專利名稱：半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖及其預(yù)制棒制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖預(yù)制棒及其制造方法，特別是一種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖及其預(yù)制棒制造方法。
背景技術(shù)：
放大光纖是光纖通信中不可缺少的一種特種光纖，它是光纖放大器的核心部件。光纖放大器廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量、高速率的通信系統(tǒng)，接入網(wǎng)，光纖CATV網(wǎng)，軍用系統(tǒng)等領(lǐng)域。摻雜稀土放大光纖是目前國內(nèi)外使用最普遍的一種放大光纖。世界上一些發(fā)達(dá)國家的大公司均投入大量的人力、物力開展此類光纖的研制和開發(fā)。但是，目前使用的摻雜稀土放大光纖還存在以下問題①單位長(zhǎng)度的吸收效率低，組成的光纖放大器使用光纖較長(zhǎng)(如摻鉺光纖用作光纖放大時(shí)，可選擇在20m、30m等)；②為了更好地提高纖芯吸收泵譜光的效率，摻雜稀土放大光纖可采用非圓內(nèi)包層的結(jié)構(gòu)形式，使制造工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴；③每種摻雜光纖的帶寬有限(如基于石英光纖的摻鉺光纖放大器增益帶寬約為30nm)，因此才出現(xiàn)了不同波段的摻雜稀土光纖，如摻鉺光纖(C波段1530-1565nm，L波段1570-1605nm)、摻鉺碲化物光纖(1530-1610nm)、摻鐠氟化物光纖(1290-1320nm)、摻銩氟化物光纖(1450-1485nm)；④在石英光纖中，高摻雜稀土元素，如鉺(一般摻雜量約為1018cm-3)，將會(huì)出現(xiàn)上轉(zhuǎn)換效應(yīng)和離子集聚效應(yīng)，而且鉺亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上的粒子數(shù)將減少，所以增加稀土元素濃度，在一定極限后，不會(huì)提高增益。
另外，在光纖到戶的推動(dòng)下，光放大器有巨大的市場(chǎng)前景，而我國在光放大器的研究方面還比較落后，高性能的摻雜稀土元素放大光纖目前主要依靠進(jìn)口，我們研制的摻雜稀土元素光纖大都是在別人產(chǎn)品或已研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)上跟蹤研究，這樣就造成關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品受制于人，而且也無法與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)和產(chǎn)品相抗衡。由此看出，研究一種新型放大用光纖，解決以上存在問題，滿足我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和未來發(fā)展的需要，使其適合未來光纖放大器小型化、集成化、輸出功率高、噪聲低、增益均衡等發(fā)展的要求，是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，預(yù)制棒的性能直接決定制作半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖性能和質(zhì)量，所以，預(yù)制棒的制作對(duì)半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖而言是致關(guān)重要的。
以達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的構(gòu)思是針對(duì)已有技術(shù)存在的問題，我們提出將半導(dǎo)體材料的高增益、寬帶寬的優(yōu)勢(shì)和光纖良好的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)放大光纖，該光纖在纖芯和包層間夾有一層無機(jī)活性半導(dǎo)體薄膜材料，從而形成了薄膜層光纖，且具有放大的功能，所以簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖。同時(shí)，本發(fā)明目標(biāo)亦在于制備半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的坯棒——放大光纖預(yù)制棒，主要解決半導(dǎo)體薄膜層制備過程中的材料分解和轉(zhuǎn)化問題。
一種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，由芯棒、內(nèi)包層和外包層組成，內(nèi)包層夾在芯棒和外包層之間，其特征在于芯棒是由摻雜GeO2的石英材料構(gòu)成，它的折射率要大于外包層的純石英材料；內(nèi)包層為薄膜包層，是由具有放大功能的活性半導(dǎo)體直接帶隙材料構(gòu)成；而外包層是由純石英構(gòu)成。
一種用于上述的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的預(yù)制棒制造方法，其制造工藝過程及工藝步驟如下a.采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積(MCVD)工藝制作芯棒(1)將石英反應(yīng)管緊固在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車床上，以50±5轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiCl4、GeCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰主燈提供1600-1650℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2-GeO2芯層，然后，在2000±50℃氫氧焰溫度下燒結(jié)反應(yīng)管，收縮成為透明的實(shí)芯光纖芯棒；b.