一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的包层及其制备方法与流程

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种利用原子层沉积技术在蓝宝石单晶光纤表面沉积折射率沿光纤径向递减的氧化铝薄膜，得到在高温和高压下与蓝宝石光纤具有良好兼容性和稳定性的光纤包层，从而既解决了光在光纤内部传输时光损耗问题，又为光纤提供了有效的保护。

背景技术：

蓝宝石光纤物理化学性能稳定，熔点高(超过2000℃)，在0.3-4.0μm波段范围内透光性好，具有光波导的特点，在高温光纤传感和近红外传感等领域有很好的应用前景。但与石英光纤和聚合物光纤不同，蓝宝石光纤是无包层的单晶光纤，即裸光纤，如果没有坚固的保护包层，由于光纤上的沉积物，光很有可能会从光纤逸出，从而造成光损失。研究表明，氧化铝是一种理想的包层材料，主要有三方面原因：第一，多晶氧化铝的折射率约为1.6(折射率会随着密度的变化而有相应的区别)，略低于单晶氧化铝的折射率1.75,从而能够满足全反射的要求；第二，氧化铝的熔点高达2000℃，能够满足高温传感测试的要求；第三，氧化铝多晶具有多种形态(无定形、γ相、δ相、θ相和α相)，当温度高于1300℃时，所有的异构体都转换为α相。目前，在蓝宝石单晶光纤表面沉积包层的方法主要有三种：1)物理气相沉积，2)化学气相沉积，3)溶液法(溶胶-凝胶法)。物理气相沉积过程一般需要光纤旋转装置以实现包层材料的均匀覆盖，装置较为复杂。相比之下，后两种方法不需要复杂的旋转装置就可在纤维表面提供均匀的涂层。而溶胶-凝胶法制备的包层厚度与质量经常会受溶胶溶液的性质，光纤提拉镀膜速度的影响，导致涂层多孔，无法保证所制备包层的质量。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的包层及其制备方法。在不同沉积温度下，利用原子层沉积(ald)技术在蓝宝石单晶光纤表面分别沉积两层密度(折射率)不同的氧化铝薄膜，并进行退火，得到折射率沿光纤径向逐渐递减的包层。其原理为：通过控制ald沉积温度来调控获得的氧化铝薄膜的密度/折射率，并经过退火使其晶化，最终实现多晶氧化铝包层的折射率由内向外递减分布。这种折射率沿光纤径向递减的氧化铝包层能够最大限度地降低光纤进行长距离传输时的光损耗，并起到有效保护光纤的作用。

本发明通过如下技术方案实现：

一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的包层，所述包层的材料为多晶氧化铝，厚度为100-200nm，折射率为1.66-1.60。

一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的包层的制备方法，具体步骤如下：

(1)、蓝宝石单晶光纤的预处理；

取长度为30mm的蓝宝石单晶光纤，然后将蓝宝石单晶光纤依次置于丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗，时间分别为5-30min，并烘干备用；

(2)、样品的放置及反应腔体的准备；

首先，依次打开ald系统的总电源、冷水机电源、尾气处理电源，确保冷水循环制冷系统和尾气处理系统正常工作；然后，氩气氛围下，将清洗完毕的蓝宝石单晶光纤置于过渡室中，利用氧等离子体对光纤表面的化学键进行处理，处理时间10-30min；最后，待反应腔内的压强升至1个大气压后，放入蓝宝石单晶光纤，并关闭反应腔门；

(3)、利用原子层气相沉积法生长氧化铝薄膜；

首先，在ald系统中设置第一阶段沉积温度和第二阶段沉积温度分别为250℃和50℃，第一阶段升温时间为15-30min，第二阶段降温时间为30-60min，保温时间均为30-60min，对反应腔加热升温；然后，开启真空泵对反应腔进行抽气，直至腔内真空度达0.01torr；随后，持续通入惰性气体，使气压稳定在0.21torr；同时，在ald电脑端的控制程序中，依据两个阶段所需沉积氧化铝薄膜的折射率和厚度，进行沉积参数设定，包括沉积氧化铝所用前驱体三甲基铝(tma)和去离子水(h2o)各自的脉冲时间和清洗时间、载气的流量和循环次数；参数设定完毕后，打开反应源阀门，并点击程序中的“开始”，待反应腔内温度达到250℃时，进行第一阶段沉积，得到内层氧化铝薄膜；完成后，开始降温，待反应腔内温度降至50℃后，进行第二阶段沉积，得到外层氧化铝薄膜，即形成所需双层氧化铝薄膜；最后，点击进气开关，经5min后反应腔内气压升至1个大气压，打开反应腔，取出样品，关闭系统；

