种。  2.3.2泵浦波长铒光纤吸收谱在500nm~1600nm波长范围内有5个吸收带,即500nm(包括514.5nm和532nm),670nm,820nm,980mn和1480nm附近。激发态吸收(ESA)区会使泵浦产生附加的受激吸引,从而降低泵浦效率和增益,应予避免。没有ESA的泵浦带仅在532nm,98nm和1480nm三个波长附近,而仅在820nm,980mn和1480mn三个波长上可采用成熟的半导体激光器作泵浦源。这有利于EDFA的小型包装和实用化。这样;980nm和1480nm两个波长上既没有ESA,泵浦效率又高,又可用LD(激光二极管)光源,是理想泵浦带。但哪个最好尚不能定论,也与使用要求有关。一般而言,980mn泵浦可获得最高的增益系数及量子极限的噪声系数(NF 1480mn泵浦可获得'较大的饱和输出功率,在饱和放大器中,泵浦转换效率可接近于1,泵浦波长的影响减小。  2.3.3泵浦方式泵浦有同向,反向,双向等方式。反向泵浦可使更多的泵浦光转化为信号光,可望获得比同向泵浦高约3dB的增益。但由于ASE的影响,反向泵浦的噪声指数将比同向泵浦高约1. 5dB.双向泵浦则可实现高增益,低噪声。  2.4应用由于EDFA具有插入损耗小,增益高,带宽大,增益与偏振态无关,低串扰,低噪声(噪声系数接近3dB的理论极限,大大提高灵敏度)等优点。ATT固态技术中心利用EDFA作为发射端的功率放大器和接收端的前置放大器;使2.5Gb/s的信号沿光纤传输了318km;在海底现场实验中,利用EDFA作为中继放大(中继距离68km),使lOGb/s的信号传输了用EDFA作中继放大(中继距离lkm),实现了靠的长距离光纤通信成为可能,是其第二个里程碑。在多个光放大器的系统中,若每个放大器的功率增益为G,则允许两个放大器间的光纤的损耗为1/G,据此设计放大器间的跨度。前级EDFA中ASE(放大的自发辐射)噪声的积累易引起后级的增益饱和并恶化噪声特性。在单位带宽中ASE功率为:向泵浦时的ASE的过量噪声因子。  在局域网(LAN)光纤通信系统中,需要用光放大器来补偿光分束器,光学滤波器等光学元件的损耗。在采用几个星形耦合器和EDFA相结合的LAN实验中,实现几乎无损耗的分配网。  有线电视(CATV)目前只能用10km~20km的光纤干线,如用EDFA则能使传输距离扩展到30km以上。因为CATV所传播的是模拟信号,对光放大器的噪声和畸变信号等提出很高的要求。EDFA具有的平坦增益谱,高饱和输出功率,低噪声和低串音等,很适合在CATV中应用。  中稀土企业家联谊会会议论文集3新型激光器玻璃纤维当波分复用技术应用于光纤通信后,明显地增加了光纤通信的容量等,因此人们就希望有宽带放大的微型光纤放大器和激光器,从而近年发展了稀土激光玻璃纤维。与一般固体激光器相比,纤维激光器的优点主要在于开拓新的激光波段,特别在红外(>3mhi)和可见光(400 ~700nm)波段。可见光波段主要靠稀土离子在氟化物玻璃光纤中的频率上转换,目前主要问题是转换效率较低(<10%)。  表3频率上转换材料特性激光离子激光离子浓度激光跃迁波长(pm)光纤芯径(m)光纤长度激光阈值泵浦光源及泵浦光波长(pro)最大输出功率(mw)斜率效率(%)激光波长调谐范围(pm)编号表3列举了不同稀土离子玻璃纤维中的频率上转换激光。较好的是Pr掺杂的氟化物光纤和两个波长位于lOnmn和835mn的半导体激光器光栗,由它们可获得492nm,635nm和520nm的频率上转换激光。当固定835nm光栗功率为30w时,1017nm波长的激光阈值与光纤长度的关系图中,知在0.5m以内阈值下降很快,lm以后阈值变化不大。当固定835nm和1017nm泵浦功率为4nw和lOOmw时,在不同的输出腔面透过下,上转换效率和光纤长度的关系图中见到先增高后略下降,最高转换效率约为11%.