摻鐿光纖

摻雜光纖是一種向常規傳輸光纖的石英玻璃基質中摻入微量稀土元素（如鉺、鐿等）的特種光纖，它也是一種主動光纖。因此可以説，摻雜光纖是由摻雜物與作為宿主的光纖基質組成的具有主動特性的特種光纖。摻雜稀土元素的目的是，促成被動的傳輸光纖轉變為具有放大能力的主動光纖（Active Fiber）。由此可知，這種光纖的新特性——激光特性、光放大特性、磁光特性等均與摻雜稀土元素（離子）的種類、性質、濃度及其分佈等密切相關。 ^[1] 

光纖中摻入稀土元素即可成為激光介質，因此有必要了解稀土元素及其離子一些情況，以便能更好的瞭解摻雜光纖的性能。 稀土元素，即元素週期表中的鑭系元素。目前總共有 15 種，它們在週期表中佔據倒數第二行的位置，排首為元素鑭（La,原子序數為 57），排尾是鑥（Lu，原子序數為 71）。從原子結構上看，全部稀土元素都有相同的外電子殼層結構，即 5S5P6S形式，屬於滿殼層結構。鑭系元素彼此之間的的區別僅在於 4f 殼層的電子佔有數，所以也可以説，它們的光學性質僅取決於 4f 殼層內電子佔有數的多少。已知稀土元素的離子多以三價形態出現，它們都是逸出 2 個 6s 電子和 1 個 4f 電子。由於剩餘的 4f 電子受到電子殼層的屏蔽作用，所以它們的一些光學特性（如熒光特性和吸收特性等）不易受到外場的影響，即具有很好的穩定性。

1878 年，瑞士化學家查爾斯（Jean Charles）和馬利格納克（G.de Marignac）在“鉺”中發現了一種新的稀土元素，為了紀念釔礦石發現地——斯德哥爾摩附近那個名叫伊特比（Yteerby）的小村，把這個新元素命名為 Ytterbium，元素符號為 Yb，漢譯名稱為“鐿”—是該元素的專用漢字。鐿在鑭系元素中雖然排在銩之後，但其地殼丰度達卻到 3.3ppm，不但高於鋱鈥銩鑥等其它中重稀土，甚至高於銪（2.2ppm）。鐿作為重稀土元素，由於可利用的資源有限，產品價格昂貴，限制了其用途研究。隨着光纖通訊和激光等高新技術的出現，鐿才逐漸找到大顯身手的應用舞台。摻 Yb3+硅酸鹽玻璃材料已引起世界各國材料科學家和工程物理科學家的廣泛關注，成為當前激光材料研究中的熱點和重要發展方向，被認為是新一代慣性約束核聚變領中的最佳激光工作物質之一。 ^[1] 

摻 Yb3+的激光材料比摻其它稀土離子的優點在於： （1）Yb3+離子吸收帶在 800~1100nm 波長範圍內，能與 ZnlnAs 半導體泵浦源有效地耦合，同時其吸收帶較寬，在短波長段(小於970nm)的吸收截面變化較為緩慢，這對於輸出波長易受環境温度影響，且發射帶窄的半導體激光器泵浦是十分有利的，即無需嚴格控制温度來獲得相匹配波長的半導體激光輸出。 ^[1] 

（2）Yb3+能級結構簡單，它只包含兩個多重態，因此在泵浦波長處及信號波長處都不存在激發態吸收。光轉換效率很高，而大的能級間隔，也排除了非輻射馳豫及濃度淬滅現象的發生。

（3）泵浦波長與激光輸出波長非常接近，量子效率高(可達 90%)。

（4）材料中的熱負荷低(小於 11%)。僅為摻 Nd3+同種材料的三分之一。

（5）熒光壽命長，一般為摻 Nd3+同種材料的三倍多，有利於儲能。 摻 Yb3+激光材料的這些優點對激光技術的發展有深遠的意義。在傳統的固體激光器中，增益介質為長棒狀，熱流方向垂直於激光束方向，易導致熱透鏡效應和温度升高，造成激光性能的劣化和激光效率的降低。特別是三能級激光系統，由於要求高的泵浦功率，熱效應更加突出。由於 Yb3+摻雜濃度可以很高，材料中的熱負荷較低，即使在高泵浦功率密度下，材料中的温度變化也很小，因此大大降低了增益介質中的熱應力和熱畸變。 ^[1] 

