CN109669232A - 单晶半导体芯光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单晶半导体芯光纤及其制备方法。本发明以玻璃毛细管做包层对未熔单晶纤芯实现全包裹，从而形成单晶纤芯光纤结构，制备的光纤具有单晶半导体的优异性能。纤芯的结晶质量是决定半导体芯光纤性能优劣的关键，单晶形态的纤芯相比其他的拥有更出色的表现。本发明制备的半导体芯光纤纤芯为单晶状态，单晶连续长度可达2cm左右，提高了半导体芯光纤实际运用的可能，是一种快速、便捷、可定制性强的单晶半导体芯光纤制备方法。

Description

单晶半导体芯光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种单晶半导体芯光纤及其制备工艺，属于光纤技术领域。

背景技术

半导体芯光纤是一种以半导体材料为纤芯，玻璃或石英材料为包层的特种光纤。相比于普通石英光纤，硅、锗等半导体材料有很好的红外透光性，所以以硅、锗等材料为纤芯的半导体芯光纤在中红外波段具有低损耗、高功率输出的优点。此外，半导体本身还具备优异的光电特性，使半导体芯光纤在红外传输、生物医学、光电探测传感、新能源等领域有着广阔的应用前景。半导体的高非线性加之光纤结构，又大大提高了非线性光学元件和全光纤光电子器件在制备上的可行性。

目前半导体芯光纤的制备方式主要有两种，一种是英国南安普顿大学采用的高压化学气相沉积法（HPCVD），他们在2006年最早将硅和锗沉积在光子晶体光纤中。另一种是美国克莱姆森大学的J.Ballato课题组采用的熔芯法（MD），他们在2008年首次将半导体材料引入传统的光纤结构。这两种方法已经很成熟了，但是两种方法都有其局限性。用HPCVD法制备的光纤纤芯呈非晶形态而且长度很短，需要采用后续处理提高纤芯结晶度。目前宾夕法尼亚大学通过激光退火的后续处理，也只能得到单晶区长度为5.1mm的硅芯光纤。而用MD法制备的半导体芯光纤虽然长度较长，但是最后制备的光纤结晶质量都不是很好，基本上都是多晶形态，而且因为拉丝温度比较高，所以会引入应力以及元素的扩散的影响。研究发现，半导体芯光纤的性能取决于纤芯的结晶状态和应力分布，以上制备的光纤性能还无法满足商业应用的要求，由此可见制备高质量单晶半导体纤芯光纤对该领域有着深远的意义。

单晶形态的半导体具有优异的电学性能和光学性能，较少的缺陷能够使损耗降到极小值。单晶形态的半导体掺杂后拥有更高的载流子寿命，能大大提升半导体器件的光电性能，就光电池器件而言，单晶的初始光衰和长期衰减比较稳定，光电转换效率更高。因此，不管从传输损耗考虑，还是光电性能出发，单晶半导体芯光纤都极具应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于针对单晶半导体芯光纤结构特点，提供了一种单晶半导体芯光纤及其制备方法。由于纤芯呈单晶形态，所以在光纤的性能将有很大的改善。同时，因为此方法具有很高的可定制性，所以能够结合需要制备出不同尺寸以及不同纤芯结构的半导体芯光纤，方便光纤结构的半导体器件制造与其他特殊用途。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

不引入纤芯熔化的过程，在纤芯呈单晶状态下，使毛细管软化收缩与单晶纤芯形成芯包结构以此制备出单晶半导体芯光纤。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种单晶半导体芯光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述包层是玻璃毛细管通过CO₂激光器热处理毛细管包裹纤芯得到，光纤纤芯材料为Si或Ge等单晶半导体材料。

进一步的，作为包层其特征在于：作为包层的毛细管材料为低硼硅玻璃或其它不同软化温度的玻璃材料，毛细管的尺寸可以根据需要进行定制选择：分别为200、300、500 μm内径，外径500、500、700 μm的毛细管；纤芯是相应匹配尺寸的单晶半导体棒。

进一步地，所述的单晶半导体芯光纤的制备工艺步骤如下：

(1)单晶半导体芯的制备：湿法腐蚀单晶半导体棒，按质量百分比计，25~35 wt%的碱性腐蚀溶液由高纯KOH固体GR 95±1%与去离子水配置而成，外加0~15 ml的30±1%浓度的H₂O₂溶液；将2.5±0.1 mm直径的锗细棒固定于自制的3D打印的夹具中，该夹具悬置在塑料试管内不接触溶液，晶体棒则浸于溶液中，管底的磁子则慢慢不断地旋转搅匀溶液；在60~75 ℃的油浴条件下腐蚀20~48 h可得300 μm尺寸以下的单晶六棱柱细棒（32），以上操作在一个可加热的磁力搅拌器上完成；

