稀土掺杂碲酸盐玻璃放大光纤的研究

论文摘要

光纤通信是20世纪80年代以后发展起来的新型通信方式，具有容量大，无中继传输距离长，可实现全数字通信等特点，已成为今天国际通信的基础。从单波长的SDH技术到多波长的DWDM技术，光纤通信受益于掺铒光纤放大器的发明。在越来越关注效益的今天，宽带放大器的研制已成为如何更有效利用光纤带宽的瓶颈。虽然拉曼放大技术可以实现任一波长的光放大，但是其成本高昂。因此，低成本、宽放大带宽的掺杂稀土光放大技术应运而生。在欧洲已经研发出S+C+L带的基于碲酸盐玻璃的光纤放大器，日本更是达到了实用化。国内在这一领域的研究还处于起步阶段。本文首先以玻璃形成理论为基础，分析了碲酸盐体系的成玻性能，并通过实验研究，确定了Na2O-TeO2-WO3体系的成玻范围，研究了该体系玻璃的微观结构、热性能和析晶性能等。根据光纤制造工艺要求，确定了调整基础玻璃组份的方向和目标。在此基础上，研究了Na2S-TeO2-WO3碲酸盐玻璃体系，该体系玻璃具有较好的成玻性能，同时具有较高的Tg，是目前研究过的碲酸盐玻璃体系中最高的，表明这种玻璃具有较高的耐热损坏性能。但是该体系玻璃的缺点也同样显著，它的热稳定性差，容易发生脆裂，工艺性能不好。然后又研究了Na2O-TeO2-WO3-Al2O3和TeO2-TiO2-La2O3碲酸盐玻璃的形成与性能，研究表明，这两个体系玻璃的Tg和Tx-Tg的综合性能较好，具有良好的工艺性。透过光谱的结果表明这两个体系玻璃的光透过率较高，而且紫外吸收截止边较短，具有宽的透过窗口。它的密度很大，大约是SiO2的2～3倍。这两个体系玻璃掺杂稀土后仍然具有良好成玻性能，没有析晶或矢透现象。经透过率与折射率测试，在此基础上进行光纤设计。稀土掺杂玻璃的吸收光谱表明，掺杂Er3+在976nm附近有巨大的吸收截面，在1531nm附近有一个更大的吸收截面，说明Er3+在碲酸盐玻璃中有更大的泵浦效率和高的发光量子效率。从荧光光谱上看，Er3+在TeO2-TiO2-La2O3玻璃中的半高宽要优于Na2O-TeO2-WO3-Al2O3玻璃。结合拉曼分析作者认为：TeO2-TiO2-La2O3玻璃掺杂格位多于Na2O-TeO2-WO3-Al2O3玻璃，进而导致荧光半高宽的增大。但是Er3+离子在Na2O-TeO2-WO3-Al2O3玻璃中具有更大的放大带宽。同时，Er3+在两种玻璃中掺杂浓度高达10143ppm以上仍然具有良好的溶解性，无“团簇”（clusters）现象，表明碲酸盐玻璃是稀土掺杂的良好基质材料。采用数值计算设计了光纤的波导结构，分析了光纤的传播模式和截止条件，得出了光纤的光学性能，截止波长在1270nm附近；在1550nm附近色散值为-25ps／nm*km；在1550nm附近的模场直径为7.12μm。设计数据表明上述碲酸盐玻璃很好地满足了作为EDFA光纤的要求，对熔接损耗、色散和传输条件等要素基本上达到了最优化。根据衰减理论模型分析了碲酸盐玻璃光纤的衰减和降低衰减的途径或方法。通过模具结构设计，采用整体浇铸和机械加工相结合的方法来制作光纤预制棒。测试了熔体粘度，得到了拉丝过程仿真的基础数据。然后采用掺杂稀土的二氧化硅预制棒对拉丝工艺参数进行了探索，得到了除发热体功率以外的所有工艺参数。总之，作者认为还需要结合玻璃结构的详细分析，进一步探索扩展的Na2O-TeO2-WO3-Al2O3和TeO2-TiO2-La2O3碲酸盐玻璃体系，探索Er3+／Yb3+共掺杂的优化参数，碲酸盐玻璃的机械加工方法和拉丝工艺参数以及降低衰减等有待进一步研究。最后，作者认为需要进一步研究掺杂稀土的碲酸盐玻璃光纤的测试方法和光纤放大系统的测试方法，形成一个完整的研究体系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 光纤通信基础
