一种激光拉丝硅锗芯光纤制备方法
阅读说明：本技术 一种激光拉丝硅锗芯光纤制备方法 (Preparation method of laser-drawn silicon germanium core optical fiber ) 是由 陈娜 何建 王廷云 陈振宜 庞拂飞 赵子文 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：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。(The invention belongs to the technical field of optical fibers, and particularly relates to a method for preparing a silicon germanium core optical fiber by laser drawing; the method comprises the steps of quartz tube treatment, prefabricated rod assembly, prefabricated rod treatment and laser wire drawing. The invention adopts monocrystalline silicon and monocrystalline germanium to form filling materials, and the filling materials are filled into a quartz hollow tube with one end closed in advance to be assembled into a prefabricated rod; the monocrystalline silicon and the monocrystalline germanium can adopt a combined structure of splicing the semi-cylindrical rods, alternately superposing the thin slices and uniformly mixing the powder, and the flexibility is high. The invention adopts laser to heat the prefabricated rod until the quartz tube is softened and drawn, the silicon material and the germanium material are melted by the heat conduction of the quartz, and the two materials are mixed into an infinite solid solution to form the silicon-germanium alloy. The preparation method provided by the invention solves the problem of silicon germanium alloy segregation in the prior art, realizes a binary single-phase alloy material with uniform components, prepares a single-crystal silicon germanium fiber core, and improves the performance of the silicon germanium fiber core.)
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；
(2)预制棒组装：将半圆柱硅棒和半圆柱锗棒拼接成圆柱形状或者硅和锗圆片交替叠加形式或者硅和锗粉末混合均匀形式，作为内填充材料，装入步骤(1)的石英空芯管内，组装成预制棒；
(3)预制棒处理：组装好的预制棒上端石英管与真空泵管路密封连接，调节管内压力，避免纤芯材料氧化；
(4)激光拉丝：
a、将预制棒放入激光拉丝塔，设定恒定激光功率对预制棒进行加热直至软化，在其自身重力的作用下进行拉丝；
b、调整激光功率，降低因预制棒收细而增加激光功率密度，避免熔断发生，实现稳定拉丝；
c、稳定拉丝时维持激光功率使温度梯度达到约104℃/cm，拉丝速度根据组分比进行调整，最快拉丝速度不超过50mm/min；拉丝完成，冷却形成硅锗芯光纤。
本发明研究采用激光对不均匀硅锗芯光纤进行热处理，发现激光热处理可以抑制组分偏析，并通过仿真模型对激光拉丝条件进行了筛选研究，并结合组分过冷理论进行了验证。结果发现，稳定拉丝时维持激光功率使温度梯度达到约104℃/cm，拉丝速度不超过50mm/min，可获得组分均匀的硅锗芯光纤。
优选地，所述内层填充材料为纯度99.999％单晶硅和纯度99.999％单晶锗。
优选地，所述激光拉丝塔，包括二氧化碳激光器和光路模组，激光作用区大小可调节。激光作为热源，温度梯度高，温度响应速度快，能够提供很高的生长界面前沿温度梯度。
需要说明的是，在硅含低于25at％或锗含量低于25at％的硅锗芯光纤制备时，宜选用粉末均匀混合形式；在硅和锗组分较为接近40at％-60at％，采用另外两种形式(半圆柱硅棒和锗棒拼接成圆柱形状、硅和锗圆片交替叠加形式)，这样可使硅和锗能同时被加热并熔化。
