在光学材料中，石英玻璃（SiO₂）以其卓越的透明性和稳定性占据了一席之地。然而，石英玻璃在光谱的长波段和短波段表现上存在一定的局限性：在紫外线区域，其透光性受限于键合电子的吸收；而在红外区域，Si-O网络的振动模式则成为光损耗的主要来源（参看前一期）。因此，自上世纪80年代以来，科学家们致力于寻找一种透光性能更为优异的玻璃材料，以期在信息传输的光网络中实现更远距离、更高效的数据传输（难度很大，石英玻璃可能依旧是玻璃之王）。
石英玻璃纤维在通信领域的应用尤为广泛，其衰减在1.55μm波长处已达到极低水平，成熟产品甚至能达到0.12dB/km的惊人记录（基于石英玻璃的微结构空芯光纤甚至突破了这一指标）。这意味着在80公里的距离上，仍能保持约20%的能量传输效率。然而，随着通信技术的飞速发展，对光纤传输距离和效率的要求日益提高，石英玻璃的局限性逐渐显现。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为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了氟化物玻璃，特别是以ZrF₄为基础的ZBLAN玻璃纤维。在紫外光谱区域，氟化物玻璃的表现与石英玻璃相似；但在红外区域，Zr-F键的振动模式远低于Si-O键，使得氟化物玻璃在红外波段的透光性能显著提升。如图中的V形衰减曲线所示，ZBLAN玻璃的衰减曲线明显更深，预示着更低的光损耗，尤其是在λ=2.5μm的长波长区域，其最低损耗比石英玻璃低约100倍。这一发现为无中继器光纤通信超过数百公里提供了理论上的可能性。尽管氟化物玻璃在理论上展现出了巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。过渡金属和-OH等杂质的微量存在即可显著影响玻璃的纯度，进而增加光损耗。此外，氟化物玻璃的制备工艺复杂，成本高昂，尤其是在太空环境中制备ZBLAN玻璃的方案，虽然展示了其纯净度和性能的极致，但其高昂的成本限制了大规模应用的可能性。然而，氟化物玻璃的光学透明性能依然不容忽视。科学家们正不断探索新的提纯方法和制备工艺，以期降低氟化物玻璃的成本并提高其实用性。同时，氟化物玻璃中的稀土元素掺杂特性也为光放大器和光纤激光器的发展提供了新的机遇。ZBLAN材料能够更容易地实现稀土元素的掺杂，从而拓展光纤激光器的发射波长范围，提高系统的整体性能。寻找透光性能极佳的玻璃材料是一场永无止境的探索之旅。从石英玻璃到氟化物玻璃，再到不断涌现的新型光学材料，每一步进展都凝聚着科学家们的智慧和汗水。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，未来将会出现更多性能优异、成本可控的光学材料，为光通信和其他相关领域的发展开辟更加广阔的道路。在这场探索中，氟化物玻璃无疑将成为连接过去与未来的关键桥梁之一。“Glasses to see beyond visible”，https://doi.org/10.1016/j.crci.2018.02.010“Optical Fiber Manufacturing: Gravity-free optical fiber manufacturing breaks Earthly limitations”，Laser focused World, 2019.01.01.
