掺稀土光子晶体光纤技术领域
本发明涉及一种光纤激光器和放大器用掺稀土光子晶体光纤，特别涉及该光纤的结构
和制造方法。
背景技术
光纤激光器是近几年激光领域人们关注的热点之一，特别是应用到光纤通信窗口的
1.55μm波长的光纤激光器以及应用于军方和工业加工的高功率光纤激光器的发展更为迅
猛。常规激光器的调Q、锁模等技术也都引入到了光纤激光器中，这不仅拓宽了光纤激光器
的研究领域，而且也推动了激光技术的发展。在同样的输出功率下，光纤激光器的光束质量、
光传递特性、可靠性和体积大小等都占有优势，此外由于光纤成本的降低和易于实现流水化
及大批量生产等特点，这不仅引起科学家们的兴趣，而且更吸引产业界专家们的极大关注。
光纤激光器最初在上世纪60年代提出，但一直进展缓慢，直至低损耗光纤制造技术和半导
体激光器的发展与应用，方为光纤激光器带来了新的前景。
光纤激光器以掺杂光纤作为激光介质，与块状激光介质相比，具有以下显著的优点：
介质细长易于散热；在LD泵浦固体激光器中，由于热量集中于一个小体积内，而散热表面
又比较小，属于本质性困难。采用光纤作激光介质，其表面积比相同体积的块状介质要大一
千倍左右，从而大大缓解了散热问题；激光横模由光纤纤芯直径和数值孔径比NA决定，不
会因介质的热形变而发生变化，因而易于达到单横模，一般光束质量因子M2≤1.3，有的已
可达到1.05；利用比纤芯截面积大至少一个量级的内包层实行光泵，泵浦光进入内包层即
可，而不是直接泵浦到单模的纤芯，因而易于达到高效率和高功率。
早期的光纤激光器中，工作物质为单模单包层光纤，泵浦光直接耦合入纤芯中，而光
纤的芯径只有4～10μm，这就要求泵浦光为单模，而单模的半导体激光器输出功率只有几百
毫瓦，而且受泵浦面积的限制，大功率泵浦光无法耦合，从而严重影响了光纤激光器的输出
功率。所以光纤激光器一直被认为是小功率光电子器件。80年代末，剑桥宝丽来公司和英
国南安普顿大学的研究人员发展了包层泵浦光纤激光器，设计了双包层光纤。这种双包层光
纤在纤芯外有两个包层，内包层起着使激光约束在单模纤芯内和成为泵浦光的多模导管作
用，外包层将泵浦光限制在内包层之内。内包层的直径一般为几百微米，这种情况下，泵浦
光无需单模，可用高功率多模半导体激光器做泵浦源，一部分光耦合到纤芯中，而大部分光
耦合到内包层中，内包层中的光受外包层限制，在内包层之间来回反射，不断的穿过纤芯，
不断的被吸收，所以泵浦光在光纤的一端耦合进入光纤，在光纤的整个长度上被泵浦，大大
提高了泵浦功率。双包层光纤提高了泵浦功率，但却降低了泵浦效率，这是因为泵浦光入射
位置和角度不同，进入光纤后，光的运动形式可分为子午光线和偏射光线。偏射光线与纤芯
不相交，这种光线的吸收率很低，因此影响了泵浦效率。通过对内包层结构的设计，可以改
善双包层光纤的泵浦效率。
近年来，对以双包层光纤为基础的包层泵浦技术的研发，使光纤激光器的输出功率提
高了三个数量级，从而突破了其输出功率低的应用瓶颈，在工业及通信等领域具有广阔的应
用前景。双包层光纤激光器无论在体积、散热、效率，还是在光束质量等方面，均比同等功
率的激光二极管泵浦的全固态激光器有明显优势，这种新型的光纤激光器除了在光通讯、激
光加工及大屏幕激光显示领域应用，还在军事、国防和能源等领域有着非常广泛的应用前景，
可望替代现有的体积庞大的气体或固体激光系统。比如可以作为军用多功能激光器，在激光
测距、激光目标指示器、激光制导、光电对抗、激光有源干扰、激光雷达中获得应用。
光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)是由晶格常数为光波长量级的二维光
子晶体构成的，即规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成光纤的包层，光纤的核心是由
