元素半导体-玻璃复合光纤优化技术

元素半导体指单一元素半导体，包括硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和碲（Te）等。Si具有高的损伤阈值、宽的透光范围（17μm）和大的三阶非线性系数（比石英玻璃高约两个数量级）等，是最重要的半导体材料之一［8］。目前，采用HPCVD和MCD技术均可将晶态的半导体Si集成到石英玻璃光纤中［12］。采用MCD法可制备出米级、几十到百微米芯径的多晶Si半导体－玻璃复合光纤，但由于多晶散射和杂质吸收等，导致传输损耗较大［8，15］。尽管晶体硅（c－Si）是电子应用的首选，但氢化非晶硅（a－Si：H）的克尔非线性系数是c－Si的25倍，因而在非线性光学领域具有更大的应用前景［162］。另外，小的纤芯直径有利于获得高的非线性，而采用MCD法制备的半导体－玻璃复合光纤的纤芯直径较大。采用HPCVD技术可在较低温度下（约400℃）将a－Si：H半导体沉积到石英光纤中，纤芯直径为6μm［163］。通过优化沉积参数，测得a－Si：H半导体－玻璃复合光纤在1.55μm传输损耗为0.8 dB/cm［164］。图2－42a、b为石英包层a－Si：H半导体纤芯复合光纤的非线性吸收特性，这两种不同纤芯直径的半导体－玻璃复合光纤的线性损耗（αl）均为3 dB/cm，采用1.54μm的秒激光器作为光源，测得的吸收参数与已报道的片上集成a－Si：H波导的值相当［164－166］。图2－42c、d为石英包层a－Si：H半导体纤芯复合光纤的自相位调制光谱展宽，测得克尔非线性系数和片上集成a－Si：H波导的值相近，是c－Si的两倍多［164，165，167］。

与半导体Si相比，半导体Ge具有更宽的红外透光范围（220μm）、更高的折射率以及更高的三阶非线性系数（是Si的四倍）［168］。与Si相似，采用MCD和HPCVD技术均可将晶态Ge半导体复合到石英玻璃光纤中。采用MCD法制备的晶态Ge半导体－玻璃复合光纤的纤芯直径一般为10300μm，而通过HPCVD技术可制备纤芯直径仅为几个微米的非晶态或晶态Ge半导体－玻璃复合光纤。纤芯直径为30μm的氢化非晶锗（a－Ge：H）半导体－玻璃复合光纤在10.6μm的传输损耗为4.8 dB/cm，如图2－43所示［169］。此外，Ge的熔点比Si低，可避免在制备过程中由于高熔点产生的一些问题，如热膨胀系数不匹配等。Se半导体具有高的非线性、高的红外透光性和高的光电导性，广泛应用于静电复印、整流结和薄膜光伏等；Te半导体同样具有高的非线性、光电导以及压电性能等。华南理工大学研究人员采用纤芯熔融拉丝法分别制备了非晶态Se半导体纤芯和晶态Te半导体纤芯－磷酸盐玻璃包层复合光纤［170，171］。

图2－42　a－Si：H半导体－玻璃复合光纤的特性［164，165］

（a）纤芯直径为5.7μm的a－Si：H半导体－玻璃复合光纤的非线性吸收特性；（b）纤芯直径为1.7μm的a－Si：H半导体－玻璃复合光纤的非线性吸收特性；（c）纤芯直径为5.7μm的a－Si：H半导体－玻璃复合光纤的自相位调制的光谱展宽；（d）纤芯直径为1.7μm的a－Si：H半导体－玻璃复合光纤的自相位调制的光谱展宽

图2－43　a－Ge：H半导体－玻璃复合光纤的损耗测试结果［169］

虚线表示纤芯直径为30μm的复合光纤的损耗测试结果的拟合曲线，实线表示纤芯直径为6μm的复合光纤的损耗测试结果的拟合曲线

目前，直接制备的晶态半导体－玻璃复合光纤是多晶态的，存在大量晶界散射，导致传输损耗大，限制了其应用。采用后处理技术使多晶态的半导体纤芯单晶化，显著降低其传输损耗，已成为半导体－玻璃复合光纤的重要发展方向。此外，采用MCD法制备半导体－玻璃复合光纤时，在高温拉丝过程中，包层中氧元素会扩散进入纤芯中，形成无定形沉淀，不仅会增加复合光纤的传输损耗，还会影响光纤后处理时单晶半导体生长的质量。通过预先沉积过渡层和采用纤芯反应熔融拉丝法可减少扩散进入纤芯的氧，在一定程度上可降低晶态半导体－玻璃复合光纤的传输损耗，但并不能获得单晶半导体－玻璃复合光纤［16，172－175］。(www.xing528.com)