• 1.1 光通信的历史
• 1.2 光纤导光原理和光纤基本概念
• 1.2.1 全内反射导光原理
• 1.2.2 光纤波动光学理论
• 1.3 光纤通信的基本原理
• 1.3.1 光通信的基本原理
• 1.3.2 掺铒放大光纤的光放大机理
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 国外掺稀土碲酸盐玻璃放大光纤的研究现状
• 1.4.2 国内掺稀土碲酸盐玻璃放大光纤的研究现状
• 1.5 本论文的目的与意义
• 本章参考文献
• 2 碲酸盐基础玻璃的研究
• 2.1 基础理论和基础数据
• 2.1.1 碲酸盐玻璃形成的理论计算
• 2.1.2 玻璃态结构和配位结构
• 2.1.3 碲酸盐玻璃组成氧化物的微观结构
• 2.2 实验部分
• 2O-TeO₂-WO₃碲酸盐玻璃的研究'>2.2.1 Na₂O-TeO₂-WO₃碲酸盐玻璃的研究
• 2.2.1.1 引言
• 2.2.1.2 实验内容
• 2.2.1.3 实验结果
• 2.2.1.4 分析与讨论
• 2S-TeO₂-WO₃碲酸盐玻璃的研究'>2.2.2 Na₂S-TeO₂-WO₃碲酸盐玻璃的研究
• 2.2.2.1 引言
• 2.2.2.2 实验内容
• 2.2.2.3 测试结果
• 2.2.2.4 分析与讨论
• 2.2.3 碲酸盐玻璃的组分优化
• 2.2.3.1 引言
• 2.2.3.2 实验部分
• 2.2.3.3 测试结果
• 2.2.3.4 分析与讨论
• 2.2.4 新优化体系碲酸盐玻璃密度与透过率测试与分析
• 2.2.4.1 引言
• 2.2.4.2 实验方法
• 2.2.4.3 测试结果
• 2.2.4.4 结果与讨论
• 2.3 小结
• 参考文献
• 3 掺杂稀土碲酸盐玻璃的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验内容
• 3.3 实验结果
• 3.4 结果与讨论
• 3.5 小结
• 参考文献
• 4 掺杂稀土碲酸盐玻璃的波导结构研究
• 4.1 波导结构理论
• 4.2 掺杂稀土的碲酸盐玻璃光纤结构的设计
• 4.3 碲酸盐光纤性能分析
• 4.3.1 碲酸盐光纤衰减分析
• 4.3.2 光纤光学指标的分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 5 预制棒工艺和拉丝工艺的研究
• 5.1 浇铸预制棒的工艺研究
• 5.1.1 机械加工法
• 5.1.2 模具
• 5.2 第二节 拉丝设备结构与控制
• 5.2.1 拉丝设备简介
• 5.2.2 拉丝工艺简介
• 5.3 拉丝工艺参数的研究
• 5.3.1 碲酸盐玻璃熔体粘度的测试与分析
• 5.3.2 碲酸盐玻璃光纤拉丝工艺参数的选择
• 5.3.3 碲酸盐玻璃光纤拉丝步骤
• 5.3.4 模拟拉丝实际工艺参数
• 5.4 小结
• 参考文献
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 问题与展望
• 附录 博士论文期间发表的论文及成果
• 1.发表与待发表的学术论文
• 2.申请的国家发明专利
• 致谢