劉笑東，耿鵬程，武 洋

(中國電子科技集團(tuán)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(shù)在信息領(lǐng)域內(nèi)掀起了一場革命，極大地推動(dòng)了人類向信息社會(huì)邁進(jìn)的步伐。然而，目前以二氧化硅、二氧化鍺等為成分構(gòu)成的常規(guī)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?shù)阮I(lǐng)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(dǎo)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(yīng)用，如目前市場上廣泛應(yīng)用的摻鉺光纖放大器、摻鐿光纖激光器等[1]。由于摻半導(dǎo)體光纖的工作機(jī)理、光學(xué)特性還有待進(jìn)一步深入研究，且制備難度較大，尚未實(shí)現(xiàn)成熟的商業(yè)應(yīng)用。

具有電性能的半導(dǎo)體和具有光學(xué)性能的光纖的結(jié)合將產(chǎn)生新現(xiàn)象和性能，如若能將兩者完美結(jié)合，設(shè)計(jì)和優(yōu)化材料組成，形成新型的光纖結(jié)構(gòu)，它將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景，在光學(xué)波導(dǎo)和光電設(shè)備方面具有非常重要的意義[2]。近年來，研究人員已經(jīng)對半導(dǎo)體光纖的制備開展了試驗(yàn)研究，但研制的均為單芯半導(dǎo)體光纖[3-4]。

本文采用打孔組裝法與半導(dǎo)體蒸氣分區(qū)處理法制備了具有不同成分半導(dǎo)體纖芯的雙芯半導(dǎo)體光纖。多芯半導(dǎo)體光纖由于多個(gè)纖芯構(gòu)成成分不同，所以可實(shí)現(xiàn)更加豐富的光電特性，可進(jìn)一步提高光纖功能的集成度。

1 制備工藝

多芯半導(dǎo)體光纖的制備工藝主要分為打孔、組裝、拉絲涂覆 3個(gè)步驟。下面以雙芯半導(dǎo)體光纖的制備為例，并結(jié)合圖1，對多芯半導(dǎo)體光纖的制備工藝過程進(jìn)行說明。

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

雙芯半導(dǎo)體光纖的打孔工藝過程主要如下：首先基于設(shè)計(jì)好的雙芯半導(dǎo)體光纖幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jī)上，在設(shè)定位置進(jìn)行打孔。在具體操作過程中，在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，結(jié)合實(shí)際工藝條件，可適當(dāng)調(diào)整打孔位置、各個(gè)孔的直徑大小及打孔深度。最后，對各個(gè)內(nèi)孔的表面進(jìn)行磨拋，保證內(nèi)孔表面的平整度。

雙芯半導(dǎo)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(shí)心石英棒，再將半導(dǎo)體棒插入對應(yīng)的內(nèi)孔中；然后，在組裝后的預(yù)制棒上端熔接一段特殊結(jié)構(gòu)的帶孔石英棒，該帶孔石英棒中孔的數(shù)量與上一步中石英棒中孔的數(shù)量一致，且每個(gè)孔都單獨(dú)接有排氣孔與外界相通；最后，再在這一段特殊結(jié)構(gòu)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(yù)制棒置入拉絲塔加熱爐中后，含半導(dǎo)體預(yù)制棒部分需保證在加熱爐中，預(yù)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(gè)排氣孔均通過軟管與尾氣處理裝置連接好；預(yù)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(shè)定尺寸進(jìn)行拉絲，并依次在石英表面涂覆內(nèi)涂層與外涂層，最后進(jìn)行收絲。

采用上述工藝方法具有如下優(yōu)勢：在帶孔石英棒的下端熔接一段實(shí)心石英棒后，可防止拉絲過程中液化后的半導(dǎo)體材料流出；在組裝后的預(yù)制棒上端熔接一段特殊結(jié)構(gòu)的帶孔石英棒后，可有效解決拉絲塔加熱爐的半導(dǎo)體蒸氣污染問題。特殊結(jié)構(gòu)帶孔石英棒可分為多個(gè)區(qū)域，且單獨(dú)通過排氣孔與不同的尾氣處理裝置連接，各個(gè)尾氣處理裝置可根據(jù)每路尾氣成分的不同進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)具有不同物質(zhì)多芯半導(dǎo)體光纖的拉絲，且不會(huì)造成環(huán)境污染。

2 測試分析

最終拉制的雙芯半導(dǎo)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(dǎo)體光纖保持了較好的幾何結(jié)構(gòu)。圖中左側(cè)纖芯構(gòu)成成分為硅，右側(cè)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(cè)纖芯直徑為 29.9μm，纖芯不圓度為1.5%，右側(cè)纖芯直徑為 34.4μm，纖芯不圓度為1.4%；左側(cè)纖芯中心距離包層中心距離為 76.2μm，右側(cè)纖芯中心距離包層中心距離為75.9μm。

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

3 結(jié) 論

由于多芯半導(dǎo)體光纖將具有不同功能特性的半導(dǎo)體集成在同一根光纖之中，可實(shí)現(xiàn)更加豐富的光電特性，可進(jìn)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(dǎo)體光纖制備工藝研究。采取了下接實(shí)心棒密封措施，解決了拉絲過程中液化后的半導(dǎo)體材料流出問題；采取上接分區(qū)排氣裝置，解決了半導(dǎo)體蒸氣造成的加熱爐及環(huán)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(dǎo)體光纖樣品，其包層及 2個(gè)纖芯的不圓度均在 1.5%以內(nèi)。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(dǎo)體光纖有一定借鑒意義。