一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。
这种结构沿光纤轴向保持不变。对于核心为空气孔的情况，通过作为包层的二维光子晶体的
布拉格衍射，一定波长的光不允许在包层中横向传导，被陷获在作为核心的空气孔中。对于
这种结构的光子晶体光纤，导光的机制与传统光纤中的全内反射导光的原理不同，通过光子
带隙(PB6)效应进行传导。对于核心为固体硅的情况，包层的有效折射率是硅和空气的体
平均，它小于核心硅的折射率，包层不存在光子带隙，所以这种光纤的导光机制是全内反射。
这种光子晶体光纤在很宽的频率范围内支持单模运行，允许纤芯面积大于传统光纤纤芯面积
10倍以上。这种光纤包层的折射率是硅和空气的平均折射率，因而空气孔排列的周期性并
不起作用，但可以通过改变空气孔的填充物改变光纤的性能。
光子晶体光纤与传统光纤相比有许多特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。首
先，光子晶体光纤具有极低的损耗、色散和非线性。克服了传统单模光纤的本征吸收和瑞利
散射，避免了模式色散和材料色散，大大降低了非线性。其次光子晶体光纤的截止波长很短，
可在近紫外到近红外全波段维持单模运转。使单模工作波段向短波方向扩展了600～700nm，
这为波分复用增加信道数提供了充足的资源。此外利用光子晶体光纤包层的特殊结构，适当
增大气孔直径，可使零色散点向短波方向位移，使其在850nm的传输损耗降至0.08±
0.04dB/km，可实现800nm附近的光孤子传输。光子晶体光纤的大模面积、全波段单模运转
和可见/近红外的反常群速度色散等特殊属性，使得它可以成为1300nm波长以下优异的光纤
激光器有源介质，其工作波段和可能达到的高功率水平是普通有源单模光纤不可比拟的。而
高双折射光子晶体光纤是利用光子晶体光纤的传输原理和结构设计制造的一种保偏光纤，在
未来有着广泛的应用前景。
光子晶体光纤的可控的周期性折射率变化使它在无源和有源器件中有着广泛的应用前
景。特别是其模场面积的可大可小被开发为新的光纤激光器和光纤放大器。目前已开发的掺
镱光子晶体光纤为光子晶体光纤激光器的实际应用迈出了重要一步。R.F.Cregan等人第一
次报道了掺铒光子晶体光纤。S.Selleri等人用基于有限元法的全向量法分析了掺铒光子
晶体光纤的场强度分布。他们所报道的掺铒光子晶体光纤的结构为蜂窝状，中心引入一个孔
作为缺陷，这个孔的尺寸与包层孔不一样。d/A足够小使光纤在泵浦光和信号光波长都为
单模传输。铒离子掺杂在中心孔周围的圆环，在该圆环处信号和泵浦光强度分布较高。
在常规双包层掺稀土光纤的制备工艺中，最有效的方法是采用低折射率的涂料来达到
增大内包层的数值孔径的目的，但采用低折射率的涂料将对光纤的机械性能造成不良影响使
强度降低，而且低折射率涂料的采用也会大大增加工艺难度和成本，此外低折射率涂料对内
包层数值孔径的贡献程度由于材料本身而有限，会使光纤的强度下降。
因此，需要一种兼容光子晶体光纤和双包层掺稀土光纤优点为一体的新型光纤。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通过研究光子晶体光纤和双包层掺稀土光纤的结构与性
能，设计出集光子晶体光纤和双包层掺稀土光纤的优点于一体的掺稀土光子晶体光纤，将本
发明的掺稀土光子晶体光纤应用于光纤激光器和放大器，可以提高激光器和放大器的增益和
泵浦效率。
本发明目的是提供掺稀土光子晶体光纤。
本发明的基本原理为：在双包层掺稀土光纤中泵浦光在内包层中多模传输，而内包层
有较大的横向尺寸和数值孔径，因而可以选择大功率的多模激光二极管阵列作泵浦源，这样
