鈮鍺共摻石英光纖預(yù)制棒拉曼光譜特性分析

楊鵬祥+陳振宜+陳娜+徐文杰+胡新毛+陳華

摘 要：采用MCVD工藝制備出了氯化鈮和氧化鈮兩種摻雜石英光纖預(yù)制棒，并對(duì)其切片樣品的拉曼散射光譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和特性分析。在波長(zhǎng)為785 nm的激光泵浦條件下，分別測(cè)得了兩種切片樣品包層純?nèi)凼⒑托緦逾夋N共摻熔石英的拉曼光譜，然后進(jìn)行比對(duì)分析。結(jié)果表明，鈮鍺共摻熔石英的拉曼散射強(qiáng)度比純?nèi)凼⒌睦⑸鋸?qiáng)度有明顯的增強(qiáng)。由此可見，作為光纖拉曼放大增益介質(zhì)，鈮鍺共摻石英光纖具有更高拉曼增益系數(shù)。

關(guān)鍵詞：光纖預(yù)制棒；二氧化硅；鈮鍺共摻；拉曼散射

中圖分類號(hào)：TN253；TQ171.1+12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.019

光纖中的受激拉曼散射屬于非彈性散射，是非線性光纖光學(xué)中一個(gè)重要的非線性效應(yīng)。它可能引起通信信道的串?dāng)_，降低通信質(zhì)量，但也可以利用受激拉曼信號(hào)的放大作用制備光纖拉曼放大器、光纖拉曼激光器及光纖拉曼傳感器。作為上述器件的拉曼增益介質(zhì)，高拉曼增益且低損耗特種光纖的獲得是關(guān)鍵。目前，已有很多文章報(bào)道了各種材料的拉曼增益特性，比如各種氧化物玻璃、單晶藍(lán)寶石光纖、Yb：YAG光纖、As2Se3與As2S3玻璃光纖等。研究表明，與石英玻璃相比，碲酸鹽玻璃、硫化物玻璃有更強(qiáng)的拉曼增益強(qiáng)度和更寬的增益帶寬。為適應(yīng)現(xiàn)代通信石英光纖的要求，研究摻雜高拉曼增益介質(zhì)的特種石英光纖是十分必要的，而制備新型特種摻雜光纖的前提是制備出特種摻雜光纖預(yù)制棒。基于傳統(tǒng)的MCVD技術(shù)制備的特種光纖預(yù)制棒拉制的特種光纖具有損耗低、與現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，Nb2O5摻雜到碲酸鹽和石英玻璃中能有效地提高材料的拉曼散射增益，因而制備并研究摻鈮光纖具有重要意義。為提高摻鈮光纖的制備質(zhì)量，本文著重研究了分別摻氯化鈮（NbCl5）和氧化鈮（Nb2O5）兩種含鈮化合物特種光纖預(yù)制棒切片的拉曼光譜特性，并計(jì)算了相應(yīng)的拉曼增益系數(shù)，兩種特種光纖預(yù)制棒均采用了MCVD工藝方法制備而成。

1 光纖拉曼放大基本理論

當(dāng)一束弱的信號(hào)光和強(qiáng)的泵浦光經(jīng)耦合器同時(shí)注入光纖，由于受激拉曼散射（SRS）的作用，信號(hào)光會(huì)被放大。這個(gè)過(guò)程可以用下式描述：

式（1）中：Ps（L）為光纖L距離處的斯托克斯光強(qiáng)；gR（v）為光纖增益材料的拉曼增益系數(shù)，其值與拉曼位移v有關(guān)；P0為泵浦光強(qiáng)；Leff為光纖的有效長(zhǎng)度；K為信號(hào)光和泵浦光的偏振因數(shù)，如果泵浦光和信號(hào)光是同偏振的，K值是1，反之是2.

式（2）中：c為真空中的光速；h為普朗克常量；λS為斯托克斯光波長(zhǎng)；n（v）為光纖的有效折射率；σ0（v）為絕對(duì)零度

時(shí)材料的拉曼散射截面。

式（1）表明，拉曼增益系數(shù)gR（v）越大，產(chǎn)生的拉曼光越強(qiáng)。拉曼增益系數(shù)gR（v）是表征材料拉曼特性的重要參數(shù)。測(cè)量拉曼增益系數(shù)的常用方法是根據(jù)自發(fā)拉曼光譜計(jì)算拉曼增益系數(shù)。該方法要求先測(cè)量具有相同尺寸的待測(cè)樣本和標(biāo)準(zhǔn)樣本（一般為SiO2）的自發(fā)拉曼散射光譜，然后歸一化處理光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)比得到拉曼增益系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與分析

