硅芯光纤制备过程中动态特性的研究

The silicon core optical fiber can be made of a variety of key devices such as infrared transmission and sensing, Raman devices and Terahertz waveguide, which have the potential to be used in many cutting edge research fields. Compared with silica optical fiber, the mechanisms of silicon core optical fiber drawing and annealing are more complex, there are many key scientific problems, for instance, the formation mechanisms of microstructure and stress in the fiber. In this project, the dynamic characteristics of silicon optical fiber during drawing and annealing processes will be studied by temperature field simulation and First-principles molecular dynamics. The fibers will be made by carbon resistance furnace or CO2 laser, and some samples will be annealed by tube furnace or laser. This project will improve the performance of silicon optical fiber, and expand applications of silicon optical fiber.

硅芯光纤在宽带中红外传输和传感、拉曼光纤器件、太赫兹光波导等方面具有巨大的应用潜力。不同于普通石英光纤，硅芯光纤芯层/包层材料特性差异大，光纤拉制和后期处理过程中机理复杂，许多关键科学问题亟需解决，例如制备和退火过程中决定纤芯结晶状态和应力的物理机理。本项目以石墨炉加热拉丝和CO2激光拉丝为制备手段，管式炉加热和激光加热为退火方式，以温度场仿真、第一性原理分子动力学等方法，分析硅材料拉丝成纤及退火改性的动态特性，研究影响硅芯光纤晶体质量的关键因素。本项目将对提高硅芯光纤性能，扩大其应用领域有重要意义。

硅芯光纤具有对中红外光透明、高非线性、高拉曼增益等优异特性，在传感、生物医学、军事、拉曼光纤器件等领域有巨大的应用潜力。不同于普通石英光纤，半导体光纤芯包材料特性差异大，目前制备的硅芯光纤纤芯结晶质量较差，内部存在大量结构缺陷和较大的残余应力，光纤拉制和后期处理过程中机理复杂，很多理论问题都急需解决。由此，本项目以石墨炉加热拉丝和CO2激光拉丝制备硅芯光纤，分别使用马弗炉和CO2激光对硅芯光纤进行退火优化改性，以温度场仿真、分子动力学等方法，针对硅和锗材料拉丝成纤及退火改性的热力学、动力学问题进行研究。主要内容概括如下：. 使用分别使用石墨炉和CO2激光制备了硅芯光纤。利用马弗炉对硅芯光纤进行退火，研究了不同退火条件对硅芯光纤纤芯残余应力分布、结晶质量和光纤传输损耗的影响和物理机理。使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、共焦拉曼散射光谱mapping、X射线衍射（XRD）和光纤传输损耗系统对光纤样品进行测试分析。在所有马弗炉退火光纤样品中，1200 °C退火的光纤样品纤芯具有最小且分布最均匀的残余应力、最好的结晶质量和最低的传输损耗。研究结果表明，对于硅芯光纤，1200 °C是较为合适的退火温度。基于环状光路系统，使用CO2激光对固定在石英棒上的硅芯光纤进行退火研究，研究了不同的激光功率对硅芯光纤结晶质量和光纤传输损耗的影响。使用SEM 、EDS、XRD和光纤传输损耗系统对光纤样品进行测试分析。通过研究发现，在所有光纤样品中，325.5 W退火的光纤样品纤芯具有最好的结晶质量和最低的传输损耗。实验结果表明，在本实验室的实验条件下，325.5 W是CO2激光退火硅芯光纤中比较合适的退火功率。. 用有限元软件COMSOL Multiphysics对硅芯预制棒进行了温场分布仿真研究。使用分子动力学方法对芯包层交界区域做了动力学仿真研究。建立了相关理论模型。. 本项目的研究，将对提高半导体光纤性能，扩大其应用领域有重要意义。