基于石英光纤材料的发展历程以及当今基于石英光纤材料从事研究和进展方向概述

陈冀景

摘 要：文章是相对于各种新型的光纤通信材料而以最原始的石英材料为主线讨论了石英光纤材料的发展、材料特性的一些研究以及结合作者的实验方向所作综述。全文共分为三个部分：第一部分是对整个石英光纤材料的发展及其研究历程做了概括，包括了石英光纤材料的发展历程、光学特性；第二部分是基于石英光纤的应用--光纤传感的发展与最新进程；第三部分是对整个光纤材料发展的展望以及基于WGM和微腔传感的一些作者的亲身体悟。

关键词：石英光纤材料；光纤传感；微腔传感

中图分类号：TN253 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0089-02

Abstract： This paper discusses the research on the development， properties and experimental direction of quartz optical fiber materials， in contrast with various new optical fiber communication materials， with the original quartz materials as the main line. The paper is divided into three parts： the first part summarizes the development and research process of quartz optical fiber material， including the development course and optical properties of quartz optical fiber material； the second part is the application based on quartz fiber-optical fiber sensing development and the latest progress； the third part is the prospect of the development of the entire optical fiber materials and some authors' personal experience based on WGM and micro-cavity sensing.

Keywords： quartz optical fiber material； optical fiber sensing； microcavity sensing

1 石英光纤材料的概述

1.1 石英系玻璃

石英之所以成为制作光纤的最理想的材料其原因如下：第一，石英可以达到近乎100%的纯度（6N），这是其他光纤材料如塑料光纤、晶体光纤所无法比拟的；第二，石英材料储量丰富，具有很低的开发成本，是日后大力发展光纤通信的前提；第三，石英具有可观的熔点和折射率特性，对于塑性、作光传输介质具有绝对优势；第四，在石英中可以掺杂多种不同的元素从而形成具有不同的光学特性的光纤，这也是石英作为光纤材料的根本优势。

在石英系玻璃中，我们可以通过掺入GeO2，P2O5，B2O3来制成不同折射率的光纤材料。也可以将其改变成分成为多组分玻璃，这是通常用作透镜的光学玻璃，比如SiO2、B2O3或P2O5通过引入网络修饰体等方法。

1.2 石英光纤特性

在此仅对石英光纤三个主要特性即光敏特性、石英光纤本身所具有的本征缺陷以及热处理所产生的缺陷做一下论述。对于石英光纤光敏特性的研究在一定程度上受制于实验环境与条件，因此对光敏特性并没有明确的体系架构，主要研究是基于掺杂的光敏特性，如掺锗。根据紫外光照射前后对掺锗石英光纤材料紫外吸收谱及各种缺陷浓度进行测量的结果，几乎可以肯定紫外光照射下光纤材料缺氧锗缺陷的光电离是掺锗石英光纤材料光敏性的主要来源之一。除此，基于载氢参量如压力、时间对石英光纤材料折射率的改变可以进而对石英光纤光敏性改进。对于掺锗石英光纤紫外光敏性效应的提出，以及基于光敏性机理提出的色心模型等，对石英光纤材料的光学特性已详述完备[1]。

对于光纤通信而言，免电磁干扰、抗核辐射已成为了光纤性能好坏的衡量依据。而掺杂就成为了石英光纤抗辐射性能的主要限制因素。基于上述的讨论，掺杂离子锗是辐射诱导缺陷结构产生的主要原因之一[2]。一种可行的方法就是特殊纤芯掺氮工艺。掺氮后氢与羟基含量迅速下降。由于羟基峰的吸收减少其工作波段可以为1310nm或1550nm。而且由于γ射线的照射下不易产生色心，其抗辐射性能大大提高。相比纯硅纤芯，内包层掺氟单模光纤具有一定优势[7-8]。但由于多方面因素，上述工艺未能应用于实际。