(2)包层毛细管的处理：选取适配尺寸的玻璃毛细管（31），对于锗材料用低硼硅玻璃毛细管，硅纤芯则选取软化温度更高的高硼硅玻璃毛细管。处理之前可将毛细管进行超声清洗处理，处理完成后，选取适配尺寸的石英尾纤或是单模光纤（33）从毛细管一端塞入至1/4~1/3管长处，随后通过热处理将该端软化封实；

(3)光纤预制棒的组装，将腐蚀后的单晶六棱柱细芯装填进一端封实处理后的玻璃毛细管中，由于底端支撑，所以细芯将于管中部停靠，管的上端不用封实处理；将此管上端用高温胶带绑在石英细棒（4）末端上，石英细棒上端与一小段粗的石英棒相连，该石英棒的尺寸能正好卡在一个带二维调整架的夹具上，此夹具固定在拉丝塔送棒装置（5）上；

(4)基于CO₂激光拉丝系统的光纤成形：该拉丝系统由光纤拉丝塔和CO₂激光器（1）组合而成；通过一个镜片组（2）进行环状光路的构建；将预制棒（3）装配于拉丝塔的送棒装置上，调整毛细管的位置使其处于光路中心，调整激光功率和送棒速度，由于毛细管为玻璃材质，其较低的软化温度可保证在半导体芯保持单晶结构的状态下，毛细管在激光作用下软化收缩，形成纤芯为单晶状态的半导体芯光纤。

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著技术进步：

1.纤芯呈单晶状态，充分发挥单晶半导体优异的光电性能，大大降低了光纤在红外波段的传输损耗，使半导体芯光纤的质量达到质的飞跃；2. 与其他技术结合退火处理制备出的光纤相比，本发明过程简单快速，且有批量生产的潜力，大大减少实验和生产成本；3. 本发明制备的光纤与其他技术制备的光纤相比，纤芯中结构缺陷较少，且避免了持续高温和纤芯熔化带来的元素扩散，大大降低了损耗； 4. 本发明的操作灵活性强，可定制性强。5.在半导体芯光纤器件领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为激光热处理系统结构示意图。

图2为激光光路示意图。

图3为单晶半导体芯预制棒结构示意图。

图4为CO₂激光器百分比功率测试图。

具体实施方式

下面是本发明的优选实施例结合附图对本发明做更详细地描述，但本发明的实施方式不限于此，对未特别说明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例一：

本单晶半导体芯光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：纤芯为半导体材料Si或Ge等，包层由玻璃毛细管收缩而成，有良好的芯包结构。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

作为包层的毛细管材料为低硼硅玻璃或其它不同软化温度的玻璃材料，毛细管的尺寸可以根据需要进行定制选择：分别为200、300、500 μm内径，外径500、500、700 μm的毛细管；纤芯是相应匹配尺寸的单晶半导体棒。

实施例三

本单晶半导体芯光纤的制备方法如下，用于制备单晶锗芯光纤，具体制备工艺步骤如下：

(1) 单晶锗纤芯的制备：采用湿法腐蚀技术对相对较粗的单晶半导体棒如硅、锗进行腐蚀处理，得到尺寸较细的丝材料。碱性腐蚀溶液为KOH:配比为30±1wt%，用电子秤称取KOH固体GR 95±1% 6g，将其溶于14ml的去离子水中，该溶液置于塑料试管中，再往试管中加入10ml的30±1%浓度的H₂O₂溶液，搅拌均匀；溶液配成后，先将磁子放入沉至溶液底部。将单晶本征锗棒固定在3D打印的夹具上放入溶液之中，将试管夹在支架上浸于油中，设置磁力搅拌器转速为100，磁子微微转动就能保证溶液在平稳中达到一个浓度均匀的状态，锗棒由于固定在夹具上悬置于溶液中，在60℃油浴条件下腐蚀约40h后取出，整个过程在磁力搅拌器上完成。取出后用HF溶液进行清洗后置于去离子水中再清洗，随后干燥保存，芯的尺寸在450μm成六棱柱。

(2)预制棒的封装：选择合适的毛细管内径500μm，外径700μm（31）和相适应的单晶纤芯：尺寸450μm（32），将单模光纤或石英玻璃尾纤（33）取合适长度由毛细管的一端塞入至毛细管长度的1/3处，通过热处理将该端封实并截掉多余光纤。随后将半导体芯由另一端塞入，由于有支撑，所以单晶半导体芯会稳定在毛细管中部左右的位置。再者将毛细管未合端固定在一个带二维调整架的夹具上，夹具固定在拉丝塔的送棒装置（5）上。

(3) 激光加热系统: 如图1所示，由激光器光路系统（1）、镜片组（2）、拉丝塔送棒装置（5）构成，其中激光光路系统由图2所示。系统中采用美国新锐公司的Firestar seriesi401型号CO₂激光器（11），激光经过一个红光共光路（12），该红光用于校准激光，随后经过一个光闸（13），通过控制光闸手动控制光路的通断，提高了设备操作的灵活性，也起到了双重保险的作用。光闸后面是个2倍扩束镜（14）将激光光斑直径放大一倍。经过扩束后激光光斑直径为13 mm，铜镜组的作用是生成沿光纤径向一周均匀分布的环状激光，激光进入铜镜组后轴向方向的加热区域的长度只有6.5 mm。送棒装置（5）以设定的送棒速度上下移动预制棒与固定的环状激光呈相对移动的运动状态，则送棒速度即为激光的扫描速度。

