一、什么是掺杂光纤？

掺杂光纤（Doped Fiber），又称有源光纤或稀土掺杂光纤，是在普通石英光纤的纤芯中”掺”入少量稀土金属离子（通常浓度在百ppm到数万ppm级别）而制成的特种光纤。

这些被”掺”进去的稀土离子就像光纤中的”能量中转站”——当外部泵浦光照射时，它们吸收能量并跃迁到高能级；当信号光经过时，又通过受激辐射将能量”吐”给信号光，实现光信号的放大，或者直接产生激光输出。

图1.元素周期表（https://ptable.com/?lang=zh-hans#%E6%80%A7%E8%B4%A8）

二、那些”奇奇怪怪”的掺杂元素

稀土元素家族共有15位成员（镧系元素），目前在掺杂光纤中比较成熟应用的至少有8-10种。

图2.镧系元素（https://ptable.com/?lang=zh-hans#%E6%80%A7%E8%B4%A8）

1、铒（Er³⁺）——光通信界的”老大哥”

发射波长：~1550 nm（C波段1530-1565 nm，L波段1565-1625 nm）

泵浦波长：980 nm 或 1480 nm

特点：恰好落在石英光纤损耗最低的窗口，是光纤通信的”天选之子”

应用：掺铒光纤放大器（EDFA）是长距离光纤通信系统的核心器件，让光信号无需光电转换就能跨洋传输；也用于1550 nm激光雷达、人眼安全激光测距等。

2、镱（Yb³⁺）——工业激光的”功率担当”

发射波长：1030-1100 nm（最常用~1064 nm）

泵浦波长：915 nm 或 976 nm

特点：能级结构极其简单（准三能级系统），量子效率高，不易产生浓度猝灭，是高功率光纤激光器的首选

应用：万瓦级工业光纤激光器（切割、焊接金属）、超短脉冲（飞秒/皮秒）激光器。Coherent高意指出，Yb在超短脉冲激光器中越来越受欢迎，可支持脉冲短至50飞秒。

3、铥（Tm³⁺）——医疗界的”微创新星”

发射波长：1.7-2.1 μm（最常用~1940 nm）

泵浦波长：~793 nm 或 ~1560 nm

特点：波长接近水分子的强吸收峰（1940 nm），对生物组织穿透深度浅、止血效果好；处于”人眼安全”波段

应用：前列腺增生切除、激光碎石、喉部微创手术、静脉曲张闭合、口腔鳞状细胞癌切除、塑料焊接等。

4、钬（Ho³⁺）——中红外的”深水区选手”

发射波长：~2.1 μm、~2.9 μm、~3.9 μm

特点：可产生更长波长的中红外激光，尤其在2.9 μm附近对水和生物组织吸收极强

应用：激光医疗（软组织切割）、遥感探测、中红外激光泵浦源。法国Le Verre Fluore公司已实现3.92 μm波长200 mW的连续激光输出。

5、钕（Nd³⁺）——掺杂光纤的”先驱”

发射波长：~1.06 μm、~0.9 μm、~1.34 μm

特点：最早被研究的稀土掺杂元素之一，技术成熟

应用：早期光纤激光器、1.3 μm波段光放大。

6、镨（Pr³⁺）——可见光的”调色师”

发射波长：~1.3 μm、~635 nm（红）、~600 nm（橙）、~520 nm（绿）、~491 nm（蓝）、~480 nm（蓝紫）

特点：可覆盖从蓝紫光到近红外的多个波段

应用：1.3 μm光放大器（第二通信窗口）、可见光激光器、光纤显示。

7、铋（Bi³⁺）——通信窗口的”填补者”

发射波长：1150-1500 nm 和 1600-1800 nm

特点：可填补传统掺铒光纤无法覆盖的波段，扩展光纤通信容量

应用：O波段（1260-1360 nm）和U波段（1625-1675 nm）光放大器。

8、其他”小众”元素

9、红色荧光、光纤激光器“双人组合”——共掺光纤

铒镱共掺（Er³⁺/Yb³⁺）：Yb作为”光吸收器”吸收泵浦光，再通过能量转移将能量传递给Er，大幅提升1550 nm波段输出功率，解决纯掺铒光纤功率受限问题。广泛应用于高功率电信放大器、激光雷达、空间通信。

铥钬共掺（Tm³⁺/Ho³⁺）：扩展2 μm波段输出效率，用于中红外激光器。

三、掺杂光纤的核心特点

1、波长”指哪打哪”

不同稀土离子具有固定的能级结构，决定了其特有的发射波长。就像不同歌手有不同的音域，不同稀土离子”唱”不同波段的”光之歌”。

2、结构灵活多变

掺杂光纤可设计为： - 单包层/双包层/三包层：双包层结构可将多模泵浦光耦合入内包层，大幅提升泵浦效率和输出功率 - 单模/多模/大模场面积（LMA）：LMA光纤可抑制非线性效应，支撑千瓦级输出 - 保偏（PM）：保持光的偏振态，用于光纤陀螺、相干通信 - 部分掺杂：纤芯部分区域掺杂，实现模式选择性放大，提升光束质量。

3、全光纤化集成

所有光学元件（泵浦源、耦合器、光栅、隔离器）均可光纤化，系统紧凑、稳定、免维护。

四、国外标品光纤型号一览

1、Coherent（原Nufern）——特种光纤”霸主"

Coherent高意（收购Nufern后）是全球特种光纤的领导者，每年供应超过11,000公里掺杂光纤。

2、nLIGHT（LIEKKI品牌）——高功率掺杂光纤专家

3、Le Verre Fluore（法国）——氟化物光纤”独苗”

全球氟化物光纤的领军者，专注于中红外波段（2-5 μm）的氟化物掺杂光纤。

其氟化物光纤可掺杂浓度高达100,000 ppm，远超石英光纤。

从铒到镱，从铥到钬，这些在元素周期表上”挤在一起”的稀土元素，却在掺杂光纤的世界里各显神通——有的守护信息高速公路，有的切割钢铁厚板，有的碎石于无形，有的探测万里之遥。