熔芯法制备特种功能光纤:综述

封面文章|张晔明, 邱建荣. 基于Melt-in-Tube法制备的特种光纤及其应用[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(17): 170601

低损耗石英光纤的出现极大地改变了我们的生活,并作为一种理想的光波导应用于连接世界的光通信管道,医学治疗,激光,环境传感,和精密加工等多个领域。自1960年商用光纤研发出来后,经过几十年发展,商用的石英光纤损耗已趋近于极限理论最小值 (0.15 dB/km),形成了完备的上下游产业。然而,石英材料传输窗口主要是近红外区域,且对于应用而言,其非线性效应不具优势,因此开发新组分的光纤材料似乎是解决本征非线性性能的最根本的方式。

目前基于改进的化学气相沉积技术(MCVD)所能制备的玻璃组分的范围十分有限,这是因为掺杂不同的目标离子需要相应的昂贵的气源,并且可掺杂浓度通常受到限制。因此不论从科学研究还是实际应用,都需要研究一种新的、具有普适性的适用于各种功能光纤制备的新方法。

为此,陆续出现了管棒法,双坩埚法等新型光纤制备的方法。双坩埚法是将纤芯玻璃和包层玻璃原料分别在两个同心套住的坩锅中熔融并拉制成光纤,这种方法简易,但是对于设备精度和玻璃液的粘滞特性的要求较高。管棒法使用两种相近成分的多组分玻璃套管组成预制棒,加热到玻璃软化温度附近进行拉丝,基于软玻璃的高掺杂光纤大多采用管棒法。

除以上三种主要的光纤制造方法,研究人员对于拉丝方法的探索一直没有停止。随着MCVD法制备的高品质的石英光纤的损耗逐渐趋近理论极值,1990年左右出现了基于石英光纤的波导结构设计方面的创新,即光子晶体光纤,而在光纤材料创新层面,熔芯法受到了关注。

熔芯法拉制光纤的过程,如图1所示,可以由高纯粉末/玻璃/陶瓷/晶体和相应包层组成预制棒 (此图中只显示陶瓷和晶体与石英组成的预制棒),在特定的拉丝温度下进行拉丝。预制棒在掉棒前芯区会有一个熔融过程,由于芯区材料熔融且在高温下与包层玻璃发生相互作用,使得这种方法有潜力获得具有极端组分的纤芯甚至常规方法不能获得的纤芯。有趣的是,很多异质芯包材料的热膨胀系数和折射率匹配问题在这个步骤中得以自发解决。

因此熔芯法具有以下优点:

1.极大扩宽可实现的纤芯材料范围;

2.避免某些多组分纤芯玻璃拉制时的不可控析晶;

3.充分利用芯包之间的化学反应的特点。除了直接拉制,后续的激光/热处理也被结合起来以实现更多样的光纤组分。


图1 (a) 熔芯法拉制光纤示意图;(b-d)使用晶体/陶瓷芯的预制棒图;(c-f)典型光纤截面图。

熔芯法制备的光纤通常可以分为三大类:玻璃芯光纤,半导体芯光纤和晶体芯光纤。这种分类指的是光纤预制棒的组成,在拉制后,光纤的组分会发生一定的变化,除了半导体芯光纤,玻璃芯和晶体芯两种预制棒制备的光纤纤芯最终都呈现玻璃态。

使用熔芯法可制备多种高掺杂玻璃光纤。除了把玻璃或粉末作为预制棒芯拉制光纤,晶体是一种常用材料被应用于熔芯制备特种光纤工艺中。最早的报道是Cr:YAG作为芯拉制光纤的尝试。一般而言,通过熔芯法最终获得的光纤芯不再是晶体而为某种多组分玻璃。已经报道的预制棒芯有YAG,Al2O3,LuAG,BGO,MgAl2O4等,晶体前驱体作为纤芯结合获得的玻璃光纤具有较低的损耗,方便与石英光纤系统熔接,通常相对石英光纤具有较低本征非线性,特别在高能激光领域具有优势。熔芯法的优势是可以实现传统管棒法难以实现的玻璃组成作为芯材料如高熔点的光纤。

光纤一般被用于光信号处理方面,而半导体材料通常用于电信号处理。由熔芯法制备出来的半导体光纤被认为可通过设计合理的纤芯组分将材料的光学和电学特性整合到了光纤结构上,具有作为未来光电器件的潜力。已经报道的纤芯成分包括一元的Si、Ge、Se、Te、InSb、SexTe1-x 合金等。而主要的研究方向包含扩展纤芯成分和在所制备的半导体光纤基础上基于激光后处理等实现半导体光纤结晶度以及带隙的调控。有潜力的应用包含了传感、光电探测、红外非线性光子光学、太赫兹波导等。半导体芯光纤的现存问题是传输损耗还需要进一步降低, 另外需要进一步减少多晶纤芯的晶界损耗,避免氧对纤芯的污染等。

使用熔芯法并结合后续处理(主要是加热)可以制备微晶光纤。微晶光纤是通过合适的热处理将纳米晶从前驱多组分光纤的纤芯中均匀析出,在玻璃基质中实现局部晶体场以增强或者调控激活离子发光性能。需要特别指出的是,使用熔芯法可以有效避免在管棒法中由于多组分前体玻璃的不可控析晶而出现失透问题。这一点在制备可控析晶的微晶光纤方面具有重要意义。通过熔芯法拉制的特种玻璃光纤可以实现应用包括不同波段的可调谐宽带发光、激光、高非线性和低本征非线性等。

熔芯法作为一种高效的特种光纤制备方法,通过熔芯法制备的特种光纤的应用领域涵盖高能激光应用、光纤传感、可调谐宽带发光、高/低非线性、太赫兹波导、新一代光电器件等。而现在存在的问题是如何进一步降低使用这种方法所制备的光纤的损耗,以及解决特种光纤在应用中涉及到与石英基光纤的网络系统的高效耦合问题。未来的工作方向是在解决现有问题的基础上,进一步开拓纤芯材料的范围,对芯包组分进行大胆创新获得具有特殊性能的光纤,如实现透明陶瓷芯或单晶芯的光纤,进一步提高光纤的性能;另一个研究方向就是实现功能光纤的产业化应用。