稀土掺杂光纤的制作与普通光纤的制作相比,除了都同样需要进行沉积外,还需要进行"掺杂"的操作。目前的沉积方法有外部气相沉积法(OVD: Outside Vapour Deposition)、轴向气相沉积法(VAD: Vapour Axial Deposit)改进的化学气相沉积法(MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition)、等离子化学气象沉积法(PCVD: Plasma Asisted Chmical Vapor Deposition)及直接纳米粒子沉积法(DND: Direct Nanoparticle Deposition)[4i]。而掺杂方法按照掺杂物的形态可分为气相掺杂和溶液掺杂两大类。其中,MCVD法结合溶液惨杂技术由于其操作简单、掺杂溶液浓度及组分容易控制,它也是最常用的稀土掺杂光纤制作方法。

在MCVD结合溶液掺杂的制棒过程中,影响光纤最终性能的好坏主要由疏松层的质量和掺杂操作来决定。之前有研究指出,反向沉积疏松层有利于掺杂浓度的提高。印度中央玻璃与陶瓷研究所的M. Pal等人指出采用反向沉积疏松层,比在1200~1300 °C时正向沉积疏松层制得的掺杂光纤要有较大的纤芯厚度,较高的数值孔径以及较高的掺杂效率,并且提出了 "预烧结"更能保证疏松层质量。俄罗斯的V.F.Khopin等人对于最优化的预烧结的温度和溶液浸泡的时间做了研究,并指出了由于酒精比水有较小的表面张力,因此用酒精作为溶剂会使完全浸透的时间变得更短。在文中给出的浓度范围内,稀土离子在最终预制棒中的浓度与溶液中的浓度成正比。同为印度中央玻璃与陶瓷研究所的A.Dhar等人做了一系列的实验,给出了很多有用的结论1)疏松层的厚度与沉积温度和组分有关,Ge和P的掺入会减小沉积厚度,增大疏松孔,并且疏松层沉积温度的降低增大了疏松孔面积相对于沉积面积的比值,从而导致掺铒浓度的提高;2)掺杂溶液本身的组分和溶剂对光纤中辑离子的浓度都有影响,其中招离子浓度的提高会使辑离子浓度提高,酒精作为溶剂比水作为溶剂更有利于辑离子浓度的提高。澳大利亚悉尼大学光纤技术中心的F.Z. Tang等人对制作共掺辑、锦的光纤有着深入的研究,得到了如下的结论1)多次浸泡和热处理的溶液掺杂法能够有效的提高光纤预制棒中辑和银的含量;2)对只掺辑/共掺银、银的的光纤预制棒分别进行测试,发现无论是铒含量曲线还是预制棒折射率分布图上都会在芯子的中心出现一个"凹陷",而银、铝共掺的预制棒没有这种情况;3)浸泡和热处理的次数越多,提高铒和铝的含量。

在疏松层沉积前驱物确定的情况下,疏松层的质量只与沉积温度有关,并且疏松层的好坏可以用疏松孔面积相对于沉积面积的比值这个参量来定量的衡量;掺杂溶液的组分对提高最终预制棒中铒的存在量有着非常大的影响,尤其是锅的加入对于辑浓度的提高尤为明显,并且溶剂的选择会影响溶液的渗透程度。稀土掺杂的机理主要停留在离子的吸附效应，在疏松层及掺杂溶液确定的情况下对掺杂机理的研究同样有助于提高掺杂效率。由于疏松层实际上是一个多孔介质。

在世界范围内,光纤激光器的技术方案已经表现出全光纤结构的明显趋向,这种光路全部由光纤和光纤元件构成的全光纤一体化激光器,从激光的产生到激光的传输,全部在光纤环境中进行,从而表现出了众多显著的优越性,也使得人们对光纤激光器提出更高功率的要求。

大功率的光纤激光器会直接导致产生各种非线性现象,如受激拉曼散射(SRS: Stimulated Raman Scattering)、受激布里渊散射(SBS: Stimulated Brillouin Scattering)、自相位调制(SPM: Self-Phase Modulation)等,这些非线性制约光纤激光器功率提高的最大因素。