(4)光纤成形：

将预制棒的末端移动至中心处，设置扫描速度为120mm/min。设置百分比激光功率为18%，具体功率值可参见附图3。启动激光器，因为低功率相对安全，为了让激光功率相对稳定待5秒后开启光闸，随后按下送棒按钮，这些操作也可由电脑控制。一般情况下扫描过程中能看到毛细管微微发亮，到有纤芯处亮度会变大些。扫描过纤芯区域后即可停止运行关闭激光，然后将预制棒复位再进行次扫描，特定组分的毛细管在低于单晶锗芯熔点的温度下软化收缩，单晶半导体芯光纤就成形了。不同尺寸和形态的光纤可通过改变腐蚀的参数和选取不同尺寸的毛细管得到。

实施例四

本单晶半导体芯光纤的制备方法用于制备单晶硅芯光纤，其制备工艺步骤如下：

本实例与实例三不同之处在于纤芯材料不同，腐蚀参数和成形阶段的功率设置就会不同，其中KOH溶液的浓度不变依然为30wt%，不用加H₂O₂溶液，70℃腐蚀18.5h就能达到400μm的六棱柱状态。由于硅的熔点要比锗高，所以在激光器的功率选择上也可以大胆一些，这里采用20%的功率可以将低硼硅玻璃毛细管一次性包裹在硅芯上。也可以使用实例三相同的功率参数和扫描速度参数进行二次扫描，这种方式提供多种可能，甚至可以选用更高软化温度的毛细管对硅芯进行包裹成形，当然这里提出的还是最优选择。

上述实例为本发明中较为成熟的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制，在其他为背离本发明的精神实质与原理下所做的改变材料，尺寸优化等有效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单晶半导体芯光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：纤芯为半导体材料Si或Ge等，包层由玻璃毛细管收缩而成，有良好的芯包结构。

2.根据权利要求1所述的单晶半导体芯光纤，其特征在于：作为包层的毛细管材料为低硼硅玻璃或其它不同软化温度的玻璃材料，毛细管的尺寸可以根据需要进行定制选择：分别为200、300、500 μm内径，外径500、500、700 μm的毛细管；纤芯是相应匹配尺寸的单晶半导体棒。

3.一种单晶半导体芯光纤制备方法，用于制备根据权利要求1或2所述的单晶半导体芯光纤，其特征在于制备工艺步骤如下：

(1)单晶半导体芯的制备：湿法腐蚀单晶半导体棒，按质量百分比计，25~35 wt%的碱性腐蚀溶液由高纯KOH固体GR 95±1%与去离子水配置而成，外加0~15 ml的30±1%浓度的H₂O₂溶液；将2.5±0.1 mm直径的锗细棒固定于自制的3D打印的夹具中，该夹具悬置在塑料试管内不接触溶液，晶体棒则浸于溶液中，管底的磁子则慢慢不断地旋转搅匀溶液；在60~75 ℃的油浴条件下腐蚀20~48 h可得300 μm尺寸以下的单晶六棱柱细棒（32），以上操作在一个可加热的磁力搅拌器上完成；

(2)包层毛细管的处理：选取适配尺寸的玻璃毛细管（31），对于锗材料用低硼硅玻璃毛细管，硅纤芯则选取软化温度更高的高硼硅玻璃毛细管，处理之前可将毛细管进行超声清洗处理，处理完成后，选取适配尺寸的石英尾纤或是单模光纤（33）从毛细管一端塞入至1/4~1/3管长处，随后通过热处理将该端软化封实；

(3)光纤预制棒的组装，将腐蚀后的单晶六棱柱细芯装填进一端封实处理后的玻璃毛细管中，由于底端支撑，所以细芯将于管中部停靠，管的上端不用封实处理；将此管上端用高温胶带绑在石英细棒（4）末端上，石英细棒上端与一小段粗的石英棒相连，该石英棒的尺寸能正好卡在一个带二维调整架的夹具上，此夹具固定在拉丝塔送棒装置（5）上；

(4)基于CO₂激光拉丝系统的光纤成形：该拉丝系统由光纤拉丝塔和CO₂激光器（1）组合而成；通过一个镜片组（2）进行环状光路的构建；将预制棒（3）装配于拉丝塔的送棒装置上，调整毛细管的位置使其处于光路中心，调整激光功率和送棒速度，由于毛细管为玻璃材质，其较低的软化温度可保证在半导体芯保持单晶结构的状态下，毛细管在激光作用下软化收缩，形成纤芯为单晶状态的半导体芯光纤。