光纤光栅制作与发展

光纤光栅的制作与发展1.1光纤材料的光敏性光纤光栅的光敏性是指物质的物理或者化学性质在外部光的作用下发生暂时或永久性改变的材料属性。对光纤材料的光敏性而言，则是指折射率、吸收谱、内部应力、密度和非线性极化率等多方面的特性发生永久性改变。石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个硅原子通过形成共价键与四个氧原子相连。虽然Ge原子与Si原子同为四价元素，可以代替Si原子在石英玻璃四面体结构中的位置，但是Ge的掺入仍将对石英玻璃的分子结构产生干扰并不可避免的形成缺陷中心。由于纯石英玻璃的吸收带位于160nm处，对波长在190nm以上一直到红外区的光具有大于90%的透过率。这些波长的光不会对石英材料的性质产生任何形式的影响，因此，光纤的光敏性与掺杂有关。一般认为掺锗石英光纤材料的光敏现象源于缺陷中心。起初，曾认为光敏性仅能从掺锗光纤中出现，光栅不能从纯硅纤芯生长，OH基对光纤的光敏性不是必要的。但是后来实验表明，光敏性存在于众多种类的光纤。比如，基于硅基光纤的掺铕光纤，掺铈光纤，掺饵锗光纤，以及掺氟浩盐光纤的掺锶饵光纤等。然而从实用的观点来看，最引人注意的光敏光纤就是广泛应用于通信产业和光传感领域的纤芯掺锗光纤。在光纤材料中掺锗以后将产生位于180nm，195nm，213nm，240nm，281nm，325nm，517nm等多个附加的吸收带，其中240nm和195nm为强吸收带。240nm吸收带的宽度约为30nm，325nm吸收带的强度仅为240nm吸收带的1/1000。通常，对光纤材料光敏性研究主要集中在240nm和193nm的紫外光波段上。1.2光纤材料的增敏技术自光敏性的发现和第一次证实锗硅光纤中的光栅以来，增加光纤中的光敏性就成为了一个重要的考虑因素。标准单模通讯光纤中掺有3%的锗，典型的光致折射率变化为~3×10-5。由于光纤材料的光敏性与光纤的掺杂浓度基本上成正比关系，因此提高光纤材料感光性最直接的方法就是提高光纤芯区的锗掺杂浓度。一般地，增加掺锗浓度可导致~5×10-4的光致折射率变化。但是用这种方法提高光纤材料的光敏性有一个很大的不利因素，即增加光纤芯区含锗量将增大光纤芯区和包层折射率之差。为保证光纤只能进行单模传输，必须减少光纤的芯径。当芯区的锗含量很高时，光纤的芯径将要非常小，这将影响光敏光纤与普通单模光纤的匹配性能。因此，寻求更为有效的光纤材料增敏方法具有非常重要的意义。提高光纤材料紫外感光特性的方法可以从以下几个方面考虑：（1）增加光纤材料中的缺陷浓度。（2）在光纤材料中掺入具有较大紫外吸收系数的杂质。（3）在光纤的芯区或包层中掺入适当杂质，尽可能增大二者之间的热特性失配度。目前，已经有多种有效的光纤材料增敏方案在实验室应用。这些方案主要分为三种，即载氢技术、光纤还原法和多种掺杂。1.2.1载氢增敏技术1993年，AT&TBell实验室的P.J.Lemaire等人首次引入了掺锗石英光纤材料的载氢增敏技术。掺锗3mol%的光纤被放入气压为2.0~76MPa（典型值为15MPa），温度为20~75oC的氢气中，这种方法将氢气以分子形态扩散入光纤的芯区。载氢光纤在收到紫外光照射的时候或者加热时将引起氢气的与掺锗石英玻璃之间的化学反应，即H2分子在Si-O-Ge区发生变化，形成与折射率有关的Ge-OH，Si-OH，Ge-H，Si-H等化学键和缺氧锗缺陷中心，从而提高光纤材料的光致折射率变化，可以使任何类型的掺锗石英光纤材料的光敏性提高1~2个数量级，并在其上写入高反射率的光栅。这样可使折射率变化Δn比原来的变化提高两个数量级，可达~5.9×10-3。另外，也可以对光纤载氘来达到光纤增强光敏性的目的。载氢技术的优势是可在任何锗硅或无锗光纤中生产Bragg光栅，而且未曝光的载氢光纤段在通信窗口的吸收损耗可以忽略。载氢光纤的形成的折射率变化是持久的，但是由于光纤中存在未反应的氢，使光栅的折射率随时间而发生变化，引起紫外写入光栅的Bragg波长的变化。