[科普中國]-氟化物光纖

氟化物光纖是以氟化物玻璃為材料制作的光纖，主要工作在2-10μm波長的光傳輸業(yè)務(wù)。和硫系玻璃光纖比較，氟化物光纖具有較高的摻雜濃度和強度，以及高穩(wěn)定和低背景損耗。

概述氟化物（ZBLAN）玻璃中的氟化物離子單電荷和粘結(jié)強度低于石英玻璃。離子粘結(jié)強度越低導(dǎo)致較高的紅外透明和較高的化學(xué)反應(yīng)。ZBLAN玻璃的單峰紅外邊緣比石英玻璃的更長，但是穩(wěn)定性和堅固性比石英玻璃差。這表明氟化物玻璃較脆需要特殊的涂層來改善強度。

用于光纖制造的光學(xué)玻璃應(yīng)該是背景損耗越低越好，由于光纖長度相對較長。光學(xué)玻璃中的光傳播損耗有內(nèi)部和外部。內(nèi)部有帶隙吸收，瑞利散射，多光子吸收，帶隙吸收和瑞利散射只在短波長，降低內(nèi)損害能夠獲得通過轉(zhuǎn)移多光子紅外邊緣到長波長。ZBLAN光纖的背景損耗高，由于在光纖制造過程中，外部散射和吸收相對來說難于控制。到目前為止，商業(yè)化的ZBLAN光纖的背景損耗小于50dB/km在0.5-3.5μm。

氟化物光纖是采用氟化物玻璃制作的光纖，例如，氟鋁酸鹽玻璃或者氟鋯酸鹽玻璃。這種玻璃中的陽離子通常為重金屬，例如鋯或者鉛。氟鋯酸鹽玻璃（主要成分為ZrF4）是一個典型的例子，而其中最常見的為ZBLAN玻璃（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）。這種光纖可以摻雜很多稀土離子用于光纖激光器和放大器中。

氟化物光纖特點1.氟化物光纖在中紅外波長處具有很高的透明度，常見的石英玻璃在大于約2μm后會吸收光。

2.氟化物玻璃種的稀土摻雜離子作為宿主介質(zhì)會降低多光子躍遷引起的淬滅過程的發(fā)生幾率。因此，與石英光纖相比，很多電子能級的亞穩(wěn)態(tài)壽命提高很多，可以實現(xiàn)激光產(chǎn)生。

3.與其它中紅外透射的光纖相比，氟化物光纖的折射率相對較低，并且色散也很小。1

氟化物光纖分類按傳輸模式劃分氟化物光纖按傳輸模式分為單模和多模兩種，單模氟化物光纖因其非線性特性顯著，多用于超連續(xù)譜光源的制作，目前采用此方案制作的商用化超連續(xù)譜白光光源波長已拓展至4000nm；多模氟化物光纖纖芯尺寸可以做到450微米甚至更高，便于中紅外激光的柔性能量傳輸。2

按包層結(jié)構(gòu)劃分按照包層結(jié)構(gòu)分，可分為單包層結(jié)構(gòu)，雙包層結(jié)構(gòu)等；一般在其纖芯摻雜不同重金屬元素，做為激光增益介質(zhì)，為了抑制雙包層光纖中螺旋光的產(chǎn)生，對光纖包層幾何結(jié)構(gòu)做過諸多嘗試，D形、矩形、八邊形、六邊形等多種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。常見的摻雜元素為Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy，Ho，Er，Tm，Yb等多種，常見發(fā)射波長如圖1.

氟化物光纖的應(yīng)用最初設(shè)想的氟化物光纖的應(yīng)用是在光纖通信中，因為中紅外光纖的損耗比石英光纖小，后者只有在約2微米時是透明的。但是，實際中可以與石英光纖比擬的低損耗并沒有實現(xiàn)，并且氟化物光纖很脆和高成本也阻止了其商業(yè)化應(yīng)用于這一領(lǐng)域。后來，將氟化物光纖應(yīng)用到了其它的方面。第一種情況就是利用氟化物玻璃的中紅外透明性，例如中紅外光譜學(xué)，光纖傳感器，溫度測量和成像。另外，氟化物光纖可以傳輸Er:YAG激光器發(fā)出的2900nm的光，這在一些醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要用到，例如眼科和牙科。在該領(lǐng)域也可以使用氧化物光纖，尤其是鍺酸鹽玻璃，通常也包含重金屬。

另外，氟化物玻璃中多光子躍遷受到強烈抑制的性質(zhì)對于實現(xiàn)各種光纖激光器和放大器也非常重要，尤其是各種稀土摻雜的上能態(tài)壽命足夠長因此能夠?qū)崿F(xiàn)各種激光器躍遷，例如上轉(zhuǎn)換激光器。例如，摻釷氟化物光纖可以用于藍光上轉(zhuǎn)換激光器中，摻鉺氟化物光纖用于綠光上轉(zhuǎn)換激光器。3摻鐠氟化物光纖可用于1300nm放大器和可見光光纖激光器中產(chǎn)生紅光、橙光、綠光或者藍光輻射。摻鉺氟化物玻璃可以實現(xiàn)3μm光纖激光器，以及相比于摻鉺光纖放大器（EDFAs）具有更寬和平坦增益的1500nm放大器。也可以將石英和氟化物光纖結(jié)合一起使用。4

氟化物光纖的問題在于它很貴，并且由于其很脆很難操作（不能彎曲等），化學(xué)穩(wěn)定性也有限。通常它們是吸濕的。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)