玻璃是形成摻稀土元素光纖的基質材料，它所具有的網絡結構具有近程有序而遠程無序的特點。它由大量的共價鍵分子所組成，形成一個無規則的矩陣，具有較寬的鍵長和鍵角範圍，僅在外場小的區域範圍內表現出一定的規則性，摻雜稀土離子在該網絡中通常以網絡修飾離子的形式存在。稀土離子作為網狀系統的調節劑存在或者填隙式的存在於網狀物中。光纖激光器的光學特性由稀土離子控制，但基質材料對其光學特性也有着重要的影響，如結電場非均勻性分面引的 Stark 分裂、電場非均勻引能級擾動，聲子振動能級增寬等。光纖的基質材料一般是由石英玻璃構成，芯層中還摻入 GeO2，P2O5來提高芯層的折射率。芯層中共摻 Al2O3可以降低光纖的傳輸損耗，也可以提高稀土摻雜離子的摻雜濃度，同時近年來，許多優秀的材料也被用來研究，如氟化物玻璃光（ZBLAN）、有機聚合物，在纖芯中摻入染料或者稀土離子。硅基光纖一般其內包層為純石英，外包層是折射率低於石英的聚合物，要求對泵浦光有較小的背底損耗。 基質對稀土元素光譜性質的影響主要表現在兩個方面：

（1）引起 Stark 分裂。由於電場的非均勻分佈的影響，消除了原來存在的能級簡併。這是由於與基質原子之間的共價鍵所致，因此對於給定的電子躍遷，光譜上將出現精細結構。

（2）能級加寬。由於基質作用而使離子能級加寬的機制比較複雜，有多種因素可以對其產生影響，一般存在兩種加寬機制： ①聲子加寬。當兩個能級之間發生躍遷時，將發生某種形式的能量交換，包括聲子的產生和湮滅。聲子的能量取決於温度，在給定的温度下，存在一個聲子能量的分佈，將引起吸收和發射的波長擴展。降低温度會減少聲子數，從而使光譜變窄。 ②基質電場對能級的微擾導致能級加寬。這種微擾對於不同離子的作用是不同的，它取決於周圍環境，因此是一種非均勻加寬。但這種加寬機制與温度無關，光譜加寬的性質和幅度對於固體激光器來講是十分重要的。加寬的幅度之所以重要是因為一般在給定的泵浦功率下，增益與線寬成反比。作為激光介質，具有電子屏蔽的稀土離子要比無屏蔽層的躍遷元素離子優越；而加寬機制將對增益飽和的程度和輸出譜線結構帶來影響。儘管目前尚且不清楚加寬機制對激光器影響的程度如何，但可以比較肯定地認為加寬機制與玻璃的組分有關。 ^[1] 

摻雜光纖的發展起源於光纖激光器的研究，早在 1961 年 Snitzer 在摻釹玻璃波導中發現了激光輻射。1963~1964 年光纖激光器和放大器的概念相繼提出，但因為當時光纖損耗大、半導體激光器無法在室温下連續工作等原因，在這之後的相當長時間內，光纖激光器和摻雜光纖沒有得到很好的發展。1966 年，高錕博士在詳細地研究了造成光纖中光衰減的主要原因，明確指出了光纖在通信中實際所要解決的主要技術問題。這個難題由美國康寧公司於 1970 年解決，他們開發出衰減小於 20dB/km 的光纖，這一技術的突破，不僅為光通信和光電子技術產業的發展奠定了基礎，而且為特種光纖的開發提供了先進的技術手段。上世紀八十年代中期，Poole 等人在 MCVD 基礎上，率先開發出汽相摻雜和液相摻雜技術，使得稀土元素摻雜光纖的製作工藝日益完善。 ^[1] 

