摘 要：文章主要就石英光纖在現(xiàn)階段的一些特定用途而展現(xiàn)的特性作闡述。主要包括石英光纖的摻雜特性、光學(xué)特性做描述；后面會(huì)針對(duì)石英光纖在當(dāng)代的主要制作工藝進(jìn)行詳細(xì)的介紹。除此，在最后的部分作者就當(dāng)前最新的光纖傳感器作了相應(yīng)的描述。

關(guān)鍵詞：石英光纖；光纖傳感器；研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0062-02

Abstract： In this paper， the characteristics of silica optical fiber in some special applications at the present stage are described. It mainly includes the doping characteristics and optical properties of the silica fiber. The main fabrication process of the quartz fiber in the contemporary will be introduced in detail. In the last part， the author describes the latest optical fiber sensors.

Keywords： quartz optical fiber； optical fiber sensor； research

1 基于石英光纖的光敏特性的概述

紫外光誘導(dǎo)折射率變化形成永久性光纖光柵是由于Si-Ge缺陷所致[1]。在此后的討論中，作者主要是通過(guò)基于摻雜后的石英光纖的光學(xué)特性的一個(gè)方向——紫外光誘導(dǎo)光敏特性進(jìn)行說(shuō)明。

摻雜離子鍺是輻射誘導(dǎo)缺陷機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的主要原因之一。根據(jù)紫外光照射前后對(duì)比各種缺陷濃度的測(cè)量結(jié)果即摻鍺石英光纖材料的紫外吸收譜，幾乎可以斷定的是摻鍺石英光纖材料光敏特性的主要來(lái)源之一是紫外光照下光纖材料缺氧鍺缺陷的光電離。除此，基于載氫參量如壓力、時(shí)間對(duì)石英光纖材料折射率的改變可以進(jìn)而對(duì)石英光纖光敏性改進(jìn)。

2 基于石英光纖摻雜特性的研究

2.0μm摻銩光纖激光器和傳統(tǒng)摻鉺光纖激光器和傳統(tǒng)的摻鐿光纖激光器相比有更高的受激布里淵散射（SBS）和受激拉曼散射閾值（SRS）閾值，在輸出窄線寬和高脈沖能量方面有更大的優(yōu)勢(shì)。

摻銩光纖放大器主要包括功率放大器和光纖預(yù)放大器，其中摻銩光纖預(yù)放大器主要構(gòu)成為（2+1）×1的抽運(yùn)合束器、6m長(zhǎng)的雙包層單模摻銩光纖、總輸出功率為10W的多模半導(dǎo)體激光器、該摻銩增益光纖的內(nèi)包層直徑為130μm，直徑為10.0μm，并且增益光纖在790nm處包層抽運(yùn)吸收率大約為3dB/m。除此，摻銩光纖放大器主要包括（2+1）×1的抽運(yùn)合束器、4.7m長(zhǎng)的大模場(chǎng)面積雙包層摻銩光纖、總輸出功率為69W的6個(gè)790nm半導(dǎo)體激光器、該摻銩增益光纖的內(nèi)包層直徑為400μm，直徑為20.0μm，該增益光纖在790nm處包層抽運(yùn)吸收率大約為4.5dB/m[2]。

3 基于石英光纖的制作工藝概述[3]

3.1 改進(jìn)型氣相沉積工藝

目前商用的稀土摻雜光纖預(yù)制棒最主要的工藝即為MCVD結(jié)合溶液摻雜法的工藝。所謂溶液摻雜法即從沉積車(chē)床取下內(nèi)壁沉積有疏松SiO2層的石英沉積管，并且將其豎直浸潤(rùn)于摻雜有稀土離子和共摻離子的溶液中，經(jīng)過(guò)大約一小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間后，等待摻雜離子進(jìn)入至疏松新層，然后將沉積管裝回沉積車(chē)床，經(jīng)過(guò)一系列的工藝如干燥、燒結(jié)、縮棒等處理，最終得到光纖的預(yù)制棒。該方法制備的損耗低、光學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)異、由于簡(jiǎn)便靈活而應(yīng)用廣泛。然而，為適應(yīng)高功率激光器對(duì)大模場(chǎng)直徑的要求，在200℃具有較高蒸汽壓的稀土螯合物應(yīng)運(yùn)而生，由于產(chǎn)生氣相的設(shè)備較為簡(jiǎn)單，因此它相比于稀土離子的氧化物具有更大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)200℃具有較高蒸汽壓的稀土螯合物在傳輸過(guò)程中不易發(fā)生凝結(jié)，因而可以實(shí)現(xiàn)與SiCl4的共沉積。

除此，在線溶液摻雜工藝改變了傳統(tǒng)溶液中豎向放置位置。南安普頓大學(xué)光電子研究中心提出了稀土摻雜物直接在沉積車(chē)床上的沉積管的內(nèi)部靠近沉積區(qū)外加熱，即化學(xué)坩堝沉積法；這對(duì)于增加沿套管長(zhǎng)度方向摻雜物質(zhì)的均勻性十分有利。

3.2 外部氣相沉積工藝

利用OVD制備稀土摻雜石英芯棒的工藝是美國(guó)康寧公司開(kāi)發(fā)的，這種方法以氧氣作為載氣，燒嘴處接受含有Yb、Al的氣相前驅(qū)物（Yb、Al的金屬有機(jī)螯合物），這樣可以使其在氫氧焰處發(fā)生水解反應(yīng)生成粉塵微粒并沉積在基棒（通常為Al2O3陶瓷或高純石墨材質(zhì)）上。最后通過(guò)移除基棒，將帶有中心孔的疏松棒體放入高溫爐內(nèi)進(jìn)行純化、燒結(jié)等處理以得到無(wú)氣泡的透明的實(shí)心玻璃棒，即為芯棒。

