硅锗半导体芯石英包层光纤的制备与特性研究

The project proposed to create a new type of Si1-xGex core silica cladding optical fiber (SiGe fiber). By tuning the fraction of each ingredient of the SiGe material and the stresses frozen inside the core/cladding interface with the laser annealing method, the band gap regulation of the Si1-xGex core material will be explored so that using the SiGe core fiber can detect lightwave around 1.5μm optical communication band. The project will focus on the preparation method of SiGe semiconductor core fiber, as well as the scientific issues contained in the preparation process. Combination methods of rod-in-tube and powder-in-tube will be adopted to fabricate SiGe fiber. SiGe semiconductor formation mechanism, loss origin, microstructure of material and fiber optics properties will be studied experimentally to the relations of fiber material microstructure and the energy band structure. The project will establish a theoretical model of SiGe core fiber bandgap regulation, clarify the relations of stress of core/cladding interface, the fraction of each ingredient, fiber preparation and laser post-processing method with the optical absorption spectra and band gap structure, and acquire the key technology to fabricate new SiGe core fiber. The project offers a new clue to the semiconductor bandgap engineering applications in optical fiber waveguides, as well as a proactive step to extend silicon photonics research to the field of optical fiber.

本项目提出研制一种新型的Si1-xGex硅锗芯石英包层光纤，探索通过硅锗材料组分配比、芯包界面的应力作用以及激光辐照后处理等方法，进行Si1-xGex芯区材料的带隙调控，实现硅锗芯光纤作为吸收区的1.5μm通信波段的光探测。项目将重点研究硅锗半导体芯光纤的制备方法，以及光纤制备过程中所包含的科学问题。拟采用棒套管与粉末套管相结合的方法制备光纤，实验研究硅锗半导体芯光纤的形成机理、损耗机理，材料微结构和光纤光学特性，分析光纤材料微结构与能带结构的关系。项目将建立硅锗芯光纤带隙调控的理论模型，掌握包括芯包应力、材料组分配比、制备方法及激光后处理方法与光纤吸收谱、带隙结构的关系，形成一套制备新型硅锗芯光纤的关键技术。本项目研究为半导体能带工程在光纤波导中的应用提供了新的思路，也是一次将硅光子学研究拓展到光纤领域的积极尝试。

本项目以研制一种新型的Si1-xGex硅锗芯石英包层光纤为主要目标。主要研究内容包括：硅锗半导体芯光纤的制备、特性表征、激光再结晶等后处理方法研究，以及基于硅锗芯石英包层光纤法-珀腔的光探测特性研究等。首先，项目组基于p-Si，n-Si，本征Si和p-Ge，n-Ge，本征锗等不同光纤材料，采用粉末套管法、半圆棒拼接法和管棒法等多种方式制备了硅锗芯石英包层光纤。其次，研究了硅锗芯光纤的激光后处理方法，对激光再结晶获得组分均匀的单晶硅锗芯石英包层光纤的条件进行了理论分析和实验验证。实验研究了不同条件下激光再结晶前后硅锗芯光纤的特性，并通过硅锗芯光纤的元素分布，能谱定量分析，拉曼光谱分析，EBSD晶向分析等光纤特性分析，实验研究了硅锗芯石英包层光纤的形成机理、损耗机理，材料微结构、组分及应力分布等与光纤制备及后处理方法的关系。再次，建立了激光拉丝过程的仿真模型，研究了激光拉丝制备半导体芯光纤的动态过程，分析了激光拉丝的动态过程、不同拉丝条件对预制棒温区及轮廓的影响。通过理论分析和光纤特性等实验研究，研究了包括芯包应力、材料配比等光纤制备及后处理方法与光纤特性的关系。最后，制备了硅锗芯光纤法-珀腔，研究了其温度特性和光探测特性，实现了全光纤结构的纤内光功率探测。经过四年的理论及实验研究，已圆满完成了项目任务要求，成功制备的Si1-xGex芯石英包层光纤及硅锗芯光纤法-珀腔达到了以下技术指标：(1) 硅锗芯光纤单晶区长度>2cm，在4.8μm波段，损耗约0.3dB/cm；（2）硅锗芯光纤法-珀腔的温度灵敏度达114pm/℃，光功率灵敏度达1.04-1.72nm/mW。发表标注基金资助的SCI/EI收录论文15篇，申请发明专利5项，培养研究生8名，与国内外同行开展了学术交流与合作研究。