有源玻璃与玻璃复合光纤技术

有源玻璃－玻璃复合光纤是指纤芯掺杂稀土、过渡金属以及主族金属离子等发光离子的光纤，它可实现高增益或宽带发光。有源光纤的两个主要发展方向是高增益和宽带宽。高增益可显著减少光纤长度，缩短腔长，有利于实现单频或高重频激光输出；宽带宽有助于实现宽带可调谐激光和超短脉冲激光输出。通常，玻璃光纤中溶解高浓度发光离子可实现高的增益，但高的掺杂浓度易引起荧光淬灭和玻璃析晶。另外，一种稀土离子发光波长范围有限，通过稀土共掺可在一定程度上增加发光带宽。但由于稀土离子间的相互作用，如能量转移和荧光淬灭等，限制了发光带宽。与稀土离子不同，过渡金属或主族金属离子具有优异的宽带发光。但到目前为止，仅稀土掺杂玻璃光纤在光通信、远距离传感、环境监测、激光雷达和生物医疗等领域实现了广泛应用［41－43］。

石英玻璃稀土离子溶解度低，导致增益较低。而多组分磷酸盐玻璃具有高的稀土离子溶解度（≥10%），可制备高增益光纤［44－46］。但磷酸盐玻璃光纤难与标准石英光纤熔接。若将稀土掺杂磷酸盐玻璃作为纤芯，石英玻璃作为包层，制备有源玻璃－玻璃复合光纤，可充分发挥不同种类玻璃的优点，实现扬长避短，克服磷酸盐玻璃光纤暴露在空气中吸水而导致的光纤质量下降，使其具有优异的机械强度和耐用性，并可与标准石英光纤熔接［47］。

2006年，Martin等率先报道了采用纤芯熔融拉丝法制备了石英包层高掺Nd3+磷酸盐玻璃纤芯复合光纤，其稀土氧化物掺杂浓度^[1]高达27%，并实现了1.06μm的激光输出［48］。2014年，Egorova等采用类似的方法制备了石英包层高掺杂Er3+/Yb3+磷酸盐玻璃纤芯复合光纤，其端面SEM照片如图2－6a所示，图2－6b为纤芯中P和Si元素分布图［47］。其纤芯直径为13.5μm，Er3+和Yb3+的掺杂浓度分别为1.3×1020 ions/cm3和1.7×1021 ions/cm3，包层呈正方形，边长约为100μm，并实现了1.55μm的激光输出，激光斜率效率为28%。随后，该研究组报道了高掺杂Yb3+磷酸盐玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤，其端面SEM照片如图2－7所示，Yb3+的掺杂浓度高达5.0×1020 ions/cm3，实现了激光斜率效率高达74%的1.018μm激光输出，并测得激光M2因子为1.051.22［49］。

图2－6　高掺杂Er3+/Yb3+磷酸盐玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤［47］

（a）端面的SEM照片；（b）光纤纤芯端面P和Si元素分布图

图2－7　高掺杂Yb3+磷酸盐玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤［49］

（a）端面的SEM照片；（b）放大的复合光纤端面SEM照片

尽管采用石英玻璃作为包层，可成功拉制高掺杂稀土磷酸盐玻璃纤芯复合玻璃光纤，实现高增益和优异力学性能。但是，石英玻璃拉丝温度高达2000℃，磷酸盐玻璃拉丝温度约为700℃，较大的温差使得复合玻璃光纤拉制过程中纤芯和包层间元素扩散严重，且出现纤芯不圆、塌陷或开裂等问题，如图2－6a和图2－7b所示，大大降低了光纤的性能。为了解决上述问题，华南理工大学研究人员提出用拉丝温度较低（约900℃）的硅酸盐玻璃作为包层，成功拉制出硅酸盐玻璃包层高掺杂Er3+/Yb3+磷酸盐玻璃纤芯复合光纤，纤芯中Er3+和Yb3+的掺杂浓度分别为13.77×1020ions/cm3和2.295×1020 ions/cm3［50］。图2－8a为此复合光纤端面的SEM照片，光纤的芯－包结合紧密且完整，纤芯直径和光纤直径分别为35μm和180μm［50］。图2－8b展示了10 cm长的此复合光纤在980 nm激光泵浦下发射光谱随泵浦功率的变化，观察到了Er3+：4I13/2→4I15/2能级跃迁在1.53μm处的荧光发射，表明此复合光纤有望应用于高功率和高效率的1.53μm波段光纤激光器［50］。随后，胡丽丽课题组报道了Yb3+掺杂磷酸盐玻璃纤芯－硅酸盐玻璃双包层复合光纤，纤芯中Yb3+掺杂质量分数为16%，实现了斜率效率为14.6%、功率为5 W的1027 nm激光输出［51］。最近，杨中民等以硅酸盐玻璃作为包层，高掺杂浓度Tb3+为16%的磷酸盐玻璃作为纤芯，采用纤芯熔融拉丝法制备出有源玻璃－玻璃复合光纤，Tb3+的掺杂浓度为用于绿光（540 nm）激光的磷酸盐玻璃光纤中最高［52］。

图2－8　高掺杂Er3+/Yb3+磷酸盐玻璃纤芯－硅酸盐玻璃包层复合光纤［50］(www.xing528.com)

