鈮鍺共摻石英光纖預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制棒，并對其切片樣品的拉曼散射光譜進行了實驗測量和特性分析。在波長為785 nm的激光泵浦條件下，分別測得了兩種切片樣品包層純熔石英和芯層鈮鍺共摻熔石英的拉曼光譜，然后進行比對分析。結果表明，鈮鍺共摻熔石英的拉曼散射強度比純熔石英的拉曼散射強度有明顯的增強。由此可見，作為光纖拉曼放大增益介質，鈮鍺共摻石英光纖具有更高拉曼增益系數。

關鍵詞：光纖預制棒；二氧化硅；鈮鍺共摻；拉曼散射

中圖分類號：TN253；TQ171.1+12 文獻標識碼：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，是非線性光纖光學中一個重要的非線性效應。它可能引起通信信道的串擾，降低通信質量，但也可以利用受激拉曼信號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，高拉曼增益且低損耗特種光纖的獲得是關鍵。目前，已有很多文章報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、硫化物玻璃有更強的拉曼增益強度和更寬的增益帶寬。為適應現代通信石英光纖的要求，研究摻雜高拉曼增益介質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制棒。基于傳統的MCVD技術制備的特種光纖預制棒拉制的特種光纖具有損耗低、與現代光纖通信系統兼容性好等優點。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制棒切片的拉曼光譜特性，并計算了相應的拉曼增益系數，兩種特種光纖預制棒均采用了MCVD工藝方法制備而成。

1 光纖拉曼放大基本理論

當一束弱的信號光和強的泵浦光經耦合器同時注入光纖，由于受激拉曼散射（SRS）的作用，信號光會被放大。這個過程可以用下式描述：

式（1）中：Ps（L）為光纖L距離處的斯托克斯光強；gR（v）為光纖增益材料的拉曼增益系數，其值與拉曼位移v有關；P0為泵浦光強；Leff為光纖的有效長度；K為信號光和泵浦光的偏振因數，如果泵浦光和信號光是同偏振的，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；n（v）為光纖的有效折射率；σ0（v）為絕對零度

時材料的拉曼散射截面。

式（1）表明，拉曼增益系數gR（v）越大，產生的拉曼光越強。拉曼增益系數gR（v）是表征材料拉曼特性的重要參數。測量拉曼增益系數的常用方法是根據自發拉曼光譜計算拉曼增益系數。該方法要求先測量具有相同尺寸的待測樣本和標準樣本（一般為SiO2）的自發拉曼散射光譜，然后歸一化處理光譜數據，經過對比得到拉曼增益系數。

2 實驗測量與分析

依據上述理論，分別對摻氯化鈮和氧化鈮的特種光纖預制棒的切片進行拉曼散射實驗研究。

2.1 實驗測量系統

實驗中，使用共聚焦顯微拉曼光譜儀（Renishaw microscopic confocal Raman spectrometer）測量了純石英和鈮鍺共摻石英材料的拉曼散射光譜。該實驗測量系統主要由785 nm激發光源、二向色鏡、濾光片、光耦合透鏡、拉曼光譜儀、計算機控制與分析軟件等構成，測量原理如圖1所示。

圖1中，紅線表示泵浦光，藍線表示拉曼光，785 nm的泵浦激光透過二向色鏡M1，經反射鏡M2反射后，再過顯微物鏡照射在樣品上，樣品激發的拉曼散射光又被顯微物鏡收集，通過反射鏡M2，二向色鏡M1和濾光片進入拉曼光譜儀，經過計算機控制與分析系統，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模式，理論上，對于同一樣品而言，不同波長的泵浦光激發所產生的拉曼光譜是沒有區別的，但是，就某些樣品而言，對某一特定波長的泵浦光會有熒光效應產生。這會嚴重地干擾其拉曼光譜的測量。對于氯化鈮和氧化鈮摻雜的光纖預制棒切片來說，用785 nm的泵浦光可更好地避免熒光干擾，增加其拉曼光譜測量的準確性。

2.2 樣品拉曼光譜測試與分析

本文采用上述實驗系統及分析方法，測量鈮鍺共摻和純熔石英材料的拉曼光譜，所使用的樣品是摻鈮光纖預制棒切片包括摻氯化鈮光纖預制棒切片和摻氧化鈮光纖預制棒兩種樣品。在同一實驗條件下，分別測量了光纖預制棒切片的摻鈮纖芯和純熔石英包層的拉曼光譜，其中，切片的包層部分是純熔石英，纖芯部分則分別摻有氯化鈮和鍺以及氧化鈮和鍺的熔石英。以純熔石英包層的測量數據作為標準，通過歸一化，就可得到光纖預制棒切片纖芯材料的拉曼增益系數。

將光纖預制棒切片放置到圖1所示的拉曼測量裝置載物臺上，調整顯微物鏡使泵浦光聚焦到光纖預制棒切片的纖芯區域，測量其纖芯部分的拉曼光譜，然后再次調整顯微物鏡使泵浦光聚焦于光纖預制棒切片的包層區域，測量其包層部分的拉曼光譜，更換光纖預制棒切片樣品，重復上述實驗過程，最終測得兩種切片樣品的拉曼光譜，如圖2所示。實驗采用的泵浦光波長為785 nm，功率為30 mW，顯微物鏡放大倍數為10倍。

