矽芯光纖製備過程中動態特性的研究

《矽芯光纖製備過程中動態特性的研究》是依託上海大學，由趙子文擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：矽芯光纖製備過程中動態特性的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙子文
• 依託單位：上海大學

中文摘要

矽芯光纖在寬頻中紅外傳輸和感測、拉曼光纖器件、太赫茲光波導等方面具有巨大的套用潛力。不同於普通石英光纖，矽芯光纖芯層/包層材料特性差異大，光纖拉制和後期處理過程中機理複雜，許多關鍵科學問題亟需解決，例如製備和退火過程中決定纖芯結晶狀態和應力的物理機理。本項目以石墨爐加熱拉絲和CO2雷射拉絲為製備手段，管式爐加熱和雷射加熱為退火方式，以溫度場仿真、第一性原理分子動力學等方法，分析矽材料拉絲成纖及退火改性的動態特性，研究影響矽芯光纖晶體質量的關鍵因素。本項目將對提高矽芯光纖性能，擴大其套用領域有重要意義。

結題摘要

矽芯光纖具有對中紅外光透明、高非線性、高拉曼增益等優異特性，在感測、生物醫學、軍事、拉曼光纖器件等領域有巨大的套用潛力。不同於普通石英光纖，半導體光纖芯包材料特性差異大，目前製備的矽芯光纖纖芯結晶質量較差，內部存在大量結構缺陷和較大的殘餘應力，光纖拉制和後期處理過程中機理複雜，很多理論問題都急需解決。由此，本項目以石墨爐加熱拉絲和CO2雷射拉絲製備矽芯光纖，分別使用馬弗爐和CO2雷射對矽芯光纖進行退火最佳化改性，以溫度場仿真、分子動力學等方法，針對矽和鍺材料拉絲成纖及退火改性的熱力學、動力學問題進行研究。主要內容概括如下：使用分別使用石墨爐和CO2雷射製備了矽芯光纖。利用馬弗爐對矽芯光纖進行退火，研究了不同退火條件對矽芯光纖纖芯殘餘應力分布、結晶質量和光纖傳輸損耗的影響和物理機理。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜（EDS）、共焦拉曼散射光譜mapping、X射線衍射（XRD）和光纖傳輸損耗系統對光纖樣品進行測試分析。在所有馬弗爐退火光纖樣品中，1200 °C退火的光纖樣品纖芯具有最小且分布最均勻的殘餘應力、最好的結晶質量和最低的傳輸損耗。研究結果表明，對於矽芯光纖，1200 °C是較為合適的退火溫度。基於環狀光路系統，使用CO2雷射對固定在石英棒上的矽芯光纖進行退火研究，研究了不同的雷射功率對矽芯光纖結晶質量和光纖傳輸損耗的影響。使用SEM 、EDS、XRD和光纖傳輸損耗系統對光纖樣品進行測試分析。通過研究發現，在所有光纖樣品中，325.5 W退火的光纖樣品纖芯具有最好的結晶質量和最低的傳輸損耗。實驗結果表明，在本實驗室的實驗條件下，325.5 W是CO2雷射退火矽芯光纖中比較合適的退火功率。用有限元軟體COMSOL Multiphysics對矽芯預製棒進行了溫場分布仿真研究。使用分子動力學方法對芯包層交界區域做了動力學仿真研究。建立了相關理論模型。本項目的研究，將對提高半導體光纖性能，擴大其套用領域有重要意義。