光纖光柵制作與發(fā)展

1、光纖光柵的制作與發(fā)展1.1 光纖材料的光敏性 光纖光柵的光敏性是指物質(zhì)的物理或者化學(xué)性質(zhì)在外部光 的作用下發(fā)生暫時(shí)或永久性改變的材料屬性。 對(duì)光纖材料的光敏 性而言，則是指折射率、吸收譜、內(nèi)部應(yīng)力、密度和非線性極化 率等多方面的特性發(fā)生永久性改變。石英材料的分子結(jié)構(gòu)通常為四面體結(jié)構(gòu)， 每個(gè)硅原子通過(guò)形 成共價(jià)鍵與四個(gè)氧原子相連。 雖然Ge原子與Si原子同為四價(jià)元 素，可以代替 Si 原子在石英玻璃四面體結(jié)構(gòu)中的位置， 但是 Ge 的摻入仍將對(duì)石英玻璃的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾并不可避免的形成 缺陷中心。由于純石英玻璃的吸收帶位于 160nm 處，對(duì)波長(zhǎng)在 190 nm以上一直到紅外區(qū)的光具有大于 90

2、%勺透過(guò)率。這些波長(zhǎng) 的光不會(huì)對(duì)石英材料的性質(zhì)產(chǎn)生任何形式的影響， 因此， 光纖的 光敏性與摻雜有關(guān)。一般認(rèn)為摻鍺石英光纖材料的光敏現(xiàn)象源于缺陷中心。起 初，曾認(rèn)為光敏性僅能從摻鍺光纖中出現(xiàn)， 光柵不能從純硅纖芯 生長(zhǎng)，OH基對(duì)光纖的光敏性不是必要的。但是后來(lái)實(shí)驗(yàn)表明， 光敏性存在于眾多種類的光纖。 比如，基于硅基光纖的摻銪光纖，摻鈰光纖，摻餌鍺光纖，以及摻氟浩鹽光纖的摻鍶餌光纖等。然而從實(shí)用的觀點(diǎn)來(lái)看， 最引人注意的光敏光纖就是廣泛應(yīng) 用于通信產(chǎn)業(yè)和光傳感領(lǐng)域的纖芯摻鍺光纖。 在光纖材料中摻鍺 以后將產(chǎn)生位于 180nm，195nm， 213nm，240nm， 281nm，325nm， 51

3、7 nm等多個(gè)附加的吸收帶，其中 240nm和195 nm為強(qiáng)吸收帶。 240nm吸收帶的寬度約為30nm 325nm吸收帶的強(qiáng)度僅為240nm 吸收帶的 1/1000 。通常，對(duì)光纖材料光敏性研究主要集中在 240nm和193 nm的紫外光波段上。1.2 光纖材料的增敏技術(shù)自光敏性的發(fā)現(xiàn)和第一次證實(shí)鍺硅光纖中的光柵以來(lái)， 增加 光纖中的光敏性就成為了一個(gè)重要的考慮因素。 標(biāo)準(zhǔn)單模通訊光 纖中摻有3%的鍺，典型的光致折射率變化為 3X 10-5。由于光纖 材料的光敏性與光纖的摻雜濃度基本上成正比關(guān)系， 因此提高光 纖材料感光性最直接的方法就是提高光纖芯區(qū)的鍺摻雜濃度。 一 般地，增加摻鍺濃度可

4、導(dǎo)致 5X 10-4的光致折射率變化。但是用 這種方法提高光纖材料的光敏性有一個(gè)很大的不利因素， 即增加 光纖芯區(qū)含鍺量將增大光纖芯區(qū)和包層折射率之差。 為保證光纖 只能進(jìn)行單模傳輸， 必須減少光纖的芯徑。 當(dāng)芯區(qū)的鍺含量很高 時(shí)，光纖的芯徑將要非常小， 這將影響光敏光纖與普通單模光纖的匹配性能。因此，尋求更為有效的光纖材料增敏方法具有非常重要的意 義。提高光纖材料紫外感光特性的方法可以從以下幾個(gè)方面考 慮：（ 1） 增加光纖材料中的缺陷濃度。（ 2） 在光纖材料中摻入具有較大紫外吸收系數(shù)的雜質(zhì)。（ 3） 在光纖的芯區(qū)或包層中摻入適當(dāng)雜質(zhì)， 盡可能增 大二者之間的熱特性失配度。目前，已經(jīng)有多種

