多组分玻璃光纤与光纤器件-课件.pdf

稀土离子掺杂多组分玻璃光纤 与器件稀土离子掺杂多组分玻璃光纤 与器件杨中民杨中民2013年“光纤技术新进展”全国研究生暑期学校2013年“光纤技术新进展”全国研究生暑期学校华南理工大学华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室发光材料与器件国家重点实验室研 讨 内 容研 讨 内 容1.稀土离子掺杂多组分玻璃光纤稀土离子掺杂多组分玻璃光纤2.光纤激光器光纤激光器3.光纤传感系统光纤传感系统4.总结总结2013年“光纤技术新进展”全国研究生暑期学校2013年“光纤技术新进展”全国研究生暑期学校一、玻璃光纤一、玻璃光纤信息社会信息社会2009年诺贝尔物理学奖获得者高锟2009年诺贝尔物理学奖获得者高锟——现代光纤之父现代光纤之父一、玻璃光纤一、玻璃光纤? 石英光纤石英光纤——SiO2含量大于含量大于90%的光纤的光纤一、玻璃光纤一、玻璃光纤? 有源石英光纤有源石英光纤——在纤芯掺杂稀土离子在纤芯掺杂稀土离子一、多组分玻璃光纤一、多组分玻璃光纤一、多组分玻璃光纤一、多组分玻璃光纤光纤放大器光纤放大器光纤网络光纤网络光纤激光器光纤激光器稀土在熔石英中会出现不 互熔现象稀土在熔石英中会出现不 互熔现象一、稀土离子掺杂多组分玻璃光纤一、稀土离子掺杂多组分玻璃光纤石英玻璃光纤稀土掺杂浓度低石英玻璃光纤稀土掺杂浓度低增益系数低增益系数低激光器：激光器：长腔多纵模、低重频长腔多纵模、低重频放大器：放大器：长光纤非线性长光纤非线性无法制作无法制作单频光纤激光器单频光纤激光器无法制作无法制作基模锁定高重频飞秒激 光器基模锁定高重频飞秒激 光器无法无法实现高功率激光放大实现高功率激光放大无法无法实现短脉冲激光放大实现短脉冲激光放大?多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤——多种组分形成的光纤多种组分形成的光纤峰值发射波长 （nm）FWHM (nm)峰值吸收截面 (10-21cm2)峰值发射截面 (10-21cm2)寿命损耗 (dB/km)ndn2Er3+Er3+Er3+Er3+Nd3+Er3+/msNd3+/μs0.8550Nd3+硅酸盐1532~153720~504~65.5~7.95~15磷酸盐1532~153527~458~96.4~98~10锗酸盐153125~535~75~74~7碲酸盐153250~856.5~8.57.5~93~5氟化物1529~153140~6454.8~5.91~59~16160~800石英石英153120~405.55.5~810~1320~501.460.750~10001.42~2.10.5~8.0石英玻璃的σ石英玻璃的σp，，△υ较差，τ和△υ较差，τ和n2较好较好一、多组分玻璃光纤一、多组分玻璃光纤光纤光学性质对比表光纤光学性质对比表一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤?稀土离子可溶性高稀土离子可溶性高掺杂浓度比石英玻璃高两个数量级掺杂浓度比石英玻璃高两个数量级?上转换系数小上转换系数小?离子簇效应小离子簇效应小?单位长度高增益单位长度高增益比石英光纤高2-3个数量级比石英光纤高2-3个数量级1、玻璃体系的选择1、玻璃体系的选择磷酸盐玻璃（磷酸盐玻璃（1.0和和1.5μμm）、锗酸盐玻璃（）、锗酸盐玻璃（2.0 μμm ））一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤2、玻璃光谱及物理化学性质研究2、玻璃光谱及物理化学性质研究抗析晶性热膨胀系数粘度抗析晶性热膨胀系数粘度折射率荧光寿命受激发射截面折射率荧光寿命受激发射截面光学特性光学特性物化特性物化特性OHOH- -? 网络外体对玻璃光谱性质的影响网络外体对玻璃光谱性质的影响0.070.080.090.100.110.120.130.140.1533343536373839有效荧光线宽，Δλeff/nm阳离子半径，r/nmMg2+Ca2+Sr2+Ba2+152025303537.538.038.539.039.540.0有效荧光线宽，Δλeff/nmBaO含量, x/mol%一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤? 网络外体对玻璃性质的影响网络外体对玻璃性质的影响0.070.080.090.100.110.120.130.140.156080100120140热膨胀系数，10-7℃(25-300℃)阳离子半径，nmLi+Na+K+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+1.51.521.541.561.5812320.5 Mol %Refractive index632.8nm1550nmMgOCaOBaO1.521.531.541.551.5610152025BaO mol%Refractive index632.8nm 1550nm22.5 17.5 12.5 7.5Al2O3mol%一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤024681012141.5441.5451.5461.5471.548折射率OH-吸收系数，cm-102468101214460470490500510? OHOH- -对玻璃性质的影响对玻璃性质的影响OH吸收系数，αOH/cm-1温度，T/℃TgTf一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤02468101214116117118119120热膨胀系数，107α/K-1OH吸收系数，αOH/cm-14704804905005105205308910111213logη/Pa·s温度，T/℃αOH=0.40cm-1αOH=13.13cm-1? OHOH- -对玻璃性质的影响对玻璃性质的影响一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤反应气氛法除水石英坩埚玻璃熔体石英盖板石英管流量计液态CCl4O2O2+CCl4气体图22 RAP法除水装置示意图油浴或水浴加热到一定温 度一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤?玻璃的光学关键参数－国内外研究对比（玻璃的光学关键参数－国内外研究对比（1.5μμm））名称华南理工大学 光通信材料研究所美国Kigre公司美国Kigre公司荧光寿命荧光寿命 （ms）（ms）9.19.18.28.2荧光半高宽 （nm）荧光半高宽 （nm）41413838一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤3、玻璃光纤的拉制3、玻璃光纤的拉制? 理论设计理论设计光纤的纤芯直径数值孔径稀土离子含量光纤的纤芯直径数值孔径稀土离子含量一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤速 率 方 程速 率 方 程612 22212211131121nnCnCnWnAnRnWtncrup−+++−−=∂∂2 233222122111222nCnAnWnAnWtnup−+−−=∂∂614433321133nnCnAnAnRtncr++−=∂∂4432 24nAnCtnup−=∂∂erNnnnn=+++4321616656655565nnCnAnRnRtncr+++−=∂∂YbNnn=+65一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤? 传输方程及边界条件传输方程及边界条件)()]()()([)()(651zPzNzNzNzPdzzdPpYb epYb apapppLosspσσσ−+Γ−Γ−=)()]()([)()(12zPzNzNzPdzzdPsasesssLosssσσ−Γ+Γ−=（（1））（（2））边界条件为：边界条件为：0)0(pppP=)(), 0(0ssssPPυυ=一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤0246810-1012345Gain /dBErGain /dBEr3+3+ ConcentrationConcentration/ /1025ion/m3NYb=1x1026ion/m3 NYb=1x1026ion/m3NYb=0 NYb=0掺杂浓度泵浦功率一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤050100150200250300-15-10-50510Gain /dBPump Power /mWGain /dBPump Power /mW2.5cm2.5cm4cm4cm6cm6cm光纤长度光纤长度纤芯半径纤芯半径一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤纤芯直径 (µm)纤芯直径 (µm)5.485.48模场直径@1550nm (µm)模场直径@1550nm (µm)6.24 6.24 数值孔径NA数值孔径NA0.210.21归一化频率V值归一化频率V值2.405 2.405 截止波长 (nm)截止波长 (nm)1474 1474 Er：Yb 浓度比(mol %)Er：Yb 浓度比(mol %)1：21：2一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤光纤拉丝塔光纤拉丝塔一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤4、光纤性能参数测试4、光纤性能参数测试050100150200250300-30-20-1001020Gain (dB)Pump power (mW)Gain1535Gain15500612182430Pin = -30 dBmNoise figure (dB)NF1535NF1550 -30-25-20-15-10-5051015-6061218Noise figure (dB)Gain (dB)Output power (dBm)Gain1535Gain15500612182430 Pump = 297 mWNF1535NF1550器件净增益系数 > 4.2 dB/cm 光纤内增益系数 > 12 dB/cm饱和输出功率器件净增益系数 > 4.2 dB/cm 光纤内增益系数 > 12 dB/cm饱和输出功率 > 10 dBm300倍一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤? 研制出三类高增益光纤材料研制出三类高增益光纤材料1.0μm波段高掺镱离子的磷 酸盐玻璃光纤，光纤的增益 系数大于1.0μm波段高掺镱离子的磷 酸盐玻璃光纤，光纤的增益 系数大于10dB/cm，10dB/cm，比目前 YDFA用石英光纤比目前 YDFA用石英光纤高约35倍。