制作外包層(3)在可旋轉(zhuǎn)的MCVD制棒機(jī)上放置已設(shè)有前端汽化腔的預(yù)制棒石英管，在其下部設(shè)置固定加熱汽化燈及移動(dòng)加熱燈，固定加熱燈用來汽化半導(dǎo)體材料、移動(dòng)加熱燈用來沉積材料，制作外包層僅用移動(dòng)加熱燈；將上述預(yù)制棒石英管以50±5轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰移動(dòng)加熱燈提供1600-1650℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2外包層；c.制作薄膜內(nèi)包層(2)將上述制作的帶有外包層的預(yù)制棒石英管，以40～50轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純N2把固定加熱汽化燈汽化的半導(dǎo)體材料(如InP)，固定汽化燈的加熱范圍為1300～1600℃，帶入反應(yīng)管內(nèi)，移動(dòng)加熱燈使其沉積成薄膜層，即制成了半導(dǎo)體沉積薄膜；預(yù)制棒石英管的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為35～45轉(zhuǎn)/分，移動(dòng)加熱燈的走燈速度為12～15厘米/分。
d.采用插棒技術(shù)裝配利用插棒技術(shù)，將芯棒(1)插入帶有外包層(3)和半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層(2)的預(yù)制棒石英管內(nèi)，然后再安裝在MCVD制棒機(jī)上，并通以N2，將芯棒與石英管之間的空氣全部用N2替代；e.縮棒將上述通以N2、帶芯棒的石英管，采用縮棒工藝，縮成一個(gè)實(shí)芯的預(yù)制棒；縮棒的溫度為2000±50℃，氫氧噴燈的走車速度為15±2厘米/分，棒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為50±5轉(zhuǎn)/分；預(yù)制棒的外徑約為8～12毫米，半導(dǎo)體薄膜的厚度為2～5微米。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供的放大光纖具有半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層，當(dāng)用直接帶隙半導(dǎo)體材料作為薄膜層時(shí)，如果光纖的入射泵浦光子能量大于直接帶隙能量時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的本征吸收，入射光子使價(jià)帶中的電子受激發(fā)而垂直躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶，這樣當(dāng)光波通過處于該狀態(tài)的半導(dǎo)體時(shí)，通過激光泵浦能量將獲得增益(或放大)效果。由于直接采用半導(dǎo)體薄膜層作為受激介質(zhì)，所以它的粒子反轉(zhuǎn)程度極高，且又因是直接帶隙材料，躍遷幾率和泵浦光吸收效率也很高，因此短光纖就會(huì)有較高的放大增益。另外，由于采用半導(dǎo)體活性材料作為放大材料，這樣粒子的躍遷不是發(fā)生在分立的能級(jí)之間，而是產(chǎn)生于兩個(gè)能帶(價(jià)帶和導(dǎo)帶)之間，因而放大的譜寬要比摻雜稀土元素光纖要寬幾倍。同時(shí)，半導(dǎo)體薄膜層對(duì)泵浦光源波長(zhǎng)的要求也不苛刻，所以泵浦的光源不一定是泵浦激光器，也可以用發(fā)光二極管陣列等器件。采用的預(yù)制棒制造方法，其預(yù)制棒具有半導(dǎo)體性能穩(wěn)定，材料分解少等特點(diǎn)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，適用于制備出一種集成化強(qiáng)、增益譜寬、高效泵浦、輸出功率高、便于結(jié)構(gòu)小型化、且使用方便、價(jià)格低廉的光纖放大器。


圖1為本發(fā)明半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的預(yù)制棒結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是本半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖由芯棒、內(nèi)包層和外包層組成，內(nèi)包層夾在芯棒和外包層之間，芯棒是由摻雜GeO2的石英材料構(gòu)成，它的折射率要大于外包層的純石英材料；內(nèi)包層為薄膜包層，是由具有放大功能的活性半導(dǎo)體直接帶隙材料構(gòu)成；而外包層是由純石英構(gòu)成。
本光纖的預(yù)制棒的制造方法，其制造工藝過程及工藝步驟如下a.采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝制作芯棒1將石英反應(yīng)管緊固在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車床上，以50±5轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiC14、GeCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰主燈提供1600～1650℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2-GeO2芯層，然后，在2000±50℃氫氧焰溫度下燒結(jié)反應(yīng)管，收縮成為透明的實(shí)芯光纖芯棒；b.制作外包層3在可旋轉(zhuǎn)的MCVD制棒機(jī)上放置已設(shè)有前端汽化腔的預(yù)制棒石英管，在其下部設(shè)置固定加熱汽化燈及移動(dòng)加熱燈，固定加熱燈用來汽化半導(dǎo)體材料、移動(dòng)加熱燈用來沉積材料，制作外包層僅用移動(dòng)加熱燈；將上述預(yù)制棒石英管以50±5轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰移動(dòng)加熱燈提供1600～1650℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2外包層；c.制作薄膜內(nèi)包層2將上述制作的帶有外包層的預(yù)制棒石英管，以40～50轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純N2把固定加熱汽化燈汽化的半導(dǎo)體材料InP，固定汽化燈的加熱范圍為1300～1600℃，帶入反應(yīng)管內(nèi)，移動(dòng)加熱燈使其沉積成薄膜層，即制成了半導(dǎo)體沉積薄膜；預(yù)制棒石英管的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為35～45轉(zhuǎn)/分，移動(dòng)加熱燈的走燈速度為12～15厘米/分。
