光纖光柵折射率調(diào)制機(jī)理

光纖光柵折射率調(diào)制機(jī)理《光通信技術(shù)雜志》2014年第六期1非氫載光纖光敏性機(jī)理1.1色心模型色心形成的原因是光纖的纖芯中摻雜了其它雜質(zhì),這些雜質(zhì)的作用是使纖芯折射率略高于包層，從而達(dá)到傳輸光信號(hào)時(shí)所需要的芯包結(jié)構(gòu)。但是，這些雜質(zhì)也破壞了Si02正四面體晶格結(jié)構(gòu)。通常使用含錯(cuò)(Ge)的石英玻璃作為纖芯材料，楮(Ge)可以提高石英材料的折射率，并且其最外層電子數(shù)和硅(Si)相同(Si和Ge都屬于第四族元素)，也可以形成Ge02正四面體結(jié)構(gòu)，但是錯(cuò)(Ge)的半徑比硅(Si)要大許多，錯(cuò)(Ge)的存在會(huì)破壞Si02正四面體晶格結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生缺陷能級(jí)；同時(shí)，光纖制作過程中，由于氧氣供應(yīng)不足，楮(Ge)原子沒有同氧氣充分反應(yīng)形成Ge02四面體結(jié)構(gòu)，因此在光纖纖芯中存在缺氧錯(cuò)缺陷(G0DC),缺陷的數(shù)量同光纖中錯(cuò)(Ge)的含量、制作光纖時(shí)氧氣的壓強(qiáng)有關(guān)［6］。1990年，Hand和Russell提出G0DC的吸收峰在240nm附近，G0DC可以通過488nm的雙光子作用電離缺陷中的電子，該電子被附近的缺陷捕獲，進(jìn)而生成新的缺陷。此后，此后成為研究的熱點(diǎn)的］。1992年,D.L.Williams等人用紫外光照射楮含量為20mol%的光纖，觀察到200?350nm范圍內(nèi)的吸收譜在242nm附近減小，在小于200nm處有明顯增加的吸收峰，并且計(jì)算出1.6um處折射率變化量達(dá)到10-5數(shù)量級(jí)；同年，Atkins等人使用含錯(cuò)量較低(8mol%)的光纖，也得到類似的結(jié)論。1993年,Atkins等人將紫外光譜范圍下限擴(kuò)展到165nm,并且觀察到吸收峰在195nm附近有明顯的增加。1995年隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，L.Dong等人對(duì)紫外光誘導(dǎo)光纖材料的紫外吸收譜變化做了系統(tǒng)的研究，首次通過165?300nm范圍內(nèi)紫外吸收譜變化量計(jì)算出1.5um處折射率強(qiáng)度變化達(dá)到10-4以上［4］。最近C.L.Janer等人有新的研究表明，G0DC由兩部分組成：中性氧單空位(N0MV)和中性氧雙空位(N0DV)；這兩種缺陷均缺少楮氧(Ge-0)鍵，可以在243nm(5.leV)附近形成紫外吸收峰。有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明纖芯中硅錯(cuò)錯(cuò)鍵(Ge-Si)的含量很少，可以略去不計(jì)，因此G0DC中不考慮硅原子的存在。同時(shí)，中性氧單空位(N0MV)和中性氧雙空位(N0DV)的原子模型如圖1所示［6］。目前，普遍肯定的是N0MV的原子模型如圖1所示，而N0DV的原子模型較為復(fù)雜。圖中采用的模型是由Tsai等人提出的［8］,確定使用這樣的模型是結(jié)合光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物含量比例反推出的較為合理的原子模型。同時(shí)，光纖光柵制作過程中的光化學(xué)反應(yīng)方程式為紫外光譜可以分解為若干高斯函數(shù)(Gauss)的組合，式(4)中△ai表示紫外波段相應(yīng)中心頻率下的紫外吸收系數(shù)，Bi表示吸收峰值的1/e值處對(duì)應(yīng)的帶寬，C表示光速［9］。從式(4)看出，折射率強(qiáng)度的改變主要和光纖纖芯的紫外吸收光譜有關(guān)，纖芯紫外吸收譜的改變會(huì)影響紅外區(qū)域內(nèi)相應(yīng)波長(如通信常使用波長1550nm)的折射率大小。也有學(xué)者認(rèn)為N0DV應(yīng)該是錯(cuò)孤對(duì)中心(GLPC)如圖2所示，這樣所引起的光化學(xué)反應(yīng)將會(huì)有很大不同。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果［6］證實(shí)圖1所示的原子結(jié)構(gòu)更準(zhǔn)確。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，吸收紫外光子后石英材料整體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，也就形成了另一個(gè)新的緊縮（密致）模型［10］。1.2緊縮（密致）模型密致模型是在1990年首次被Bernardin和La-vandy提出的，但是直到1994年Cordier等人才用實(shí)驗(yàn)直接證明密致化在光柵的形成過程中確實(shí)存在［1］o密致模型認(rèn)為折射率周期性變化的原因是光纖吸收紫外光后纖芯的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，被光照射的部分密度變大，導(dǎo)致纖芯體積發(fā)生改變，從而引起折射率的變化。通過Lorentz-Lorenz關(guān)系能夠得到折射率和體積變化的關(guān)系為：其中：n代表光纖纖芯的折射率，V為對(duì)應(yīng)纖芯的體積，R代表光柵的反射率［1］。通過式（5）可以看出，石英玻璃體積和反射率都引起折射率的改變。