氟磷共掺杂二氧化硅光纤预制棒的晶化

论文摘要

二氧化硅玻璃是光电子应用中的重要材料,如Ge掺杂二氧化硅玻璃制备的光纤已经广泛应用于光信息系统中。由于玻璃材料本身具有反演对称性,没有二阶光学非线性。这使得玻璃材料只能应用于产生三阶以上的光学非线性。由于二氧化硅光纤与现有光网络匹配性能好而且成本较低,所以对该材料进行各种加工处理、改变其内部结构、从而使之具有二阶光学非线性的研究具有重要意义。掺杂并热处理诱发晶化就是其中一种重要的方法。本文对氟和磷共掺杂二氧化硅光纤预制棒经高温退火处理后的晶化进行了深入的分析研究。样品由改进的化学气相沉淀法（MCVD）制备,加热到1150℃并保持6小时,然后在室温下冷却,用光学显微镜（OM）观察到了其表面发生晶化的现象,用X-射线衍射仪（XRD）做了进一步观测。玻璃晶化一般属于表面晶化,晶化层厚度很有限,大大限制了其应用前景。本文对氟磷共掺杂二氧化硅玻璃光纤预制棒样品的体内晶化做了观测,去除表面晶化层后,用扫描电子显微镜（SEM）和XRD检测,仍能观测到晶化现象。这对样品获得更好的应用前景有重要意义。由X射线衍射图谱,分析其主要晶相为β-方石英,晶粒大小约为50-100nm。由于β-方石英属于四方晶系,不具备反演对称性,具有二阶光学非线性。分析光纤预制棒的结晶过程,得出F掺杂在结晶过程中起了主要作用。同时,也观测到了加热后样品芯层包层结构的不均匀现象,称为“星爆式（starburst）”的特征。这种结构的不均匀容易造成光传输过程中的散射损失,是造成光纤传输额外损耗的重要原因。造成这种结构不均匀的主要原因是芯层和包层问粘性和热膨胀系数的不匹配。最后讨论了晶粒大小对晶化后玻璃二阶光学非线性的影响,分析了光纤内部生成晶体后对光纤散射损耗的影响,计算了不同晶体大小增加的光纤散射损耗的大小。综合考虑晶体大小对其二阶光学非线性性能及散射损耗的影响,得出纳米量级的晶体会有更好的应用价值。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 主要研究工作和意义
• 1.3 本章小结
• 第二章 光纤预制棒表面晶化的实验研究
• 2.1 实验方法
• 2.2 实验样品
• 2.3 实验仪器
• 2.4 光纤预制棒的表面晶化
• 2.4.1 实验过程
• 2.4.2 光学显微镜观测
• 2.4.3 X-射线衍射图谱
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤预制棒体晶化及其它特征的实验研究
• 3.1 实验过程
• 3.2 扫描电子显微镜观测
• 3.3 X-射线衍射图谱
• 3.4 光纤预制棒层边界的结构变化
• 3.5 本章小结
• 第四章 结晶过程及结果分析
• 4.1 实验方法的分析
• 4.2 结晶过程分析
• 2的多晶转变'>4.2.1 SiO₂的多晶转变
• 2系统的相平衡'>4.2.2 SiO₂系统的相平衡
• 4.2.3 β-方石英的形成过程
• 4.3 芯层边界的结构变化的原因
• 4.4 本章小结
• 第五章 晶化对非线性与散射损耗的影响
• 5.1 晶粒大小估算
• 5.2 晶化对非线性的影响
• 5.2.1 相位匹配
• 5.2.2 晶体大小对非线性的影响
• 5.3 晶化对光纤损耗的影响
• 5.4 晶化层厚度对非线性的影响
• 5.5 本章小结
• 工作展望
• 结论
• 参考文献
• 附录 A
• 作者简历
• 学位论文数据集