基于石英光纖材料的發(fā)展歷程以及當(dāng)今基于石英光纖材料從事研究和進(jìn)展方向概述

陳冀景

摘 要：文章是相對于各種新型的光纖通信材料而以最原始的石英材料為主線討論了石英光纖材料的發(fā)展、材料特性的一些研究以及結(jié)合作者的實驗方向所作綜述。全文共分為三個部分：第一部分是對整個石英光纖材料的發(fā)展及其研究歷程做了概括，包括了石英光纖材料的發(fā)展歷程、光學(xué)特性；第二部分是基于石英光纖的應(yīng)用--光纖傳感的發(fā)展與最新進(jìn)程；第三部分是對整個光纖材料發(fā)展的展望以及基于WGM和微腔傳感的一些作者的親身體悟。

關(guān)鍵詞：石英光纖材料；光纖傳感；微腔傳感

中圖分類號：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0089-02

Abstract： This paper discusses the research on the development， properties and experimental direction of quartz optical fiber materials， in contrast with various new optical fiber communication materials， with the original quartz materials as the main line. The paper is divided into three parts： the first part summarizes the development and research process of quartz optical fiber material， including the development course and optical properties of quartz optical fiber material； the second part is the application based on quartz fiber-optical fiber sensing development and the latest progress； the third part is the prospect of the development of the entire optical fiber materials and some authors' personal experience based on WGM and micro-cavity sensing.

Keywords： quartz optical fiber material； optical fiber sensing； microcavity sensing

1 石英光纖材料的概述

1.1 石英系玻璃

石英之所以成為制作光纖的最理想的材料其原因如下：第一，石英可以達(dá)到近乎100%的純度（6N），這是其他光纖材料如塑料光纖、晶體光纖所無法比擬的；第二，石英材料儲量豐富，具有很低的開發(fā)成本，是日后大力發(fā)展光纖通信的前提；第三，石英具有可觀的熔點和折射率特性，對于塑性、作光傳輸介質(zhì)具有絕對優(yōu)勢；第四，在石英中可以摻雜多種不同的元素從而形成具有不同的光學(xué)特性的光纖，這也是石英作為光纖材料的根本優(yōu)勢。

在石英系玻璃中，我們可以通過摻入GeO2，P2O5，B2O3來制成不同折射率的光纖材料。也可以將其改變成分成為多組分玻璃，這是通常用作透鏡的光學(xué)玻璃，比如SiO2、B2O3或P2O5通過引入網(wǎng)絡(luò)修飾體等方法。

1.2 石英光纖特性

在此僅對石英光纖三個主要特性即光敏特性、石英光纖本身所具有的本征缺陷以及熱處理所產(chǎn)生的缺陷做一下論述。對于石英光纖光敏特性的研究在一定程度上受制于實驗環(huán)境與條件，因此對光敏特性并沒有明確的體系架構(gòu)，主要研究是基于摻雜的光敏特性，如摻鍺。根據(jù)紫外光照射前后對摻鍺石英光纖材料紫外吸收譜及各種缺陷濃度進(jìn)行測量的結(jié)果，幾乎可以肯定紫外光照射下光纖材料缺氧鍺缺陷的光電離是摻鍺石英光纖材料光敏性的主要來源之一。除此，基于載氫參量如壓力、時間對石英光纖材料折射率的改變可以進(jìn)而對石英光纖光敏性改進(jìn)。對于摻鍺石英光纖紫外光敏性效應(yīng)的提出，以及基于光敏性機理提出的色心模型等，對石英光纖材料的光學(xué)特性已詳述完備[1]。

對于光纖通信而言，免電磁干擾、抗核輻射已成為了光纖性能好壞的衡量依據(jù)。而摻雜就成為了石英光纖抗輻射性能的主要限制因素。基于上述的討論，摻雜離子鍺是輻射誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要原因之一[2]。一種可行的方法就是特殊纖芯摻氮工藝。摻氮后氫與羥基含量迅速下降。由于羥基峰的吸收減少其工作波段可以為1310nm或1550nm。而且由于γ射線的照射下不易產(chǎn)生色心，其抗輻射性能大大提高。相比純硅纖芯，內(nèi)包層摻氟單模光纖具有一定優(yōu)勢[7-8]。但由于多方面因素，上述工藝未能應(yīng)用于實際。

相比于摻雜所產(chǎn)生的缺陷——熱處理，即溫度的因素對石英光纖缺陷的產(chǎn)生機理會更加的復(fù)雜[4]。熱處理引起的缺陷形成與初始前體有關(guān)（initialprecursors），它可以產(chǎn)生E'中心和NBOHCS等。這兩種缺陷也與熱處理溫度以及前體和缺陷的轉(zhuǎn)換頻率有關(guān)[3]。

