氟化物玻璃光纖的前世今生

原創 fluoride Thorlabs索雷博

為什么需要氟化物玻璃光纖？

選擇光纖材料時要考慮技術和經濟因素。不僅玻璃應具有要求的透射范圍、玻璃特征溫度和 nai 用 等性質，而且技術應足夠成熟才能實現高性價比、高質量光纖的量產。但沒有一種材料能滿足所有的應用需求。

石英光纖是當今 zui 成,熟的光纖技術，但標準石-英光纖無法用在2 μm以上的波長，即使特種空芯光纖能傳輸一些中紅外波長而技術又不成熟。對于2 μm以上或者從紫外一直到中紅外的連續光譜應用，我們只能考慮很少的材料，比如重金屬氟化物、硫屬化物、TeO2等重氧化物、磷酸鹽、藍寶石等單晶以及多晶材料，而能夠用于拉制高質量光纖并滿足工業應用要求的材料就更少。

在上述材料中，氟化物玻璃光纖是更*的技術。氟化物光纖在過去二三十年有了很大的發展，并已用于各種工業應用，包括要求嚴格的航空應用。氟化物玻璃幾乎能用于所有不同類型的光纖，包括摻雜和非摻雜的多模和單模光纖，而六邊形、方形和D形光纖也都已見諸報導。氟化物玻璃具有較低的折射率和dn/dt負數值，并能重摻或共摻任何稀土離子，只用較短的光纖就能實現緊湊的激光器和放大器等有源器件。下面展示的是基于氟化物光纖的O波段摻鐠光纖放大器和中紅外超連續激光器。

摻鐠光纖放大器                               中紅外超連續激光器

氟化物玻璃

BeF2是 zui 早 出現的氟化物玻璃，但由于紅外范圍并不比石英寬很多且 you ju 毒，因此這種玻璃 mei 有 任,何實際應用。

1970年代中期，一種新的氟化物玻璃系統由Michel Poulain在 fa 國 雷恩大學意外發現。他當時將稀土氟化物與氟化鋯和氟化鋇混合并研究BaZrF6和LnZrF7的晶相，但發現有些晶體結構中很大的自由晶格點可容納離子。于是他決定在混合物中加入氟化鈉，看鈉離子能否占據自由點。當他把裝混合物的鎳管從800 °C爐子放到水中迅速冷卻到室溫時，熔化的混合物并沒有像預期一樣變成粉末，而是一塊玻璃，還是一塊彩色玻璃。重金屬氟化物玻璃就此誕生了！

在此之后，quan shi 界 數十個實驗室加入了氟化物玻璃和光纖技術的研究，使數百種玻璃系統見諸報導。由于這些玻璃的形成面積很大，有些參數可根據應用進行修改，包括折射率、玻璃轉變溫度和熱膨脹系數。

三種主要的氟化物玻璃分別基于氟化鋯、氟化鋁和氟化銦，即玻璃中含量 zui 多 的成分。氟化銦玻璃具有 zui 寬 的透射波長范圍，氟化鋁 zui 耐水，而氟化鋯玻璃是 zui 穩定的，它的兩種標準成分是ZBLAN和ZBLA，摩爾百分比如下表所示。

氟化物光纖

實際上，氟化物玻璃是能提供從紫外一直到中紅外連續透射范圍且能拉制成高質量光纖的 wei 一 材料。氟化物光纖使用和石英光纖相同的技術從預制棒開始拉制。這種技術能很好地控制光纖直徑和同心度等參數，而且能用于拉制六邊形、D形、方形和光子晶體等 te 殊 光纖。

quan 世,界只有很少的軟玻璃拉絲塔，而Thorlabs就有兩個。這些拉絲塔實際上需要自己構建，而且都是不同的。一般而言，它們和石英拉絲塔相似但更短。這是因為氟化物玻璃的拉絲溫度遠低于石英，所以拉絲爐和涂覆杯的間距可以小很多。

拉絲爐要針對軟玻璃或氟化物玻璃進行 te 殊 設計，而直徑測量、涂敷杯、紫外燈等部分則和石英拉絲塔相同，但拉絲速度、溫度和紫外光功率需要不同的設置。下圖展示了典型的軟玻璃拉絲塔結構，包含微米精度的位移平臺、拉絲爐、亞微米精度的光纖直徑測量儀、涂敷杯、同心度測量儀和紫外燈等。所有部件都通過計算機控制。

軟玻璃拉絲塔的結構

Thorlabs拉絲塔                               空間站氟化物光纖制造 來源: Made?In Space

氟化物玻璃預制棒遠小于石英預制棒，直徑在8到16毫米，長度在100到150毫米。預制棒有多種制作方法。zui 簡單 的方法是把包層玻璃倒進預熱的垂直模具中，幾秒后打開底部讓未固化的玻璃流出，由此形成包層管，隨后把纖芯玻璃倒入包層管中。這種預制棒能拉制出衰減性能優異且羥基含量很低的光纖。它的主要優點是包層纖芯界面不會暴露在實驗室空氣中，而缺點是產生錐形芯。這種方法無法用于生產單模光纖，事實上很難制作纖芯包層比為0.072的預制棒，這個比例為9/125單模光纖的纖芯包層比。

另一種方法是旋轉澆鑄法。它以3500到5000 rpm的轉速制作包層管，然后倒入纖芯玻璃。這種方法可顯著降低或 xiao 除 錐形芯的問題，但機械穩定性變得非常關鍵，因為任何的模具振動都會導致偏心問題。這種方法也能用于制作單模光纖預制棒。

第三種方法是直接把纖芯棒插入包層管。這時纖芯包層界面會暴露在實驗室環境中，因此要小心防止污染，特別是水污染。插入步驟也很關鍵，需注意不可刮傷內表面。這種方法也能用于制作單模光纖預制棒。

氟化物光纖的總衰減包含外在和內在兩個來源。外在損耗可能是吸收或散射，其成因在于玻璃雜質，比如過渡金屬、稀土元素、水、微泡、晶粒、復雜的陰離子、溶解氣體和纖芯包層界面缺陷。內在損耗的成因是材料基質的吸收和散射，包括紫外吸收、瑞利散射和多聲子吸收。內在損耗可用下式表達：

測量光纖衰減的方法一般是回截法；這在單模光纖研討會中有過詳細介紹。下面是Thorlabs氟化鋯和氟化銦與石英多模光纖的衰減對比，兩條虛線分別表示1 m光纖透過率大于90%和99%的參考線。氟化鋯和氟化銦的高透過率波長范圍分別是285 nm到4.5 µm和310 nm到5.5 µm；后者因此聲子能量更低所以范圍更寬。

自從引入氟化物光纖生產線以來，Thorlabs不僅顯著降低了光纖損耗，還 ji 大 地提高了光纖的機械強度和幾何參數控制水平，實現更一致的光纖直徑和同心度。也許 zui 重要 的是，我們現在能批量生產氟化物光纖，每年供應幾千米。

參考文獻

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