氟化物玻璃光纖的前世今生

原創(chuàng) fluoride Thorlabs索雷博

為什么需要氟化物玻璃光纖？

選擇光纖材料時(shí)要考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素。不僅玻璃應(yīng)具有要求的透射范圍、玻璃特征溫度和 nai 用 等性質(zhì)，而且技術(shù)應(yīng)足夠成熟才能實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比、高質(zhì)量光纖的量產(chǎn)。但沒(méi)有一種材料能滿(mǎn)足所有的應(yīng)用需求。

石英光纖是當(dāng)今 zui 成,熟的光纖技術(shù)，但標(biāo)準(zhǔn)石-英光纖無(wú)法用在2 μm以上的波長(zhǎng)，即使特種空芯光纖能傳輸一些中紅外波長(zhǎng)而技術(shù)又不成熟。對(duì)于2 μm以上或者從紫外一直到中紅外的連續(xù)光譜應(yīng)用，我們只能考慮很少的材料，比如重金屬氟化物、硫?qū)倩?、TeO2等重氧化物、磷酸鹽、藍(lán)寶石等單晶以及多晶材料，而能夠用于拉制高質(zhì)量光纖并滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用要求的材料就更少。

在上述材料中，氟化物玻璃光纖是更*的技術(shù)。氟化物光纖在過(guò)去二三十年有了很大的發(fā)展，并已用于各種工業(yè)應(yīng)用，包括要求嚴(yán)格的航空應(yīng)用。氟化物玻璃幾乎能用于所有不同類(lèi)型的光纖，包括摻雜和非摻雜的多模和單模光纖，而六邊形、方形和D形光纖也都已見(jiàn)諸報(bào)導(dǎo)。氟化物玻璃具有較低的折射率和dn/dt負(fù)數(shù)值，并能重?fù)交蚬矒饺魏蜗⊥岭x子，只用較短的光纖就能實(shí)現(xiàn)緊湊的激光器和放大器等有源器件。下面展示的是基于氟化物光纖的O波段摻鐠光纖放大器和中紅外超連續(xù)激光器。

摻鐠光纖放大器                               中紅外超連續(xù)激光器

氟化物玻璃

BeF2是 zui 早 出現(xiàn)的氟化物玻璃，但由于紅外范圍并不比石英寬很多且 you ju 毒，因此這種玻璃 mei 有 任,何實(shí)際應(yīng)用。

1970年代中期，一種新的氟化物玻璃系統(tǒng)由Michel Poulain在 fa 國(guó) 雷恩大學(xué)意外發(fā)現(xiàn)。他當(dāng)時(shí)將稀土氟化物與氟化鋯和氟化鋇混合并研究BaZrF6和LnZrF7的晶相，但發(fā)現(xiàn)有些晶體結(jié)構(gòu)中很大的自由晶格點(diǎn)可容納離子。于是他決定在混合物中加入氟化鈉，看鈉離子能否占據(jù)自由點(diǎn)。當(dāng)他把裝混合物的鎳管從800 °C爐子放到水中迅速冷卻到室溫時(shí)，熔化的混合物并沒(méi)有像預(yù)期一樣變成粉末，而是一塊玻璃，還是一塊彩色玻璃。重金屬氟化物玻璃就此誕生了！

在此之后，quan shi 界 數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)室加入了氟化物玻璃和光纖技術(shù)的研究，使數(shù)百種玻璃系統(tǒng)見(jiàn)諸報(bào)導(dǎo)。由于這些玻璃的形成面積很大，有些參數(shù)可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行修改，包括折射率、玻璃轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù)。

三種主要的氟化物玻璃分別基于氟化鋯、氟化鋁和氟化銦，即玻璃中含量 zui 多 的成分。氟化銦玻璃具有 zui 寬 的透射波長(zhǎng)范圍，氟化鋁 zui 耐水，而氟化鋯玻璃是 zui 穩(wěn)定的，它的兩種標(biāo)準(zhǔn)成分是ZBLAN和ZBLA，摩爾百分比如下表所示。

氟化物光纖

實(shí)際上，氟化物玻璃是能提供從紫外一直到中紅外連續(xù)透射范圍且能拉制成高質(zhì)量光纖的 wei 一 材料。氟化物光纖使用和石英光纖相同的技術(shù)從預(yù)制棒開(kāi)始拉制。這種技術(shù)能很好地控制光纖直徑和同心度等參數(shù)，而且能用于拉制六邊形、D形、方形和光子晶體等 te 殊 光纖。

quan 世,界只有很少的軟玻璃拉絲塔，而Thorlabs就有兩個(gè)。這些拉絲塔實(shí)際上需要自己構(gòu)建，而且都是不同的。一般而言，它們和石英拉絲塔相似但更短。這是因?yàn)榉锊ＡУ睦z溫度遠(yuǎn)低于石英，所以拉絲爐和涂覆杯的間距可以小很多。

