Growth Technology of Single-Crystal Fibers

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0074

Abstract

Abstract: As a quasi-one-dimensional material that combines the excellent physical and chemical properties of crystals with the high specific surface area and optical waveguide characteristics of optical fibers， single-crystal fibers hold broad application prospects in fields such as high-power lasers， mid-infrared lasers， radiation detection， and high-temperature sensing. This paper provides a systematic review of the principles， technical characteristics， and research progress of the edge-defined film-fed growth method， the micro-pull-down method， the laser-heated pedestal growth method， and other novel growth techniques. The edge-defined film-fed growth method enables the high-throughput simultaneous growth of hundreds of optical fibers； the micro-pull-down method has been extended to eutectic， metallic， and spring-shaped irregular crystals； the laser-heated pedestal growth method has successfully produced ultra-fine single-crystal optical fibers over 50 m long with a diameter of only 16 μm； the multi-microchannel crucible method has enabled high-throughput fabrication of fluoride optical fibers； the aqueous solution method， meanwhile， provides a low-temperature growth pathway for organic and thermosensitive single-crystal optical fibers， among other applications. Finally， it summarizes the technical challenges and future directions for each method， offering a reference for the preparation and application of single-crystal fibers.

Key words: single-crystal fiber; edge-defined film-fed growth method; micro-pulling-down method; laser-heated pedestal growth method; crystal growth

CLC Number:

WANG Zhengmin, WANG Tao, ZHANG Yang, ZHANG Jian, TAO Xutang, JIA Zhitai. Growth Technology of Single-Crystal Fibers[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(7): 983-1004.

Figures/Tables 24

Fig.1 （a） Schematic of EFG method crystal growth；（b） high-throughput growth of sapphire SCFs and shaped sapphire SCFs by EFG method［10?11］

Fig.2 （a） Developed THz scanning-probe near-field microscope［13］；（b） a scheme in which tissue is exposed to laser radiation using a series of sapphire micro-needles with different tip shapes （conical， hemispherical， parabolic， etc.）［11］

Fig.3 Images of the sapphire single-crystal fibers grown by EFG method［15］

Fig.4 Schematic diagram of a μ-PD method for single-crystal growth［17］

Fig.5 Crucibles of various sizes for the μ-PD method［25］

Fig.6 Photograph of the typical oxide single-crystal fibers grown by the μ-PD method［32?39］

Fig.7 Photograph of the typical fluoride single-crystal fibers grown by the μ-PD method［41?44］

Fig.8 Photograph of the typical eutectic crystal fibers grown by the μ-PD method［45?47］

Fig.9 Photograph of the typical metal and alloy crystals fibers grown by the μ-PD method［24，48?50］

Fig.10 Growth of atypical crystals［53］. （a） A conical die；（b） an inverted conical die；（c） spring-shaped sapphire single-crystals

Fig.11 Schematic of a LHPG method crystal growth apparatus［54］

Fig.12 LHPG growth system and algorithm flowchart for AI-assisted image recognition［59］

Fig.13 Machine learning-based optimization of PID parameters for feedback control of LHPG crystal growth［60］. （a） Schematic of the LHPG growth system and diameter monitoring setup；（b） workflow of machine learning model training and PID parameter optimization；（c） machine learning prediction results of PID coefficients

Fig.14 LHPG system temperature gradient optimization scheme［61?64］. （a） Platinum-rhodium resistance rear heater；（b） optical rear heater；（c） Gaussian mirror replacing the conical mirror module；（d） generating controllable optical phase differences at the focal point

Fig.15 （a） Distribution of ion concentrations inside doped single-crystal fibers at different drawing rates［67］；（b） distribution of ion concentrations inside single-crystal fibers produced by the composite process［68］

Fig.16 （a） Schematic diagram of the growth principle of gradient-doped Nd∶YAG single-crystal fibers （left） and laser performance curves （right）［69］；（b） schematic diagram of the growth principle of LuAG∶Ce-LuAG segmented-structure single-crystal fibers （left） and schematic diagram of the single-crystal fiber （right）［70］

Fig.17 （a） Schematic diagram of the growth principle of the YAG/Yb∶YAG/YAG single-crystal fibers with specific composition distribution designed and fabricated by Shandong University［71］；（b） schematic diagram of the single-crystal fibers［71］；（c） laser performance curves［71］

Fig.18 Single-crystal fibers with a high aspect ratio fabricated by the LHPG method［72?78］

Fig.19 （a） High-aspect-ratio sapphire fibers grown at Shanghai Institute of Ceramics， Chinese Academy of Sciences［79］；（b） ultra-fine sapphire single-crystal fibers grown at Shandong University［80］

Table 1 Horizontal comparison of mainstream single-crystal fibers growth technologies

生长方法	导模（EFG）法	微下拉（μ-PD）法	激光加热基座（LHPG）法
核心技术原理	利用模具毛细通道将熔体从坩埚输运至生长界面，模具顶端形状限定晶体截面，籽晶向上提拉结晶	利用坩埚底部微孔道约束和导引熔体，籽晶沿重力方向向下牵引进行晶体生长	利用激光直接加热原料棒顶端形成熔区，熔体由表面张力维持悬浮，籽晶向上提拉生长
加热方式	感应加热/电阻加热	感应加热/电阻加热	CO₂激光加热
是否需要坩埚/模具	需要	需要	无需坩埚（可避免污染）
加热温度范围	常规（受坩埚熔点限制）	常规（受坩埚材料限制）	超高（>3 000 ℃）
温度梯度	中等	较大（强轴向温度梯度）	极大（>4 000 K/cm）
典型生长速率	慢	慢	快
典型光纤直径	400～1 000 μm	常见0.8～1 mm	可小于100 μm
典型长度	数百毫米	数百毫米	可达数米甚至大于50 m
高通量能力	高（可同步生长百根）	高（多通道坩埚设计）	低（单根生长）
适用材料体系	蓝宝石（α-Al₂O₃）等特定熔体黏度材料	极广（氧化物、氟化物、共晶、半导体、金属等）	极为广泛，尤其适用于超高熔点材料
主要优势	高通量生长、近器件尺寸、截面形状精确可控、适合工业化生产	原料利用率高、掺杂均匀性好、无位错生长、截面可控、生长周期短	无坩埚污染、可生长超高熔点材料、温度梯度大、可制备超细柔性光纤
主要局限	坩埚/模具可能引入污染；材料适用范围受限	极高熔点材料易导致坩埚损耗；对熔体润湿性要求高	单根生长、效率低；热应力极大，晶体易开裂；熔区极易受环境扰动

Fig.20 Utilizing the high-throughput “multi-microchannel crucible method” the following single-crystal fibers were fabricated in a single furnace run Tm3+∶SrF2 fibers with diameters of 0.9 and 1.9 mm （a）， Er3+∶SrF2 fibers with a diameter of 1.9 mm （b）， and Tm3+∶CaF2 fibers with a diameter of 1.9 mm （c）［81?83］

Fig.21 Schematic diagram of IMF fabrication［84］

Fig.22 Schematic diagram of the single-crystal organometallic perovskite optical fiber fabrication method［85］

Fig.23 （a） KDP single-crystal fiber［86］；（b） TppI single-crystal fiber［87］

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