矽鍺半導體芯石英包層光纖的製備與特性研究

《矽鍺半導體芯石英包層光纖的製備與特性研究》是依託上海大學，由陳娜擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：矽鍺半導體芯石英包層光纖的製備與特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳娜
• 依託單位：上海大學

中文摘要

本項目提出研製一種新型的Si1-xGex矽鍺芯石英包層光纖，探索通過矽鍺材料組分配比、芯包界面的應力作用以及雷射輻照後處理等方法，進行Si1-xGex芯區材料的帶隙調控，實現矽鍺芯光纖作為吸收區的1.5μm通信波段的光探測。項目將重點研究矽鍺半導體芯光纖的製備方法，以及光纖製備過程中所包含的科學問題。擬採用棒套管與粉末套管相結合的方法製備光纖，實驗研究矽鍺半導體芯光纖的形成機理、損耗機理，材料微結構和光纖光學特性，分析光纖材料微結構與能帶結構的關係。項目將建立矽鍺芯光纖帶隙調控的理論模型，掌握包括芯包應力、材料組分配比、製備方法及雷射後處理方法與光纖吸收譜、帶隙結構的關係，形成一套製備新型矽鍺芯光纖的關鍵技術。本項目研究為半導體能帶工程在光纖波導中的套用提供了新的思路，也是一次將矽光子學研究拓展到光纖領域的積極嘗試。

結題摘要

本項目以研製一種新型的Si1-xGex矽鍺芯石英包層光纖為主要目標。主要研究內容包括：矽鍺半導體芯光纖的製備、特性表征、雷射再結晶等後處理方法研究，以及基於矽鍺芯石英包層光纖法-珀腔的光探測特性研究等。首先，項目組基於p-Si，n-Si，本徵Si和p-Ge，n-Ge，本徵鍺等不同光纖材料，採用粉末套管法、半圓棒拼接法和管棒法等多種方式製備了矽鍺芯石英包層光纖。其次，研究了矽鍺芯光纖的雷射後處理方法，對雷射再結晶獲得組分均勻的單晶矽鍺芯石英包層光纖的條件進行了理論分析和實驗驗證。實驗研究了不同條件下雷射再結晶前後矽鍺芯光纖的特性，並通過矽鍺芯光纖的元素分布，能譜定量分析，拉曼光譜分析，EBSD晶向分析等光纖特性分析，實驗研究了矽鍺芯石英包層光纖的形成機理、損耗機理，材料微結構、組分及應力分布等與光纖製備及後處理方法的關係。再次，建立了雷射拉絲過程的仿真模型，研究了雷射拉絲製備半導體芯光纖的動態過程，分析了雷射拉絲的動態過程、不同拉絲條件對預製棒溫區及輪廓的影響。通過理論分析和光纖特性等實驗研究，研究了包括芯包應力、材料配比等光纖製備及後處理方法與光纖特性的關係。最後，製備了矽鍺芯光纖法-珀腔，研究了其溫度特性和光探測特性，實現了全光纖結構的纖內光功率探測。經過四年的理論及實驗研究，已圓滿完成了項目任務要求，成功製備的Si1-xGex芯石英包層光纖及矽鍺芯光纖法-珀腔達到了以下技術指標：（1）矽鍺芯光纖單晶區長度＞2cm，在4.8μm波段，損耗約0.3dB/cm；（2）矽鍺芯光纖法-珀腔的溫度靈敏度達114pm/℃，光功率靈敏度達1.04-1.72nm/mW。發表標註基金資助的SCI/EI收錄論文15篇，申請發明專利6項，培養研究生8名，與國內外同行開展了學術交流與合作研究。