5、有效的光纖材料增敏方案在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。 這些方案主要分為三種，即載氫技術(shù)、光纖還原法和多種摻雜。載氫增敏技術(shù)1993 年， AT&TBell 實(shí)驗(yàn)室的 等人首次引入了 摻鍺石英光纖材料的載氫增敏技術(shù)。摻鍺3mol%勺光纖被放入氣壓為2.076MPa（典型值為15MPR,溫度為2075°C的氫氣中， 這種方法將氫氣以分子形態(tài)擴(kuò)散入光纖的芯區(qū)。 載氫光纖在收到 紫外光照射的時(shí)候或者加熱時(shí)將引起氫氣的與摻鍺石英玻璃之 間的化學(xué)反應(yīng)，即H2分子在Si-0-Ge區(qū)發(fā)生變化，形成與折射 率有關(guān)的 Ge-OH， Si-OH， Ge-H， Si-H 等化學(xué)鍵和缺氧鍺缺陷中 心，從而提高光纖材料

6、的光致折射率變化， 可以使任何類型的摻 鍺石英光纖材料的光敏性提高 12 個(gè)數(shù)量級(jí)，并在其上寫入高反 射率的光柵。這樣可使折射率變化 n比原來(lái)的變化提高兩個(gè)數(shù) 量級(jí)，可達(dá)5.9 x 10-3。另外，也可以對(duì)光纖載氘來(lái)達(dá)到光纖增 強(qiáng)光敏性的目的。 載氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可在任何鍺硅或無(wú)鍺光纖中 生產(chǎn) Bragg 光柵，而且未曝光的載氫光纖段在通信窗口的吸收損 耗可以忽略。載氫光纖的形成的折射率變化是持久的， 但是由于光纖中存 在未反應(yīng)的氫， 使光柵的折射率隨時(shí)間而發(fā)生變化， 引起紫外寫 入光柵的 Bragg 波長(zhǎng)的變化。因此，載氫光纖的熱穩(wěn)定性很差， 一般在室溫下放置兩個(gè)星期其折射率深度就下降11%。

7、探索提高溫度穩(wěn)定性的光纖光柵制作技術(shù)具有重要意義， 一種方法是對(duì)其 進(jìn)行加速老化， 即用事后熱處理來(lái)穩(wěn)定其波長(zhǎng)； 另一種方法是載 氫光纖先經(jīng)均勻曝光預(yù)處理再寫入光柵。光纖材料的換原性處理 由于光纖材料的光敏性與光纖材料的中的缺氧鍺缺陷濃度 直接相關(guān)， 且兩者近似地成正比關(guān)系， 因此可以通過(guò)在光纖拉制 中完成后用氫燈對(duì)所要曝光的光纖段進(jìn)行“焰刷”處理。1993年， F.Bilodeau 等人把拉制好的標(biāo)準(zhǔn)通信鍺光纖擬寫入光柵的 一段放在1700°C的氫氧焰下灼燒，使光纖在 240nm處的吸收增 加。該作用指發(fā)生在含 GeO勺纖芯，對(duì)包層沒(méi)有影響。紫外照射 灼燒后的光纖可得到大于 10-

8、3 的折射率變化，使光纖材料的光 敏性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 用這種方法增強(qiáng)光敏性不會(huì)產(chǎn)生折射率 的飄移。 由于對(duì)曝光區(qū)段的光纖進(jìn)行處理， 因此這種方法對(duì)兩個(gè) 主要的通信窗口幾乎沒(méi)有影響?？稍跇?biāo)準(zhǔn)通信光纖中寫制出強(qiáng) Bragg 光柵。然而，該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是高溫灼繞破壞了光纖， 有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的問(wèn)題。對(duì)光纖材料進(jìn)行還原性處理的另一種方法是在光纖預(yù)制棒 的制作過(guò)程中施加還原性條件或者對(duì)光纖預(yù)制棒在高溫氫氣中 進(jìn)行后處理使芯區(qū)的缺氧鍺缺陷濃度增加， 可將光纖材料的光敏 性提高23倍。這種方法最大的缺點(diǎn)就是氫氣與 GeO反應(yīng)生成的 OH離子將在1.4um處產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的吸收帶。這個(gè)吸收帶對(duì)光 信號(hào)在兩個(gè)主

9、要通信窗口的傳輸具有非常不利的影響。多種摻雜在鍺硅光纖材料中，摻入 B、 Sn 或 Al 等元素可提高光纖材 料的光敏性，其中以 B/Ge 雙摻雜光纖材料的光敏性最強(qiáng)，其光 敏性要比含鍺量相當(dāng)?shù)膯螕芥N光纖材料要高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)。 這 些光纖都可以采用 MCV技術(shù)生產(chǎn)。在石英玻璃中摻入 B 將使物理性質(zhì)發(fā)生很大的變化，比如，摻 B 后石英玻璃的熱膨脹系數(shù)增大， 同時(shí)熔點(diǎn)降低。 在幾百攝氏 度高溫下的退火實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在B/Ge光纖的纖芯區(qū)將由于 B的摻入而引入較大的應(yīng)力。利用 B/Ge 雙摻提高光纖材料光敏性最主要的有利因素是 B 的摻入能夠引起光纖材料芯區(qū)的折射率的降低。因此， B/Ge 雙 摻

