岛津EPMA在通信光纤测试中的应用

光纤即光导纤维(Optical Fiber)，是以光脉冲的形式传输信号，材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。它具有重量轻、通信容量大、信号损耗小传输距离长、保密性能好、不受电磁干扰以及原材料丰富等优点。

光纤由三部分构成：芯层(Core)、包层(Cladding)、涂覆层(Coating)。涂覆层一般有两层：内层(Buffer layer）和外层(Top layer)。光纤的原理和传输过程是利用光在芯层的折射或在芯层与包层界面上的全反射效应实现光信号的传播。搭配52.5°高取出角和全聚焦晶体波谱仪WDS 的岛津电子探针EPMA 具有高分辨率和高灵敏度兼顾的特点，凭借其在微区分析的强大能力，可以在光纤预制棒、烧缩工艺后质量控制和最终成品光纤复核检验的整个开发及生产流程以及残次品的失效分析中发挥重要作用。

图1. 岛津场发射电子探针EPMA-8050G

岛津EPMA-8050G型电子探针（图1）搭载高质量场发射电子光学系统，结合岛津特有的52.5°高X射线取出角和全聚焦晶体，可以实现：

1) 优越的空间分辨率

EPMA-8050G可达到的更高级别的二次电子图像分辨率3nm（加速电压30kV）。

（加速电压10kV时20nm@10nA/50nm@100nA/150nm@1μA）

2) 大束流更高灵敏度分析

可实现其他仪器所不能达到的大束流（加速电压30kV时可达3μA）。在超微量元素的检测灵敏度上实现了质的飞跃，将元素面分析时超微量元素成分分布的可视化成为现实。

岛津研发部门使用EPMA-8050G仪器分别对单模和多模光纤进行线、面分析测试。从单根光纤试样的横截面的元素线分布和面分布的测试结果可以观察掺杂元素的含量及扩散分布情况。

01  G.655非零色散位移单模光纤（G.655-Non-zero dispersion shifted single-mode optical fiber）

单模光纤的纤芯很小，约4~10μm，其优点是只传输主模可完全避免模间色散，使得传输频带很宽，传输容量大，距离长。

从测试结果（图2）可以看出这种光纤的折射率剖面为双环芯结构。纤芯直径6μm，外环约16μm，主要掺杂Ge+P+F。根据文献介绍，其第一环具有可移动零色散波长的作用，引入微量色散抑制光纤的非线性，外环主要用来实现增加有效面积及防止光泄露到包层而改善微弯曲性能，降低微弯曲损耗。

a.  G.655光纤纤芯背散射图像（BSE）

b. 元素F的面分布和线分布特征

c. 元素Si的面分布和线分布特征

d. 元素P的面分布和线分布特征

e. 元素Cl的面分布和线分布特征

f. 元素Ge的面分布和线分布特征

图2. 单模光纤G.655纤芯横截面的面分析和线分析测试结果

02 G.651渐变型多模光纤（G.651-Graded-index multi-mode optical fiber）

多模光纤：中心纤芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。其特点是低衰减、高带宽及优异的抗弯曲性能，只能用于短距离传输，适用于千兆以太网。多模光纤分为阶跃型和渐变型。

从测试情况（图3）看，此次测量的光纤纤芯直径50μm，为G.651 A1a 类A光纤，属于渐变型光纤。这种光纤的纤芯折射率是不均匀的，按一定规律连续变化的。折射率在光纤轴心处最大，随着纤芯半径的值增大而逐渐减小，直到最大时折射率减小为包层的折射率。为了获得折射率梯度，添加的Ge元素的浓度也具有梯度特征，另外F元素的分布不符合预想的主要聚集于纤芯的特征，也不具有对称性，这或会导致光信号在传输过程中出现很高的衰减。

a. G.651光纤纤芯背散射图像（BSE）

b. 元素F的面分布和线分布特征

c. 元素Si的面分布和线分布特征

d. 元素P的面分布和线分布特征

e. 元素Cl的面分布和线分布特征

f. 元素Ge的面分布和线分布特征

图3. 多模光纤G.651纤芯横截面的面分析和线分析测试结果

文章图谱来源：岛津场发射电子探针EPMA-8050G分析数据

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