有源光纤的进展与应用

有源光纤的进展与应用

张炳涛，陈月娥，赵兹罡，王 勇＊

【摘 要】摘 要 本文首先简要介绍了有源光纤的概念和原理，回顾了不同稀土掺杂有源光纤的近几年发展情况，然后简单介绍了有源光纤的设计与制造技术，并讨论了各类型有源光纤的特点和最近的发展，重点介绍了有源光纤在光纤激光器和传感器领域的应用，特别是我们所研发的掺杂光纤和光纤激光器，通过制造工艺优化可明显提高光纤质量和激光性能，最后阐述了现阶段有源光纤的缺点，对有源光纤的进一步发展和研究进行了展望。 【期刊名称】应用物理 【年(卷),期】2024(008)005 【总页数】13

【关键词】关键词 稀土掺杂有源光纤，光子晶体光纤，大模场光纤，高功率光纤激光器，有源光纤传感器

1. 引言

光纤是光导纤维的简称，由纤芯和包层组成，因其体积小、重量轻、抗电磁干扰、光束质量好、耐高温及成本低等众多优点，在通信、医学、艺术、探测、激光器和传感等领域有着重要的应用[1] [2] [3] [4][5]。最初，光纤主要是用来导光，纤芯中没有掺杂稀土元素，被称为无源光纤。随着研究的深入和需求的提高，开始在纤芯中掺杂稀土元素等激活离子，并通过泵浦使光纤发光，使无源光纤被“激活”，成为掺杂有源光纤。一般在有源光纤中掺入一种或多种稀土元素，如钕(Nd)、镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)、镝(Dy)、镨(Pr)等，利用其产生新的光波或放大光信号。表1给出了上述几种常见的稀土元素对应的

激光输出波段。可以看到，每个稀土元素的发射谱有多根谱线，甚至构成连续谱，多个稀土元素发射从可见光到中红外。

众所周知，有源光纤作为增益介质，是光纤激光器/放大器中不可或缺的一部分，使光纤激光器在可见光、近红外到中红外波段中都实现了一系列的激光输出，并且有源光纤在窄线宽、单频、连续或者脉冲激光器中的作用显得尤为突出。近些年，为了进一步提高激光器的输出功率、输出激光的品质和扩展光纤激光器的应用，在纤芯中掺杂更高浓度的稀土元素和设计有源光纤的新型结构成为解决问题的关键，并随之也出现了一些多边形、D型、单模、大模场、光子晶体和高浓度掺杂等有源光纤。另外，光纤传感器兴起已有40多年[6]，因具有高灵敏、低成本和小型化等优点备受关注，且很多光纤传感器都以无源光纤为基础，为了使得光纤传感技术进一步提升，发现在一些传感器中使用有源光纤代替无源光纤更有优势。

2. 多种有源光纤的最新进展

根据有源光纤中所掺稀土元素的种类，可将有源光纤细分为掺钕光纤、掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤、铒镱共掺光纤和铥钬共掺光纤等掺杂光纤。我们知道每种稀土元素的能级是固定的，但是在不同基质材料中的电场环境不同，能级分裂不一样，所以导致光谱输出会有所区别。而且基质材料的结构、吸收系数、导热系数和折射率等参数不同，不仅会限制激活离子的掺杂浓度，也会影响各波长光的传输特性，特别是光纤的不同结构，都会使光纤的性能不同。下面就几种稀土掺杂光纤的发展进行讨论。

钕元素被研究的较早，也相对成熟，而掺钕光纤的研究也比较多[7]。利用掺钕石英光纤激光器已在许多波长处实现了激光输出，如910～925 nm的激光输

出[7]、1064 nm附近的激光输出[9]以及900 nm以下的激光输出[27]。此外，磷酸盐玻璃可以掺杂较高浓度的稀土离子，一些不同类型的掺钕磷酸盐光纤(如传统光纤和光子晶体光纤)已被制备出来，并在1056 nm处实现了激光输出[28] [29]。图1(a)展示了掺钕的磷酸盐微结构光纤[29]。图1(a)展示了掺钕的磷酸盐微结构光纤。相比石英玻璃，硅酸盐玻璃具有较好的化学稳定性和机械性能，可以掺杂较多的稀土离子，所以掺钕的硅酸盐玻璃光纤常被使用。2024年，Wang等在硅酸盐玻璃中掺钕元素，制备了芯40 μm单模的多通道光纤，并获得了斜效率为54%、最大功率8.4 W的激光输出[30]。

在众多稀土元素中，镱离子(Yb3+)具有两个能级态、不存在激发态吸收、转换效率高、荧光寿命长、吸收带较宽和不易出现浓度猝灭等诸多优点而受人们的青睐。已用掺镱的石英光纤实现了高功率激光的输出，例如Liao等利用自制的单根20/400掺镱的石英光纤，在1080 nm处实现了500 W的连续激光输出，斜效率为76.4%，接近理论极限值[14]。近年，在传统石英光纤的基础上进行改良，发展了一种基座设计的掺镱铝硅酸盐光纤，使该光纤具备低光子暗化效应、高信噪比和高的效率[31]。但针对市面上石英光纤的缺陷，一些掺镱特种光纤也被相继开发：如一种掺镱的磷酸盐纤芯的全固态光子晶体光纤，镱的掺杂量达到了16 wt% [11]；一种掺镱的磷酸盐纤芯和硅酸盐包层的双包层混合光纤[32]；一种无光子暗化效应的掺镱马鞍形光纤[33]。

提及掺铒光纤，首先想到的是掺铒光纤放大器(EDFA)，打破了光纤通信距离受光纤损耗的限制，近几十年，掺铒光纤也不局限于传统的石英材料作为基质，许多新的基质材料和新型的掺铒光纤不断涌现：Li等设计和制造了一种周围具有六个光敏子芯的掺铒石英光纤，克服了MCVD和溶解掺杂技术中的锗和铒元