光纤中的非线性效应主要与光纤中的光强及光纤有效长度有关。因此降低光纤中的非线性效应有两条途径,其一是减小光纤的有效长度,在光纤激光器和放大器中就要求使用更短的掺杂光纤,这对掺杂光纤的放大性能提出了更高的要求;再有就是减小光纤中的光功率密度,要在不降低注入能量的前提下减小光强,光纤就必须提供更大的有效面积,以降低光纤中能量的集中程度。这一做法同时也有利于降低端面损伤和热自聚焦等问题对光纤激光器输出功率的限制。如果靠增大纤芯直径的方法来增大光纤模场直径,那么为了让光纤还能继续在大于原来的截止波长的条件下单模运转,就必须要相应的减小纤芯的折射率差否则,光纤很有可能会在工作波长上变为多模运转。很多的商用稀土掺杂光纤通过增加纤芯尺寸来增大有效面积,从而放弃了单模运转条件。具有大芯径、低数值孔径的少模或多模掺杂光纤,可以结合选模技术构造的单模运转光纤激光。但是这样的激光器结构既增加了系统的复杂程度和成本,又降低了可靠性;同时多模光纤本身也存在有稳定性方面的隐患。为了获得结构紧凑、稳定性高的大功率单模光纤激光器,各种实现LMA稀土掺杂单模光纤的理论和方法仍是研究热点。

降低纤芯的射率差以实现尽可能小的数值孔径的方法能够在一定程度上增大模场面积,英国南安普顿大学光电子研究中心的D.J.Richardson等人在1997年报道了具有310um模场面积的EDF,其NA低至0.066。这样低的NA也是目前工艺所能达到的极限,并且这样的光纤抗弯损性能会比较差,实际应用潜力不大。因此只是按照传统的方法,简单减小NA的方法遇到了瓶颈。在光子晶体光纤(PCF: Photonic Crystal Fiber)的研究兴起之后,纯石英的光子晶体光纤能够具有无尽单模(Endless Single Mode)特性,为大模场面积单模光纤提供了新的研究方向,一些研究成果已经在相关文献上报道过。但是基于光子晶体的LMA稀土掺杂单模光纤的制作也有不足:1)光子晶体光纤的制作本身就是工艺难点,难以保证制作的稳定性和重复性;2)由于高浓度稀土惨杂光纤预制棒的纤芯折射率会高于纯石英的折射率,利用现有的降低折射率的技术很难降低到纯石英的水平,这使得最终的光纤不能实现无尽单模,进而影响到光纤的大模场性能。除此之外,斯坦福大学的A. E. Siegman在2003年提出了一种新的概念 增益导引光纤,与传统阶跃光纤不同的是这种光纤纤芯的折射率比包层的折射率小,传统的全内反射理论在这种光纤中不再适用。理论分析表明,采用增益导引效应,可实现芯径百微米量级的单模大模场光纤。一些基于这种理论的增益导引折射率反导引(GG-IAG: Gain-Guided, Index-AntiGuided Fiber)光纤激光器也己经有报道。但是这种光纤的模式特性不仅与光纤的芯径、波长、包层折射率和芯包层折射率差有关,还与增益因子有关,这一特性与粟浦能量等因素的显著影响,难以保证光纤使用的稳定性。另外,香港城市大学的K. Chiang和V. Rastogi在2002年提出了瓣状光纤(SCF: Segmented Cladding Fiber)来增大纤芯的有效面积,它的纤芯由高折射率材料组成,包层由高折射率材料瓣与低折射率材料瓣交替组成。但是这种光纤的制作都依赖于聚合物材料,不适用于普通光纤的制作设备,并且会引入不必要的损耗,因此不具备制作商用大功率光纤激光器的能力。这些新型结构的光纤虽然确实能增大光纤的有效模场面积,但是在工艺和具体应用上都存在实用化的问题。

自从英籍华裔学者高棍在1966年指出利了用光导纤维进行信息传输的可能性,光纤的制作及应用至今仍然是相关领域研究的热点。1970年,美国制作出全球第一条损耗低于20 dB/km的光纤,这成为了光纤能够真正应用于信息传输的里程碑。1987年,英国南安普顿大学在多次研制掺银光纤(EDF: Erbium Doped Fiber)的基础上,首先制造出了工作在1.54 mn的掺铒光纤放大器(EDFA: Erbium Doped Fiber Ainplifier),EDFA的发明使得长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能。