由于存在背底光，拉曼光譜的最小值不為零，為準確分析和計算拉曼增益系數，需要將拉曼光譜進行標準化處理。處理方法是消去背底光，使拉曼光譜的最小值為零。標準化處理后的光纖預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熔石英的拉曼峰基本對應一致。其中，拉曼頻移445 cm-1附近的拉曼峰對應Si-O-Si橋氧鍵的六環呼吸振動，并且491 cm-1和605 cm-1這兩個峰位也對應于Si-O-Si橋氧鍵的振動，分別與四環和三環的Si-O-Si橋氧鍵相關，頻移為800 cm-1左右的峰位由橋氧鍵的彎曲振動所引起。至于拉曼峰的強度，鈮鍺共摻熔石英在445 cm-1附近的強度比純熔石英的高很多，而大于800 cm-1的拉曼頻移峰位，拉曼強度值近似相等，拉曼增益幾乎為零，實用價值不大。一般情況下，人們更關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可以發現，摻雜氧化鈮的熔石英比摻雜氯化鈮的熔石英具有更強的拉曼峰。這是因為摻雜的氯離子減小了Si-O-Si橋氧鍵的振動散射截面，而氧離子更容易與熔石英中的硅結合形成更多的橋氧鍵，因而摻雜氧化鈮將會表現出更強的拉曼增益。

2.3 切片樣品拉曼增益系數計算與分析

由于拉曼增益系數gR與泵浦光波長λp成反比，所以泵浦光波長為785 nm的純熔石英拉曼增益系數可以由泵浦光波長為532 nm測得的SiO2拉曼增益系數計算得到。純熔石英的拉曼增益系數在泵浦光波長為532 nm時的數值是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為1.26×10-13 m/W。然后將圖3測得的樣品的拉曼增益以熔石英的數據對比歸一，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分別為1.83×10-13 m/W和2.68×10-13 m/W，其拉曼增益系數譜見圖4.

從圖4可以看出，鈮鍺共摻熔石英的拉曼增益系數有了明顯的提高。氯化鈮與鍺共摻熔石英拉曼增益系數值約是純熔石英的1.5倍，而氧化鈮與鍺共摻熔石英拉曼增益系數約為純熔石英的2.3倍。實驗結果表明，鈮鍺共摻增強了純石英的拉曼散射。在光纖中摻入不同的元素會改變光纖自身的光學性質，由于在光纖中摻雜了不同材料，其分子結構和能級結構會不同，在微觀上表現為不同的拉曼散射截面，將影響光纖拉曼散射的強弱。因此合理選擇摻雜元素，并且采用適當的工藝將其摻入常規石英光纖，可獲得具有拉曼增強效應的特種石英光纖。

3 結束語

本文制作了鈮鍺共摻特種石英光纖預制棒，測量了鈮鍺共摻石英材料的拉曼光譜。實驗結果表明，鈮和鍺的加入增強了純熔石英的拉曼強度。進一步計算了鈮鍺共摻熔石英與純熔石英的拉曼增益系數。結果表明，氯化鈮與鍺共摻的熔石英拉曼增益系數比氧化鈮與鍺共摻熔石英拉曼增益系數小。這是因為氯離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合形成更多的橋氧鍵。從實際應用方面來說，由于摻鈮石英光纖其制備不需要增加復雜的工藝，同時又與光通信系統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石英光纖有更強的拉曼增益特性，因此，在純熔石英材料中摻雜特種元素（比如鈮等）能夠得到較理想的拉曼增益介質。這為制作高拉曼增益光纖提供了一個重要的研究途徑。

參考文獻

[1]忻向軍，余重秀，任建華，等.雙向抽運拉曼光纖放大器性能的研究[J].光學學報，2004，24（6）：825-829.

[2]殷科，許將明，冷進勇，等.高功率光纖拉曼激光器研究進展[J].激光與光電子學進展，2012（1）：31-36.

[3]張在宣，金尚忠，王劍鋒，等.分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的研究進展[J].中國激光，2010，37（11）：2749-2760.

[4]X. Gai，D. Y. Choi，S. Madden.Interplay between Raman scattering and four-wave mixing in As2S3 chalcogenide glass waveguides.Journal of the Optical Society of America B，2011，28（11）：2777-2784.

[5]Y. Guo，A. Schulte.Raman Spectroscopy of Niobium-Phosphate Glasses with Large Bandwidth for Raman Gain Applications .OSA/CLEO，2005.

[6]R. Stegeman，C. Rivero，K.Richardson.Raman gain measurements of thallium-tellurium oxide glasses.Optics Express，2005.

[7]徐慧華，張行愚，王青圃，等.一種新的固體材料拉曼增益系數的測量方法[C]//中國光學學會2010年光學大會論文集，2010.

[8]Rajan Jose，Yusuke Arai，Yasutake Ohishi.Raman scattering characteristics of the TBSN-based tellurite glass system as a new Raman gain medium.Journal of the Optical Society of America B，2007，24（7）：1517-1526.

[9]R. H. Stolen，Clinton Lee.Development of the stimulated Raman spectrum in single-mode silica fibers. Journal of the Optical Society of America B，1984，1（4）：652-657.

作者簡介：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、博士生導師，上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室副主任，主要從事特種光纖技術與應用、光纖無源器件、光纖傳感、導波光學、光電子學、非線性光纖光學等方面的研究工作。

〔編輯：劉曉芳〕