因此，载氢光纤的热稳定性很差，一般在室温下放置两个星期其折射率深度就下降11%。探索提高温度稳定性的光纤光栅制作技术具有重要意义，一种方法是对其进行加速老化，即用事后热处理来稳定其波长；另一种方法是载氢光纤先经均匀曝光预处理再写入光栅。1.2.2光纤材料的换原性处理由于光纤材料的光敏性与光纤材料的中的缺氧锗缺陷浓度直接相关，且两者近似地成正比关系，因此可以通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的光纤段进行“焰刷”处理。1993年，F.Bilodeau等人把拉制好的标准通信锗光纤拟写入光栅的一段放在~1700oC的氢氧焰下灼烧，使光纤在240nm处的吸收增加。该作用指发生在含GeO的纤芯，对包层没有影响。紫外照射灼烧后的光纤可得到大于10-3的折射率变化，使光纤材料的光敏性提高了一个数量级。用这种方法增强光敏性不会产生折射率的飘移。由于对曝光区段的光纤进行处理，因此这种方法对两个主要的通信窗口几乎没有影响。可在标准通信光纤中写制出强Bragg光栅。然而，该技术的主要缺点是高温灼绕破坏了光纤，有长期稳定性的问题。对光纤材料进行还原性处理的另一种方法是在光纤预制棒的制作过程中施加还原性条件或者对光纤预制棒在高温氢气中进行后处理使芯区的缺氧锗缺陷浓度增加，可将光纤材料的光敏性提高2~3倍。这种方法最大的缺点就是氢气与GeO2反应生成的OH-离子将在1.4um处产生一个很强的吸收带。这个吸收带对光信号在两个主要通信窗口的传输具有非常不利的影响。1.2.3多种掺杂在锗硅光纤材料中，掺入B、Sn或Al等元素可提高光纤材料的光敏性，其中以B/Ge双掺杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以采用MCVD技术生产。在石英玻璃中掺入B将使物理性质发生很大的变化，比如，掺B后石英玻璃的热膨胀系数增大，同时熔点降低。在几百摄氏度高温下的退火实验，证实了在B/Ge光纤的纤芯区将由于B的掺入而引入较大的应力。利用B/Ge双掺提高光纤材料光敏性最主要的有利因素是B的掺入能够引起光纤材料芯区的折射率的降低。因此，B/Ge双掺光纤材料可以具有较高的锗掺杂浓度，同时又不引起光纤芯包折射率的增大，从而可实现与普通单模光纤的良好匹配。因此，对这种高度光敏光纤材料的研究具有很大的意义。（1）避免了对光纤材料进行长时间且具有危险性的氢气敏化处理。（2）可避免由于载氢增敏在光栅区域引起的羟基吸收损耗，这一损耗在长度较大的Chirp光纤光栅中是十分严重的。（3）提高了光栅的制作效率。如果对B/Ge双掺光纤材料进一步载氢处理，可以在教短的曝光时间内获得很高的光栅反射率。1.2.4预加应力增敏技术在写入光栅的过程中，对掺锗光纤施加适当应力，将会提高光纤的光敏性。图1表明，施加3%应变的应力情况下，可使光敏性提高2倍以上，而且形成的光栅的热稳定性也将保持不变。在同样的曝光条件下写入Bragg光栅时，施加应力的光纤将会得到高达18dB的反射深度，而未加应力的光纤的反射深度仅为7dB，因此利用这种方法将会明显缩短光纤光栅的写入时间。光纤光栅的写入方法用掺杂光纤制作光栅的方法主要有内写入和外写入法。内写入技术是一个全息制作过程，它利用光在纤芯内部传播时形成驻波所产生的双光子吸收的原理；外写入技术则主要有点-点成栅技术，相干UV光全息干涉技术和相位掩模技术等。2.1内写入法该法制作光栅同光学全息法制作光栅相似，利用菲涅尔反射，使得反射光与入射光在适当条件下干涉，在纤芯内部形成驻波。由于光致折射效应，在沿光纤长度的波节波腹处通过曝光可以诱导出周期性的折射率变化形成光栅。这样制作的光栅，曝光时对装置的稳定性要求很高，得到折射率变化较小，仅为10-6，而波长不易改变，其特点见表1。由于该技术的写入效率低，写入的Bragg波长受激光写入波长限制等原因，制作的光栅性能太差，所以该方法已较少使用。表1各种主要写入光栅方法的比较：2.2外写入法相对于内写入法，外写入法的形式很多，方法也更为灵活，能够制作各种特定波长的Bragg光栅。