在硫化物玻璃基质中,可能产生大于3uni的新激光。在下列稀土离子的能级跃迁中可产生3/2I11/2等。但是,由于激发态上能极的能量通过阶梯式传递至很接近基态的下能级,所以,往往要在68低温下产生激发。掺EP的ZBLAN氟化物玻璃光纤(长度12cm,芯直径40/,19(11101)Er3.,用655nm激光光泵获得间跃迁3.5;波长的激光输出,从其激光输出功率Pout和吸收功率Pabs关系图可看出,在低温下(-80T斜率可达3.4%,而在室温只有2.8%(118Hz调制)。在硫化物玻璃光纤中,激光效率可以更高一些。  3.1掺钕光纤放大器由于对钕离子的激光特性有很深人了解,所以首先研制成的是掺钕光纤放大器。但存在两个严重问题:一是130nm波段的自发辐射较弱,而信号的ESA(激发态吸收)却很强,二是106nm附近的强自发辐射易导致放大器饱和,虽然基质的变化可抑制ESA的影响,但掺钕光纤放大器的特性仍不能得到根本改善。  3.2掺镨光纤放大器(PDFA)1991年出现,避免了上迷两个问题,但又出现另,两个问题:(1)量子效率很低,要求非常高的泵浦功率;(2)光纤基质为氟化物,导致与通信光纤的接续困难,目前采用对接方法,在实验获得好结果,但在商用系统中的可靠性还有待考证。  3.3掺铒光纤放大器发展为了增加1550mn波段WDM(波分复用)通信系统的容量,需要EDFA有宽带且平坦的增益谱,与增益均衡技术相比,用改变掺铒光纤的结构(如基质材料,掺杂离子等),来改变EDFA特性,以实现增益平坦更直接有效。  3.3.1改变基质以氟化物作光纤基质的EDFA(F-EDFA)实现从1530nm到1560nm波段WDM信号增益平坦,不需要增益均衡器等附加的光学器件。F-EDFA不能用980nm光泵,1480光泵的F-EDFA的NF稍高于980nm的光栗的硅基EDFA(S-EDFA),有两法:(1)用-980mn光‘泵的S-EDFA作为低噪声前置放大器,通过光隔离器和F-EDFA连接,有效降低噪声系数,已在lTb/s(100Gb/sx 10)WDM系统传输实验中得到证实;(2)将光泵波长从980nm移至ESA(激发态吸收)峰值波长970nm,可有效地改善噪声特性。但是F-EDFA的增益带宽只有30nm左右,这将WDM信道限制为40个(信道间隔100GHz)。欲EDFA的增益范围超过30mn,除给EDFA附加一个周期光栅等增益均衡技术外,另有两法:(1)在常规增益平坦EDFA的1550mn波段外再加另一放大波段,如1580mn放大波段;(2)通过改变掺铒光纤的基质,如碲玻璃(T-EDFA),其中铒离子的受激辐射频谱比硅基玻璃,氟化物玻璃,硫化物玻璃等其它基质材料中铒离子的受激辐射频谱要宽,可提供15301610nm和带宽SOnm的增益谱,这包括F-EDFA和S-EDFA的1.55Mm和1.58fan放大带,信号增益大于20dB,NF大约为7dB;还可工作在1634nm等长波区域(而F-EDFA,S-EDFA的放大上限分别是1627nm和1625nm)。  非氧化物玻璃光纤在许多高功率激光器的输出波段有较低的损耗,屈挠性也良好,氟化物玻璃低的非线性折射率使其具有较高的激光损伤阈值,已用于显微外科,内科诊断和工业材料加工等方面。  3.3.2增添且激活剂Er-Yb共掺杂光纤,Yb3+起着吸收lym附近的泵浦光后迅速将能量转移给Er3+以实现1.5Mm区域光放大。由于Yb3+有较大的吸收截面且可实现高浓度掺杂(与EP+比较),因而Er-Yb光纤对泵浦光的吸收能力比通常铒光纤高三个数量级;同时,Yb3+在附近的吸收带98会议报道了SRS(受激1曼散射光纤放大器)放大结合EDFA的实验,平坦增益带宽达85nm.LucentTech报道了SRS光纤放大器结合EDFA的44个信道(速率10Gb/s,间隔100GHz)的实验通信系。