采用激光后处理可制备出单晶半导体（Si或Ge）－玻璃复合光纤。这种技术先对玻璃包层进行加热，再通过包层将热传导给半导体纤芯或直接加热纤芯使其单晶化。Gibson研究组先通过纤芯熔融拉丝法制备了纤芯直径为12μm的晶态Si半导体－玻璃复合光纤，然后采用CO2激光对半导体纤芯进行单晶化［176］。石英玻璃包层先吸收热量，并将热量传递给Si纤芯，使多晶态的Si纤芯重新熔融再结晶，可同时释放芯－包界面应力，最终获得1.8 cm的单晶Si半导体－玻璃复合光纤，其在1550 nm的损耗为2 dB/cm，在2μm的损耗为1 dB/cm［176］。尽管采用纤芯熔融拉丝法制备的半导体－玻璃复合光纤长度不受限制，但纤芯直径较大，且需要使用界面修饰体来阻止包层中氧元素扩散进入纤芯。Chen等采用PAMF技术制备出多晶态Ge半导体－玻璃复合光纤，纤芯直径仅为2μm，且包层与纤芯几乎没有发生元素扩散，随后采用CO2激光对复合光纤进行热处理，制备出了厘米级长度的单晶Ge半导体－玻璃复合光纤［177］。

采用CO2激光对半导体－玻璃复合光纤的纤芯进行单晶化处理，包层和纤芯都会软化，而采用可见光激光进行单晶化处理，包层玻璃对该激光波长透过，半导体纤芯可直接吸收激光的热量，包层在单晶化过程中保持刚性，充当单晶生长的小型坩埚，可避免单晶化过程中氧元素的进一步扩散。Badding研究组先采用HPCVD技术沉积非晶态Ge（a－Ge）半导体到石英光纤中，然后用波长为488 nm的氩离子激光对Ge半导体纤芯单晶化［178］。图2－44为采用488 nm激光热处理获得的单晶Ge半导体－玻璃复合光纤的透射电镜照片，表明激光热处理后，Ge半导体－玻璃复合光纤的芯－包界面仍保持得很平整（右上角的电子衍射花样表明在整个横截面下纤芯是单晶）；元素没有进一步扩散，最终获得9 mm长单晶Ge半导体－玻璃复合光纤，测得其在2μm的传输损耗为1.33 dB/cm［178］。该研究组采用同样的方法制备出了5.1 mm单晶Si半导体－玻璃复合光纤，纤芯直径为1.7μm，在1.55μm的传输损耗为0.471 dB/cm［179］。

图2－44　Ge半导体－玻璃复合光纤［178］

（a）（b）为采用488 nm激光热处理后的Ge半导体－玻璃复合光纤的两个芯－包界面的高分辨透射电镜照片（内插图为选区电子衍射花样）；（c）（d）分别为激光晶化前后沿光纤长度方向的元素分布图（能谱面扫描图）；（e）为激光晶化前后对芯－包界面Ge/SiO2进行线扫描，表明晶化后元素没有进一步扩散

上述激光后处理均采用单一方向激光对半导体－玻璃复合光纤进行单晶化处理，提供的是非均匀分布的温度场，而半导体纤芯和玻璃包层的热膨胀系数不一样，热不均匀性将会影响半导体纤芯残余应力分布和结晶状态，从而影响单晶半导体－玻璃复合光纤的性能。Wang课题组采用一个360°轴对称分布的CO2激光器热处理Ge半导体－玻璃复合光纤，在激光晶化过程中提供均匀的温度场，激光处理后复合光纤在中红外4.74.9μm的传输损耗为2.05 dB/cm［180］。华南理工大学研究人员提出了一种新的后处理技术——布里奇曼型光纤后处理技术，原理图如图2－45所示［181］。它配有环形加热器，能使光纤均匀受热，且能提供大的温度梯度，其原理和坩埚下降法生长大块单晶类似。采用该技术制备出了单晶Te半导体－玻璃复合光纤，纤芯直径约为100μm，长度为几厘米［181］。

图2－45　布里奇曼型光纤后处理技术原理图［181］