[发明专利]一种激光拉丝硅锗芯光纤制备方法

说明书

本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种激光拉丝制备硅锗芯光纤的制备方法；包括石英管处理、预制棒组装、预制棒处理、激光拉丝步骤。本发明采用单晶硅、单晶锗组成内填充材料，填充到一端预先封闭的石英空芯管，组装成制成预制棒；单晶硅、单晶锗可采用半圆柱棒拼接、薄片交替叠加和粉末均匀混合的组合结构，灵活性高。本发明采用激光对预制棒进行加热直至石英管软化拉丝，硅材料和锗材料通过石英传导热达到熔融态，两种材料混合后为无限固溶体，可形成硅锗合金。本发明提供的制备方法，解决了现有技术中硅锗合金偏析的问题，实现了组分均匀的二元单相合金材料，制得了单晶形态的硅锗纤芯，改善了硅锗芯光纤的性能。

技术领域

本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种激光拉丝硅锗芯光纤制备方法。

背景技术

纯硅芯光纤、纯锗芯光纤具有高导热性、宽透明窗口和高折射率等特点，广泛应用于是红外传输、传感以及全光系统。硅和锗是任意比混溶固溶体，它们构成的混溶体被称为硅锗合金。硅锗合金的许多物理性质直接受到组分的影响，其能隙可以通过调整组分实现精确设定，因此，具有“第二代硅微电子材料”之称。在光学领域，硅锗合金具有良好的光电特性、非线性特性以及中红外可透明传输等特点，将该材料引入光纤波导结构，将能扩大光纤的功能，具有制备全光网络器件的潜力。

传统石英光纤制备方法通常使用石墨炉拉丝塔，具有工艺成熟、温度稳定等特点。石墨拉丝技术现也被用于制备硅锗芯光纤。如文献《基于光纤熔接与抛磨技术的硅锗芯光纤F-P腔温度传感器》(光通信技术,2020)公开了一种硅锗芯光纤的制备方法：采用管棒法拉制而成；将单晶硅半圆棒和单晶锗半圆棒拼接在一起，置于一端封闭的石英预制棒中，预制棒的一端和真空泵相连接并固定在拉丝塔上端；通过石墨炉熔融制成和光纤拉丝工艺，制备出硅锗光纤。但是，由于石墨炉温区长度过长、炉内温度梯度不高的特点，易导致硅锗合金的固-液界面与液相中的最高温度的距离较大，生长界面前沿的温度梯度较低；而且硅锗合金的固相线和液相线存在很大的分离，当生长界面前沿的温度梯度较低时，极易发生组分过冷，造成组分偏析。因此，采用石墨炉拉丝塔拉制硅锗芯光纤，硅锗芯光纤组分偏析十分严重，组分不均匀导致纤芯折射会发生波动，引起较高的散射损耗，影响硅锗芯光纤的性能。

随着大功率技术的发展，激光拉丝技术逐渐被用于光纤制备。激光拉丝技术与石墨炉拉丝技术相比，具有加热能量易控制、作用时间短、作用区域小等优点。激光拉丝技术现已被用于单晶硅芯光纤、单晶锗芯光纤。

如公开号为CN109669232A的专利公开了一种单晶半导体芯光纤及其制备方法；纤芯为半导体材料Si或Ge等，包层由玻璃毛细管收缩而成，有良好的芯包结构。制备方法为：(1)单晶半导体芯的制备：湿法腐蚀单晶半导体棒；(2)包层毛细管的处理：锗材料用低硼硅玻璃毛细管，硅纤芯则选取软化温度更高的高硼硅玻璃毛细管，处理之前可将毛细管进行超声清洗处理，处理完成后，选取适配尺寸的石英尾纤或是单模光纤从毛细管一端塞入至1/4-1/3管长处，随后通过热处理将该端软化封实；(3)光纤预制棒的组装：将腐蚀后的单晶六棱柱细芯装填进一端封实处理后的玻璃毛细管中，由于底端支撑，所以细芯将于管中部停靠，管的上端不用封实处理；将此管上端用高温胶带绑在石英细棒末端上，石英细棒上端与一小段粗的石英棒相连，该石英棒的尺寸能正好卡在一个带二维调整架的夹具上，此夹具固定在拉丝塔送棒装置上；(4)基于CO₂激光拉丝系统的光纤成形。

目前还没有关于激光拉丝技术制备硅锗芯光纤、解决硅锗合金偏析的研究。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种使用激光作为加热源，提高硅锗合金生长界面前沿的温度梯度，对单质硅和锗混合材料的预制棒进行拉丝的硅锗芯光纤制备方法。

具体技术方案如下：

一种激光拉丝硅锗芯光纤制备方法，包括以下步骤：

(1)石英管处理：通过石墨炉均匀加热，将石英空芯管的下端收细密封；