(4)、退火获得具有径向折射率分布的包层

将沉积完毕的光纤置于管式炉中，在空气气氛下进行退火，升温时间1-2h，退火温度1000℃，保温时间1-1.5h，退火完毕后降至室温时间为2-3h；待管式炉温降至室温后，将光纤取出；经过高温退火后，沉积在蓝宝石单晶光纤表面的氧化铝变为多晶，最终得到所需的沿光纤径向折射率逐渐递减的多晶氧化铝包层。

进一步地，步骤(1)所述蓝宝石单晶光纤的直径为100-200μm。

进一步地，步骤(3)所述第一阶段沉积和第二阶段沉积的氧化铝的厚度均为50-100nm。

进一步地，所述的惰性气体和载气均为氩气，流量范围为70-110sccm。

进一步地，所述设置三甲基铝的脉冲时间为20-50ms，清洗时间为80s；设置去离子水的脉冲时间为20-50ms，清洗时间设为80s；循环次数为500-1000。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、利用原子层沉积技术制备的蓝宝石单晶光纤的包层具有很好的致密性，且包层的厚度可控，成膜质量较高。

(2)、获得的氧化铝包层耐高温，折射率低，且低于或接近蓝宝石光纤的折射率，满足蓝宝石单晶光纤对于包层的要求。

附图说明

图1为本发明的一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的包层的ald系统示意图；

图2为本发明的一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的氧化铝包层的第一扫描电镜图；

图3为本发明的一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的氧化铝包层的第二扫描电镜图；

图4为本发明的一种利用原子层沉积技术在蓝宝石衬底上沉积的氧化铝薄膜的截面扫描电镜图；

图5为本发明的一种利用原子层沉积技术在蓝宝石衬底上沉积的氧化铝薄膜经过椭偏测试及模拟的折射率曲线；

图6是本发明的一种利用原子层沉积技术在硅片上沉积的氧化铝经过退火处理后的xrd图。

具体实施方式

下面结合附图对上述过程做进一步地说明。

实施例1

通过控制ald沉积温度，在蓝宝石单晶光纤表面分别于250℃和50℃时沉积内外两层密度不同的氧化铝薄膜，再进行退火，使得双层氧化铝薄膜变为多晶氧化铝薄膜。在退火过程中，密度不同的双层氧化铝在晶化时逐渐融为一层；而由于热扩散和热平衡，双层薄膜晶界处的氧化铝密度最终会形成沿光纤径向的递减分布，使其折射率也沿径向递减分布，实现了最大限度防止散光的光纤包层。

薄膜的制备是在北京英作纳米科技有限公司的原子层沉积设备labnano9100上进行的。以三甲基铝(tma)为铝源、水(h2o)为氧源，利用原子层沉积法在蓝宝石单晶光纤上生长al2o3包层，具体步骤如下：

(1)、蓝宝石光纤清洁；

首先用光纤切刀截取直径为100μm、长度为30mm的蓝宝石单晶光纤，然后将蓝宝石单晶光纤依次置于丙酮，乙醇，去离子水溶液中超声清洗，所用时间为5min，并置于真空干燥箱烘干备用。将硅(100)片和蓝宝石(001)片(与蓝宝石光纤作对比)做相同的清洁处理。

(2)、样品的放置及反应腔体的准备

首先，依次打开ald沉积系统的总电源、冷水机电源、尾气处理电源，确保冷水循环制冷系统和尾气处理系统正常工作；然后，打开高纯的氩气瓶(纯度为99.999％)，将清洗完毕的蓝宝石单晶光纤置于过渡室中，利用氧等离子体对光纤表面的化学键进行处理，处理时间30min；最后，待反应腔内的压强升至1个大气压后，放入蓝宝石单晶光纤，并关闭反应腔门。

