引言
近年来，高功率1550nm波段激光器、放大器的研究受到重视，而作为该波段最早采用的掺Er光纤，目前正受到Er-Yb共掺光纤的挑战。研究表明，相比于传统掺Er光纤，Er-Yb共掺光纤具有多方面的优点，适合1550nm波段光源发展趋势的要求。首先，在掺Er光纤中，随着Er离子浓度的进一步提高，Er离子会发生聚集，引发Er离子对的上转换效应，产生浓度淬灭现象，直接影响泵浦转换效率和信号增益的提高，采用Er-Yb共掺设计，由于Yb离子具有与Er离子基本相同的离子半径，可以明显降低Er离子对的形成，从而提高Er离子掺杂浓度的上限；其次，Yb离子2F5/2的能级和Er离子4I11/2能级非常接近，其离子能量很容易从Yb的2F5/2的能级转移到Er的4I11/2能级上，利用该能量转换，可以实现Yb离子对Er离子的间接泵浦，从而扩宽泵浦源的选择范围。
如上所述，由于Yb离子的掺入，Er-Yb共掺光纤获得了更宽的泵浦吸收带。研究表明：Yb离子泵浦范围覆盖800nm到1100nm，在该波段范围内，商用化的半导体激光器已达到千瓦量级的输出功率，使得高功率Er-Yb共掺光纤光源的研制成为可能。为了达到多模半导体激光器泵浦光功率的高效耦合，Er-Yb共掺双包层光纤的研制成为了当前研究的热点，采用双包层结构设计，泵浦源输出的泵浦光直接耦合入直径为几十到几百μm的内包层中，比传统单包层光纤的耦合面积增加了2个数量级，耦合效率远远高于传统的单包层光纤。
本文采用MCVD研制工艺结合溶液掺杂法制备Er-Yb共掺双包层光纤。深入研究了Er-Yb共掺双包层光纤预制棒制作工艺，在国内首先研制出国产高性能Er-Yb共掺双包层光纤，测量了光纤的基本参数，分析并讨论了光纤的损耗吸收和荧光特性。
1 光纤研制
上世纪八十年代中期，Poole等人提出以MCVD工艺为基础的汽相掺杂与液相掺杂技术，随后以OVD(Outer vapor deposition)和VAD(Vapor phase axial deposition)工艺为基础的汽相掺杂技术相继发明，丰富了稀土离子光纤研制的技术手段。由于汽相掺杂技术对设备要求高，成本昂贵，我们采用了MCVD工艺加溶液掺杂法（即液相掺杂）这样一条工艺路线来研制Er-Yb共掺双包层光纤。基本过程是：首先，利用MCVD工艺制作疏松的、未烧结的预制棒，然后进行溶液掺杂的工艺过程，将预制棒浸入按比例配置好的稀土卤化物水溶液中，保持一定的时间，溶液中的稀土离子会扩散到光纤预制棒的芯区中，由溶液的浓度和浸泡的时间决定掺入光纤预制棒芯区的浓度。取出预制棒，在一定的温度下通入干燥的高纯氯气（Cl2）、氧气（O2）或者氦气（He）进行脱水、干燥，在大约2000℃高温下烧结成为透明的光纤预制棒，最后，根据设计要求对预制棒进行加套至所需的芯包比后，对预制棒进行设计加工，处理成所需的内包层结构，然后拉制成Er-Yb共掺双包层光纤。该工艺流程如图1所示：
在光纤研制过程中，为了保证石英反应管中残留的氢氧根在高温下不会扩散进入芯区，使光纤的损耗增加，我们在石英衬管中制作了阻挡层，该过程中包含如下的化学反应过程：
根据上述反应结果，光纤阻挡层包含SiO2-P2O5-F，P的掺入提高了折射率，F的掺入降低折射率，使得阻挡层最终折射率与石英包层的折射率相互匹配。
