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掺稀土特种光纤的研究现状与发展

一、引言

掺稀土特种光纤在光纤激光器、放大器和传感器中有着广泛的应用。本文介绍稀土离子的性

质，重点介绍掺铒、掺镱和掺铥光纤的应用、研究现状和发展趋势。

掺稀土特种光纤已经有了很大的发展，所用的掺杂剂有Nd3+、Er3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、

Yb3+、Dy3+、Tm3+等。掺稀土光纤对于包括光纤激光器、放大器和传感器在内的各种应用

是十分有吸引力的。它的特点是具有圆柱形波导结构，芯径小，表面与体积比值高，因此很

容易实现高密度泵浦，使激射阈值低，散热性能好，其芯径大小与通信光纤很匹配，耦合容

易且效率高，可形成传输光纤与有源光纤一体化，是实现全光通信的基础。

随着集成光学和光纤通信的发展，需要有微型的激光器和放大器。20世纪90年代起，信息

高速公路对信息的传输提出了更高的要求，多媒体技术要求能同时传送图、文、声、像，而

且是高度清晰的声、像。信息高速公路要求高速传输，但一般的光纤通信技术传送信息的速

度与这种要求相差甚远。以超高速、超长距离方式传送信息需要跨越许多技术上的障碍，其

中之一就是如何补充在长距离传送过程中光能量的衰减。所以光信号直接放大就成为一个至

关重要的课题。掺稀土光纤放大器能直接放大光信息，有利于大容量、长距离通信，将使光

纤通信取得更加长足的发展。

二、稀土元素的光学特性

稀土离子在光场和磁场方面的应用有很长的历史。稀土离子有着不同于其它光活性离子的重

要性质：其发射或吸收的光波长范围很窄，发射和吸收跃迁的波长与材料的关系不大。这些

跃迁的强度很弱，亚稳态的寿命较长，量子效率高。这些性质导致了稀土离子在许多光应用

方面有特别重要的性能。

从原子结构上看，稀土元素都具有相同的外电子壳层结构，即5s25p66s2，属满壳层结构，

稀土离子通常是以三价电离态出现，其电子结构为[Xe]4fN-15s25p66s0，它们都是4f和6s

分别失去一个和2个电子，而5s2与5p6均未发生任何变化。由于剩余的N-1个内层4f电

子受到5s、5p形成的外壳层屏蔽作用，使得4f→4f跃迁的光谱特性（如荧光特性与吸收特

性)不易受到宿主玻璃外场的影响，因此，掺稀土元素的固态激光材料4f→4f跃迁产生的激

光线型极其尖锐。掺杂的稀土离子在宿主玻璃中由于受到晶格电场的束缚而形成了稀土离子

能级的Stark分裂，同时在这些分裂能级之间由于声子的产生与湮灭引起能量交换，从而导

致了这些能级的均匀或非均匀展宽。当粒子被激发到泵浦带后，会以非辐射跃迁的方式转移

到泵浦带与基态能级之间的某一能级上，并在该能级上停留较长的时间，形成激光系统粒子

数分布反转，这一能级即为激光上能级，也称亚稳态能级。激光上能级的寿命比其他高能级

的非辐射寿命长几个数量级。

在激光放大领域中多数选择玻璃作为掺杂的宿主基质，这主要起因于对高能量、高功率激光

放大输出的要求。目前，大多数掺杂光纤与通信光纤使用的光纤材料相同，都是石英玻璃材

料，可以采用成熟的光纤制造技术来生产掺杂玻璃光纤，同时生产过程中允许严格控制其掺

杂浓度，因此掺杂玻璃的应用和研究得到很大程度的推广。从物理角度分析，玻璃是一种热

熔体冷却生成的非晶态产物，从价格原子尺度来看其结构是规则的，而从整体来看它是非周

期非对称的。玻璃的种类随着其中所含的成形子、改性子及它们之间相对组分比例的不同而

变化，因此，作为稀土离子掺杂宿主的玻璃基质种类繁杂。通常可以将用于激光介质的玻璃

分为四类：氧化物玻璃、卤化物玻璃、卤氧化物玻璃及硫属化合物玻璃。

三、掺稀土光纤的发展

1.掺铒光纤

由于掺铒光纤放大器具有增益高、频带宽、噪声低、效率高，连接损耗低，偏振不灵敏等特

点，在20世纪90年代初得到了飞速发展，成为当时光放大器研究发展的主要方向,极大地

推动了光纤通信技术的发展。

经过十几年的发展，掺铒光纤放大器（EDFA）已成为光纤通信技术最突出的成就之一。特

别是EDFA和DWDM的出现和应用改变了光纤通信发展的格局，EDFA已成为光纤通信、

CATV、光信息网络系统中的关键器件之一。

掺铒光纤是受激光纤，它具有三能级系统，能级图如图1所示。处于基态能级的铒离子在

980nm或1480nm泵浦光作用下，跃迁到高能级，然后停留1祍后反转到亚稳态能级，在该

能级和基态能级间的受激跃迁决定了对信号光的放大作用，当信号光（1550nm）通过光放

大器时就会得到放大。

由于光纤损耗和DWDM的损耗都是限制