(3)、利用原子层气相沉积法生长氧化铝薄膜；

首先，启动ald系统控制电脑，打开控制程序，设置第一阶段沉积温度和第二阶段沉积温度分别为250℃和50℃，第一阶段升温时间为15min，第二阶段降温时间为60min，保温时间均为60min，对反应腔加热升温；然后，开启真空泵对反应腔进行抽气，直至腔内真空度达0.01torr；随后，持续通入惰性气体，使气压稳定在0.21torr；同时，在ald电脑端的控制程序中，依据两个阶段所需沉积氧化铝薄膜的折射率和厚度，进行沉积参数设置，具体为：对于第一阶段沉积，设置所用前驱体tma的脉冲时间为20ms，清洗时间为80s，h2o的脉冲时间为50ms，清洗时间为80s，循环次数为500，氩气流量为110sccm；对于第二阶段沉积，设置所用前驱体tma的脉冲时间为20ms，清洗时间为80s，h2o的脉冲时间为50ms，清洗时间为80s，循环次数为1000，氩气流量为110sccm；参数设定完毕后，打开反应源阀门，并点击程序中的“开始”，待反应腔内温度达到250℃时，进行第一阶段沉积，得到内层氧化铝薄膜；完成后，开始降温，待反应腔内温度降至50℃后，进行第二阶段沉积，得到外层氧化铝薄膜，即形成所需双层氧化铝薄膜，其中内层厚度为50nm，外层厚度为100nm；最后，点击进气开关，经5min后反应腔内气压升至1个大气压，打开反应腔，取出样品，关闭系统。

(4)、退火获得折射率沿径向递减的包层

将沉积完毕的光纤置于管式炉中，在空气气氛下进行退火，升温时间1，退火温度1000℃，保温时间1h，退火完毕后降至室温时间为2h；待管式炉温降至室温后，将光纤取出；经过高温退火后，沉积在蓝宝石单晶光纤表面的氧化铝变为多晶，最终得到所需的沿光纤径向折射率逐渐递减的多晶氧化铝包层。

由图1可知，在ald反应腔内，铝源tma和水(h2o)两种气相前驱体脉冲交替地经由导气管通入反应室内，并在沉积基体表面发生化学吸附反应，从而逐层形成薄膜。反应腔室的前驱体进气口，载气的进气口均通过阀门控制，尾气从尾气处理系统的排气口排出。通过这种沉积过程能够实现单原子层的交替、逐层沉积，从而获得高度致密的、沿光纤表面均匀沉积的氧化铝薄膜。

由图2和图3可知，利用原子层沉积法，直径约为100μm的蓝宝石光纤表面生长的氧化铝薄膜为无定型态结构，薄膜比较致密。

由图4可知，可以清楚地看到蓝宝石衬底和薄膜之间存在着清晰的界面，得到的双层氧化铝薄膜内层厚度为50nm，外层厚度为100nm，薄膜表面相对较为平整，成膜质量较高。图5是经过椭偏测试及模拟氧化铝薄膜的折射率曲线。经过模拟后,氧化铝的厚度为154nm，与图4中实际测得的氧化铝薄膜厚度基本吻合。氧化铝薄膜的折射率如图所示，其折射率低于蓝宝石光纤的折射率1.75，可满足蓝宝石光纤对包层的要求。结合本发明的一种折射率沿蓝宝石单晶光纤径向递减的包层制备方法，最终获得包层能够有效地降低光纤在进行长距离传输时的光损耗。

由图6可知，69°是单晶硅片(100)衬底的取向峰。生长有氧化铝的硅片在19°和40°有两个弱峰，通过jade卡片对比，经过退火处理的al2o3接近于γ-al2o3相。说明经过退火后，利用ald沉积的氧化铝薄膜变为多晶，其结晶质量一方面保证了折射率的要求，另一方面能够为蓝宝石单晶光纤提供有效保护。