CN111061003B - 一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体锗芯‑金属‑玻璃包层复合材料中红外光纤及其制备方法，中红外光纤包括光纤包层和包裹在包层内的纤芯，光纤包层材料为氧化物玻璃，纤芯材料为单晶锗，纤芯材料与包层材料之间还设置有金属薄层，金属材料为锡，金属薄层的厚度为1‑50微米，纤芯直径为5‑200微米，包层外径为100‑1000微米，包层内径为6‑250微米；采用棒管法制备，即在半导体单晶锗棒的外壁包裹一层金属箔，然后插入包层玻璃管内，拉制成最终尺寸的光纤。本发明在高损耗的玻璃包层和的界面上引入反射率高的金属薄层，能够有效地降低半导体锗芯‑玻璃包层光纤在中红外3微米以上波段的传输损耗。

Description

一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤及其制 备方法
技术领域
本发明属于光纤制备技术领域，涉及一种中红外光纤的制备，具体涉及一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤及其制备方法。
背景技术
中红外2-20μm区域包含3-5μm和8-13μm两个大气传输窗口，同时在该波段范围内许多重要分子具有很强的特征振动频率。因此，中红外波段对于如光谱学、材料加工、化学和生物分子传感、安全和工业等诸多领域有着重要的应用价值。随着这些领域的迅速发展，当前对中红外光源、中红外光波导和中红外光探测器等器件的需求很大。
基于高纯石英玻璃的近红外低损耗光纤是上世纪最重要的发明之一，它为实现远距离光通信奠定了基础。作为一种特殊的一维光学材料形式，光纤具有可弯曲、可批量生产、单位长度成本低、及具有波导传输和输出性能高等一系列优点。在中红外3微米以上，组成石英玻璃的硅氧键存在较强的多声子吸收，因此3微米以上石英光纤的损耗极大；在更长波长的中红外波段需要采用卤化物(氟、氯、溴、碘化物)玻璃和硫系(硫、硒、碲化物)玻璃等作为中红外光纤波导的基质材料；但是，这些非氧化物玻璃的中红外高透过率是由于构成其玻璃网络的化学键较弱导致的，这意味着这些非氧化物玻璃的工作温度较低，通常在300℃以下，这一缺点在很大程度上限制了其在高激光功率或高工作温度下的使用。与中红外非氧化物玻璃对应的是半导体材料如硅、锗、碳化物、氮化物等晶体，这些半导体材料不仅具有优良的光电响应能力，而且在中红外波段具有出色的光学性能(包括从近红外到中红外区域的良好透明度和高克尔非线性)。
为了将半导体材料优异的光子性能与玻璃材料的纤维化优势相结合，玻璃包层-半导体芯纤维技术得到了迅速的发展。多种制备技术，如高压化学气相沉积、熔芯-拉丝法和压力辅助-熔体填充方法，其中熔芯-拉丝法最为有效，其半导体芯光纤的单次制备长度可以达到数百米。在半导体材料的选择方面，IV族半导体材料硅和锗被公认为半导体产业重要组成部分，有希望和成熟的硅基微电子集成器件实现光电性能的兼容，因此，硅芯和锗芯光纤在玻璃包层-半导体芯光纤中研究的最多。
在中红外光学透过性能方面，锗的透过波长(2-14μm)要优于硅(1-9μm)；同时锗具有极高的非线性克尔指数n2(在3-5μm范围内n2＝2.5-3.8x 10-17m2/W)和极高的拉曼增益系数gR(在3-14μm范围内gR＝1-5x 10-10m/W，)，比石英玻璃高出三个数量级，长度几毫米的玻璃包层-半导体锗芯光纤足以满足中红外非线性应用需求。
玻璃包层-锗芯光纤在中红外波段应用面临的一大挑战就是：玻璃包层材料和半导体锗芯之间的红外透过波段的不重合问题，导致光纤在中红外3微米以上传输损耗较大。由于锗晶体的熔融温度高达938℃，使用熔芯-拉丝法制备玻璃包层-锗芯光纤必须选择高温氧化物玻璃作为包层材料。由于基于Si-O和/或B-O键的高温氧化物玻璃的网络结构在中红外3微米以上波段具有很强的多声子吸收，玻璃包层材料的损耗极高，如硼硅酸盐玻璃在3μm以上、石英玻璃在4μm以上的损耗高达几十至几百dB/cm(见图1)，对应的半导体锗芯则在3-14μm范围内具有良好的中红外透明度(如非掺杂的本征锗单晶材料损耗在3-15μm的损耗在0.02-2dB/cm之间)。
发明内容
为了解决现有的玻璃包层-鍺芯光纤中的玻璃包层材料和半导体鍺芯之间的红外透过波段不重合，导致光纤在中红外3微米以上损耗较大的问题，本发明提出一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤，所述中红外光纤包括光纤包层和包裹在包层内的纤芯，光纤包层材料为氧化物玻璃，纤芯材料为单晶锗，所述纤芯材料与包层材料之间还设置有金属薄层，所述金属材料为锡，金属薄层的厚度为1-50微米。
优选的，所述纤芯直径为5-200微米，所述包层外径为100-1000微米，包层内径为6-250微米。
优选的，所述氧化物玻璃包括但不仅限于硼硅酸盐玻璃、高硅玻璃、硅玻璃中的一种或几种。
本发明还提供上述半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1、在半导体单晶锗棒的外壁包裹一层高纯锡箔；