2.2.1外写入全息法1989年UTRC的研究人员首次用紫外光全息法制成了高反射率的Bragg光栅，反射率可达76%。它是在选择适当的波长后，使光纤芯径在两束干涉光的诱导下发生折射率的永久性变化而形成的。光栅的周期由入射光的波长和两光束之间的夹角决定，系统设置如图1。一小段去掉包层的光纤在两束相互垂直的诱导光的作用下，经侧面曝光形成光栅。利用可调谐准分子泵浦染料激光器件为光源，波长为486nm~500nm，经倍频得到244nm的UV光，图中水银弧灯和高精度的单色仪用来观察Bragg光栅的反射光谱。这种光栅的侧面UV光曝光全息法反射效率高，方便灵活，可调整入射光束的夹角和全息图条纹的间距来得到不同波长的Bragg光栅。这种光栅稳定性好，但它对光源的相干性和光路的稳定性要求较高。2.2.2全息干涉计方法全息相干法是最早用于横向写人制作FBG的一种方法，图2示出的是M-Z干涉计法工作装置示意图。人射紫外光经分光镜分成两束。经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正弦分布明暗相间的干涉条纹;光纤经过一定时间照射，在纤芯内部引起和干涉条纹同样分布的折射率变化，从而在光纤上就写人了正弦分布的体光栅。干涉条纹间距如式(1)。这种方法的最大优点在于突破了纵向驻波法对布喇格中心反射波长的限制，可以在最感兴趣的波段内对之进行更充分的运用。它既行之有效，又操作简单，所以受到普遍重视，也得到了相当的运用。采用改变两光束夹角或旋转光纤放置位置的方法都可以方便的实现改变反射中心波长之目的，或者将光纤以一定弧度放置于相干场，很容易得到带有chirp的光纤光栅。这些都是全息相干法优点所在。图1UV光全息法写入原理图2干涉计写光纤光栅方法这种方法亦存在很大的缺点，给制作带来诸多问题。首先，全息相干对光源的空间相干性和时间相干性都有很高的要求:空间相干性由激光器输出光的横模特性决定。如果激光器处于多横模振荡，那么输出光束就有较大的空间发散性，通过测定激光的近场图和远场图可知:输出光斑是由一系列的尖峰所组成，每一尖峰的宽度约为微秒数量级，并且是无规划分布的，这就说明整个输出光束的截面内并非全部相干，相干区域仅是很小的一部分，所以输出光束的多横模现象将严重影响全息相干法的效果。另外，输出光的纵模特性决定了它的时间相干性。如果是多纵模振荡，或纵模存在严重漂移(如由温度变化引起)，都将增加输出线宽，由2/cL可以看出，线宽增加大大缩短了相干长度，对全息相干法写人效果也极为不利，增大了光路的调节难度；其次，欲得到准确的布喇格中心反射波长，对光路的调整有着极高的精度要求，从d和λB容易得出：2cos(sin)Bn假如采用λ=240nm的紫外光，光纤折射率n=1.45，那么要得到λB=1550nm的反射中心波长，θ为12.97o；如果光路调整使θ偏差0.01o，可得到中心波长偏差ΔλB=67.27nm，可见制作的FBG的中心波长已经远离了1550nm。这说明了对光路调整θ要求是极其苛刻的。全息相干法要有一定的曝光时间，这就要求在这一段曝光时间内光路保持良好的防振，以避免波长量级的扰动造成光路错动，恶化相干效果，因此要将光路中的元件都置于一个防震平台上。全息相干法的光源大多为Ar十二倍频和染料二倍频激光器，并配以高质量的相干光路。一般来说，其装置体积都很大。2.2.3外写入单脉冲法所用的内写入法和侧面曝光全息法，要求写入光有足够高的能量密度，一般为几百焦尔每平方厘米，曝光时间为数秒至几分不等，而且对整个系统的稳定性要求极高，需要排除诸如气流振动、温度漂移、光源不稳定等因素的影响。对此，研究人员提出了利用准分子激光器制作光栅的单脉冲法。Ask-ins等人利用该方法，采用Kr+F准分子激光器作光源制作光栅，所需能量密度小(1J/cm2)，曝光时间短(20ns)，得到的光纤折射率为10-5，最高可达10-4，效率高，其性能见表1。同以往的方法相比，该方法一次性曝光，可以免除外界的干扰，对于