就大大提高了耦合效率和入纤泵浦功率。同时，由于光纤中的泵浦光功率较大，因此可以提
高光纤激光器的输出功率。另外，泵浦光的吸收效率与内包层的形状有关。内包层中的光受
外包层限制，在内包层之间来回反射，不断的穿过纤芯，不断的被吸收，所以泵浦光在光纤
的一端耦合进入光纤，在光纤的整个长度上被泵浦，大大提高了泵浦功率。而由于泵浦光入
射位置和角度不同，进入光纤后，光的运动形式可分为子午光线和偏射光线。偏射光线与纤
芯不相交，这种光线的吸收率很低，因此影响了泵浦效率。因此通过改变内包层的形状，使
内包层具有椭圆、矩形、多边形、D形、梅花型以及其它几何形状，改变偏射光纤的方向，
使之通过纤芯，从而提高泵浦效率。本发明的光纤用有孔的第二包层(3)代替一般双包层
掺稀土光纤的外包层，而由于改变第二包层(3)的孔的分布形状、孔的形状、大小、数量，
降低其等效折射率使第一包层(2)具有更大的数值孔径使泵浦光更易注入第一包层(2)中。
另外，双包层光纤的纤芯的大小与输出功率有很大关系。纤芯越大可传输的功率就越
大，而纤芯越小传输的功率过大会产生非线性效应，影响光纤输出功率，甚至会对光纤造成
损伤。因此在双包层光纤中在保证输出光束质量的前提下尽量增大光纤的纤芯。但在一般的
双包层掺稀土光纤中，纤芯的增大会影响光束质量，造成光纤激光器和放大器的多模输出，
因此纤芯的增大程度是有限的。而光子晶体光纤的一个主要的特点是无休止的单模特性，本
发明通过设计使光纤具有较大的纤芯同时保证单模输出。
本发明的一种掺稀土光子晶体光纤，包括：纤芯部分，由掺杂稀土元素的石英材料形
成；第一包层，围绕在纤芯部分外围，由石英材料形成，第一包层的数值孔径在0.2至1之
间；第二包层，围绕在第一包层外围，由石英材料形成，呈现椭圆形或矩形或正多边形或D
字型或梅花型，在第二包层内有大量规则排列的孔，由于第一包层处于纤芯部分与第二包层
之间，使得第一包层的外轮廓具有与第二包层相同的形状，该第二包层增强了光纤的强度并
降低生产成本；保护层，由有机聚合物材料形成，包覆在第二包层之外，保护层的外缘为圆
形，内缘形状与第二包层相同。
本发明的掺稀土光子晶体光纤，其特征在于：纤芯部分材料中掺杂稀土元素铒、镱、
铥、镧的至少一种，同时还掺杂铝、磷、氟化物的至少一种。
本发明的掺稀土光子晶体光纤，其特征在于：纤芯部分材料中掺杂稀土元素是镱，同
时还掺杂铝。
本发明的掺稀土光子晶体光纤，其特征在于：纤芯部分的掺杂浓度为6000ppm，纤芯
部分中间具有直径为1微米的中心孔，该纤芯部分与第一包层之间有环形排列的一层孔，孔
排列形成正六边形、孔直径为1.5微米、孔间距为6微米，第二包层中孔的直径为2微米、
孔间距为5微米、呈现六边形排列，第一包层中具有直径为1.5微米、间距为8微米的孔，
所述孔的排列形状与第二包层中孔的排列形状相同，第一包层数值孔径为0.4。
本发明的掺稀土光子晶体光纤，其特征在于：纤芯部分的掺杂浓度为8000ppm，纤芯
部分中间具有直径为1微米的中心孔，该纤芯部分与第一包层之间有环形排列的一层孔，孔
排列形成正六边形、孔直径为1.5微米、孔间距为6微米，第二包层中孔的直径为2微米、
孔间距为5微米、呈现矩形排列，第一包层中具有直径为1.5微米、间距为8微米的孔，所
述孔的排列形状与第二包层中孔的排列形状相同，第一包层数值孔径为0.6。
本发明的掺稀土光子晶体光纤，其特征在于：第一包层和第二包层的材料中除了石英
外还包含掺杂剂。
本发明的掺稀土光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤的所有孔可以是空气孔，也可
以填充其它材料，孔的形状可以为圆形，也可以为矩形或多边形或D型。
本发明掺稀土光子晶体光纤的制造方法，包括步骤：将石英反应管安置在改进的化学
