雙芯半導體光纖的制備研究

劉笑東，耿鵬程，武 洋

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津 300220)

0 引 言

自光纖問世以來，以光纖通信為代表的信息技術在信息領域內掀起了一場革命，極大地推動了人類向信息社會邁進的步伐。然而，目前以二氧化硅、二氧化鍺等為成分構成的常規光纖已不能很好地滿足激光、探測、傳感以及中紅外波段傳輸等領域的需求。因此，研究人員將一些其他元素(如鉺、鐿、銩等稀土元素)或其他材料(如硅、鍺、磷化銦等半導體材料)摻入光纖中。其中，摻稀土光纖已比較成熟，并得到了一些重要應用，如目前市場上廣泛應用的摻鉺光纖放大器、摻鐿光纖激光器等[1]。由于摻半導體光纖的工作機理、光學特性還有待進一步深入研究，且制備難度較大，尚未實現成熟的商業應用。

具有電性能的半導體和具有光學性能的光纖的結合將產生新現象和性能，如若能將兩者完美結合，設計和優化材料組成，形成新型的光纖結構，它將會有廣闊的應用前景，在光學波導和光電設備方面具有非常重要的意義[2]。近年來，研究人員已經對半導體光纖的制備開展了試驗研究，但研制的均為單芯半導體光纖[3-4]。

本文采用打孔組裝法與半導體蒸氣分區處理法制備了具有不同成分半導體纖芯的雙芯半導體光纖。多芯半導體光纖由于多個纖芯構成成分不同，所以可實現更加豐富的光電特性，可進一步提高光纖功能的集成度。

1 制備工藝

多芯半導體光纖的制備工藝主要分為打孔、組裝、拉絲涂覆 3個步驟。下面以雙芯半導體光纖的制備為例，并結合圖1，對多芯半導體光纖的制備工藝過程進行說明。

圖1 雙芯半導體光纖工藝過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of double core semiconductor fiber process

雙芯半導體光纖的打孔工藝過程主要如下：首先基于設計好的雙芯半導體光纖幾何結構參數，選取合適尺寸的石英棒與鉆頭、鉆桿，然后將鉆頭、鉆桿及石英棒固定在打孔機上，在設定位置進行打孔。在具體操作過程中，在設計參數范圍內，結合實際工藝條件，可適當調整打孔位置、各個孔的直徑大小及打孔深度。最后，對各個內孔的表面進行磨拋，保證內孔表面的平整度。

雙芯半導體光纖的組裝工藝過程如下：在打完孔的石英棒的下端熔接一段實心石英棒，再將半導體棒插入對應的內孔中；然后，在組裝后的預制棒上端熔接一段特殊結構的帶孔石英棒，該帶孔石英棒中孔的數量與上一步中石英棒中孔的數量一致，且每個孔都單獨接有排氣孔與外界相通；最后，再在這一段特殊結構帶孔石英棒的上端熔接一段夾持棒。至此，組裝過程全部完成。

拉絲涂覆工藝過程主要如下：組裝完成后的光纖預制棒置入拉絲塔加熱爐中后，含半導體預制棒部分需保證在加熱爐中，預制棒的排氣孔與夾持棒部分需保證在加熱爐外；然后，將每個排氣孔均通過軟管與尾氣處理裝置連接好；預制棒完全固定后，升高拉絲塔加熱爐溫度，待石英部分軟化后，按設定尺寸進行拉絲，并依次在石英表面涂覆內涂層與外涂層，最后進行收絲。

采用上述工藝方法具有如下優勢：在帶孔石英棒的下端熔接一段實心石英棒后，可防止拉絲過程中液化后的半導體材料流出；在組裝后的預制棒上端熔接一段特殊結構的帶孔石英棒后，可有效解決拉絲塔加熱爐的半導體蒸氣污染問題。特殊結構帶孔石英棒可分為多個區域，且單獨通過排氣孔與不同的尾氣處理裝置連接，各個尾氣處理裝置可根據每路尾氣成分的不同進行相應設置，進而可實現具有不同物質多芯半導體光纖的拉絲，且不會造成環境污染。

2 測試分析

最終拉制的雙芯半導體光纖的端面顯微照片如圖2所示。在拉絲過程中，雙芯半導體光纖保持了較好的幾何結構。圖中左側纖芯構成成分為硅，右側纖芯成分為鍺；光纖包層直徑為 301.6μm，包層不圓度為 0.9%，左側纖芯直徑為 29.9μm，纖芯不圓度為1.5%，右側纖芯直徑為 34.4μm，纖芯不圓度為1.4%；左側纖芯中心距離包層中心距離為 76.2μm，右側纖芯中心距離包層中心距離為75.9μm。

圖2 硅鍺雙芯半導體光纖的端面圖Fig.2 Cross-sectional view of silicon-germanium double core semiconductor fiber

3 結 論

由于多芯半導體光纖將具有不同功能特性的半導體集成在同一根光纖之中，可實現更加豐富的光電特性，可進一步提高光纖功能的集成度。本文采用打孔組裝工藝開展雙芯半導體光纖制備工藝研究。采取了下接實心棒密封措施，解決了拉絲過程中液化后的半導體材料流出問題；采取上接分區排氣裝置，解決了半導體蒸氣造成的加熱爐及環境污染問題。最終制備出具有較高幾何精度的硅-鍺雙芯半導體光纖樣品，其包層及 2個纖芯的不圓度均在 1.5%以內。本文的研究工作對于研制具有更高光電集成度的多芯半導體光纖有一定借鑒意義。