光纤疏松芯层的沉积主要包含上述前三个反应过程，形成了SiO2-GeO2-P2O5的网络结构，在该结构中，Yb离子和Er离子成团的几率仍然较大，不利于稀土离子掺杂浓度的提高。根据有关报道，掺入适量的Al2O3有助于防止稀土离子对的形成。为此，我们采用了Er-Yb-Al多组分的溶液共掺技术，我们在掺入Yb离子、Er离子的同时掺入Al2O3。Al2O3的掺入，一方面有效解决了离子析晶现象，提高了两种稀土离子的掺杂浓度；另一方面，由于Al2O3具有较低的挥发性，Al2O3的掺入使光纤纤芯的折射率凹陷减小，弥补了纤芯折射率的下陷。如图2(a)(b)所示：
根据文献的有关结论，双包层光纤的泵浦吸收不仅与掺杂浓度、纤芯尺寸（纤芯和内包层面积比）有关，还与内包层的形状有关，圆形内包层由于其完美的对称性，存在大量的螺旋光线，这些光线在内包层中多次反射却永远也不能达到纤芯区域，从而不可能被纤芯吸收，这样既便采用较长的光纤仍有大量的漏光存在，使得转换效率难以提高。为了提高光纤对泵浦光的吸收效率，
在实验中我们采用了D型的内包层设计，将MVCD工艺所研制的直径为22mm的圆形预制棒进行研磨，沿径向磨掉2.75mm,最终形成长直径为22mm、短直径为19.25mm的D型预制棒，拉成光纤后，内包层尺寸为350μm×400μm，如图3所示。以Er、Yb离子浓度比分别为1：13和1：8的比例研制了两个光纤样品，样品参数如表1所示。
2 光纤损耗谱和荧光特性
为了分析光纤样品的损耗吸收特性，我们将1号光纤样品的预制棒采用单包层光纤的拉丝工艺，制作了外径125μm的单包层光纤，采用PK2500综合光纤测试仪（英国），测量了光纤损耗谱，如图4所示：光纤有四个主要吸收带，即中心波长为650nm、820nm、970nm和1480nm的吸收带，其中中心波长为650nm、820nm和1480nm吸收带为Er离子的典型吸收峰；处于900nm-970nm的吸收带，与Yb离子的典型吸收谱线相吻合，由于Er离子对980nm、1080nm附近波长均有一定的吸收，因而最终形成了900nm到1080nm的宽吸收带，这是Er离子及Yb离子吸收带的交叠造成的。
为了测量光纤的荧光特性，我们采用了976nm波长的高功率半导体激光器做泵浦源，泵浦10米长的Er-Yb共掺双包层光纤样品（样品2），获得了光纤的荧光输出光谱，如图5所示：光纤荧光光谱包括了两个主要荧光辐射带，一个从1000nm到1200nm，另一个从1450nm到1600nm。从谱线上看，前者落在Yb离子辐射带的范围之内，主要为Yb离子荧光光谱，后者为Er离子的荧光辐射所形成，前者光强略高于后者。造成Yb离子荧光强度高于Er离子荧光强度的原因，分析认为主要有两方面的可能，一是光纤样品内Er离子的掺杂浓度偏低，Yb离子到Er离子的能量转换没有充分完成；另一方面，Yb离子在所采用的泵浦波长976nm处有较强吸收，形成了Yb离子在1000nm到1200nm较强的荧光辐射。由于研究者主要是利用光纤在1450nm到1600nm的荧光增益来获得激光输出，因此很多报道都采用了其他波长的泵浦源来抑制Yb离子的荧光强度。
3 结论
采用MCVD工艺结合溶液掺杂法进行了Er-Yb共掺双包层光纤的研制，实现了国产高性能Er-Yb共掺双包层光纤的研制，成 功制作了大光纤尺寸、高掺杂吸收的Er-Yb共掺双包层光纤，光纤主要参数达到：纤芯直径20μm，数值孔径0.07,内包层尺寸350x400μm，椭圆度0.98，采用文献[16]中有效吸收系数测量方法，测量了光纤976nm泵浦波长处的有效吸收系数，最大达到2db/m。所研制光纤样品包含了650nm、820nm、970nm和1480nm等吸收带，具有典型的Er-Yb共掺吸收特性，实验证明：MCVD工艺加溶液掺杂法制备Er-Yb共掺双包层光纤的工艺基本可行，继续优化光纤内Er、Yb离子的掺杂比例等工艺参数，还可进一步提高光纤的转换效率。
