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光纤激光器核心技术的发展
新特光电集团 2017-05-08 792

光纤激光器核心组件特种光纤技术及发展趋势

一、光子晶体光纤

烽火通信科技股份有限公司在十一五国家重点基础研究发展计划973项目“微结构光纤结构设计及制备工艺的创新与基础研究”(2003CB314905)、高新技术产业化项目“863”计划“光子晶体光纤及器件的研制与开发”(2007AA03Z447)、973计划项目“微结构光纤的创新设计、精确制备及其标准化”(2010CB327606)的支撑下,从微结构光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究,取得了重大的科研成果。烽火通信已经初步形成了微结构光纤(光子晶体光纤)的工艺技术与设备控制技术,以及自主知识产权的专利技术,先后制造出光子晶体光纤,包括:高非线性光子晶体光纤、色散平坦光子晶体光纤、FTTH用微结构光纤、大模场单模光子晶体光纤、空心PBG型光子晶体光纤、全固态PBG型光子晶体光纤,以及双包层掺镱光子晶体光纤、掺铒光子晶体光纤等。

烽火通信将上述光子晶体光纤提供给国内的清华大学、北京邮电大学、天津大学、南开大学、燕山大学、深圳大学、国防科技大学进行基础应用研究:清华大学采用本公司提供的高非线性光子晶体光纤实现了慢光,实现了0.5脉冲当量的光减速;天津大学采用本公司提供的高非线性光子晶体光纤实现了400nm~1400nm两倍频程的超连续光谱;北京邮电大学利用本单位的高非线性光子晶体光纤实现了波长变换器件的研制;南开大学采用本单位的柚子型光敏微结构光纤,实现了多参量传感新型光纤光栅的刻写等,他们取得了新型高性能的光电子器件的国际前沿的研究成果。

二、色散补偿光纤及模块

随着网络技术的应用日益广泛,人们对宽带传输的需求迅速增长,因此,光通信系统需要不断增大传输距离、传输容量和提高传输速率。光纤通信的传输速率从最初的兆比特/秒1(Mbps),2.5G比特/秒(Gbps)到10 Gbps,现在高达40 Gbps,甚至160 Gbps。但是,常规单模光纤(G.652)由于在1530nm-1625nm(C+L波段)通信波段内具有11-21ps/nm?km的正色散,非零色散位移光纤(G.655)在C波段内具有1-10ps/nm?km的正色散。通信数据传输一段距离后,系统的累积色散不断增加,导致传输信号的波形畸变,造成信号的失真。

为了减小通信链路累积色散对通信系统传输性能的影响,目前,国际上采用色散补偿技术来改善链路色散,包括负色散光纤补偿技术、光纤光栅色散补偿技术、电子色散补偿技术等,其中采用负色散光纤进行色散补偿的技术最方便有效,系统性能稳定可靠,成本低。采用色散补偿光纤进行通信链路的色散补偿是当前国际上的主流技术,CIR研究表明:到2012年,全球色散补偿模块和器件的市场将会达到7.55亿美圆。

高速大容量光通信系统需求的宽带色散补偿光纤及其器件(DCM)成功商用,实现C波段的色散和色散斜率的双功能补偿,并且大规模应用在波分复用(WDM)及OTN光通信系统中,解决了该器件依赖于进口的局面。随着密集波分系统的规模化建设,国内对色散补偿光纤模块的需求量迅速增长,预计到2015年国内需求将达到60000套,市场容量将达到2.2亿元

常规色散补偿光纤模块对G.652光纤的补偿比率在1:8~1:10,如果采用光子晶体前沿技术进行补偿,理论上可以达到1:100的补偿比率,实现色散的高效补偿。烽火通信在国家科技计划的支撑下,研制出高负色散光子晶体光纤。该光纤其峰值波长为1570nm,峰值负色散为-666.2ps/nm.km,其补偿带宽为40nm,补偿比率3倍以上。

三、保偏光纤

保偏光纤在许多与偏振相关的应用领域具有使用价值。随着通信系统传输速率的提高和光纤陀螺等高级光纤传感器件的发展,对偏振态系统控制的问题变得非常重要。

国际上,目前有各种类型的保偏光纤产品进入市场,知名的保偏光纤制造公司有生产领结型保偏光纤的FiberCore公司,有生产椭圆包层保偏光纤的3M公司,以及生产熊猫型保偏光纤的Fujikura,Corning ,Nufern、YOFC和OFS等公司。所有的这些公司生产的保偏光纤都具有良好的双折射性能。目前市场需求量为5000km,市场容量在5000万元左右,国内对保偏光纤的需求量逐年增大。

常规保偏光纤大多采用预制棒钻孔的方法,然后置入应力硼棒,形成应力双折射。光子晶体光纤科学技术的出现,为保偏光纤技术提供了新的途径。目前,国外已经开始了光子晶体PMF的研究,利用氧化硅一空气之间的折射率反差大,容易获得高双折射,研制出了保偏光子晶体光纤(PCF).英国巴斯大学报道了其研制的高双折射PCF,利用相同直径不同壁厚的毛细管组合成预制棒,实现不同的微孔直径.光纤外直径125μm、节距1.46μm、小孔直径0.54μm、大孔直径1.14μm、在1 550 nm 的拍长为410μm ,双折射B =3.8 x 10-3 ,约为目前熊猫型PMF的10倍.Theis P.hansen利用光子晶体光纤可以高设计自由度的优势,在光纤中引入双纤芯,微孔点阵呈现三角形点阵,研制的光子晶体PMF双折射达到1.0x10-3 .目前研制的光子晶体PMF在1 550 am 窗口的损耗为1.3 dB/km,并以10 Gbit/s的速率进行1.5 km的传输系统试验。

