Page 24 - 网络电信2021年3月刊下

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研究了稀土光纤不同的梯度掺杂方式对降低光纤熔接点附近温
度和抑制非线性效应的影响 ［4-5］ ，其仿真结果表明，经过梯度
掺杂分布的合理设计，光纤熔点处温度可由79℃降至25.3℃，
SBS阈值功率提高幅度可达70%。
尽管梯度掺稀土光纤在掺稀土光纤热管理和抑制非线性效
应等方面具有明确优势，但是其制作难度极大。针对现有多段
光纤熔接法存在的问题，本文提出了一种利用多次提拉式疏松
层稀土溶液浸泡技术，并结合细棒加工、拉丝等技术，制备梯
度掺稀土光纤的方案，可为高功率、低非线性光纤激光器用掺
稀土光纤的制作提供参考。
一、梯度掺稀土光纤的制备
根据泵浦光波长和光纤吸收系数的不同，通常单台光纤激
光器所用掺稀土光纤的长度从数米到数十米不等。光纤预制棒
长度与掺稀土光纤长度的对应关系如式(1)所示，以掺稀土光纤
预制棒直径为25mm为例，预制棒长度与其所能拉制光纤长度的
对应关系如图1所示。此外，分别计算了光纤直径250μm－长度
30m、光纤直径250μm－长度10m、光纤直径400μm－长度30m、
光纤直径400μm－长度10m情况下光纤预制棒直径和预制棒长度
的对应关系，如图2 所示。
2
L 纤 = L 棒 ×( D 棒 /D 纤 )
图 1 D 棒 =25mm 条件下预制棒长度与其所能拉制光纤长度的对应关系
图 2 光纤直径与长度固定条件下，预制棒直径与预制棒长度的对应关系
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由图2可知，当预制棒直径为30mm时，拉制10m长直径250
μm的掺稀土光纤，仅需约0.69mm长度的预制棒; 当预制棒直
径为5mm时，拉制10m长直径250μm的掺稀土光纤，约需25.0mm
长度的预制棒。因此，适当减小预制棒直径，可以增加梯度掺
杂光纤预制棒的长度，即可以降低对梯度掺杂工艺的要求。然
而，掺稀土光纤预制棒直径不能一味减小，需综合考虑到八角
形加工工艺与拉丝工艺的限制（若预制棒过细，在拉丝时，预
制棒的八角形形状很难保持，有变成圆形的趋势）。
基于溶液掺杂法，制备了纵向梯度掺稀土（镱）光纤，具
体过程如下：(1)选取合适的反应管：采用较小外径与壁厚的
石英管进行隔离层与疏松层沉积，如此可减小最终预制棒的直
径，进而降低梯度掺杂工艺的难度；(2)沉积疏松层：在1400
～1500℃温度下，沉积含有疏松空气孔的疏松芯层，需根据最
终预制棒的加工尺寸和光纤芯包比情况，确定沉积参数，以获
得合适的疏松层厚度；(3)多次浸泡：将预制棒取下垂直放置于
事先配置好的溶液中进行浸泡，待离子充分扩散进疏松层后，
在液面高度对预制棒进行标记，然后将含有疏松层的预制棒提
升至稀土离子溶液上方，然后在溶液中加入一定量的氯化镱与
共掺剂氯化铝，提高溶液中的离子浓度，使溶液混合均匀后，
再将预制棒置于溶液中进行浸泡，标记处需高于液面一定距离
(1) （试验中为7.0mm），根据需要，不断重复上述过程（本文试验
中共浸泡4次），如图3所示；(4)脱水并玻璃化：首先将管中
的残余溶液排出，然后用氮气吹半小时左右，接着将温度升至
1000℃左右，同时通入氯气和氧气除去疏松层中的残余水分，
待完全脱水后，将温度升至1700℃以上将疏松层玻璃化；(5)缩
棒与收棒：在2150℃至2200℃温度下，逐渐将中空反应管熔缩
成实心棒；(6)磨抛：为进一步提高单位长度光纤对应的预制棒
长度，对光纤预制棒进行磨抛，以减小预制棒的直径；(7)八角
形加工: 对上述磨抛后的光纤预制棒进行八角形加工，保证光
纤拉制完成后具有较高的包层吸收系数；(8)拉丝涂覆：对八角
形光纤预制棒进行拉丝并在石英表面涂覆低折射率内层涂层与
外层保护涂层。
图 3 梯度掺杂预制棒制备工艺示意图
本文试验中预制棒共在溶液中浸泡了4次，如图3所示，
最终梯度掺杂段预制棒的长度为28.0mm，考虑到拉丝过程中存
在过渡区，本试验中预制棒八角形加工区域实际长度为63.3mm
（设计长度为63.0mm）。此外，考虑到八角形加工工艺与拉丝
工艺的限制，基于上述制备工艺最终加工完的掺镱光纤预制棒
的直径（内切圆）为4.97mm。设定光纤拉丝直径为250μm，最
终共拉制八角形内包层掺稀土光纤24.9m。基于八角形加工参
网络电信 二零二一年三月