（a）端面SEM照片；（b）在980 nm激光泵浦下的发射光谱（光纤长度为10 cm）

低非线性材料有利于提高激光的输出功率与光束质量，将发光离子掺杂到低非线性材料中，探索激光性能，已成为近年来研究热点。如利用稀土离子掺杂的YAG单晶或陶瓷作为纤芯，石英玻璃作包层，通过纤芯熔融拉丝法拉制出纤芯含高浓度钇（Y）和铝（Al）硅酸盐玻璃的复合玻璃光纤。与商用石英光纤相比，该复合玻璃光纤具有高的稀土离子掺杂浓度、高的受激布里渊散射阈值、高的热导率以及低的光暗化效应。同时，与其它多组分玻璃光纤相比，其折射率与石英光纤相差不大，易与标准石英光纤进行熔接［53］。华南理工大学研究人员以Nd3+：YAG单晶为纤芯，石英玻璃为包层，采用纤芯熔融拉丝法制备出纤芯为Nd3+掺杂的钇铝硅酸盐玻璃、包层为石英玻璃的有源玻璃－玻璃复合光纤，这种光纤实现了斜率效率为8.3%的1064 nm激光输出［54］。随后，以Tm3+：YAG陶瓷作为纤芯，石英玻璃为包层，拉制出玻璃－玻璃复合光纤，实现了1.95μm激光输出［55］。最近，该研究组采用Yb3+掺杂的透明YAG陶瓷作为纤芯，石英玻璃为包层，利用纤芯熔融拉丝法制备出玻璃－玻璃复合光纤，该光纤在1.7 cm长的该复合光纤上实现了1064 nm单频激光输出［56］。Xie和Liu等以Yb：YAG单晶为纤芯，同样制备了玻璃－玻璃复合光纤，该光纤在1.55μm的损耗低至0.49 dB/cm，实现了6 W的1.06μm激光输出，斜率效率为21.7%［57］。

华南理工大学研究人员以Cr/Tm/Ho：YAG单晶作为纤芯，采用纤芯熔融拉丝法制备了石英包层Cr/Tm/Ho掺杂的钇铝硅酸盐玻璃纤芯复合光纤，光纤端面如图2－9a g所示，芯－包结构完整、结合紧密，元素Y、Al、Cr、Tm和Ho主要分布在纤芯中［58］。在背散射电子像下，纤芯呈亮色。采用1610 nm激光作为泵浦源，实现了2μm波段半高宽超过230 nm的ASE光谱，通过构建光纤锁模激光谐振腔，获得了1.95μm锁模激光输出，如图2－9h m所示［58］。随后，该研究组以高掺杂Tm3+的YAG陶瓷为纤芯，石英玻璃为包层，采用纤芯熔融拉丝法制备了玻璃－玻璃复合光纤，该复合光纤在1.95μm处的增益系数高达2.7 dB/cm，并实现了1.95μm的锁模激光和单频激光输出［59］。

图2－9　Cr/Tm/Ho：YAG复合玻璃光纤［58］

（a）端面SEM照片；（b）（g）端面EPMA（electron probe micro－analyzer）照片；基于Cr/Tm/Ho：YAG复合玻璃光纤构建的全光纤锁模光纤激光器特性：（h）不同泵浦功率下的激光输出功率特性，当泵浦功率为620 mW时，获得锁模激光输出；（i）激光光谱；（j）（l）示波器记录的脉冲序列；（m）射频谱

由于稀土离子5d和6s轨道电子的屏蔽效应，其4f－4f电子跃迁的发射谱宽较窄，而过渡金属离子d－d电子跃迁具有非常宽的发射谱宽，如Ni2+和Cr4+掺杂玻璃具有超过300 nm的红外宽带发光，可覆盖13001600 nm。若能够研制出超宽带的光纤放大器，则用一根光纤、一个泵浦源就能实现整个光通信波段的光放大［60］。因此，研制可覆盖整个光通信波段的超宽带光纤具有重要意义。2006年，Huang等以石英为包层，Cr4+：YAG单晶为纤芯，采用纤芯熔融拉丝法进行光纤拉制，拉丝过程中Cr4+：YAG单晶在高温下熔融，且包层中元素会扩散进入纤芯区域，最终得到纤芯为Cr4+和Cr3+掺杂的高Al和Y的硅酸盐玻璃，实现了覆盖1.11.6μm的宽带ASE光谱［14］。随后，该研究组以Cr掺杂的硅酸盐粉（SiO2－Al2 O3－MgO－K2 O－TiO2－Cr2 O3）为纤芯，石英玻璃为包层，采用纤芯熔融拉丝法制备出有源玻璃－玻璃复合光纤，实现了9001300 nm的宽带发射［61］。

除了过渡金属离子，主族金属离子也可作为激活离子实现宽带发光。Bi掺杂玻璃具有10001700 nm的超宽带近红外发光。2005年，Dvoyrin等研制出了Bi掺杂石英光纤，随后实现了激光输出［62，63］。但Bi掺杂石英光纤大都采用传统的改进的化学气相沉积（modified chemical vapor deposition，MCVD）法制备，Bi2O3的掺杂浓度不超过0.1%［64］。华南理工大学研究人员于2016年采用纤芯熔融拉丝法制备了Bi掺杂锗硅酸盐玻璃－石英玻璃包层复合光纤，Bi2 O3的掺杂浓度为1%，纤芯经高温熔融并快速冷却，随包层玻璃形成光纤，避免了Bi形成团簇和析晶，如图2－10所示。元素Ge、Mg、Al和Bi主要分布在纤芯区域，呈现规则的圆形，Bi的含量较少，而Si在包层中的含量要高于纤芯中的含量［64］。图2－10g为不同波长泵浦下纤芯玻璃和光纤的荧光光谱，在808 nm激光泵浦下实现了Bi掺杂复合玻璃光纤在10001700 nm的宽带发光，其半峰宽达到了325 nm，在宽带光放大方面有巨大的应用潜力［64］。

图2－10　Bi掺杂的锗硅酸盐玻璃纤芯－石英玻璃包层复合光纤［64］

（a）端面显微镜照片；（b）（f）端面EPMA照片；（g）不同波长泵浦下的玻璃荧光光谱和复合光纤荧光光谱