气相沉积法或等离子体化学气相沉积法车床上，将四氯化硅、含稀土元素化合物和其它共掺
杂剂采用蒸发器蒸发后与氧气一起均匀混合，通入到石英反应管内沉积形成掺稀土的芯层；
在缩棒设备上将沉积管熔缩为实心预制棒；将预制棒拉制成规格的芯棒；将高纯石英玻璃管
拉制成规格的石英毛细管；将不同规格的石英毛细管及芯棒按照所需要的光纤结构组合排
列，在光纤包层中需要形成孔的相应位置使用石英毛细管，通过使用不同直径和壁厚度的适
应毛细管可以在光纤包层中形成不同分布密度和直径的孔，在光纤包层中不需要形成孔的相
应位置，使用实心石英细棒，在光纤纤芯部分的相应位置使用掺杂稀土的芯棒；将按照所需
要位置排列组合成型的芯棒、石英毛细管、石英细棒的集束固定在石英套管内；将包含芯棒、
石英毛细管、石英细棒的集束的石英套管安置在拉丝设备上进行拉丝，调整拉丝温度，使得
熔融玻璃体的粘度在106泊范围内，既保证玻璃软化提供一定的粘度利于变形并拉成纤维，
又保证熔融玻璃的粘度不能过低，以免熔融玻璃体内部的微孔在表面张力作用下崩塌变形甚
至闭合，经过拉丝步骤拉制成预定外径的掺稀土光子晶体光纤；拉丝形成的光纤具有与第二
包层外缘形状相同的外轮廓，需要在该第二包层外再覆盖保护层，使得光纤最终具有圆形外
轮廓。
在本发明的掺稀土光子晶体光纤的方法中，在所述沉积掺稀土芯层的步骤中，所使用
的含稀土化合物为稀土氯化物、所使用的其它共掺杂剂为三氯化铝等。
本发明的有益效果在于：第一，提供应用于光纤激光器和放大器用的光子晶体双包层
掺稀土光纤。第二，光子晶体双包层掺稀土光纤的第二包层具有大量的周期性排列，排列形
状为椭圆、矩形、多边形、D形以及其它几何形状，第一包层具有较大的数值孔径使泵浦光
的注入更加容易，从而提高了光纤激光器和放大器的泵浦效率和增益。第三，本发明的光纤
可以具有大尺寸的纤芯同时保持单模输出，为高功率输出提供了有利条件。第四，由于本发
明采用了具有大量气孔的第二包层代替现有技术掺稀土光纤的涂层，既可以增加光纤的强
度，又可以降低大量使用涂层材料所增加的成本。
附图说明
图1为本发明双包层掺稀土光子晶体光纤第一实施例的光纤截面示意图；
图2为本发明双包层掺稀土光子晶体光纤第二实施例的光纤截面示意图；
图3为本发明双包层掺稀土光子晶体光纤第三实施例的光纤截面示意图；
图4为本发明双包层掺稀土光子晶体光纤第四实施例的光纤截面示意图。
具体实施方式
为了更详细地说明本发明，下面将在附图的基础之上描述本发明的多个实施例。以下
结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明光纤的第一个实施例，这是第二包层内孔排列为六边形的双包层掺镱光
子晶体光纤，这种掺镱光子晶体光纤是在纤芯部分(1)上覆盖第一包层(2)，在第一包层
(2)上覆盖第二包层(3)，在第二包层(3)上覆盖保护层(4)制成的。纤芯(1)中心有
孔(5)，其直径为1微米，在纤芯(1)和第一包层(2)之间有孔(6)，孔的排列形状为六
边形，孔直径为1.5微米，孔间距为6微米；第一包层(2)有孔(7)，孔直径为1.5微米，
排列形状也为六边形，孔间距为8微米。第二包层(3)有孔(8)，孔直径为2微米，孔间
距为5微米，排列形状也为六边形。纤芯直径为30微米，内包层数值孔径为0.4。
图1中的掺镱光子晶体光纤纤芯部分的掺杂浓度为6000ppm，纤芯除了掺杂有镱离子外
还掺杂了铝离子，从而使掺镱光纤的性能得到改善。本领域技术人员还可以根据实际需要，
选择在纤芯部分中掺杂其它稀土元素，例如铒或铥或镧，还可以掺杂磷或氟化物。在纤芯和
第一包层之间有孔，是为了增加纤芯的模场直径，该孔是否设置应考虑实际应用的需要。当
不需要太大的模场直径的应用场合，也可以去除纤芯与第一包层之间的孔。而纤芯的孔则有