10、光纖材料可以具有較高的鍺摻雜濃度， 同時(shí)又不引起光纖芯包 折射率的增大，從而可實(shí)現(xiàn)與普通單模光纖的良好匹配。因此，對(duì)這種高度光敏光纖材料的研究具有很大的意義。（1）避免了對(duì)光纖材料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間且具有危險(xiǎn)性的氫氣敏 化處理。（2）可避免由于載氫增敏在光柵區(qū)域引起的羥基吸收損耗， 這一損耗在長(zhǎng)度較大的 Chirp 光纖光柵中是十分嚴(yán)重的。（3）提高了光柵的制作效率。如果對(duì) B/Ge 雙摻光纖材料進(jìn)一步載氫處理，可以在教短的 曝光時(shí)間內(nèi)獲得很高的光柵反射率。124預(yù)加應(yīng)力增敏技術(shù)在寫入光柵的過(guò)程中，對(duì)摻鍺光纖施加適當(dāng)應(yīng)力， 將會(huì)提高 光纖的光敏性。圖1表明，施加3%應(yīng)變的應(yīng)力情況下，可使光 敏性提高2

11、倍以上，而且形成的光柵的熱穩(wěn)定性也將保持不變。 在同樣的曝光條件下寫入 Bragg光柵時(shí)，施加應(yīng)力的光纖將會(huì)得 到高達(dá)18dB的反射深度，而未加應(yīng)力的光纖的反射深度僅為 7dB,因此利用這種方法將會(huì)明顯縮短光纖光柵的寫入時(shí)間。相同環(huán)光條件下預(yù)加應(yīng)力利未加應(yīng) 力的折射率變化比較108O.-e- 33%應(yīng)變無(wú)應(yīng)麥1002003004(W500 600溫度滬C預(yù)加應(yīng)力和未加應(yīng)力憎況下制作的長(zhǎng)周期光柵的熱穩(wěn)定性比較光纖光柵的寫入方法用摻雜光纖制作光柵的方法主要有內(nèi)寫入和外寫入法。 內(nèi)寫 入技術(shù)是一個(gè)全息制作過(guò)程， 它利用光在纖芯內(nèi)部傳播時(shí)形成駐 波所產(chǎn)生的雙光子吸收的原理；外寫入技術(shù)則主要有點(diǎn) - 點(diǎn)

12、成柵 技術(shù)，相干UV光全息干涉技術(shù)和相位掩模技術(shù)等。2.1 內(nèi)寫入法 該法制作光柵同光學(xué)全息法制作光柵相似，利用菲涅爾反 射，使得反射光與入射光在適當(dāng)條件下干涉， 在纖芯內(nèi)部形成駐 波。由于光致折射效應(yīng)， 在沿光纖長(zhǎng)度的波節(jié)波腹處通過(guò)曝光可 以誘導(dǎo)出周期性的折射率變化形成光柵。 這樣制作的光柵， 曝光 時(shí)對(duì)裝置的穩(wěn)定性要求很高，得到折射率變化較小，僅為10-6 ，而波長(zhǎng)不易改變，其特點(diǎn)見表 1。由于該技術(shù)的寫入效率低，寫 入的 Bragg 波長(zhǎng)受激光寫入波長(zhǎng)限制等原因， 制作的光柵性能太 差，所以該方法已較少使用。表 1 各種主要寫入光柵方法的比較：巾心肢長(zhǎng)誘號(hào)亢zt折肘卓國(guó)制怙問(wèn)11 FWH

13、 W L / m i'i i內(nèi)垢入堪玻仏J. 1- L450< 2C0MH*Qr AO界耳入L V5767642 f；lk4. W光全息讓單亞帕A0, 75- 0,772< fl, 1 HTT1工繩沖法1.551(6 1；山15. (JO1. W16IDI GIL(J 9S1命X 5 nm4. 00甲林沖 Nb+ ;LYFv£ 1.5+>500. S 11m> 1 DO柱抵備入腋脈沖建1,552 100世適0,6- 0,9500nW系蛻忌覽性炭柬鮎;光鈿Iff 5- 10'4 RS ini5 in T中心柱反nJ愛(ài)*農(nóng)境?；滦訨x l() 55

14、 ms24+ am郎諧比艸同艮Krl * l.i*rr3« l(r Ja n =& 1 h反射率高，調(diào)制蟲深，欄弘 itr420砒248 11m200 mJ. 'em'>2.2» 10'j2川!l249 nm同脈沖社納杵打發(fā)梶獵力1人血JIO-420 ”?49 nni諭片的一種120mT.丁X 10-1fit 1務(wù)2G2 urn光桿拉制間時(shí)耳入說(shuō)曲.幾1毫瓦10'120 ns臥1大批歐悄< 30 mW10 "20 n«可以弓入任產(chǎn)周期的尤冊(cè)外# f擾卜鍛立叫.能存卜.2.2外寫入法相對(duì)于內(nèi)寫入法，外寫入