在這之後,摻稀土離子光纖及器件方面的研究取得了巨大進展。光纖激光器以其低閾值、高效率、窄線寬、可調諧和高性能價格比等優點受到普遍重視並逐步商用化。但是由於單模纖芯（直徑 4～6µm）較小，高的泵浦功率很難有效地耦合到纖芯中，所以光纖激光器的功率較低。直到上世紀 80 年代末期出現的稀土摻雜雙包層石英光纖技術，由美國寶麗來公司（Polaroid Corp.）和英國南安普敦大學提出。以雙包層光纖為基礎同時應用包層泵浦技術，有效解決了光纖激光器中泵浦光功率與增益光纖之間的耦合效率問題，使光纖激光器輸出功率得到了迅速提高，大大推動了高輸出功率激光器的發展。輸出功率由幾百毫瓦上升到幾十瓦甚至幾百瓦，並開始在光通信、印刷等領域的應用。稀土摻雜雙包層石英光纖的研製技術因此成為了高功率光纖激光研究的關鍵技術之一。 為了使內包層中傳輸的泵浦光更多次地穿越摻有稀土離子的纖芯，提高泵浦效率，人們提出了不同形狀的內包層結構。最先研製和使用的是圓形內包層結構，但圓形對稱使內包層中存在大量的螺旋光，這部分泵浦光不經過纖芯，不被稀土離子吸收，大大降低了泵浦光的利用率。後來，又逐漸研製出不同形狀的內包層，如偏芯圓形、矩形、正方形、D 形、梅花形、六邊形、八角形等。理論表明，矩形和 D 形內包層結構具有很高的泵浦光利用率。 ^[1] 

雖然雙包層光纖激光器的輸出功率有了較大提高，但由於其纖芯仍屬於傳統單模，纖芯直徑較小，增益大，放大的自發輻射很容易建立，非線性作用較強，因此很難得到高脈衝能量的脈衝激光輸出。為了獲得更高功率的輸出，常規的“小芯徑、大數值孔徑”的光纖設計已經不適合大功率輸出的應用。

但是，隨着纖芯直徑的增大，光纖的 V 值增加，纖芯中傳輸的模式增多，光纖輸出激光的光束質量將變差。為此，人們研製出大模場面積的雙包層光纖（LMA），通過增加纖芯面積，克服了非線性作用、增大了纖芯的存儲能量；同時減小纖芯與內包層的相對摺射率差，以維持輻射激光的近似單模傳輸，從而在光纖中實現高脈衝能量和高光束質量的激光輸出。 因此大模場面積雙包層有源光纖成為目前有源光纖研製的熱點。很多西方國家已投入大量人力物力積極開展對高功率大模場面積雙包層有源光纖的研究工作，光纖的品種和質量正不斷增加和改善。現在，高功率大模場面積雙包層有源光纖和光纖激光器國外已有產品出售，但也只有美國的 NUFERN 公司,芬蘭的LIEKKI 公司等幾家公司能提供這種產品。NUFERN 公司的雙包層有源光纖產品主要有外徑 400μm，芯徑 20μm 和 30μm，976nm 吸收係數為 2~4 dB/m。大模場面積的雙包層光纖已廣泛地應用於高功率連續和脈衝光纖激光器、放大器中。 ^[1] 

為了實現激光功率的相干合成，對於許多高功率光纖激光器和光放大器而言，在穩定的線偏振狀態下工作成為一個必要的條件。有報道採用非保偏光纖實現保偏工作，但採用保偏的大模場面積雙包層光纖無疑是高功率光纖激光器實現線偏振輸出的最理想方案。隨着對於輸出功率超過 100kW（連續）的軍事和工業應用的需求不斷增長，對於保偏的大模場面積雙包層光纖的需求也呈現不斷上升的勢態。保偏光纖技術主要利用應力區部分與摻雜纖芯和包層的熱膨脹係數之間的差異來產生雙折射特性，根據應力區的形狀，保偏雙包層光纖主要有領結型和熊貓型兩種結構。Kliner 等人第一個報道了採用領結型保偏光纖製作出保偏摻鐿雙包層光纖放大器，但由於領結型保偏雙包層光纖生產工藝複雜，穩定性和一致性差，其雙折射特性沒有熊貓型保偏雙包層光纖好，因此在高功率光纖激光器和放大器中採用的主要是熊貓型保偏光纖。 ^[1] 

