氟化物光纤

以氟化物玻璃为材料制作的光纤

氟化物光纤是以氟化物玻璃为材料制作的光纤，主要工作在2-10μm波长的光传输业务。和硫系玻璃光纤比较，氟化物光纤具有较高的掺杂浓度和强度，以及高稳定和低背景损耗。

基本简介

氟化物（ZBLAN）玻璃中的氟化物离子单电荷和粘结强度低于石英玻璃。离子粘结强度越低导致较高的红外透明和较高的化学反应。ZBLAN玻璃的单峰红外边缘比石英玻璃的更长，但是稳定性和坚固性比石英玻璃差。这表明氟化物玻璃较脆需要特殊的涂层来改善强度。

用于光纤制造的光学玻璃应该是背景损耗越低越好，由于光纤长度相对较长。光学玻璃中的光传播损耗有内部和外部。内部有带隙吸收，瑞利散射，多光子吸收，带隙吸收和瑞利散射只在短波长，降低内损害能够获得通过转移多光子红外边缘到长波长。ZBLAN光纤的背景损耗高，由于在光纤制造过程中，外部散射和吸收相对来说难于控制。商业化的ZBLAN光纤的背景损耗小于50dB/km在0.5-3.5μm。

氟化物光纤是采用氟化物玻璃制作的光纤，例如，氟铝酸盐玻璃或者氟锆酸盐玻璃。这种玻璃中的阳离子通常为重金属，例如锆或者铅。氟锆酸盐玻璃（主要成分为ZrF4）是一个典型的例子，而其中最常见的为ZBLAN玻璃（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）。这种光纤可以掺杂很多稀土离子用于光纤激光器和放大器中。

氟化物光纤特点

1.氟化物光纤在中红外波长处具有很高的透明度，常见的石英玻璃在大于约2μm后会吸收光。

2.氟化物玻璃种的稀土掺杂离子作为宿主介质会降低多光子跃迁引起的淬灭过程的发生几率。因此，与石英光纤相比，很多电子能级的亚稳态寿命提高很多，可以实现激光产生。

3.与其它中红外透射的光纤相比，氟化物光纤的折射率相对较低，并且色散也很小。

氟化物光纤分类

按传输模式划分

氟化物光纤按传输模式分为单模和多模两种，单模氟化物光纤因其非线性特性显著，多用于超连续谱光源的制作，目前采用此方案制作的商用化超连续谱白光光源波长已拓展至4000nm；多模氟化物光纤纤芯尺寸可以做到450微米甚至更高，便于中红外激光的柔性能量传输。

按包层结构划分

按照包层结构分，可分为单包层结构，双包层结构等；一般在其纤芯掺杂不同重金属元素，做为激光增益介质，为了抑制双包层光纤中螺旋光的产生，对光纤包层几何结构做过诸多尝试，D形、矩形、八边形、六边形等多种结构出现。常见的掺杂元素为Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy，Ho，Er，Tm，Yb等多种，常见发射波长如图1所示。

氟化物光纤的应用

最初设想的氟化物光纤的应用是在光纤通信中，因为中红外光纤的损耗比石英光纤小，后者只有在约2微米时是透明的。但是，实际中可以与石英光纤比拟的低损耗并没有实现，并且氟化物光纤很脆和高成本也阻止了其商业化应用于这一领域。后来，将氟化物光纤应用到了其它的方面。第一种情况就是利用氟化物玻璃的中红外透明性，例如中红外光谱学，光纤传感器，温度测量和成像。另外，氟化物光纤可以传输Er:YAG激光器发出的2900nm的光，这在一些医学领域需要用到，例如眼科和牙科。在该领域也可以使用氧化物光纤，尤其是锗酸盐玻璃，通常也包含重金属。

另外，氟化物玻璃中多光子跃迁受到强烈抑制的性质对于实现各种光纤激光器和放大器也非常重要，尤其是各种稀土掺杂的上能态寿命足够长因此能够实现各种激光器跃迁，例如上转换激光器。例如，掺钍氟化物光纤可以用于蓝光上转换激光器中，掺铒氟化物光纤用于绿光上转换激光器。掺镨氟化物光纤可用于1300nm放大器和可见光光纤激光器中产生红光、橙光、绿光或者蓝光辐射。掺铒氟化物玻璃可以实现3μm光纤激光器，以及相比于掺铒光纤放大器（EDFAs）具有更宽和平坦增益的1500nm放大器。也可以将石英和氟化物光纤结合一起使用。

氟化物光纤的问题在于它很贵，并且由于其很脆很难操作（不能弯曲等），化学稳定性也有限。通常它们是吸湿的。

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