S2、将步骤S1所得样品插入一个氧化物玻璃管内；
S3、把组合的棒管预制棒置于光纤拉丝塔的高温炉内，在950-1000℃条件下拉制成光纤，即得半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料光纤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在高损耗的氧化物玻璃包层和半导体锗芯的界面上引入反射率高的金属薄层，能够有效地降低半导体锗芯-玻璃包层光纤在中红外3微米以上波段的传输损耗，从而得到一种较低损耗的中红外光纤。
附图说明
图1为中红外3微米以上高温氧化物玻璃和本征半导体单晶锗块样材料在中红外3微米以上波段损耗谱线；
图2为锗-锡二元相图；
图3为半导体锗-金属锡-硼硅酸盐玻璃复合结构光纤结构示意图；
图4为半导体锗-金属锡-硼硅酸盐玻璃复合结构光纤纤芯附近元素分布；
图5为半导体锗芯-玻璃包层光纤(a)和半导体锗芯-金属锡-玻璃包层光纤(b)横截面扫描电镜照片；
图中，1、半导体锗芯；2、金属锡层；3、玻璃包层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
金属在中红外波段不透明，但其反射率极高；这是因为，沿法线入射时，金属材料的反射率R＝[(n1-n0)2+κ1 2]/[(n1+n0)2+κ1 2]，其中n0是入射处玻璃介质的折射率，n1和k1分别是作为反射层的金属的复数折射率(n(n＝n1-iκ1))的实部和虚部，由于金属的复数折射率实部n1低、而且其虚部k1极大，因此其反射率R极高。因此，在玻璃包层和半导体锗芯之间引入一层金属薄层，如图2所示，将可以有效阻断半导体纤芯中传输的光能量通过倏逝场的形式进入到损耗极大的玻璃包层中，而是将其反射回纤芯中，从而实现降低光纤损耗的目的。
采用金属种类在高温熔融状态时必须和半导体锗熔体不发生互溶。根据金属-锗二元高温相图，只有锡-锗合金在高温下满足这个条件(如图2所示)；但这不排除其他二元或以上的合金亦可能满足该条件。
实施例1：半导体锗芯-金属锡-玻璃包层复合材料中红外光纤的制备
半导体锗芯-金属锡-玻璃包层复合材料中红外光纤由棒管法制备获得，包括以下步骤：
S1、在3毫米外径的半导体单晶锗棒外包裹上一层100微米厚度的高纯锡箔；
S2、将上述样品再塞入一个内径3.3毫米、外径16毫米的硼硅酸盐玻璃管内；
S3、把组合的棒管预制棒置于光纤拉丝塔的高温炉内；在950-1000℃条件下拉制成纤芯直径190微米、包层外径600微米的半导体锗芯-金属锡-玻璃包层复合材料光纤。
根据不同的尺寸需求，可以拉制成纤芯直径5-200微米、包层外径为100-1000微米，包层内径为6-250微米的半导体锗芯-金属锡-玻璃包层复合材料光纤。
此外，包层玻璃管还可以选用高硅玻璃、硅玻璃等其他高温氧化物玻璃管。
该复合材料光纤的结构示意图如图3所示，由内而外分别为半导体锗芯1、金属锡层2和玻璃包层3。
如图4所示，测试的纤芯附近的元素分布表明，金属锡层2集中在半导体锗芯1和玻璃包层3界面30微米附近。
本实施例制备的光纤(如图5b所示)在3.39μm处的测试损耗为23.5dB/cm，比未包覆锡层的半导体锗芯-玻璃包层光纤(如图5a所示)的损耗28.2dB/cm低4.7dB，损耗降低达到了近20％。由此证明，通过添加高反射率的金属锡层来隔离高损耗的玻璃包层和半导体锗芯，可以显著降低光纤在中红外3微米以上的传输损耗。

Claims (4)

1.一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤，所述中红外光纤包括光纤包层和包裹在包层内的纤芯，光纤包层材料为氧化物玻璃，纤芯材料为单晶锗，其特征在于，所述纤芯材料与包层材料之间还设置有金属薄层，所述金属材料为锡，金属薄层的厚度为1-50微米。
2.根据权利要求1所述的一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤，其特征在于，所述纤芯直径为5-200微米，所述包层外径为100-1000微米，包层内径为6-250微米。
3.根据权利要求1所述的一种半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤，其特征在于，所述氧化物玻璃选自硼硅酸盐玻璃、硅玻璃中的一种或几种。
4.一种权利要求1至3任一项所述的半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料中红外光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在半导体单晶锗棒的外壁包裹一层高纯锡箔；
S2、将步骤S1所得样品插入一个氧化物玻璃管内；
S3、把组合的棒管预制棒置于光纤拉丝塔的高温炉内，在950-1000℃条件下拉制成光纤，即得半导体锗芯-金属-玻璃包层复合材料光纤。
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