四、掺稀土光纤

随着新型光电子器件的发展,掺稀土光纤的应用越来越广泛。掺稀土光纤主要包括掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤等,烽火通信的高性能掺稀土光纤成功获得“国家重点新产品”称号,打破了国外对我国高功率双包层掺稀土光纤的技术封锁。

烽火通信采用自主知识产权的专利技术,实现了稀土离子掺杂技术突破,镱离子浓度迅速突破13000ppm

在开发掺镱光纤的同时,烽火通信也开发出双包层掺铥光纤,获得了150W的中红外激光输出。烽火通信科技股份有限公司制造的掺铒光纤、铒镱双包层光纤、掺铥光纤都成功实现了商用化,促进了国内掺铒光纤放大器、光纤激光器等新型光纤器件的发展,为我国新型光电子器件的发展奠定基础。

常规的双包层掺镱光纤要维持较好的单模特性时,当其纤芯数值孔径达到0.03,其理论单模模场直径的极限为25微米,这远远不能够满足高功率光纤激光器的大功率高光束质量与高亮度的需求。光子晶体光纤技术的出现为双包层掺稀土光纤及新型光纤激光器提供了新的技术途径。采用空气与石英的复合材料结构,形成二维的三角形晶格点阵,当空气孔直径d与晶格常数∧的比例小于0.42时,光波电磁场维持单模工作模式。国外已经开发出纤芯直径达到80微米的双包层掺镱光纤,具备良好的单模特性。同时,外包层采用大空气孔取代常规的低折射率涂料极大地提高了内包层的数值孔径,并增强了其耐热性。

五、能量传输光纤

能量光电子与信息光电子是光电子领域的一对孪生姊妹,信息光电子是利用光子作为信息的载体,而能量光电子是利用光子作为能量的载体,逐渐形成未来社会不可缺少的科学技术。其实,能量光电子技术自1960年美国休斯实验室研制出世界第一台红宝石激光器之后,相继研制开发了半导体激光器、CO2激光器、YAG激光器和高功率CO2激光器。特别是高功率激光器的研制成功,为激光加工技术在工业、农业、医疗、军事、科学研究以及生活等领域的应用和相关行业的发展创造了巨大的技术进步。

随着能量光电子技术的不断进步,各种新型高功率激光器与激光加工设备不断涌现,激光设备采用光纤输出激光的方式已经取代传统输出方式。光纤输出激光的方式具有传输功率损耗小、操作简单方便、可以任意伸展待加工部位等优点,大大地简化并缩小了现代激光设备,已经广泛地应用于材料表面热处理、激光焊接、激光切割、激光医疗、激光美容、激光制导等领域。

目前,国内激光设备制造商采用的能量光纤主要依靠进口,主要原因有四个:一是国内的能量光纤的激光损伤阈值较低;二是光纤的光透过率较国外低;三是国内机械加工精度不够,所生产的SMA905连接头的同轴度差,不能够满足医疗激光即插即用的需求;四是光纤端面处理技术较为落后。随着能量光电子产业的飞速发展和不断壮大,该行业对能量传输光纤及其套件的需求会越来越大。

烽火通信科技股份有限公司采用自主知识产权的PCVD工艺技术,成功开发出大功率高损伤阈值能量传输光纤。烽火通信的能量光纤的损伤阈值达到3.5GW/cm2, 单根光纤承受激光功率突破1kW。烽火通信科技股份有限公司的能量光纤及光纤铠装跳线产品不仅应用在激光器的能量传输,而且应用在太阳能光伏产业,以及国防激光技术等领域。

六、特种光纤发展趋势

目前,随着我国3G与三网合一的信息化建设投资加大,以及振兴中西部、发展农村、扩大内需等政策的相继出台,我国对光纤光缆以及光电子器件保持旺盛增长势头,今后随着信息基础设施的完善与扩大,预计对光纤光缆和光纤器件的需求将继续增长。

特种光纤具有向如下几个方向发展的趋势:

(1) 高附加值、高技术含量的特种光纤

(2) 光纤通信器件:可调色散补偿器、动态PMD补偿器、高功率放大器、光参量放大器OPA、慢光及全光缓存器、波长变换器件等;

(3) 能量光纤器件:全光纤化激光器、单频、窄线宽等大功率有源光纤器件与无源光纤器件等;

(4) 医疗光纤器件:微创手术器件、内窥医疗器件等;

(5) 传感光纤器件:各种特殊环境应用的器件,如压力、温度、位移等参量的传感与探测器件,光纤陀螺等。

物联网和云计算等新技术的出现,更加大了特种光纤及各种新型光电子器件的需求,特种光纤作为一个新兴的产业,将面临较大的发展机遇与挑战,这也为我国民族光纤产业提供了横向发展与纵向延伸的历史舞台。

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