铌锗共掺石英光纤预制棒拉曼光谱特性分析

杨鹏祥+陈振宜+陈娜+徐文杰+胡新毛+陈华

摘 要：采用MCVD工艺制备出了氯化铌和氧化铌两种掺杂石英光纤预制棒，并对其切片样品的拉曼散射光谱进行了实验测量和特性分析。在波长为785 nm的激光泵浦条件下，分别测得了两种切片样品包层纯熔石英和芯层铌锗共掺熔石英的拉曼光谱，然后进行比对分析。结果表明，铌锗共掺熔石英的拉曼散射强度比纯熔石英的拉曼散射强度有明显的增强。由此可见，作为光纤拉曼放大增益介质，铌锗共掺石英光纤具有更高拉曼增益系数。

关键词：光纤预制棒；二氧化硅；铌锗共掺；拉曼散射

中图分类号：TN253；TQ171.1+12 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.019

光纤中的受激拉曼散射属于非弹性散射，是非线性光纤光学中一个重要的非线性效应。它可能引起通信信道的串扰，降低通信质量，但也可以利用受激拉曼信号的放大作用制备光纤拉曼放大器、光纤拉曼激光器及光纤拉曼传感器。作为上述器件的拉曼增益介质，高拉曼增益且低损耗特种光纤的获得是关键。目前，已有很多文章报道了各种材料的拉曼增益特性，比如各种氧化物玻璃、单晶蓝宝石光纤、Yb：YAG光纤、As2Se3与As2S3玻璃光纤等。研究表明，与石英玻璃相比，碲酸盐玻璃、硫化物玻璃有更强的拉曼增益强度和更宽的增益带宽。为适应现代通信石英光纤的要求，研究掺杂高拉曼增益介质的特种石英光纤是十分必要的，而制备新型特种掺杂光纤的前提是制备出特种掺杂光纤预制棒。基于传统的MCVD技术制备的特种光纤预制棒拉制的特种光纤具有损耗低、与现代光纤通信系统兼容性好等优点。研究表明，Nb2O5掺杂到碲酸盐和石英玻璃中能有效地提高材料的拉曼散射增益，因而制备并研究掺铌光纤具有重要意义。为提高掺铌光纤的制备质量，本文着重研究了分别掺氯化铌（NbCl5）和氧化铌（Nb2O5）两种含铌化合物特种光纤预制棒切片的拉曼光谱特性，并计算了相应的拉曼增益系数，两种特种光纤预制棒均采用了MCVD工艺方法制备而成。

1 光纤拉曼放大基本理论

当一束弱的信号光和强的泵浦光经耦合器同时注入光纤，由于受激拉曼散射（SRS）的作用，信号光会被放大。这个过程可以用下式描述：

式（1）中：Ps（L）为光纤L距离处的斯托克斯光强；gR（v）为光纤增益材料的拉曼增益系数，其值与拉曼位移v有关；P0为泵浦光强；Leff为光纤的有效长度；K为信号光和泵浦光的偏振因数，如果泵浦光和信号光是同偏振的，K值是1，反之是2.

式（2）中：c为真空中的光速；h为普朗克常量；λS为斯托克斯光波长；n（v）为光纤的有效折射率；σ0（v）为绝对零度

时材料的拉曼散射截面。

式（1）表明，拉曼增益系数gR（v）越大，产生的拉曼光越强。拉曼增益系数gR（v）是表征材料拉曼特性的重要参数。测量拉曼增益系数的常用方法是根据自发拉曼光谱计算拉曼增益系数。该方法要求先测量具有相同尺寸的待测样本和标准样本（一般为SiO2）的自发拉曼散射光谱，然后归一化处理光谱数据，经过对比得到拉曼增益系数。

2 实验测量与分析

依据上述理论，分别对掺氯化铌和氧化铌的特种光纤预制棒的切片进行拉曼散射实验研究。

2.1 实验测量系统

实验中，使用共聚焦显微拉曼光谱仪（Renishaw microscopic confocal Raman spectrometer）测量了纯石英和铌锗共掺石英材料的拉曼散射光谱。该实验测量系统主要由785 nm激发光源、二向色镜、滤光片、光耦合透镜、拉曼光谱仪、计算机控制与分析软件等构成，测量原理如图1所示。

图1中，红线表示泵浦光，蓝线表示拉曼光，785 nm的泵浦激光透过二向色镜M1，经反射镜M2反射后，再过显微物镜照射在样品上，样品激发的拉曼散射光又被显微物镜收集，通过反射镜M2，二向色镜M1和滤光片进入拉曼光谱仪，经过计算机控制与分析系统，在显示器上显示出拉曼光谱。拉曼光谱反映样品的分子振动模式，理论上，对于同一样品而言，不同波长的泵浦光激发所产生的拉曼光谱是没有区别的，但是，就某些样品而言，对某一特定波长的泵浦光会有荧光效应产生。这会严重地干扰其拉曼光谱的测量。对于氯化铌和氧化铌掺杂的光纤预制棒切片来说，用785 nm的泵浦光可更好地避免荧光干扰，增加其拉曼光谱测量的准确性。