TyrosubmarineSystem将SRS光放大器用于45km遥控泵浦系统中。这些研究表明SRS光纤放大器与稀土掺杂光纤放大器相结合,将成为未来宽带、大容量、长距离、高速光通信中光放大的理想方案。  3.4包层光纤放大器包层泵浦是将低空间相干性高功率光源输出转换为高功率单模激光的一种较好途径。  双包层光纤有一个纤芯和包层外,还在层外涂敷一层低折射率材料,在两个包层间形成光波导,通过合理设计结构,选择材料折射率等,可使泵浦光有效地耦合到光纤中。由于内包层折射率低于纤芯折射率,因而在传输过程中泵浦光不断地通过纤芯去泵浦掺杂离子,实现粒子数反转。掺Yb双包层光纤激光器研制成功,实现了高功率输出。Polaroidcorp采用35.4w915nmLD阵列泵浦,最大输出功率可达35W(l.l/xm)DLucentTech用30w泵浦得到输出功率20.4w的激光(l.lMm),SDL已制成9w输出功率(15w泵浦)的商品。最近掺Yb多模双包层光纤放大器在1.5波段的输出功率达lw.目前,Nd3+,Er3+,Tm3+或Ho3+等稀土离子掺杂的氟锆酸盐玻璃光纤已获波长0.82 ~2.8Mm的激光输出,在许多波段还实现了可调谐激光输出;激光二极管光泵的氟化物玻璃纤维激光器和光放大器是一种廉、耐用和波长精确的新光源。  3.5掺稀土石英光纤光栅1989年,美国联合技术研究中心的MeltzG等以倍频氩离子激光器输出的244mn紫外光为光源,用全息干涉的方法在掺锗石英光纤上研制出第一支波长位于通信窗口的布拉格光栅。  人们逐渐认识到从光纤通信、光纤传感到光计算和光学信息处理的整个光纤领域都由于光纤材料此种感光特性的发现而发生革命变化。如在光纤通信方面:光纤光栅提供选择性反馈的光纤激光器和半导体激光器已可实现线宽只有千赫兹级的单纵模激光输出;在EDFA中使用光纤光栅可在整个放大器带宽内实现平坦的增益并有效地抑制放大器自发辐射噪声(ASE),同时极大地提高泵浦效率,从而对光信号实现接近理想水平的低噪声放大,采用光纤光栅可制成结构简单、性能优良的全光纤波分复用器,用单个器件即可实现上下话路同时传输功能,周期渐变光纤光栅在理论上和实验上均被证明具有很强的色散补偿能力,在很大程度上消除光纤色散对系统通信速率的限制;根据需要,既可制成带宽小于O.lrnn的窄带型,也可制成几十纳米的宽带型;还具有体积小、插人损耗低及与普通通信光纤良好匹配、对波长的良好选择性等,很方便地在光纤线路上实现超高速数据的波分复用和光鲜复用等,光纤光栅的布拉格波长与其温度及施加在其上的应力呈良好的线性关系,制成优良的光纤传感器;可方便地实现物理的分布式传感,在桥梁,隧道等建筑物及航空航天技术等方面具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。  掺稀土光纤玻璃在进行H2扩散处理后可用193nm的紫外光较易地写入高反射率的光栅。Ge/Yb光纤和Ge/Tm光纤的光敏性主要表现在约248nm的写人波长上,用193nm的ArF准分子激光也可形成光栅,可能是光纤一包层面上的周期性光致损伤,折射率调制的具体数值与芯区Ge、RE1H2的浓度有关。Al/Er/Yb光纤对248nm和193nm光都呈现很弱的光敏性,用H2处理后可制成有用的光纤光栅器件;193nm比248nm更有效。对掺EP+等非掺锗石英玻璃光纤进行氢载处理后可极大地提高光纤在193nm波长上的感光特性。  表4稀土光纤玻璃光敏性的比较光纤材料芯区掺杂类型最大光致折射率调制未处理H2扩散处理

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