電子技術解析-突破性廣譜光纖的光纖技術

各種光譜應用都需要能夠在廣譜光譜上傳播光的高性能光纖。在波長范圍上，具有廣譜光譜的光纖能夠相對均勻地傳輸大范圍的波長。這在光譜應用中是特別有利的，因為它擴大了測量范圍和設備靈敏度。在許多情況下，它允許光譜儀遠程放置，并通過廣譜光纖連接到分析區域。其結果是可以收集和分析更大波長范圍上的更多光譜信息。

在光纖傳感領域，有許多任務業、化學和生物醫學應用可受益于能夠在非常廣的光譜范圍內測量光信號。然而，光纖過去一直受到其傳輸光譜范圍的限制。在紫外線(UV)波長下，高-OH成分的光纖表現更好;然而，在近紅外(Near Infrared, NIR)波長內，尤其是在980、1250和1383 nm上，-OH成分會形成非常大的吸收區域。相反，在光譜的NIR區域，低-OH成分的光纖會表現良好，但UV性能卻趨向差。雖然兩種類型的傳統光纖在大多數可見光譜內傳輸良好，但它們在光譜范圍上都受到限制。

突破性廣譜光纖的光纖技術

Molex公司子公司Polymicro Technologies已成功地生產出一種廣譜光纖(broad spectrum optical fiber, FBPI)，具有低-OH純二氧化硅纖芯(pure silica core)，UV缺陷成分和其它UV吸收中心明顯降低。Polymicro FBPI光纖采用專有工藝，有效地結合了標準光纖的優點，并減少了缺點。在非常廣的光譜范圍上展現了改進的傳輸性能，硅基 (silica-based)、寬波段FBPI光纖的生產芯徑范圍為50-600 μm。

使用不同光源包括氘燈(Deuterium)和鎢鹵素燈(Tungsten-halogen)進行的廣泛的光譜性能測試結果一直是極好的。在超過2100 nm的NIR波長區域，新FBPI光纖的衰減相當于具有低-OH硅芯和F-摻雜(F-doped)覆層的標準NIR光纖。

突破性FBPI光纖的另一個重要特性是抗日曬損傷等級，而這些損傷是由暴露在高度的UV照射下引起的。FBPI光纖具有低至200 nm的優秀UV傳輸性能，而UV缺陷密度已顯著降低，這樣它的日曬脆化性可以與標準UV優化的高耐輻射性的高-OH光纖相媲美。

FBPI光纖的光譜衰減性能

FBPI光纖的衰減性已在三個不同的波段內進行了嚴格測試：1) UV (200-400 nm);2) 可見光(Visible) (400-900 nm);和3) NIR (900-2100 nm)。每種測試使用了Ocean Optics公司專為特定波長范圍設計的光纖光譜儀。因為在不同波長范圍上具有不同的衰減，所以使用不同的光纖長度以獲得最佳測試靈敏度。具體來說，15 m長的用于UV范圍測試，而大約200 m長的則用于可見光和NIR測試。用于UV測試的光源為氘燈，而可見光和NIR測試的光源則為鎢鹵素燈(Tungsten-halogen)。

圖1使用了回截方法(cutback method)來測試衰減。光被發射通過測試樣品的整個長度，然后光譜儀記錄接收到的光譜。隨后，樣品被剪短到2m長，而光譜儀也記錄該光譜。比較兩個波長的光譜，計算衰減作為波長的函數。

 

 

圖1：FBPI光纖光譜衰減測試設置

下圖2顯示了比較FBPI與其它三種Polymicro光纖的光譜衰減性能圖：

●低-OH：用于NIR的標準FIP光纖

●高-OH：FVP(用于UV/可見光的標準高-OH光纖)、UVM(UV優化的高-OH預制品)、UVMI(加氫UVM光纖)和FDP(深度UV優化的光纖，具有高UV輻射抗性)

●FBP：現有的廣譜光纖，沒有針對NIR衰減或UV日曬抗性而優化

●FBPI：新的廣譜光纖，已針對NIR衰減和UV日曬抗性而優化

如圖所示，新FBPI光纖展示了UV中高- OH光纖和NIR中低-OH光纖的最佳性能

 

 

圖2：光譜衰減比較

FBPI光纖的UV抗日曬性

石英光纖易受UV誘發的衰減影響。長期暴露在UV輻射 (俗稱日曬) 下所誘發的損傷會導致傳輸損耗。大多數衰減發生在小于250 nm的波長內，而峰值損傷發生在214 nm上，損傷的程度根據光纖的類型而有很大的不同。下圖3顯示了新FBPI光纖的UV照射性能與UV中使用的其它光纖的比較。

日曬抗性 (solarization resistance) 采用被稱為“四小時UV照射測試”來評測，此測試使用2m段光纖。光從高強度氘燈發射到光纖內，并使用聚焦透鏡來使214 nm上(通常對UV日曬最為敏感的波長)的強度最大化，使用Ocean Optics的UV光譜儀來監控測試樣品的輸出，并收集四個小時的數據。

在整個測試過程中跟蹤六個重要的波長(214、229、245、255、266和330 nm)，同時也測量整個光譜，并在測試的開始和結束時進行比較。隨著測試的進行，每個波長的性能下降速率在減小，在理想情況下，在四小時測試結束前達到飽和點。在UV光纖中，能夠快速飽和，而且性能下降最少的是最理想的品質。飽和下的性能下降程度大多數與光強度無關，增加強度往往僅改變達到飽和的速度。

 

 

圖3：四小時UV照射測試設置

四小時UV照射測試的結果如下圖4所示。此圖也顯示了通常在UV區域中使用的其它光纖的數據，以方便比較。標準高-OH FVP光纖，通常在可見光/UV應用中使用，如圖5所示。從特殊預制品中提取專為UV性能優化的UVM光纖的數據，如圖6所示。最后，為深度UV工作而優化具有高輻射抗性的FDP光纖的數據，如圖7所示。

 

 

圖4：新FBPI光纖的四小時UV照射測試

 

 

圖5：標準高-OH FVP光纖的四小時UV照射測試

 

 

圖6：針對UV優化的UVM光纖的四小時UV照射測試

 

 

圖7：深度UV FDP光纖的四小時UV照射測試

測試結果評測表明，新的寬波段FBPI光纖顯著改進了日曬性能，超過了標準高-OH FVP光纖，同時可與UV優化的UVM光纖媲美。

FBPI光纖的潛在應用

FBPI寬波段光纖展示了高-OH光纖的UV性能和低-OH光纖的NIR性能，能夠用于需要在大范圍波長上進行傳感的應用。目前有兩家公司正與Polymicro Technologies合作開發使用FBPI光纖的產品，已在構建使用FBPI光纖的原型產品：長壽命寬波段光源和光纖耦合輸出，用于更簡單的光纖系統。這些緊湊型光源旨在消除同時使用多個燈 (D2/鎢/氙弧光) 的需求，并在整個UV-Vis-NIR光譜(170-2100 nm)中提供了非常高的亮度。

FBPI的全景能力，有望推動光譜儀在各種可能受益于更廣泛光譜化學分析的現有和新興應用中的發展。由于已開發了全光譜讀取儀來保持與光纖技術發展同步，FBPI光纖有可能在一系列應用中取代傳統光纖，而這些應用包括高性能寬波段光譜應用、先進成像、光纖測試、環境監測、氣相測量、精密外科手術和工業激光以及高性能氣體或液體色譜分析。

 

 

圖8：FBPI僅需一種光纖