在光纖光柵制作過程中，E.M.Dianov等人通過喇曼譜證實(shí)光纖在被紫外光照射后，光纖纖芯中高階…Si-0-Si（Ge）-0…環(huán)減少，同時(shí)，低階環(huán)（二到四階）增加，這表明石英玻璃結(jié)構(gòu)中由于高階環(huán)受到碰撞裂變?yōu)槎A環(huán)或者三階環(huán)時(shí)，石英玻璃的密度會(huì)增加,從而提高了石英玻璃的折射率，說明纖芯結(jié)構(gòu)確實(shí)發(fā)生變化有密致、緊縮的現(xiàn)象出現(xiàn)［10］。當(dāng)然，包層的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一些變化，但是由于包層缺陷濃度較低，因此產(chǎn)生的折射率改變量與纖芯相比可以略去不計(jì)。1995年，P.Y.Fonjallaz等人通過實(shí)驗(yàn)表明在制作光纖光柵時(shí)，光纖纖芯和包層內(nèi)側(cè)之間的應(yīng)力會(huì)增加［H］。根據(jù)彈光效應(yīng)可知，應(yīng)力增加會(huì)減小光纖纖芯的折射率，為此，我們需要將光纖芯包結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力作為影響光纖纖芯折射率變化的一個(gè)重要因素。綜上所述，目前普遍認(rèn)為色心模型、密致化模型和彈光效應(yīng)共同影響光纖纖芯的折射率，這三種因素對(duì)折射率調(diào)制強(qiáng)度的影響程度與光纖參雜的濃度、是否進(jìn)行預(yù)處理過程和紫外光源類型密切相關(guān)。2氫載光纖光敏性機(jī)理目前商業(yè)化使用的普通單模光纖其光敏性很低，通過色心模型分析得出248nm紫外光源可以使其折射率調(diào)制強(qiáng)度達(dá)到10-5數(shù)量級(jí)，不能滿足對(duì)光纖光柵反射率強(qiáng)度的最低要求，通過密致化模型分析得出其折射率調(diào)制強(qiáng)度數(shù)量級(jí)達(dá)到10-4,雖然比色心模型高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是仍然不能滿足目前的實(shí)際需求，因此出現(xiàn)了很多增強(qiáng)光纖光敏性的方法，其中最行之有效的方法要數(shù)在低溫高壓環(huán)境下氫載光纖。這種方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可以將折射率調(diào)制強(qiáng)度提高到10-3數(shù)量級(jí)，還可以減小制作光柵時(shí)所使用的紫外光脈沖的能量密度、縮短制作時(shí)間，可見，采用氫載的方法制作光柵帶來了很多優(yōu)勢(shì)。由于有氫氣分子的參與，在氫載光纖中研究影響折射率變化的因素更復(fù)雜，Lemaire認(rèn)為氫載光纖折射率變化的原因主要有三種：形成羥基群、形成大量GeE'"'缺陷中心和光纖材料密致化[12]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究[13?15],普遍認(rèn)為氫載光纖在制作光柵過程中發(fā)生如下反應(yīng)：式(7)中，T表示Ge或者Si。式(6)雖然是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，但是包含多個(gè)光致化學(xué)變化，GeODC可以看作是前文中提到的NODV吸收紫外光子后形成的一種產(chǎn)物。從上述光化學(xué)反應(yīng)方程式中可以看出，氫氣分子在光化學(xué)反應(yīng)中起催化劑的作用，氫氣在紫外光的激勵(lì)下同光纖中存在的楮氧缺陷中心發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成較穩(wěn)定的氫化物、羥基化合物和深能級(jí)缺陷中心。羥基濃度增加會(huì)引起光纖纖芯的體積膨脹、密度增加，這些因素共同影響光纖光柵的折射率調(diào)制強(qiáng)度。其中，密致化所引起的折射率增加量數(shù)量級(jí)為10-4,羥基濃度增加預(yù)計(jì)產(chǎn)生的折射率增加量數(shù)量級(jí)也為10-4,對(duì)折射率調(diào)制強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的就是GeE''''中心缺陷，該缺陷產(chǎn)生的折射率調(diào)制強(qiáng)度至少在10-3以上。由此可以看出，氫載光纖具有強(qiáng)光敏性的主要原因是紫外光照射后可以生成大量深能級(jí)缺陷GeE''''［12］。通過研究氫載光纖制作光纖光柵的機(jī)理，J.Can-ning等人提出的鎖定氫載光纖光敏性的方案：在光柵制作之前，用一定強(qiáng)度的紫外光均勻照射氫載光纖，隨后，將照射后的光纖在室溫下放置15天，排出光纖中殘留的氫氣，最后采用相位掩膜板的方法制作光纖光柵［16］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用這種方法制成的光柵溫度穩(wěn)定性極好，如圖3、圖4所示［16］。通過對(duì)比圖3和圖4可以看出，經(jīng)過預(yù)處理的氫載光纖光柵在200c左右的高溫下光纖纖芯折射率調(diào)制改變量在0.1%附近，這樣的光纖光柵可以在室溫條件下工作25年之久，同時(shí)，預(yù)處理對(duì)光纖光柵造成的影響可以忽略不計(jì)［16?19］。3結(jié)束語目前，國內(nèi)外對(duì)紫外光致光纖折射率變化原因的研究仍在繼續(xù),所得到的結(jié)論都是通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)得出的，可以確定的是紫外光致光纖折射