石英玻璃(SiO2)的长波段和短波段光谱有一定的局限性,两个因素:如果太靠近紫外线,将被键合电子吸收;红外光将被Si-O网络的振动模式吸收。寻找到一个透光性非常好的玻璃,在上世纪80年代是很火爆的研究方向。以便将信息传送到更长距离的光网络中。
石英玻璃纤维的衰减在1.55μm波长达到较低的数据(成熟的产品可以达到0.16dB/km,现在还有可以达到0.12dB/km的记录)。根据这个数据,实现80公里保持20%左右的能量传输。一条V形衰减曲线(黄色的是石英玻璃曲线、红色的是氟化物ZBLAN玻璃纤维)展示出光损耗与波长的精确值。
二氧化硅玻璃纤维和氟化物玻璃纤维的衰减曲线与波长的关系
石英玻璃纤维的替代方案是基于ZrF4的氟化物玻璃。在紫外光谱的区域,导光情况类似;但在红外区域则完全不同。Zr-F的振动模式(vibration mode)远低于Si-O的振动模式,这从这张V型图上可以看到,这种成为ZBLAN的玻璃的曲线更深(衰减更低),对应的最小损耗比Si-O低约100倍。最低衰减区域出现在更长的波长(λ= 2.5μm)处。如果验证成功,意味着无中继器的光纤通信可能超过数百公里。
不过呢,这是理论数据,实际操作中,这个目标没有达到,因为过渡金属(transition metals,即使是ppb含量的)和-OH等杂质无法完全避免。从另一方面考虑,氟化物玻璃的光学透明性能仍然是存在的。看来真正难点是提纯的方案了。
石英玻璃和太空中制备的ZBLAN玻璃
60ZrF4、20BaF2、4LaF3、6AlF3和10NaF的复杂组成(ZBLAN的首字母缩写)的玻璃状态最稳定(不易析晶),适合于纤维拉伸(所谓的软玻璃很怕在拉丝过程中析晶)。形成玻璃的多面体为ZrF7,AlF6和LaF8,而Ba2 +和Na +起到改性剂的作用。这种玻璃包含稀土(RE)作为自然成分(natural constituent),这可以使光放大器或光纤激光器更快速的发展,因为ZBLAN材料更容易实现各类型稀土的掺杂,比石英玻璃有更多的可以使用的波长(more emission lines than silica glass)。
在看ZBLAN发展的过程中,在同一时期,化学气相沉积工艺(CVD)发明了,现在依然在使用着,这一技术让石英纤维的发展取得了巨大的进步,工业上也达到了的最终光学和机械性能的需求。