除了光纤损耗以外,光纤中的非线性以及光纤色散等效应也严重制约了光纤通信向更高速率、更大容量和更长距离方向的发展。现在的商用光纤的损耗已经降到很低的水平,并且各种光放大器也解决了长距离传输中信号中继的问题。对于光纤色散,传统的光纤色散分段补偿技术,在数据传输率超100 Gb/s时,对整个系统的色散补偿难以精确实现。而光正交频分复用(0-0FDM: Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing)具有优良的抗色散能力,近些年成为了光通信研究的热点。从1996年开始,有少量的工作将OFDM应用到光通信领域。但直到2001年,研究人员才认识到OFDM在光通信中抗色散的价值。随后的0-0FDM技术发展迅猛:2008年,澳大利亚墨尔本大学实现了在1000 km长度的普通单模光纤中传输107 Gb/s的高速信号;2009年,墨尔本大学实现了 1 Tb/s相干的光OFDM (CO-OFDM: Coherent Optical OFDM)系统,在单模光纤上传输了 600在2012年的最新报道中,NEC美国实验室结合密接波分复用技术(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing),实现了单模光纤传输距离为 165 km 的 101.7 Tb/sOFDM系统,在实验中采用了偏振复用以及128正交幅度调制。尽管如此,0-0FDM系统也有其亟需解决的问题。对于超100 Gb/s的高速光通信系统,常采用更密集的光载波和较高阶的高阶光调制来获得更高的系统容量。由于更密集的光载波意味着需要的光功率越大,从而带来更大的非线性损伤,并且超100 Gb/s系统的非线性损伤对系统性能的影响较低速系统更为严重。如为减小非线性损伤而降低每个载波的光功率,那么对于同样的光纤链路超100 Gb/s系统所能达到光信噪比(OSNR:Optical Signal Noise Ratio)会降低,无电中继传输距离会被缩短,从而不能满足超长距离传输的应用要求。在保证输入光功率不变的前提下,为了减小光纤中非线性效应的影响,必须增大光纤的有效模场面积。使用具有大芯径的多模光纤可以达到增大模场面积的效果,但是多模光纤存在模间色散,其衰减也比单模光纤大，不利于实现长距离的光传输。近期基于多模或少模光纤的0-0FDM的文献报道,给出的传输距离从几百米到几公里不等都不足以实现长距离传输。因此必须通过合理的设计,降低整个芯区的有效折射率来获得大的有效模场面积,同时保证光纤在工作波长为单模运转,这在介绍大模场面积掺银光纤时将详细说明。

特种光纤不仅在光通信领域发挥着巨大的作用,在其他相关领域,稀土掺杂特种光纤也扮演了重要的角色。随着工艺的进步,稀土掺杂光纤在近些年得到了很大的发展。除了常用的将Er3+作为掺杂剂,其他的稀土离子,如Yb3、Tm3、Ho3+、Nd3+、Pr3+、Eu3+等,也都被当做掺杂剂制作成了稀土掺杂特种光纤。这些稀土掺杂光纤不仅能用于光信号的放大,还能用于制作光纤激光器和光纤传感器等光纤器件。同时基于稀土掺杂的各种光纤器件以及光电子器件的应用也从光纤通信延伸到传感、医疗、材料加工以及国防等领域。

实际上不仅不同的稀土掺杂元素能够提供光纤新的特性,即使对于一种特定的稀土掺杂光纤,只要通过新型的几何设计或者共掺入其他非稀土元素,也能带来许多新的特性和应用。就本实验室最常研制的EDF来说,有许多基于其改进的新的光纤:保偏掺辑光纤(PMEDF: Polarization-Maintaining EDF)、光敏掺光纤(Photosensitive)保偏光敏掺银光纤(PMPEDF: PM and Photosensitive EDF)、微结构掺辑光纤(Microstructured EDF)、双包层掺银光纤(DC-EDF:Double-Clad)大模场面积掺辑光纤(LMA-EDF: Large-Mode-Field -AreaEDF)、双芯掺银光纤(TC-EDF: Twin-Core)等来用于特殊的需求。

在光纤的纤芯中，掺杂如何（Er）、钦（Nd）、谱（Pr）等稀土族元素的光纤。1985年英国的索斯安普顿（Sourthampton）大学的佩思（Payne）等首先发现掺杂稀土元素的光纤（Rare Earth DoPed Fiber）有激光振荡和光放大的现象。于是，从此揭开了惨饵等光放大的面纱，现在已经实用的1.55pmEDFA就是利用掺饵的单模光纤，利用1.47pm的激光进行激励，得到1.55pm光信号放大的。另外，掺错的氟化物光纤放大器（PDFA）正在开发中。

光纤通信系统工作在两个低损耗窗口:1.55μm波段和1.31μm波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。

掺稀土元素的光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土元素(如饵和钛等)，引起增益而实现光放大的。其优点是工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区(1.3~1.6μm)，结构简单，与线路的耦合损耗很小，噪声低，增益高，频带宽，与光纤偏振状态无关，所需泵浦功率也较低。

使用最多的是掺铒光纤放大器(EDFA)，其工总波长在1530~1560nm之间，也可增益位移使其工作在1570~1610nm。另外掺铥放大器(TDFA)其一个增益带在1480~1510nm，是作为通信窗口中S-band的较理想放大器。还要1310nm的掺镨放大器以及1060nm附近的掺镱放大器等等。