島津EPMA在通信光纖測試中的應(yīng)用

2023.2.08

光纖即光導(dǎo)纖維(Optical Fiber)，是以光脈沖的形式傳輸信號，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?。它具有重量輕、通信容量大、信號損耗小傳輸距離長、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)量場發(fā)射電子光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合島津特有的52.5°高X射線取出角和全聚焦晶體，可以實(shí)現(xiàn)：

1)?優(yōu)越的空間分辨率

EPMA-8050G可達(dá)到的更高級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儀器分別對單模和多模光纖進(jìn)行線、面分析測試。從單根光纖試樣的橫截面的元素線分布和面分布的測試結(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)是只傳輸主模可完全避免模間色散，使得傳輸頻帶很寬，傳輸容量大，距離長。

從測試結(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)零色散波長的作用，引入微量色散抑制光纖的非線性，外環(huán)主要用來實(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。

從測試情況（圖3）看，此次測量的光纖纖芯直徑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，也不具有對稱性，這或會導(dǎo)致光信號在傳輸過程中出現(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試結(jié)果

文章圖譜來源：島津場發(fā)射電子探針EPMA-8050G分析數(shù)據(jù)

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