需要说明的是，预制棒的石英空芯管可以进掺杂，对石英材料的熔点和粘度等热学参数进行修改，以适应不同组分比的硅锗芯光纤的拉制，降低硅锗合金材料与石英层因膨胀系数不匹配而产生较大应变的问题。
需要说明的是，激光拉丝过程可以进行多次，进行二次拉丝时，由于硅锗预制棒直径得到缩减，所需的激光作用区长度可以进一步缩小，以此提高温度梯度，进一步优化硅锗光纤性能。
本发明还提供了一种上述制备方法所制得的硅锗光纤性，包括纤芯和包层，纤芯为硅锗合金，包层为石英；芯层与包层界面光滑，光纤尺寸均匀。
本发明的有益效果在于：
硅锗合金是易发生组分偏析的二元单相材料，偏析严重会出现硅和锗和硅锗合金材料共存的现象，影响硅锗芯光纤性能。本发明通过对预制棒、激光技术进行研究，提供了一种硅锗芯光纤制备方法，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电化学性能和光学性能。
激光拉丝具有作用区域小，温度梯度高的特点。本发明通过对光拉丝硅锗纤芯激进行研究，大大的提高了硅锗合金生长界面前沿的温度梯度，能达到抑制组分过冷的效果，降低了硅锗合金的组分偏析，有利于单晶生长，改善光纤性能；利用光束可调节的特点，提高了拉丝温区控制的灵活性；而且熔融态的硅锗材料粘度小于熔融石英材料，在拉制过程中能保持很好的流动性，与石英包层形成完美贴合从而形成光滑芯包界面的硅锗芯光纤。本发明提供的制备方法对不同半导体芯光纤的适用性好，改善了石墨炉拉丝生长晶体芯光纤时温度梯度不高的问题。
本发明提供的技术方案，预制棒填充材料的多种组合方式丰富了硅锗合金的组分配比方式；硅锗芯光纤的纤芯组分过冷程度低，光纤性能更加优越；制备方法灵活性较高。
附图说明
图1为预制棒中单晶硅、单晶锗的3种组合结构,1-预先收细密封的石英空芯管、2-半圆柱锗棒、3-半圆柱硅棒、4-锗薄片、5-硅薄片、6-硅粉末颗粒、7-锗粉末颗粒。
图2为硅锗芯光纤的制备工艺流程图。
图3为石墨炉拉丝组分偏析图。
图4为激光热处理抑制组分偏析结果图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1
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：取外径为6mm、内径1mm的石英空芯管，通过石墨炉均匀加热，将石英空芯管的下端收细密封；
(2)预制棒组装：将半圆柱硅棒和半圆柱锗棒拼接成圆柱形状，作为内填充材料，装入步骤(1)的石英空芯管内，组装成预制棒；其中内填充材料中半圆柱硅棒的含量为47at％；
(3)预制棒处理：组装好的预制棒上端使用塞子填实，接入真空泵进行真空处理，避免纤芯材料氧化；
(4)激光拉丝：
a、将预制棒放入激光拉丝塔，设定激光功率为210W，激光光束转换为光环，作用区长度为13mm,光环均匀的照射在预制棒表面，对预制棒进行加热直至软化，在其自身重力的作用下进行拉丝；
b、缓慢调整激光功率为180W，降低因预制棒收细而增加激光功率密度，避免熔断发生；调整预制棒的送入速度为0.2mm/min，实现稳定拉丝；
c、稳定拉丝时，激光功率使温度梯度达到约104℃/cm，设置拉丝速度为46mm/min，拉丝完成，冷却形成硅锗芯光纤。
根据实施例1的技术方案进行仿真实验，制得硅锗芯光纤。将所制的硅锗芯光纤通过光学显微镜测量和EDS检测验证，结果发现硅锗芯光纤的显微镜光学图像衬度一致，EDS能谱图显示硅元素和锗元素均匀分布；说明本发明提供的技术方案有效的解决了硅锗合金偏析的问题，所制得的硅锗芯光纤组分均匀。
本发明对硅和锗粉末混合均匀形式、硅和锗圆片交替叠加形式两种组合结构的预制棒进行了仿真实验：调整激光拉丝塔的功率、预制棒的送入速度使预制棒软化，然后调整激光率、预制棒送入速度使预制棒实现稳定拉丝；稳定拉丝时维持激光功率使温度梯度达到约104℃/cm，最快拉丝速度不超过50mm/min；拉丝完成，冷却形成硅锗芯光纤。对所制得的硅锗芯光纤进行光学显微镜测量和EDS检测验证，结果显示，硅和锗粉末混合均匀形式、硅和锗圆片交替叠加形式两种组合结构的预制棒均能获得组分均匀的硅锗芯光纤。
对比例1石墨拉丝制备硅锗光纤
首先是预制棒的制作，准备外径大约为12mm的纯石英管，将石英管一端收实用于引丝，同时防止拉制时熔融的硅锗材料从石英管中流出。然后将纯度大为99.999％直径为2.5mm的半圆锗棒和硅棒一起放入预制棒中。预制棒的另一端和真空泵相连固定在拉丝塔上。拉制时真空泵提供近似真空状态，防止纤芯大在高温下产生氧化物。将石墨炉升温到2200℃，通过拉丝塔控制系统，将预制棒缓慢放入石墨炉中。用引丝棒成引丝后，将光纤依次穿过牵引轮、丝径仪、涂覆装置、拉丝轮和收丝盘。
根据对比例1的技术方案进行仿真实验；可得如图3所示的硅锗芯光纤，从图3中可看出，硅锗芯光纤出现明显大小不同的明暗区域；说明石墨拉丝制备的硅锗芯光纤出现了明显的偏析现象。
本发明研究采用激光热处理方法对对比例1所制得的组分不均匀的硅锗芯光纤进行处理，发现过激光热处理可以抑制组分偏析；并对激光热处理条件进行了优化研究，研究结果发现，激光热处理条件为激光光斑大小160微米、激光功率0.7W、扫描速度0.3mm/s(18mm/min)，能最大限度地抑制组分偏析，可获得如图4所示的硅锗芯光纤；从图4中可看出，硅锗芯光纤未出现明显大小不同的明暗区域，验证了激光热处理能抑制硅锗芯光纤的组分偏析。
在此有必要指出的是，以上实施例和试验例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定，本领域技术人员作出的非突出实质性特征和显著进步的发明创造，仍然属于本发明的保护范畴。