島津EPMA在通信光纖測(cè)試中的應(yīng)用

光纖即光導(dǎo)纖維(Optical Fiber)，是以光脈沖的形式傳輸信號(hào)，材質(zhì)以玻璃或有機(jī)玻璃為主的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。光纖通信是現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹匾绞街弧Ｋ哂兄亓枯p、通信容量大、信號(hào)損耗小傳輸距離長(zhǎng)、保密性能好、不受電磁干擾以及原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)。

光纖由三部分構(gòu)成：芯層(Core)、包層(Cladding)、涂覆層(Coating)。涂覆層一般有兩層：內(nèi)層(Buffer layer）和外層(Top layer)。光纖的原理和傳輸過(guò)程是利用光在芯層的折射或在芯層與包層界面上的全反射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳播。搭配52.5°高取出角和全聚焦晶體波譜儀WDS 的島津電子探針EPMA 具有高分辨率和高靈敏度兼顧的特點(diǎn)，憑借其在微區(qū)分析的強(qiáng)大能力，可以在光纖預(yù)制棒、燒縮工藝后質(zhì)量控制和最終成品光纖復(fù)核檢驗(yàn)的整個(gè)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)流程以及殘次品的失效分析中發(fā)揮重要作用。

圖1. 島津場(chǎng)發(fā)射電子探針EPMA-8050G

島津EPMA-8050G型電子探針（圖1）搭載高質(zhì)量場(chǎng)發(fā)射電子光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合島津*的52.5°高X射線取出角和全聚焦晶體，可以實(shí)現(xiàn)：

1)                      *的空間分辨率

EPMA-8050G可達(dá)到的更高級(jí)別的二次電子圖像分辨率3nm（加速電壓30kV）。

（加速電壓10kV時(shí)20nm@10nA/50nm@100nA/150nm@1μA）

2)                      大束流更高靈敏度分析

可實(shí)現(xiàn)其他儀器所不能達(dá)到的大束流（加速電壓30kV時(shí)可達(dá)3μA）。在超微量元素的檢測(cè)靈敏度上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，將元素面分析時(shí)超微量元素成分分布的可視化成為現(xiàn)實(shí)。

島津研發(fā)部門使用EPMA-8050G儀器分別對(duì)單模和多模光纖進(jìn)行線、面分析測(cè)試。從單根光纖試樣的橫截面的元素線分布和面分布的測(cè)試結(jié)果可以觀察摻雜元素的含量及擴(kuò)散分布情況。

01  G.655非零色散位移單模光纖（G.655-Non-zero dispersion shifted single-mode optical fiber）

單模光纖的纖芯很小，約4~10μm，其優(yōu)點(diǎn)是只傳輸主模可避免模間色散，使得傳輸頻帶很寬，傳輸容量大，距離長(zhǎng)。

從測(cè)試結(jié)果（圖2）可以看出這種光纖的折射率剖面為雙環(huán)芯結(jié)構(gòu)。纖芯直徑6μm，外環(huán)約16μm，主要摻雜Ge+P+F。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，其第一環(huán)具有可移動(dòng)零色散波長(zhǎng)的作用，引入微量色散抑制光纖的非線性，外環(huán)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)增加有效面積及防止光泄露到包層而改善微彎曲性能，降低微彎曲損耗。

a.  G.655光纖纖芯背散射圖像（BSE）

b. 元素F的面分布和線分布特征

c. 元素Si的面分布和線分布特征

d. 元素P的面分布和線分布特征

e. 元素Cl的面分布和線分布特征

f. 元素Ge的面分布和線分布特征

圖2. 單模光纖G.655纖芯橫截面的面分析和線分析測(cè)試結(jié)果

02 G.651漸變型多模光纖（G.651-Graded-index multi-mode optical fiber）

多模光纖：中心纖芯較粗（50或62.5μm），可傳多種模式的光。其特點(diǎn)是低衰減、高帶寬及優(yōu)異的抗彎曲性能，只能用于短距離傳輸，適用于千兆以太網(wǎng)。多模光纖分為階躍型和漸變型。

從測(cè)試情況（圖3）看，此次測(cè)量的光纖纖芯直徑50μm，為G.651 A1a 類A光纖，屬于漸變型光纖。這種光纖的纖芯折射率是不均勻的，按一定規(guī)律連續(xù)變化的。折射率在光纖軸心處最大，隨著纖芯半徑的值增大而逐漸減小，直到最大時(shí)折射率減小為包層的折射率。為了獲得折射率梯度，添加的Ge元素的濃度也具有梯度特征，另外F元素的分布不符合預(yù)想的主要聚集于纖芯的特征，也不具有對(duì)稱性，這或會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)很高的衰減。

a. G.651光纖纖芯背散射圖像（BSE）

b. 元素F的面分布和線分布特征

c. 元素Si的面分布和線分布特征

d. 元素P的面分布和線分布特征

e. 元素Cl的面分布和線分布特征

f. 元素Ge的面分布和線分布特征

圖3. 多模光纖G.651纖芯橫截面的面分析和線分析測(cè)試結(jié)果

文章圖譜來(lái)源：島津場(chǎng)發(fā)射電子探針EPMA-8050G分析數(shù)據(jù)

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