2 基于石英光纖材料應(yīng)用——光纖傳感的敘述

光纖傳感器按照傳感原理被分為兩類：即功能型傳感器和非功能型傳感器。功能性傳感以外界因素作為調(diào)制信號來調(diào)制光纖的傳輸光譜。而非功能性傳感就是僅以光纖作為傳輸介質(zhì)，而以其他敏感元件來感測被測量的變化。

2.1 光纖生物傳感

生物傳感旨在于區(qū)別傳統(tǒng)的生物檢測技術(shù)，通過生物制膜技術(shù)與鍍膜技術(shù)使光纖與檢測生物分子發(fā)生生化反應(yīng)。采用光纖表面硅烷偶聯(lián)技術(shù)而形成的生物素——鏈霉親和素系統(tǒng)，即采用了抗原與抗體的特異性結(jié)合從而影響了光纖的傳輸特性[5]。

2.2 自然環(huán)境監(jiān)測方面

由于森林環(huán)境資源面積遼闊，地形復(fù)雜等，微納米光纖布拉格光柵、SMS（單-多-單模）光纖結(jié)構(gòu)、LPFG等多種光纖傳感器應(yīng)運而生。由于制作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、靈敏度高等優(yōu)點，可滿足森林資源環(huán)境監(jiān)測中對溫度傳感器、折射率傳感器、多參量傳感器的需求[5]。

2.3 錐形光纖與微腔傳感

回音壁模式（WhisperingGalleryMode，WGM）光學(xué)微腔是建立在光纖傳感理論基礎(chǔ)上的新的光纖傳感機制。與其相輔相成的結(jié)構(gòu)即為錐形光纖（fusedtapperfiber）。將普通石英光纖通過一定加工工藝變成在中間錐區(qū)具有高激發(fā)模式的光場，通過將該光場與微腔耦合，即 逝場耦合以形成可以在微腔中振蕩的WGM[6]。WGM微腔傳感因其高的Q值和獨特的耦合方式在光纖傳感領(lǐng)域獨樹一幟，其幾何示意圖與耦合方式請見下圖。

3 結(jié)束語

光纖材料在發(fā)展和演化中逐漸向商業(yè)化、工業(yè)化過渡。隨著第五代光纖系統(tǒng)的問世，光纖材料的發(fā)展勢必要迎合長波長、單模的要求[7]。隨著新一代光源的問世，如摻鉺光纖激光器[8]、多量子阱結(jié)構(gòu)激光器[9]等，基本的石英光纖材料中更要具有不同的摻雜成分來滿足與光源耦合的需要。在其他傳感方面，光柵傳感也應(yīng)運而生[10]；除此，非線性光學(xué)傳感[11]逐漸進(jìn)入了研究的視野為光纖的結(jié)構(gòu)與發(fā)展另辟蹊徑；而WGM微腔傳感也成為了石英光纖材料發(fā)展歷程中的一個里程碑。

參考文獻(xiàn)：

[1]李劍芝.摻鍺石英光纖紫外光敏性的研究[D].武漢理工大學(xué)，2004.

[2]羅文蕓.石英光纖材料輻射誘導(dǎo)缺陷的形成機理研究[D].上海大學(xué)，2013.

[3]Y.Hibino，H. Hanafusa，Journalofappliedphysics，60（1986）：1797.

[4]ZhongyinXiao，WenyunLuo，JianxiangWen，et. DefectInducedbyHeatedTreatmentinSilicaFiberMaterial[C].AdvencedMaterialsResearch，Vol.304（2011）：160-164.

[5]周雨萌.光纖傳感技術(shù)在生化領(lǐng)域的應(yīng)用研究[D].中國計量學(xué)院，2016.

[6]高嚴(yán).薄壁柱對稱微腔耦合系統(tǒng)設(shè)計及其實驗研究[D].南京郵電大學(xué)，2017.

[7]王德榮.光纖與光纖材料技術(shù)分析及四川發(fā)展展望[J].通信與信息技術(shù)，1989.

[8]張晨芳.多波長摻鉺光纖激光器和稀土摻雜光纖的研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[9]尹晉宏.高線性大功率多量子阱激光器的研究[D].太原理工大學(xué)，2017.

[10]龐丹丹.新型光纖光柵傳感技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2014.

[11]胡君輝.基于瑞利和布里淵散射效應(yīng)的光纖傳感系統(tǒng)的研究[D].南京大學(xué)，2013.