高约35倍1.5μ μm波段高浓度铒、镱共掺 玻璃光纤，光纤的增益系数大 于波段高浓度铒、镱共掺 玻璃光纤，光纤的增益系数大 于12 dB/cm，，比目前比目前EDFA用 石英光纤用 石英光纤高约高约300倍1520153015401550156015700510152025152015301540155015601570-10-50510152025Gain (dB)Wavelength (nm)Gain | Noise Figure Pp = 330.8 mWPin = -30 dBmNoise Figure (dB)50 100 150 200 250 300 350 400 450468101214Gain per Unit Length (dB/cm)Pump Power (mW)Pin=-30dBm@1064nmFiber length: 2.4cm锗酸盐玻璃预制棒锗酸盐玻璃预制棒拉丝后锗酸盐玻璃光纤预制棒拉丝后锗酸盐玻璃光纤预制棒锗酸盐玻璃光纤的端面锗酸盐玻璃光纤的端面? 锗酸盐玻璃光纤拉制（2μm波段）：锗酸盐玻璃光纤拉制（2μm波段）：一、有源多组分玻璃光纤一、有源多组分玻璃光纤2.0μm波段高掺铥离子的锗 酸盐玻璃光纤，光纤的增益 系数达到2.0μm波段高掺铥离子的锗 酸盐玻璃光纤，光纤的增益 系数达到3dB/cm，3dB/cm，是目前石 英玻璃光纤的是目前石 英玻璃光纤的10倍。

10倍研 讨 内 容研 讨 内 容1.稀土离子掺杂多组分玻璃光纤稀土离子掺杂多组分玻璃光纤2.光纤激光器光纤激光器3.光纤传感系统光纤传感系统4.总结总结2013年“光纤技术新进展”全国研究生暑期学校2013年“光纤技术新进展”全国研究生暑期学校二、光纤激光器二、光纤激光器单频光纤激光器单频光纤激光器高重频飞秒光纤激光器高重频飞秒光纤激光器1、单频光纤激。