d.采用插棒技術(shù)裝配利用插棒技術(shù)，將芯棒1插入帶有外包層3和半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層2的預(yù)制棒石英管內(nèi)，然后再安裝在MCVD制棒機(jī)上，并通以N2，將芯棒與石英管之間的空氣全部用N2替代；e.縮棒將上述通以N2、帶芯棒的石英管，采用縮棒工藝，縮成一個(gè)實(shí)芯的預(yù)制棒；縮棒的溫度為2000±50℃，氫氧噴燈的走車速度為15±2厘米/分，棒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為50±5轉(zhuǎn)/分；預(yù)制棒的外徑約為8～12毫米，半導(dǎo)體薄膜的厚度為2～5微米。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖，是由半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大預(yù)制棒拉制而成，該預(yù)制棒由芯棒、內(nèi)包層和外包層組成，內(nèi)包層夾在棒芯和外包層之間，其特征在于芯棒是由摻雜GeO2的石英材料構(gòu)成，它的折射率要大于外包層的純石英材料；內(nèi)包層為薄膜包層，是由具有放大功能的活性半導(dǎo)體直接帶隙材料構(gòu)成；而外包層是由純石英構(gòu)成。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖的預(yù)制棒制造方法，其制造工藝過程及工藝步驟如下a.采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝制作芯棒(1)將石英反應(yīng)管緊固在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車床上，以50±5轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiCl4、GeCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰主燈提供1600～1650℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2-GeO2芯層，然后，在2000±50℃氫氧焰溫度下燒結(jié)反應(yīng)管，收縮成為透明的實(shí)芯光纖芯棒；b.制作外包層(3)在可旋轉(zhuǎn)的MCVD制棒機(jī)上放置已設(shè)有前端汽化腔的預(yù)制棒石英管，在其下部設(shè)置固定加熱汽化燈及移動(dòng)加熱燈，固定加熱燈用來汽化半導(dǎo)體材料、移動(dòng)加熱燈用來沉積材料，制作外包層僅用移動(dòng)加熱燈；將上述預(yù)制棒石英管以50±5轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰移動(dòng)加熱燈提供1600～1650℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2外包層；c.制作薄膜內(nèi)包層(2)將上述制作的帶有外包層的預(yù)制棒石英管，以40～50轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純N2把固定加熱汽化燈汽化的半導(dǎo)體材料，固定汽化燈的加熱范圍為1300～1600℃，帶入反應(yīng)管內(nèi)，移動(dòng)加熱燈使其沉積成薄膜層，即制成了半導(dǎo)體沉積薄膜；預(yù)制棒石英管的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為35～45轉(zhuǎn)/分，移動(dòng)加熱燈的走燈速度為12～15厘米/分。d.采用插棒技術(shù)裝配利用插棒技術(shù)，將芯棒(1)插入帶有外包層(3)和半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層(2)的預(yù)制棒石英管內(nèi)，然后再安裝在MCVD制棒機(jī)上，并通以N2，將芯棒與石英管之間的空氣全部用N2替代；e.縮棒將上述通以N2、帶芯棒的石英管，采用縮棒工藝，縮成一個(gè)實(shí)芯的預(yù)制棒；縮棒的溫度為2000±50℃，氫氧噴燈的走車速度為15±2厘米/分，棒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為50±5轉(zhuǎn)/分；預(yù)制棒的外徑約為8～12毫米，半導(dǎo)體薄膜的厚度為2～5微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖及其預(yù)制棒制造方法。本半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大光纖是由半導(dǎo)體薄膜內(nèi)包層放大預(yù)制棒拉制而成的，預(yù)制棒由芯棒、內(nèi)包層和外包層組成，內(nèi)包層夾在芯棒和外包層之間，芯棒是由摻雜GeO
文檔編號(hào)C03B37/018GK1785860SQ20051003073
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者王廷云, 王克新, 陳振宜 申請(qǐng)人:上海大學(xué)