發展了一種稱為晶體光纖（PCF）的信息光纖，根據不同的導光原理，PCF 光纖分為兩種：一種是基於光的全反射原理（Total Internal Reflection, TIR）導光的 TIR-PCF，另外一種是基於光子禁帶效應（Photonic Bang-Gap，PBG）導光的 PBG-PCF。PBG-PCF 利用包層的光子禁帶效應，將導波限制在光纖的空氣纖芯中傳輸。而 TIR-PCF 具有一個高折射率的纖芯，空孔的折射率大體上為 1，因此在引入空孔的光纖包層區域折射率實際上被降低，其有效折射率比纖芯折射率更低，那麼通過與傳統光纖相同的全內反射就可以將光約束起來。在空孔的配列呈週期性的情況下，這種光纖就稱為全內反射型 PCF。TIR-PCF 製作工藝相對簡單，通過一定的摻雜技術可以做成有源的光子晶體光纖，所以目前稀土摻雜的PCF 都是這種類型的光纖。和稀土摻雜雙包層石英光纖一樣，稀土摻雜 PCF也可以設計雙包層光纖結構，這對於高功率光纖激光器的研製具有重要意義。 ^[1] 

在稀土摻雜雙包層石英光纖的 MCVD 工藝中，只能通過纖芯直徑和數值孔徑的控制來實現單模輸出，這種方法存在兩個問題，一是纖芯直徑的增加受到工藝和其他參數（如數值孔徑、光纖損耗）的限制不能自由設計；二是纖芯和內包層的折射率差不能精確控制。而稀土摻雜雙包層 PCF 的導波性質主要決定於光纖的結構而與材料無關，比如通過空氣孔大小和間隔距離的選擇設計，可以在大範圍纖芯直徑和波長值內實現單模傳輸，這種單模傳輸特性還跟光纖的絕對尺寸沒有關係，利用這一點可以將稀土摻雜雙包層 PCF 的模場面積做的足夠大，以降低光纖內的功率密度和控制光纖產生非線性現象。 為了提高泵浦光的耦合效率，稀土摻雜雙包層 PCF 的內包層數值孔徑需要儘可能高。稀土摻雜雙包層石英光纖為此採用低折射率塗料做光纖外包層，可以將數值孔徑提高到 0.46-0.48 的水平，而這也就是該工藝的極限水平。稀土摻雜雙包層 PCF 則很容易的突破了這個極限，通過提高內包層的空氣填充比例來增大光纖內包層和纖芯的相對摺射率差，從而增大光纖內包層的數值孔徑，可以高達 0.9。目前內包層數值孔徑為 0.8 的摻鐿雙包層 PCF 已有了報道。 ^[1] 

具有保偏特性的稀土摻雜雙包層 PCF 是另一個值得關注的發展方向，通過改變 x、y 軸靠近纖芯附近的空氣孔的直徑，可以引起兩個正交軸上有效折射率的差異，從而在光纖內引入雙折射，可比普通保偏光纖大一個數量級，達 10量級。

國內摻鐿雙包層光纖的研製方面，從文獻報道來看，烽火公司研製出了雙包層有源光纖。四十六所從 87 年開始了摻稀土離子光纖的研製工作，至今已自行開發出大芯徑、大數值孔徑、大尺寸內包層的系列雙包層光纖，內包層的形狀有圓形、方型、矩形、D 型和八角形等。其所製備的 D 形和矩形內包層結構的摻鐿雙包層光纖更是國內首創，填補了國內新型摻鐿雙包層光纖的空白，促進了國內摻稀土離子光纖激光器的發展。

開展了大模面積摻鐿雙包層光纖的研製工作，在摻鐿光纖的研製方面取得重大突破，解決了研製大模面積摻鐿雙包層光纖的多項關鍵技術，結合本論文的研究工作，目前摻鐿光纖的濃度從原來的 3000ppm 升高到 6000ppm 以上，最高達到 59800ppm，摻鐿光纖 976nm 的有效吸收係數從 0.7dB/m 提高到7.5dB/m，光纖內包層有 D 型、矩形、八角形等多種形狀。 ^[1]