利于降低纤芯的数值孔径，使信号光或激光获得单模输出，在一些应用场合也可以使用实心
的纤芯部分。第一包层的孔一方面是为增大泵浦光的输入模场，另一方面也可以使泵浦光更
容易耦合进纤芯中，增加泵浦效率。第二包层的孔的主要作用是降低孔的等效折射率，使第
一包层具有更大的数值孔径，有利于泵浦光的注入。
图2为本发明光纤的第二个实施例，这种掺镱光子晶体光纤是通过在纤芯部分(1)上
覆盖第一包层(2)，在第一包层(2)上覆盖第二包层(3)，在第二包层(3)上覆盖保护层
(4)制成的。纤芯部分与图1所示的第一实施例相同。在第二实施例中，第二包层(3)
分布有均匀排列的孔(8)，孔的排列形状为六边形，孔的直径为2微米，孔间距为5微米。
纤芯直径为60微米，第一包层直径为500微米，第二包层直径为700微米，保护层直径为
800微米。纤芯数值孔径为0.12，第一包层数值孔径为0.6。这种掺镱光子晶体光纤的泵浦
光波长为915nm
图2中的掺镱光纤的掺杂浓度为8000ppm，纤芯除了掺杂有镱离子外还掺杂了铝离子。
第一包层没有孔，而第二包层有大量的孔，这是为了有效降低第二包层的等效折射率，使第
一包层具有更大的折射率，有利于泵浦光的注入。
图3为本发明光纤的第三实施例，其结构与图2所示的第二实施例类似，其中光纤的
纤芯部分结构、掺杂材料和浓度、数值孔径均与第二实施例相同。第三实施例与第二实施例
之间的区别仅仅在于第二包层形状为矩形，并且第二包层中气孔的排列也呈现矩形气孔环
带，第二包层中气孔直径与间距也参照第一、二实施例。
图4为本发明光纤的第四实施例，与第一实施例类似，第四实施例中纤芯部分结构与
图1所示纤芯部分相同，并且掺杂材料、掺杂浓度、数值孔径与第一实施例相同。两实施例
的区别仅仅在于第四实施例中光纤的第二包层形状为矩形，并且第二包层中气孔的排列也呈
现矩形气孔环带，而且第一包层的外轮廓也为矩形，第一包层中气孔也排列成矩形环带。在
第四实施例中，第一、第二包层中气孔的直径与间距也参照第一实施例。
下面将解释本发明掺稀土光子晶体光纤的制作方法。在上述四个实施例中，本发明掺
稀土光子晶体光纤的孔中可以是真空，也可以掺入空气或其它低折射率材料。纤芯部分掺杂
可以是元素序号在51至57之间的稀土元素，优选为铒，镱，铥，镧等，可以是一种或多种
稀土元素，纤芯部分除了掺杂铝外，也可以选择掺杂磷或氟化物，纤芯的稀土离子的掺杂浓
度可以为2000～12000ppm或者更大，孔的大小和间距也可以根据实际需求进行调整。光纤
中的孔可以为圆形，也可以设计为矩形或多边形或D字型。孔的排列形式除了附图中所示的
六边形和矩形外，也可以根据实际需要选择例如D字型、梅花型、其它多边形等。本发明的
掺杂光子晶体光纤的制造方法如下：首先将石英反应管驾在MCVD或PCVD沉积车床上，将四
氯化硅、Yb2O3或其它镱的化合物以及共掺杂剂AlCl3采用蒸发器蒸发后与氧气一起混合均匀，
最后通入到石英玻璃管内沉积形成掺稀土的芯层；沉积完成后，在缩棒设备上将沉积管熔缩
为实心预制棒，随后将预制棒拉制成规格的细棒；再将高纯石英玻璃管拉制成规格的毛细管；
将不同规格的石英毛细管及芯棒按照图1至图4的方式组合，聚束成图1至图4所示的点阵
结构，再用纯石英玻璃套管束缚成一体；在拉丝设备上进行拉丝，调整拉丝温度，光纤预制
棒熔融玻璃体的粘度在106泊范围内，既保证玻璃软化提供一定的粘度以便预制棒能够变形
并拉成纤维；又要求熔融玻璃的粘度不能过低，以免光纤预制棒内部的微孔在表面张力作用
下崩塌变形乃至闭合，经过合适的拉丝工艺拉制成预定外径的微结构光纤。由于拉丝成型的
光纤具有与第二包层外缘相同形状的外轮廓，还需要在第二包层外再覆盖保护层，使得光纤
最终具有圆形的外轮廓。
以上附图和实施例仅为说明性描述，不对本发明的保护范围形成限制。