Mridu P. Kalita，Andrew S. Webb， Alexander J. Boyland，

Seongwoo Yoo，Jayantak. Sahu

工業(yè)光纖激光器制造正成為石英光纖增長最快的市場之一。光纖激光器展現(xiàn)出了許多優(yōu)于二極管泵浦固體激光器的性能，諸如卓越的性能、優(yōu)良的可靠性、緊湊的體積、較高的效率，以及為用戶帶來的成本節(jié)省。特別是摻鐿光纖激光器，其在連續(xù)波和脈沖工作模式下，分別實(shí)現(xiàn)了數(shù)千瓦量級的功率輸出。^[1]摻鐿光纖激光器應(yīng)用的不斷增多，激發(fā)了業(yè)界對各種類型的二氧化硅光纖的開發(fā)，而且每種光纖都具備獨(dú)特的屬性，以滿足特定的應(yīng)用需求。由于玻璃的設(shè)計(jì)和材料特性對光纖激光器的性能具有決定性的影響，因此光纖及其預(yù)制棒的制造也在不斷向前發(fā)展。

大多數(shù)二氧化硅光纖都是通過基于改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積（MCVD）法制作的光纖預(yù)制棒拉制而成。這種方法非常適合于制造傳輸用的無源光纖，但是不太適合于在預(yù)制棒的玻璃結(jié)構(gòu)中摻雜稀土離子�，F(xiàn)有的名為溶液摻雜技術(shù)就是為解決這個問題應(yīng)運(yùn)而生的，但是仍然不能用于制造具有多層結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)復(fù)雜的光纖。^[2]為了彌補(bǔ)目前對光纖激光器的需求與現(xiàn)有稀土摻雜能力之間的差距，英國南安普頓大學(xué)光電子研究中心（ORC）開發(fā)出了兩項(xiàng)新技術(shù)——現(xiàn)場溶液摻雜技術(shù)和化學(xué)坩堝沉積技術(shù)。 ^[3,4]

現(xiàn)場溶液摻雜技術(shù)

在傳統(tǒng)的溶液摻雜方案中，一層稱為“Soot”的硅微粒首先被沉積在高純度玻璃基質(zhì)管的內(nèi)壁（見圖1）。Soot只有幾十微米厚，但是其較大的表面積使其具有了多孔結(jié)構(gòu)。這層硅微粒最終會形成光纖的纖芯。在硅微粒層沉積之后，玻璃管從制備預(yù)制棒的車床轉(zhuǎn)移到另外一個裝置上，這個裝置中包含溶有稀土離子和共摻雜離子（如鋁）的溶液。玻璃管在這個裝置中經(jīng)過一個指定的浸泡周期（一般為1個小時）后，再次被轉(zhuǎn)移到車床上。接下來，硅微粒層通過高溫熔結(jié)成玻璃體。每層摻雜都必須重復(fù)這個過程，這將會降低可用預(yù)制棒的產(chǎn)量，因?yàn)檫@個過程要連續(xù)轉(zhuǎn)移玻璃管。因此，這種技術(shù)并不適用于多于3到4層的摻雜。

圖1：改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積（MCVD）設(shè)備用于制備光纖預(yù)制棒，圖中正在沉積多孔硅層。

現(xiàn)場摻雜MCVD技術(shù)與傳統(tǒng)的溶液摻雜技術(shù)類似，但是其省去了在車床上轉(zhuǎn)移和重新安裝玻璃管這道工序，這使得整個過程更加高效、可靠，因而提高了預(yù)制棒的產(chǎn)量。這個過程首先也包括一個跟以前一樣的沉積Soot層的工序。然后，溶液通過裝配車床的尾端引入到Soot層中。一個小口徑玻璃管的一端被送到里面直到靠近Soot層，而該管的另一端與一個軟管相連，并通過一個泵輸送液體。在整個過程中，玻璃管保持在原位不動。當(dāng)Soot層被完全浸透后，導(dǎo)流管就會被移除，溶劑蒸發(fā)后就會留下稀土離子。當(dāng)這一層被完全烘干后，摻雜的氧化粒子就會進(jìn)入玻璃。最后，玻璃管被熔融坍塌形成固體的玻璃預(yù)制棒。重復(fù)這個過程，可以實(shí)現(xiàn)多層摻雜。