依據(jù)上述理論，分別對(duì)摻氯化鈮和氧化鈮的特種光纖預(yù)制棒的切片進(jìn)行拉曼散射實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，使用共聚焦顯微拉曼光譜儀（Renishaw microscopic confocal Raman spectrometer）測(cè)量了純石英和鈮鍺共摻石英材料的拉曼散射光譜。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)主要由785 nm激發(fā)光源、二向色鏡、濾光片、光耦合透鏡、拉曼光譜儀、計(jì)算機(jī)控制與分析軟件等構(gòu)成，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1中，紅線表示泵浦光，藍(lán)線表示拉曼光，785 nm的泵浦激光透過(guò)二向色鏡M1，經(jīng)反射鏡M2反射后，再過(guò)顯微物鏡照射在樣品上，樣品激發(fā)的拉曼散射光又被顯微物鏡收集，通過(guò)反射鏡M2，二向色鏡M1和濾光片進(jìn)入拉曼光譜儀，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，在顯示器上顯示出拉曼光譜。拉曼光譜反映樣品的分子振動(dòng)模式，理論上，對(duì)于同一樣品而言，不同波長(zhǎng)的泵浦光激發(fā)所產(chǎn)生的拉曼光譜是沒有區(qū)別的，但是，就某些樣品而言，對(duì)某一特定波長(zhǎng)的泵浦光會(huì)有熒光效應(yīng)產(chǎn)生。這會(huì)嚴(yán)重地干擾其拉曼光譜的測(cè)量。對(duì)于氯化鈮和氧化鈮摻雜的光纖預(yù)制棒切片來(lái)說(shuō)，用785 nm的泵浦光可更好地避免熒光干擾，增加其拉曼光譜測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2 樣品拉曼光譜測(cè)試與分析

本文采用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及分析方法，測(cè)量鈮鍺共摻和純?nèi)凼⒉牧系睦庾V，所使用的樣品是摻鈮光纖預(yù)制棒切片包括摻氯化鈮光纖預(yù)制棒切片和摻氧化鈮光纖預(yù)制棒兩種樣品。在同一實(shí)驗(yàn)條件下，分別測(cè)量了光纖預(yù)制棒切片的摻鈮纖芯和純?nèi)凼鼘拥睦庾V，其中，切片的包層部分是純?nèi)凼ⅲw芯部分則分別摻有氯化鈮和鍺以及氧化鈮和鍺的熔石英。以純?nèi)凼鼘拥臏y(cè)量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)歸一化，就可得到光纖預(yù)制棒切片纖芯材料的拉曼增益系數(shù)。

將光纖預(yù)制棒切片放置到圖1所示的拉曼測(cè)量裝置載物臺(tái)上，調(diào)整顯微物鏡使泵浦光聚焦到光纖預(yù)制棒切片的纖芯區(qū)域，測(cè)量其纖芯部分的拉曼光譜，然后再次調(diào)整顯微物鏡使泵浦光聚焦于光纖預(yù)制棒切片的包層區(qū)域，測(cè)量其包層部分的拉曼光譜，更換光纖預(yù)制棒切片樣品，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最終測(cè)得兩種切片樣品的拉曼光譜，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采用的泵浦光波長(zhǎng)為785 nm，功率為30 mW，顯微物鏡放大倍數(shù)為10倍。

由于存在背底光，拉曼光譜的最小值不為零，為準(zhǔn)確分析和計(jì)算拉曼增益系數(shù)，需要將拉曼光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。處理方法是消去背底光，使拉曼光譜的最小值為零。標(biāo)準(zhǔn)化處理后的光纖預(yù)制棒切片樣品的拉曼光譜如圖3所示，鈮鍺共摻熔石英的拉曼峰與純?nèi)凼⒌睦寤緦?duì)應(yīng)一致。其中，拉曼頻移445 cm-1附近的拉曼峰對(duì)應(yīng)Si-O-Si橋氧鍵的六環(huán)呼吸振動(dòng)，并且491 cm-1和605 cm-1這兩個(gè)峰位也對(duì)應(yīng)于Si-O-Si橋氧鍵的振動(dòng)，分別與四環(huán)和三環(huán)的Si-O-Si橋氧鍵相關(guān)，頻移為800 cm-1左右的峰位由橋氧鍵的彎曲振動(dòng)所引起。至于拉曼峰的強(qiáng)度，鈮鍺共摻熔石英在445 cm-1附近的強(qiáng)度比純?nèi)凼⒌母吆芏啵笥?00 cm-1的拉曼頻移峰位，拉曼強(qiáng)度值近似相等，拉曼增益幾乎為零，實(shí)用價(jià)值不大。一般情況下，人們更關(guān)注拉曼增益石英光纖在445 cm-1頻移附近的拉曼增益頻帶。深入分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，摻雜氧化鈮的熔石英比摻雜氯化鈮的熔石英具有更強(qiáng)的拉曼峰。這是因?yàn)閾诫s的氯離子減小了Si-O-Si橋氧鍵的振動(dòng)散射截面，而氧離子更容易與熔石英中的硅結(jié)合形成更多的橋氧鍵，因而摻雜氧化鈮將會(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)的拉曼增益。