3.3 納米粒子直接摻雜

還有一種類(lèi)似OVD技術(shù)的納米粒子直接沉積工藝是由美國(guó)nLIGHT公司開(kāi)發(fā)。而DND區(qū)別于OVD工藝的地方是，DND工藝是分別用氫氧焰加熱通過(guò)兩個(gè)燒嘴注入稀土化合物和其他共摻化合物等原子化的液體物料及SiCl4等氣體物料，該方法通過(guò)物料在氫氧焰處發(fā)生反應(yīng)已達(dá)到部分反應(yīng)物以顆粒的形式直接沉積在基棒上。通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制可以實(shí)現(xiàn)注入兩個(gè)燒嘴的物料的量的精確比例。當(dāng)沉積過(guò)程完成后，移去基棒，在高溫爐內(nèi)通過(guò)干燥、清潔、燒結(jié)和縮棒等工藝就可以得到實(shí)心的芯棒。在熱處理之前在芯棒外套上圓形或者其他特定形狀的石英套管后，經(jīng)熱處理工藝即得到預(yù)制棒。

4 新型光纖傳感結(jié)構(gòu)[4]

4.1 光纖光柵傳感器

FBG傳感器是基于分布式結(jié)構(gòu)的靈敏度高傳感器。它的目的是在一根光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。對(duì)于實(shí)際的大型器件及工程進(jìn)行安全檢測(cè)而言該傳感器具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)在化工生產(chǎn)中它更可以替代其他類(lèi)型的化工生產(chǎn)傳感器。由于該光纖光柵傳感器的交叉?zhèn)鞲徐`敏度，如溫度與應(yīng)力交叉的傳感低于單一傳感器的靈敏度，所以該傳感器并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于實(shí)際過(guò)程中。

4.2 陣列復(fù)用傳感系統(tǒng)

陣列復(fù)用傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是采用復(fù)用、空分復(fù)用、時(shí)隙復(fù)用等方式進(jìn)行傳輸。它陣列化了單點(diǎn)光纖傳感器并以此在三維空間實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分時(shí)或者同時(shí)傳輸信號(hào)。采用WDM/TDM的FBG型陣列系統(tǒng)與各種復(fù)用技術(shù)兼容，它可以在應(yīng)力多點(diǎn)采集的分布式系統(tǒng)同時(shí)完成對(duì)溫度以及應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集及測(cè)量，應(yīng)用十分廣泛。

4.3 分布式光纖傳感系統(tǒng)

分布式光纖傳感器以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的傳感為宗旨而設(shè)計(jì)。目前基于散射機(jī)理的分布式傳感系統(tǒng)是分布式傳感器的一個(gè)研究熱點(diǎn)。該種技術(shù)涉及后向瑞利散射分布式光纖傳感技術(shù)，前向傳輸模耦合技術(shù)。

4.4 智能化光纖傳感系統(tǒng)

光纖傳感與通信技術(shù)和當(dāng)今成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合是光纖傳感器的智能化主要體現(xiàn)。智能化光纖傳感系統(tǒng)也在很多新的領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用，例如在智能材料、聲發(fā)射檢測(cè)、石油勘探等一些實(shí)際工程案例中具有良好的應(yīng)用。

4.5 摻雜光纖放大器發(fā)展及其應(yīng)用

而EDTFA可以工作在整個(gè)C+L波段。在L波段（1581-1616nm）EDTFA的噪聲和增益特性在2000年被A.Mori首次報(bào)道。

EDTFA與EDFA的工作原理相同，但是EDTFA改善了EDFA的石英基而采用碲酸鹽玻璃基質(zhì)。這樣增大了鉺離子的受激發(fā)射截面和增益帶寬，同時(shí)較氟化物玻璃有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。

5 總結(jié)與展望

石英作為最基本的光纖材料在光纖的發(fā)展史上獨(dú)樹(shù)一幟，成為了每一個(gè)團(tuán)隊(duì)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。在文章中，作者主要就石英光纖材料的特性做了詳細(xì)的概述。在基于石英光纖材料特性的基礎(chǔ)上可以方便讀者理解石英光纖成為光纖材料研究熱門(mén)的原因。在石英光纖材料的眾多研究中，光纖傳感成為了研究的熱點(diǎn)之一。在文章的后半部分作者羅列了有關(guān)光纖傳感的一系列應(yīng)用，可見(jiàn)光纖傳感，特別是基于基本石英材料的光纖傳感已經(jīng)成為了光纖發(fā)展史上濃墨重彩的一筆。在此，作者謹(jǐn)向?yàn)楣饫w材料發(fā)展做過(guò)貢獻(xiàn)的每一位研究者以及作者團(tuán)隊(duì)的每一位成員致以最崇高的謝意。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫英志，余重秀，林金桐.基于色心模型摻雜硼鍺光纖材料紫外光誘導(dǎo)光敏特性的實(shí)驗(yàn)分析[J].通信學(xué)報(bào)，2000.

[2]王璞，劉江.2.0μm摻銩超短脈沖光纖激光器研究進(jìn)展及展望

[J].中國(guó)激光，2013.

[3]劉雙，陳丹平.稀土摻雜石英光纖預(yù)制棒制備工藝最新進(jìn)展[J]，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013.

[4]吳軍玲.光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J].甘肅科技縱橫，2017.

[5]陳冀景.基于石英光纖材料的發(fā)展歷程以及當(dāng)今基于石英光纖材料從事研究和進(jìn)展方向概述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（25）：89-90.