双芯半导体光纤的制备研究

刘笑东，耿鹏程，武 洋

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津 300220)

0 引 言

自光纤问世以来，以光纤通信为代表的信息技术在信息领域内掀起了一场革命，极大地推动了人类向信息社会迈进的步伐。然而，目前以二氧化硅、二氧化锗等为成分构成的常规光纤已不能很好地满足激光、探测、传感以及中红外波段传输等领域的需求。因此，研究人员将一些其他元素(如铒、镱、铥等稀土元素)或其他材料(如硅、锗、磷化铟等半导体材料)掺入光纤中。其中，掺稀土光纤已比较成熟，并得到了一些重要应用，如目前市场上广泛应用的掺铒光纤放大器、掺镱光纤激光器等[1]。由于掺半导体光纤的工作机理、光学特性还有待进一步深入研究，且制备难度较大，尚未实现成熟的商业应用。

具有电性能的半导体和具有光学性能的光纤的结合将产生新现象和性能，如若能将两者完美结合，设计和优化材料组成，形成新型的光纤结构，它将会有广阔的应用前景，在光学波导和光电设备方面具有非常重要的意义[2]。近年来，研究人员已经对半导体光纤的制备开展了试验研究，但研制的均为单芯半导体光纤[3-4]。

本文采用打孔组装法与半导体蒸气分区处理法制备了具有不同成分半导体纤芯的双芯半导体光纤。多芯半导体光纤由于多个纤芯构成成分不同，所以可实现更加丰富的光电特性，可进一步提高光纤功能的集成度。

1 制备工艺

多芯半导体光纤的制备工艺主要分为打孔、组装、拉丝涂覆 3个步骤。下面以双芯半导体光纤的制备为例，并结合图1，对多芯半导体光纤的制备工艺过程进行说明。

图1 双芯半导体光纤工艺过程示意图Fig.1 Schematic diagram of double core semiconductor fiber process

双芯半导体光纤的打孔工艺过程主要如下：首先基于设计好的双芯半导体光纤几何结构参数，选取合适尺寸的石英棒与钻头、钻杆，然后将钻头、钻杆及石英棒固定在打孔机上，在设定位置进行打孔。在具体操作过程中，在设计参数范围内，结合实际工艺条件，可适当调整打孔位置、各个孔的直径大小及打孔深度。最后，对各个内孔的表面进行磨抛，保证内孔表面的平整度。

双芯半导体光纤的组装工艺过程如下：在打完孔的石英棒的下端熔接一段实心石英棒，再将半导体棒插入对应的内孔中；然后，在组装后的预制棒上端熔接一段特殊结构的带孔石英棒，该带孔石英棒中孔的数量与上一步中石英棒中孔的数量一致，且每个孔都单独接有排气孔与外界相通；最后，再在这一段特殊结构带孔石英棒的上端熔接一段夹持棒。至此，组装过程全部完成。

拉丝涂覆工艺过程主要如下：组装完成后的光纤预制棒置入拉丝塔加热炉中后，含半导体预制棒部分需保证在加热炉中，预制棒的排气孔与夹持棒部分需保证在加热炉外；然后，将每个排气孔均通过软管与尾气处理装置连接好；预制棒完全固定后，升高拉丝塔加热炉温度，待石英部分软化后，按设定尺寸进行拉丝，并依次在石英表面涂覆内涂层与外涂层，最后进行收丝。

采用上述工艺方法具有如下优势：在带孔石英棒的下端熔接一段实心石英棒后，可防止拉丝过程中液化后的半导体材料流出；在组装后的预制棒上端熔接一段特殊结构的带孔石英棒后，可有效解决拉丝塔加热炉的半导体蒸气污染问题。特殊结构带孔石英棒可分为多个区域，且单独通过排气孔与不同的尾气处理装置连接，各个尾气处理装置可根据每路尾气成分的不同进行相应设置，进而可实现具有不同物质多芯半导体光纤的拉丝，且不会造成环境污染。

2 测试分析

最终拉制的双芯半导体光纤的端面显微照片如图2所示。在拉丝过程中，双芯半导体光纤保持了较好的几何结构。图中左侧纤芯构成成分为硅，右侧纤芯成分为锗；光纤包层直径为 301.6μm，包层不圆度为 0.9%，左侧纤芯直径为 29.9µm，纤芯不圆度为1.5%，右侧纤芯直径为 34.4µm，纤芯不圆度为1.4%；左侧纤芯中心距离包层中心距离为 76.2µm，右侧纤芯中心距离包层中心距离为75.9µm。

图2 硅锗双芯半导体光纤的端面图Fig.2 Cross-sectional view of silicon-germanium double core semiconductor fiber

3 结 论

由于多芯半导体光纤将具有不同功能特性的半导体集成在同一根光纤之中，可实现更加丰富的光电特性，可进一步提高光纤功能的集成度。本文采用打孔组装工艺开展双芯半导体光纤制备工艺研究。采取了下接实心棒密封措施，解决了拉丝过程中液化后的半导体材料流出问题；采取上接分区排气装置，解决了半导体蒸气造成的加热炉及环境污染问题。最终制备出具有较高几何精度的硅-锗双芯半导体光纤样品，其包层及 2个纤芯的不圆度均在 1.5%以内。本文的研究工作对于研制具有更高光电集成度的多芯半导体光纤有一定借鉴意义。