15、法的形式很多，方法也更為靈活， 能夠制作各種特定波長(zhǎng)的 Bragg光柵。221外寫入全息法1989年UTRC勺研究人員首次用紫外光全息法制成了高反射 率的Bragg光柵，反射率可達(dá)76%它是在選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)后， 使光纖芯徑在兩束干涉光的誘導(dǎo)下發(fā)生折射率的永久性變化而 形成的。光柵的周期由入射光的波長(zhǎng)和兩光束之間的夾角決定，系統(tǒng)設(shè)置如圖1XY記錄儀圖1 UV光全息法寫入原理一小段去掉包層的光纖在兩束相互垂直的誘導(dǎo)光的作用下，經(jīng)側(cè)面曝光形成光柵。利用可調(diào)諧準(zhǔn)分子泵浦染料激光器件為光源，波長(zhǎng)為 486nm500nm經(jīng)倍頻得到 244nm的UV光，圖中水銀弧燈和高精度的單色儀用來(lái)觀察 Bragg光柵的

16、反射光譜。這種 光柵的側(cè)面UV光曝光全息法反射效率高，方便靈活，可調(diào)整入 射光束的夾角和全息圖條紋的間距來(lái)得到不同波長(zhǎng)的Bragg光柵。這種光柵穩(wěn)定性好，但它對(duì)光源的相干性和光路的穩(wěn)定性要 求較高。全息干涉計(jì)方法全息相干法是最早用于橫向?qū)懭酥谱?FBG的一種方法，圖2 示出的是M-Z干涉計(jì)法工作裝置示意圖。人射紫外光經(jīng)分光鏡分成兩束。經(jīng)全反射后相交于光纖上， 產(chǎn)生干涉場(chǎng)，形成正弦分布明暗相間的干涉條紋 ; 光纖經(jīng)過(guò)一定 時(shí)間照射，在纖芯內(nèi)部引起和干涉條紋同樣分布的折射率變化， 從而在光纖上就寫人了正弦分布的體光柵。干涉條紋間距如式 (1) 。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于突破了縱向駐波法對(duì)布喇格 中心

17、反射波長(zhǎng)的限制， 可以在最感興趣的波段內(nèi)對(duì)之進(jìn)行更充分 的運(yùn)用。它既行之有效，又操作簡(jiǎn)單，所以受到普遍重視，也得 到了相當(dāng)?shù)倪\(yùn)用。 采用改變兩光束夾角或旋轉(zhuǎn)光纖放置位置的方 法都可以方便的實(shí)現(xiàn)改變反射中心波長(zhǎng)之目的， 或者將光纖以一 定弧度放置于相干場(chǎng)， 很容易得到帶有 chirp 的光纖光柵。 這些 都是全息相干法優(yōu)點(diǎn)所在。圖2干涉計(jì)寫光纖光柵方法這種方法亦存在很大的缺點(diǎn)，給制作帶來(lái)諸多問(wèn)題。首先，全息相干對(duì)光源的空間相干性和時(shí)間相干性都有很高的要求:空間相干性由激光器輸出光的橫模特性決定。如果激光器處于多橫 模振蕩，那么輸出光束就有較大的空間發(fā)散性， 通過(guò)測(cè)定激光的 近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖可知:輸

18、出光斑是由一系列的尖峰所組成，每一 尖峰的寬度約為微秒數(shù)量級(jí)， 并且是無(wú)規(guī)劃分布的，這就說(shuō)明整 個(gè)輸出光束的截面內(nèi)并非全部相干，相干區(qū)域僅是很小的一部 分，所以輸出光束的多橫?，F(xiàn)象將嚴(yán)重影響全息相干法的效果。另外，輸出光的縱模特性決定了它的時(shí)間相干性。 如果是多縱模 振蕩，或縱模存在嚴(yán)重漂移（如由溫度變化引起），都將增加輸出 線寬，由Lc 2/可以看出，線寬增加大大縮短了相干長(zhǎng)度，對(duì)全息相干法寫人效果也極為不利，增大了光路的調(diào)節(jié)難度；其次，欲得到準(zhǔn)確的布喇格中心反射波長(zhǎng)，對(duì)光路的調(diào)整有著極咼的精度要求，從d和入b容易得出：cosbn2(sin )假如采用入=240nm的紫外光，光纖折射率 n= 1.45，那么 要得到入b=1550nm的反射中心波長(zhǎng)，。為12. 97°如果光路調(diào)整使。偏差0. 01 °,可得到中心波長(zhǎng)偏差 入b =67. 27nm，可 見制作的FBG的中心波長(zhǎng)已經(jīng)遠(yuǎn)離了 155