拉絲爐要針對(duì)軟玻璃或氟化物玻璃進(jìn)行 te 殊 設(shè)計(jì)，而直徑測(cè)量、涂敷杯、紫外燈等部分則和石英拉絲塔相同，但拉絲速度、溫度和紫外光功率需要不同的設(shè)置。下圖展示了典型的軟玻璃拉絲塔結(jié)構(gòu)，包含微米精度的位移平臺(tái)、拉絲爐、亞微米精度的光纖直徑測(cè)量?jī)x、涂敷杯、同心度測(cè)量?jī)x和紫外燈等。所有部件都通過(guò)計(jì)算機(jī)控制。

軟玻璃拉絲塔的結(jié)構(gòu)

Thorlabs拉絲塔                               空間站氟化物光纖制造 來(lái)源: Made?In Space

氟化物玻璃預(yù)制棒遠(yuǎn)小于石英預(yù)制棒，直徑在8到16毫米，長(zhǎng)度在100到150毫米。預(yù)制棒有多種制作方法。zui 簡(jiǎn)單 的方法是把包層玻璃倒進(jìn)預(yù)熱的垂直模具中，幾秒后打開(kāi)底部讓未固化的玻璃流出，由此形成包層管，隨后把纖芯玻璃倒入包層管中。這種預(yù)制棒能拉制出衰減性能優(yōu)異且羥基含量很低的光纖。它的主要優(yōu)點(diǎn)是包層纖芯界面不會(huì)暴露在實(shí)驗(yàn)室空氣中，而缺點(diǎn)是產(chǎn)生錐形芯。這種方法無(wú)法用于生產(chǎn)單模光纖，事實(shí)上很難制作纖芯包層比為0.072的預(yù)制棒，這個(gè)比例為9/125單模光纖的纖芯包層比。

另一種方法是旋轉(zhuǎn)澆鑄法。它以3500到5000 rpm的轉(zhuǎn)速制作包層管，然后倒入纖芯玻璃。這種方法可顯著降低或 xiao 除 錐形芯的問(wèn)題，但機(jī)械穩(wěn)定性變得非常關(guān)鍵，因?yàn)槿魏蔚哪＞哒駝?dòng)都會(huì)導(dǎo)致偏心問(wèn)題。這種方法也能用于制作單模光纖預(yù)制棒。

第三種方法是直接把纖芯棒插入包層管。這時(shí)纖芯包層界面會(huì)暴露在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，因此要小心防止污染，特別是水污染。插入步驟也很關(guān)鍵，需注意不可刮傷內(nèi)表面。這種方法也能用于制作單模光纖預(yù)制棒。

氟化物光纖的總衰減包含外在和內(nèi)在兩個(gè)來(lái)源。外在損耗可能是吸收或散射，其成因在于玻璃雜質(zhì)，比如過(guò)渡金屬、稀土元素、水、微泡、晶粒、復(fù)雜的陰離子、溶解氣體和纖芯包層界面缺陷。內(nèi)在損耗的成因是材料基質(zhì)的吸收和散射，包括紫外吸收、瑞利散射和多聲子吸收。內(nèi)在損耗可用下式表達(dá)：

測(cè)量光纖衰減的方法一般是回截法；這在單模光纖研討會(huì)中有過(guò)詳細(xì)介紹。下面是Thorlabs氟化鋯和氟化銦與石英多模光纖的衰減對(duì)比，兩條虛線(xiàn)分別表示1 m光纖透過(guò)率大于90%和99%的參考線(xiàn)。氟化鋯和氟化銦的高透過(guò)率波長(zhǎng)范圍分別是285 nm到4.5 µm和310 nm到5.5 µm；后者因此聲子能量更低所以范圍更寬。

自從引入氟化物光纖生產(chǎn)線(xiàn)以來(lái)，Thorlabs不僅顯著降低了光纖損耗，還 ji 大 地提高了光纖的機(jī)械強(qiáng)度和幾何參數(shù)控制水平，實(shí)現(xiàn)更一致的光纖直徑和同心度。也許 zui 重要 的是，我們現(xiàn)在能批量生產(chǎn)氟化物光纖，每年供應(yīng)幾千米。

參考文獻(xiàn)

1.Saad, M. (2009). Fluoride glass fiber: state of the art, Proc. SPIE, 7316, p. 73160N.

2. Saad, M. (2009). High purity fluoride glass synthesis: a review, Proc. SPIE, 7228, p. 72280G.

3. Saad, M., Poulain, Ma. (1995). Sol-gel synthesis of fluorozirconate glasses, Am. Ceram. Bull., 74(8), pp. 66–71.

4. Saad, M., Poulain, M. (1987). Glass forming ability criterion, Mater. Sci. Forum, 19/20, pp. 11–18.

5. Jiang, X., Joly, N. Y., Finger, M. A., Wong, G. K., Babic, F., Saad, M., Russell, P. S. (2013). Close to three-octave-spanning supercontinuum generated in ZBLAN photonic crystal fiber, Advance Solid-State Lasers Congress, JTh5,A, p. 6.

6. Poulain, Ma., Saad, M. (1984). Absorption loss due to complex anions in fluorozirconate glasses, J. Lightwave Technol., LT-2(5), pp. 599–602.

7. Quimby, R., Saad, M. (2013). Dy-fluoroindate fiber laser at 4.5 μm with cascade lasing, Adv. Solid State Lasers, paper AM2A.7.

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