2.3 切片樣品拉曼增益系數(shù)計(jì)算與分析

由于拉曼增益系數(shù)gR與泵浦光波長(zhǎng)λp成反比，所以泵浦光波長(zhǎng)為785 nm的純?nèi)凼⒗鲆嫦禂?shù)可以由泵浦光波長(zhǎng)為532 nm測(cè)得的SiO2拉曼增益系數(shù)計(jì)算得到。純?nèi)凼⒌睦鲆嫦禂?shù)在泵浦光波長(zhǎng)為532 nm時(shí)的數(shù)值是1.86×10-13 m/W，因而在泵浦光為785 nm，拉曼位移為445 cm-1附近的拉曼增益系數(shù)為1.26×10-13 m/W。然后將圖3測(cè)得的樣品的拉曼增益以熔石英的數(shù)據(jù)對(duì)比歸一，可以得到氯化鈮、鍺共摻和氧化鈮、鍺共摻石英的拉曼增益系數(shù)分別為1.83×10-13 m/W和2.68×10-13 m/W，其拉曼增益系數(shù)譜見圖4.

從圖4可以看出，鈮鍺共摻熔石英的拉曼增益系數(shù)有了明顯的提高。氯化鈮與鍺共摻熔石英拉曼增益系數(shù)值約是純?nèi)凼⒌?.5倍，而氧化鈮與鍺共摻熔石英拉曼增益系數(shù)約為純?nèi)凼⒌?.3倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈮鍺共摻增強(qiáng)了純石英的拉曼散射。在光纖中摻入不同的元素會(huì)改變光纖自身的光學(xué)性質(zhì)，由于在光纖中摻雜了不同材料，其分子結(jié)構(gòu)和能級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)不同，在微觀上表現(xiàn)為不同的拉曼散射截面，將影響光纖拉曼散射的強(qiáng)弱。因此合理選擇摻雜元素，并且采用適當(dāng)?shù)墓に噷⑵鋼饺氤Ｒ?guī)石英光纖，可獲得具有拉曼增強(qiáng)效應(yīng)的特種石英光纖。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文制作了鈮鍺共摻特種石英光纖預(yù)制棒，測(cè)量了鈮鍺共摻石英材料的拉曼光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈮和鍺的加入增強(qiáng)了純?nèi)凼⒌睦鼜?qiáng)度。進(jìn)一步計(jì)算了鈮鍺共摻熔石英與純?nèi)凼⒌睦鲆嫦禂?shù)。結(jié)果表明，氯化鈮與鍺共摻的熔石英拉曼增益系數(shù)比氧化鈮與鍺共摻熔石英拉曼增益系數(shù)小。這是因?yàn)槁入x子的存在減小了拉曼散射截面，而氧離子容易與熔石英中的硅結(jié)合形成更多的橋氧鍵。從實(shí)際應(yīng)用方面來(lái)說(shuō)，由于摻鈮石英光纖其制備不需要增加復(fù)雜的工藝，同時(shí)又與光通信系統(tǒng)具有很好的光纖兼容性，再加上鈮鍺共摻特種石英光纖比常規(guī)石英光纖有更強(qiáng)的拉曼增益特性，因此，在純?nèi)凼⒉牧现袚诫s特種元素（比如鈮等）能夠得到較理想的拉曼增益介質(zhì)。這為制作高拉曼增益光纖提供了一個(gè)重要的研究途徑。

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作者簡(jiǎn)介：楊鵬祥（1990—），男，碩士研究生，主要從事特種摻雜石英光纖的制作和拉曼增益特性方面的研究。陳振宜（1959—），男，研究員、博士生導(dǎo)師，上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，主要從事特種光纖技術(shù)與應(yīng)用、光纖無(wú)源器件、光纖傳感、導(dǎo)波光學(xué)、光電子學(xué)、非線性光纖光學(xué)等方面的研究工作。

〔編輯：劉曉芳〕