熔芯法制備特種功能光纖：綜述

  低損耗石英光纖的出現(xiàn)極大地改變了我們的生活，并作為一種理想的光波導(dǎo)應(yīng)用于連接世界的光通信管道，醫(yī)學(xué)治療，激光，環(huán)境傳感，和精密加工等多個(gè)領(lǐng)域。自1960年商用光纖研發(fā)出來后，經(jīng)過幾十年發(fā)展，商用的石英光纖損耗已趨近于極限理論最小值 (0.15 dB/km)，形成了完備的上下游產(chǎn)業(yè)。然而，石英材料傳輸窗口主要是近紅外區(qū)域，且對(duì)于應(yīng)用而言，其非線性效應(yīng)不具優(yōu)勢(shì)，因此開發(fā)新組分的光纖材料似乎是解決本征非線性性能的最根本的方式。

  目前基于改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MCVD)所能制備的玻璃組分的范圍十分有限，這是因?yàn)閾诫s不同的目標(biāo)離子需要相應(yīng)的昂貴的氣源，并且可摻雜濃度通常受到限制。因此不論從科學(xué)研究還是實(shí)際應(yīng)用，都需要研究一種新的、具有普適性的適用于各種功能光纖制備的新方法。

  為此，陸續(xù)出現(xiàn)了管棒法，雙坩堝法等新型光纖制備的方法。雙坩堝法是將纖芯玻璃和包層玻璃原料分別在兩個(gè)同心套住的坩鍋中熔融并拉制成光纖，這種方法簡(jiǎn)易，但是對(duì)于設(shè)備精度和玻璃液的粘滯特性的要求較高。管棒法使用兩種相近成分的多組分玻璃套管組成預(yù)制棒，加熱到玻璃軟化溫度附近進(jìn)行拉絲，基于軟玻璃的高摻雜光纖大多采用管棒法。

  除以上三種主要的光纖制造方法，研究人員對(duì)于拉絲方法的探索一直沒有停止。隨著MCVD法制備的高品質(zhì)的石英光纖的損耗逐漸趨近理論極值，1990年左右出現(xiàn)了基于石英光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新，即光子晶體光纖，而在光纖材料創(chuàng)新層面，熔芯法受到了關(guān)注。

  熔芯法拉制光纖的過程，如圖1所示，可以由高純粉末/玻璃/陶瓷/晶體和相應(yīng)包層組成預(yù)制棒 (此圖中只顯示陶瓷和晶體與石英組成的預(yù)制棒)，在特定的拉絲溫度下進(jìn)行拉絲。預(yù)制棒在掉棒前芯區(qū)會(huì)有一個(gè)熔融過程，由于芯區(qū)材料熔融且在高溫下與包層玻璃發(fā)生相互作用，使得這種方法有潛力獲得具有極端組分的纖芯甚至常規(guī)方法不能獲得的纖芯。有趣的是，很多異質(zhì)芯包材料的熱膨脹系數(shù)和折射率匹配問題在這個(gè)步驟中得以自發(fā)解決。

  因此熔芯法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

  1、極大擴(kuò)寬可實(shí)現(xiàn)的纖芯材料范圍;

  2、避免某些多組分纖芯玻璃拉制時(shí)的不可控析晶;

  3、充分利用芯包之間的化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)。除了直接拉制，后續(xù)的激光/熱處理也被結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)更多樣的光纖組分。

圖1 (a) 熔芯法拉制光纖示意圖;(b-d)使用晶體/陶瓷芯的預(yù)制棒圖;(c-f)典型光纖截面圖

  熔芯法制備的光纖通常可以分為三大類：玻璃芯光纖，半導(dǎo)體芯光纖和微晶玻璃光纖。這種分類指的是光纖預(yù)制棒的組成，在拉制后，光纖的組分會(huì)發(fā)生一定的變化，除了半導(dǎo)體芯光纖，玻璃芯和晶體芯兩種預(yù)制棒制備的光纖纖芯最終都呈現(xiàn)玻璃態(tài)。

  使用熔芯法可制備多種高摻雜玻璃光纖。除了把玻璃或粉末作為預(yù)制棒芯拉制光纖，晶體是一種常用材料被應(yīng)用于熔芯制備特種光纖工藝中。最早的報(bào)道是Cr：YAG作為芯拉制光纖的嘗試。一般而言，通過熔芯法最終獲得的光纖芯不再是晶體而為某種多組分玻璃。已經(jīng)報(bào)道的預(yù)制棒芯有YAG，Al2O3，LuAG，BGO，MgAl2O4等，晶體前驅(qū)體作為纖芯結(jié)合獲得的玻璃光纖具有較低的損耗，方便與石英光纖系統(tǒng)熔接，通常相對(duì)石英光纖具有較低本征非線性，特別在高能激光領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。熔芯法的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)管棒法難以實(shí)現(xiàn)的玻璃組成作為芯材料如高熔點(diǎn)的光纖。

  光纖一般被用于光信號(hào)處理方面，而半導(dǎo)體材料通常用于電信號(hào)處理。由熔芯法制備出來的半導(dǎo)體光纖被認(rèn)為可通過設(shè)計(jì)合理的纖芯組分將材料的光學(xué)和電學(xué)特性整合到了光纖結(jié)構(gòu)上，具有作為未來光電器件的潛力。已經(jīng)報(bào)道的纖芯成分包括一元的Si、Ge、Se、Te、InSb、SexTe1-x 合金等。而主要的研究方向包含擴(kuò)展纖芯成分和在所制備的半導(dǎo)體光纖基礎(chǔ)上基于激光后處理等實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光纖結(jié)晶度以及帶隙的調(diào)控。有潛力的應(yīng)用包含了傳感、光電探測(cè)、紅外非線性光子光學(xué)、太赫茲波導(dǎo)等。半導(dǎo)體芯光纖的現(xiàn)存問題是傳輸損耗還需要進(jìn)一步降低，另外需要進(jìn)一步減少多晶纖芯的晶界損耗，避免氧對(duì)纖芯的污染等。

  使用熔芯法并結(jié)合后續(xù)處理(主要是加熱)可以制備微晶光纖。微晶光纖是通過合適的熱處理將納米晶從前驅(qū)多組分光纖的纖芯中均勻析出，在玻璃基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)局部晶體場(chǎng)以增強(qiáng)或者調(diào)控激活離子發(fā)光性能。需要特別指出的是，使用熔芯法可以有效避免在管棒法中由于多組分前體玻璃的不可控析晶而出現(xiàn)失透問題。這一點(diǎn)在制備可控析晶的微晶光纖方面具有重要意義。通過熔芯法拉制的特種玻璃光纖可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用包括不同波段的可調(diào)諧寬帶發(fā)光、激光、高非線性和低本征非線性等。

  熔芯法作為一種高效的特種光纖制備方法，通過熔芯法制備的特種光纖的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋高能激光應(yīng)用、光纖傳感、可調(diào)諧寬帶發(fā)光、高/低非線性、太赫茲波導(dǎo)、新一代光電器件等。而現(xiàn)在存在的問題是如何進(jìn)一步降低使用這種方法所制備的光纖的損耗，以及解決特種光纖在應(yīng)用中涉及到與石英基光纖的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高效耦合問題。未來的工作方向是在解決現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開拓纖芯材料的范圍，對(duì)芯包組分進(jìn)行大膽創(chuàng)新獲得具有特殊性能的光纖，如實(shí)現(xiàn)透明陶瓷芯或單晶芯的光纖，進(jìn)一步提高光纖的性能;另一個(gè)研究方向就是實(shí)現(xiàn)功能光纖的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。