多组分复合光纤的优化技术

随着研究的深入，复合玻璃光纤向两种以上的多组分复合方向发展。近年来，基于有机光学材料的多组分复合光纤与器件受到广泛关注。有机材料易与玻璃、金属以及半导体等复合，在制备多功能、低成本多组分复合光纤方面具有显著优势，将拓展现有光纤的功能和应用领域，用于可穿戴电子和生物医学等领域［7，10，206－208］。

目前，用于制备多组分复合光纤的有机基质材料一般为热塑性聚合物，常见的有聚醚砜（PES）、聚砜（polysulpone，PSU）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（polystyrene，PS）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）以及聚氨酯（polyurethane，PU）等，它们在特定光学波段均具有良好的透光性。通常，这些有机聚合物的玻璃化转变温度（Tg）较低，如表2－1所示［7］，因此可与无定形的硫系半导体材料（As2 Se3、As2 S3、As40 Se50 Te10 Sn5以及Ge15 As25 Se15 Te45等）和低熔点的金属（Sn、In、Bi以及它们的合金等）热拉成多组分复合光纤，实现视、听、传感以及通信等多种功能［7］。

表2－1　部分有机聚合物的玻璃化转变温度（Tg）［7］

Fink研究组基于有机材料对多组分复合光纤进行了初步探索，相关结果如图2－52a所示，第一种多组分复合光纤具有中空结构，由八层As2Se3（150 nm）和PEI（280 nm）组成多层介质膜全向反射镜［10］。通过多层介质膜结构，限制光子在光纤空心结构中的传输。在该多层介质膜的外围环形排列着直径为8μm的60根纤维状金属锡（Sn），用来传输电信号。整根光纤由绝缘的聚合物PES包裹，如图2－52b所示［10］。这种复合光纤的光场传输特性由其光子带隙决定，如图2－52c所示；外径为980μm、1030μm和1090μm的复合光纤的光子带隙分别为1.62μm、1.75μm和1.85μm［10］。另一方面，研究者也对该种复合光纤的光传输损耗做了细致的研究，研究结果表明，得益于多层介质膜的存在，传输的光信号被限制在复合光纤中空部分；内径为800μm的复合材料光纤典型的光传输损耗为4.9 dB/m，且在弯曲90°时（弯曲半径为6 cm）的弯曲损耗仅为0.9 dB，在同类中空聚合物光纤中损耗最低。通过在光纤输入和输出端口镀金，测试金属Sn的伏安特性，如图2－52d所示［10］。

与第一种空芯光纤不同，第二种多组分复合光纤如图2－53所示，光纤纤芯是光电导效应较好的非晶态半导体As40 Se50 Te10 Sn5玻璃［10］。通过调整硫系半导体玻璃组分，选择相匹配的金属电极和聚合物包层，组装成光纤预制棒，拉制出不同功能的多组分复合光纤。这种光纤可实现温度探测、相变存储、双向记忆开关以及化学传感等功能［7，209－215］。

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图2－52　一种可同时进行光和电信号传输的多组分复合光纤［10］

（a）端面SEM照片（插图显示的是八层As2Se3（150 nm）和PEI（280nm）组成的多层介质膜与其中一条金属锡纤维）；（b）外径1mm、长度1m的复合光纤；（c）外径分别为980μm、1030μm和1090μm的复合光纤归一化光学透射谱；（d）外径980μm、长度15cm的复合光纤伏安特性测试结果

图2－53　一种多组分复合光纤光电探测器［10］

（a）外径为650μm的复合光纤，纤芯为200μm硫系玻璃，纤芯外是PES聚合物和金属锡电极，外围有八对由硫化物As2 Se3/PEI聚合物组成的多层介质膜；（b）环形结构谐振腔的放大SEM照片；（c）从放大图中可见半导体纤芯与金属电极间完美接触

通过低温拉制的多组分复合光纤各组分间元素会相互扩散，特别是熔融态金属电极与半导体材料间的元素扩散，直接影响半导体性能。针对此问题，Fink研究组将导电材料与半导体隔离，构筑了包层为PC聚合物，纤芯为As2Se5玻璃，在纤芯两侧为导电聚合物CPE（carbon black polyethylene composite，炭黑/聚乙烯复合材料），导电聚合物与As2Se5半导体纤芯不接触，经过热拉后，As2Se5半导体仍具有较好的性能［213］。