現(xiàn)場摻雜技術(shù)的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的摻雜稀土的預(yù)制棒的制備，這是傳統(tǒng)的溶液摻雜技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的�，F(xiàn)場摻雜技術(shù)應(yīng)用的一個例子是摻鐿的雙包層光纖，它具有一個突起的內(nèi)包層環(huán)用于降低較高的數(shù)值孔徑（NA），其數(shù)值通常大于0.15，這是由于高度摻雜所引起的（見圖2）。通過現(xiàn)場摻雜技術(shù)，可以將NA值降低到0.06，因此可以減少激光的輸出模式。

為了保證纖芯的導(dǎo)光性，在預(yù)制棒中需要一個大口徑的內(nèi)包層，它通常包含多個沉積層。磷和鍺是在MCVD中常用的可以進(jìn)行氣相沉積的材料。然而，摻雜磷和鍺的玻璃有殘余的內(nèi)應(yīng)力，而且容易破碎。但是采用現(xiàn)場沉積技術(shù)，多個無應(yīng)力的鋁硅酸鹽層可以被沉積形成內(nèi)包層。例如，采用現(xiàn)場溶液摻雜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)直徑為400μm的摻鐿纖芯光纖，包含14層鋁硅酸鹽的內(nèi)包層（見圖2）。該光纖被拉成雙包層結(jié)構(gòu)，能使摻鐿光纖激光器實(shí)現(xiàn)約達(dá)80%的光-光轉(zhuǎn)換效率。

圖2：光纖的折射率輪廓圖和界面圖。

化學(xué)坩堝沉積法

除了現(xiàn)場溶液摻雜技術(shù)，南安普頓大學(xué)光電子研究中心正在開發(fā)的第二項(xiàng)技術(shù)是化學(xué)坩堝沉積技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)用于低揮發(fā)性的摻雜材料的霧化與結(jié)合。目前開發(fā)的關(guān)注焦點(diǎn)是鑭系螯合物（lanthanide-based chelate complex），它們在室溫下為固態(tài)，在攝氏150~200℃之間會升華。目前，使用這些材料的沉積系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，這種系統(tǒng)最初是為了制造具有低摻雜稀土離子的通信光纖而設(shè)計(jì)的。因此，目前并未見到利用此系統(tǒng)開發(fā)用于高功率激光器應(yīng)用的光纖的廣泛報(bào)道，這可能是因?yàn)槭褂猛獠肯⊥羵魉拖到y(tǒng)的存在一定的難度。

在MCVD化學(xué)坩堝技術(shù)中，稀土摻雜物直接在車床上的MCVD玻璃套管的內(nèi)部加熱，非常靠近沉積區(qū)，這增加了多功能性而且沿著套管的長度方向保持了較好的均勻性（見圖3）。 稀土和共摻雜離子放置在一個通過外部供電的電加熱坩堝上面，溫度精度控制在1℃以內(nèi)。

圖3：化學(xué)坩堝法制備光纖預(yù)制棒技術(shù)。

鑭系螯合物的高度揮發(fā)性與MCVD相結(jié)合，可以在相對較低的溫度下（大約200℃）使稀土離子在氣相狀態(tài)下以高濃度摻雜到預(yù)制棒中。由于稀土離子和共摻雜離子（如鋁和鍺）會同時與二氧化硅沉積物結(jié)合，因此化學(xué)坩堝沉積技術(shù)的另一個優(yōu)點(diǎn)是：與傳統(tǒng)的溶液摻雜技術(shù)相比，在相同的摻雜水平下，化學(xué)坩堝沉積技術(shù)能明顯改善稀土離子的聚集作用。這種新型的化學(xué)坩堝預(yù)制棒制備技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)廣泛的摻雜物質(zhì)的氣相沉積，根據(jù)需要還可以靈活地改變加熱溫度至幾百攝氏度，以產(chǎn)生足夠的蒸汽。

參考文獻(xiàn)：

1. Y. Jeong et al., Opt. Exp., 12, 25, 6088-6092 (2004).
2. J.E. Townsend et al., Electron. Lett., 23, 7, 329-331 (1987).
3. A.S. Webb et al., J. Non-Crystalline Solids, 356, 848-851 (2010).
4. A.J. Boyland et al., CLEO/QELS 2010 paper CThV7, San Jose, CA (May 2010).