关于SiO?-GeO?单模光纤的热效应和光衰减特性的研究，用于硅光子调制器

《Optical Fiber Technology》：Study on thermal effect and optical attenuation characteristics of SiO 2-GeO 2 single-mode fiber for silicon photonic modulator

硅光子学调制器用光纤高温性能研究：对比通信单模光纤（C-SMF）与波导单模光纤（W-SMF）发现，W-SMF因Ge扩散导致光学衰减加剧，但热处理可部分恢复性能。两者均呈现低结晶度，C-SMF拉伸强度更高但延展性差，W-SMF核心SiO结构在高温下影响传输效率。实验采用TEM和自设计PIC芯片验证，为硅光子学模ulator提供光纤材料优化依据。

　　在人工智能迅速发展的时代，对信号传输速度的要求不断提高，传统的金属导体在电子信号传输方面逐渐显现出局限性。由于电流通过产生的焦耳热以及材料氧化等问题，金属导体的性能受到挑战。与此同时，光学波导材料因其具备宽广的带宽、低损耗和高速传输等优势，正逐渐成为新一代通信技术中的关键组件。硅光子调制器作为将电信号转换为光信号的核心设备，依赖于光学纤维进行远距离传输。光学纤维以其细长的几何结构和易于布线的特性，成为当前应用最广泛的波导材料之一。

光学纤维的结构通常包括核心和包层两部分，核心是光纤的中心区域，负责光信号的传输，而包层则提供比核心更低的折射率，从而实现全反射。根据传输模式的不同，光学纤维可分为单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）。单模光纤具有极窄的核心，通常在8到10微米左右，使得光信号只能在基模中传播。由于模间色散较小，单模光纤的损耗较低，适合长距离传输，且具备更高的带宽。相比之下，多模光纤的核心直径较大，约为50到62.5微米，能够同时传输多个模式，但模间散射会导致信号衰减。因此，多模光纤多用于短距离传输，并常采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作，因其具有高柔性和低成本。然而，考虑到调制器的运行温度可能因铜线焦耳热和电光转换效应而超过100摄氏度，PMMA的低玻璃化转变温度使其在高温环境下不适用。因此，本研究选择了单模光纤作为研究对象。

在单模光纤的制备过程中，通常会对核心或包层进行掺杂以实现全内反射。例如，Ohashi等人发现，通过在包层中掺杂氟元素（F），可以降低折射率，从而促进全内反射。然而，过量的氟掺杂会导致信号散射损失，因此需要控制掺杂量。Haruna等人则研究了在808纳米光激发下，掺杂铋元素（Bi）的光纤能够发射1100纳米波长的荧光，并且具有192纳米的半高宽（FWHM），从而改善荧光宽度并增强能量传输效率。Rego等人指出，二氧化锗（GeO?）掺杂能够提高核心的折射率，并增强热光效应，使得折射率对温度变化更加敏感，从而实现更精确的热光调制。此外，GeO?掺杂还能降低折射率对外部应力的敏感性，从而提高调制器的运行稳定性。基于这些研究结果，本研究采用了GeO?掺杂的单模光纤，并探讨了GeO?在高温条件下的扩散对光学衰减的影响。

在选择工作波长时，必须确保其超过单模光纤的截止波长，以维持基模传输。同时，散射损耗与波长的四次方成反比，这意味着较长波长的光信号受到散射的影响较小。为了避免由光纤制造过程中引入的羟基离子（OH?）导致的吸收损耗，本研究选择了1310纳米和1550纳米作为光学衰减实验的波长，并分析了在不同热效应下光纤的衰减差异。此外，Wei等人对掺杂铋的光纤进行了热处理，并发现温度超过300摄氏度时会引发缺陷形成，导致信号衰减；而温度超过600摄氏度时则会导致铋纳米颗粒的形成，进而造成严重的信号损失，这种现象被称为“热暗化效应”。因此，本研究采用了100到200摄氏度的热处理，以模拟调制器内部因电光转换产生的能量损失，并分析高温对光纤性能的影响。

本研究选取了两种类型的单模光纤：通信单模光纤（C-SMF）和波导单模光纤（W-SMF）。C-SMF的核心直径为9微米，而W-SMF的核心直径为8.2微米，两种光纤的包层直径均为125微米。C-SMF和W-SMF的核心均由96%的二氧化硅（SiO?）和4%的二氧化锗（GeO2）组成，而包层则由纯二氧化硅构成。为了研究光纤的结晶性、拉伸性能以及元素分布，本研究采用透射电子显微镜（TEM）对W-SMF进行详细的结构分析。C-SMF适用于光纤到家庭（FTTH）的应用，而W-SMF则满足了硅光子传输和光子集成电路（PIC）等先进领域的需求。

为了模拟由铜线焦耳热和硅光子调制器内部电光转换过程中的能量损失所引发的热效应，本研究对光纤施加了三种不同的热条件：（1）长时间加热；（2）热循环测试；（3）在热源附近的点加热。W-SMF被用于热处理、热循环测试和点加热，以观察其拉伸性能、结晶性以及在不同波长下的光学衰减变化。同时，本研究还使用了基于聚合物的光子集成电路（PIC）芯片，以分析光纤核心的形态和光信号的分布。这些实验结果不仅为硅光子技术和通信行业提供了重要的参考，也为未来在高温环境下应用光学纤维的研究奠定了基础。

在实验过程中，研究人员通过透射电子显微镜（TEM）对光纤的核心进行了元素分析，并对光纤的机械性能和结晶性进行了对比。结果表明，C-SMF的拉伸强度较低，但延展性较高，而W-SMF的核心在高温条件下会形成吸收光信号的SiO结构，从而降低传输效率。此外，热处理后的快速冷却会导致光纤无法形成稳定的内部结构，进而影响其结晶性和拉伸性能。在热循环测试中，经过100次循环后，热应力对光纤结构的影响使得结晶性下降，而经过700次循环后，Ge元素的缓慢扩散以及局部Ge富集区域促进了W-SMF中晶粒的生长。在光学衰减方面，热处理后的W-SMF表现出改进的性能，这归因于退火效应导致的缺陷减少。然而，长时间的高温暴露会导致Ge元素的显著扩散，增加缺陷密度，并引起折射率波动，最终导致光学衰减的恶化。此外，三点加热后的退火效应不仅改善了光纤的性能，还增加了核心与包层之间的折射率差异，从而提高了光信号的稳定性。

通过光子集成电路（PIC）芯片对光信号的分布进行观察，研究结果进一步确认了光信号不仅通过核心传播，也通过包层进行传输，并且主要以基模方式进行传播。这些发现表明，光学纤维在硅光子调制器中的高温应用具有可行性，同时光学纤维与光子集成电路之间的兼容性也得到了验证。因此，本研究不仅揭示了高温对光纤性能的影响机制，还为未来在高温环境下的光子集成系统设计提供了理论支持和技术参考。