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。