相比于掺杂所产生的缺陷——热处理，即温度的因素对石英光纤缺陷的产生机理会更加的复杂[4]。热处理引起的缺陷形成与初始前体有关（initialprecursors），它可以产生E'中心和NBOHCS等。這两种缺陷也与热处理温度以及前体和缺陷的转换频率有关[3]。

2 基于石英光纤材料应用——光纤传感的叙述

光纤传感器按照传感原理被分为两类：即功能型传感器和非功能型传感器。功能性传感以外界因素作为调制信号来调制光纤的传输光谱。而非功能性传感就是仅以光纤作为传输介质，而以其他敏感元件来感测被测量的变化。

2.1 光纤生物传感

生物传感旨在于区别传统的生物检测技术，通过生物制膜技术与镀膜技术使光纤与检测生物分子发生生化反应。采用光纤表面硅烷偶联技术而形成的生物素——链霉亲和素系统，即采用了抗原与抗体的特异性结合从而影响了光纤的传输特性[5]。

2.2 自然环境监测方面

由于森林环境资源面积辽阔，地形复杂等，微纳米光纤布拉格光栅、SMS（单-多-单模）光纤结构、LPFG等多种光纤传感器应运而生。由于制作简单、结构紧凑、成本低廉、灵敏度高等优点，可满足森林资源环境监测中对温度传感器、折射率传感器、多参量传感器的需求[5]。

2.3 锥形光纤与微腔传感

回音壁模式（WhisperingGalleryMode，WGM）光学微腔是建立在光纤传感理论基础上的新的光纤传感机制。与其相辅相成的结构即为锥形光纤（fusedtapperfiber）。将普通石英光纤通过一定加工工艺变成在中间锥区具有高激发模式的光場，通过将该光场与微腔耦合，即 逝场耦合以形成可以在微腔中振荡的WGM[6]。WGM微腔传感因其高的Q值和独特的耦合方式在光纤传感领域独树一帜，其几何示意图与耦合方式请见下图。

3 结束语

光纤材料在发展和演化中逐渐向商业化、工业化过渡。随着第五代光纤系统的问世，光纤材料的发展势必要迎合长波长、单模的要求[7]。随着新一代光源的问世，如掺铒光纤激光器[8]、多量子阱结构激光器[9]等，基本的石英光纤材料中更要具有不同的掺杂成分来满足与光源耦合的需要。在其他传感方面，光栅传感也应运而生[10]；除此，非线性光学传感[11]逐渐进入了研究的视野为光纤的结构与发展另辟蹊径；而WGM微腔传感也成为了石英光纤材料发展历程中的一个里程碑。

参考文献：

[1]李剑芝.掺锗石英光纤紫外光敏性的研究[D].武汉理工大学，2004.

[2]罗文芸.石英光纤材料辐射诱导缺陷的形成机理研究[D].上海大学，2013.

[3]Y.Hibino，H. Hanafusa，Journalofappliedphysics，60（1986）：1797.

[4]ZhongyinXiao，WenyunLuo，JianxiangWen，et. DefectInducedbyHeatedTreatmentinSilicaFiberMaterial[C].AdvencedMaterialsResearch，Vol.304（2011）：160-164.

[5]周雨萌.光纤传感技术在生化领域的应用研究[D].中国计量学院，2016.

[6]高严.薄壁柱对称微腔耦合系统设计及其实验研究[D].南京邮电大学，2017.

[7]王德荣.光纤与光纤材料技术分析及四川发展展望[J].通信与信息技术，1989.

[8]张晨芳.多波长掺铒光纤激光器和稀土掺杂光纤的研究[D].北京交通大学，2014.

[9]尹晋宏.高线性大功率多量子阱激光器的研究[D].太原理工大学，2017.

[10]庞丹丹.新型光纤光栅传感技术研究[D].山东大学，2014.

[11]胡君辉.基于瑞利和布里渊散射效应的光纤传感系统的研究[D].南京大学，2013.