2.2 样品拉曼光谱测试与分析

本文采用上述实验系统及分析方法，测量铌锗共掺和纯熔石英材料的拉曼光谱，所使用的样品是掺铌光纤预制棒切片包括掺氯化铌光纤预制棒切片和掺氧化铌光纤预制棒两种样品。在同一实验条件下，分别测量了光纤预制棒切片的掺铌纤芯和纯熔石英包层的拉曼光谱，其中，切片的包层部分是纯熔石英，纤芯部分则分别掺有氯化铌和锗以及氧化铌和锗的熔石英。以纯熔石英包层的测量数据作为标准，通过归一化，就可得到光纤预制棒切片纤芯材料的拉曼增益系数。

将光纤预制棒切片放置到图1所示的拉曼测量装置载物台上，调整显微物镜使泵浦光聚焦到光纤预制棒切片的纤芯区域，测量其纤芯部分的拉曼光谱，然后再次调整显微物镜使泵浦光聚焦于光纤预制棒切片的包层区域，测量其包层部分的拉曼光谱，更换光纤预制棒切片样品，重复上述实验过程，最终测得两种切片样品的拉曼光谱，如图2所示。实验采用的泵浦光波长为785 nm，功率为30 mW，显微物镜放大倍数为10倍。

由于存在背底光，拉曼光谱的最小值不为零，为准确分析和计算拉曼增益系数，需要将拉曼光谱进行标准化处理。处理方法是消去背底光，使拉曼光谱的最小值为零。标准化处理后的光纤预制棒切片样品的拉曼光谱如图3所示，铌锗共掺熔石英的拉曼峰与纯熔石英的拉曼峰基本对应一致。其中，拉曼频移445 cm-1附近的拉曼峰对应Si-O-Si桥氧键的六环呼吸振动，并且491 cm-1和605 cm-1这两个峰位也对应于Si-O-Si桥氧键的振动，分别与四环和三环的Si-O-Si桥氧键相关，频移为800 cm-1左右的峰位由桥氧键的弯曲振动所引起。至于拉曼峰的强度，铌锗共掺熔石英在445 cm-1附近的强度比纯熔石英的高很多，而大于800 cm-1的拉曼频移峰位，拉曼强度值近似相等，拉曼增益几乎为零，实用价值不大。一般情况下，人们更关注拉曼增益石英光纤在445 cm-1频移附近的拉曼增益频带。深入分析图3可以发现，掺杂氧化铌的熔石英比掺杂氯化铌的熔石英具有更强的拉曼峰。这是因为掺杂的氯离子减小了Si-O-Si桥氧键的振动散射截面，而氧离子更容易与熔石英中的硅结合形成更多的桥氧键，因而掺杂氧化铌将会表现出更强的拉曼增益。

2.3 切片样品拉曼增益系数计算与分析

由于拉曼增益系数gR与泵浦光波长λp成反比，所以泵浦光波长为785 nm的纯熔石英拉曼增益系数可以由泵浦光波长为532 nm测得的SiO2拉曼增益系数计算得到。纯熔石英的拉曼增益系数在泵浦光波长为532 nm时的数值是1.86×10-13 m/W，因而在泵浦光为785 nm，拉曼位移为445 cm-1附近的拉曼增益系数为1.26×10-13 m/W。然后将图3测得的样品的拉曼增益以熔石英的数据对比归一，可以得到氯化铌、锗共掺和氧化铌、锗共掺石英的拉曼增益系数分别为1.83×10-13 m/W和2.68×10-13 m/W，其拉曼增益系数谱见图4.

从图4可以看出，铌锗共掺熔石英的拉曼增益系数有了明显的提高。氯化铌与锗共掺熔石英拉曼增益系数值约是纯熔石英的1.5倍，而氧化铌与锗共掺熔石英拉曼增益系数约为纯熔石英的2.3倍。实验结果表明，铌锗共掺增强了纯石英的拉曼散射。在光纤中掺入不同的元素会改变光纤自身的光学性质，由于在光纤中掺杂了不同材料，其分子结构和能级结构会不同，在微观上表现为不同的拉曼散射截面，将影响光纤拉曼散射的强弱。因此合理选择掺杂元素，并且采用适当的工艺将其掺入常规石英光纤，可获得具有拉曼增强效应的特种石英光纤。

3 结束语

本文制作了铌锗共掺特种石英光纤预制棒，测量了铌锗共掺石英材料的拉曼光谱。实验结果表明，铌和锗的加入增强了纯熔石英的拉曼强度。进一步计算了铌锗共掺熔石英与纯熔石英的拉曼增益系数。结果表明，氯化铌与锗共掺的熔石英拉曼增益系数比氧化铌与锗共掺熔石英拉曼增益系数小。这是因为氯离子的存在减小了拉曼散射截面，而氧离子容易与熔石英中的硅结合形成更多的桥氧键。从实际应用方面来说，由于掺铌石英光纤其制备不需要增加复杂的工艺，同时又与光通信系统具有很好的光纤兼容性，再加上铌锗共掺特种石英光纤比常规石英光纤有更强的拉曼增益特性，因此，在纯熔石英材料中掺杂特种元素（比如铌等）能够得到较理想的拉曼增益介质。这为制作高拉曼增益光纤提供了一个重要的研究途径。

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作者简介：杨鹏祥（1990—），男，硕士研究生，主要从事特种掺杂石英光纤的制作和拉曼增益特性方面的研究。陈振宜（1959—），男，研究员、博士生导师，上海大学特种光纤与光接入网重点实验室副主任，主要从事特种光纤技术与应用、光纤无源器件、光纤传感、导波光学、光电子学、非线性光纤光学等方面的研究工作。

〔编辑：刘晓芳〕