光纤光栅折射率调制机理范文

《光通信技术杂志》2014年第六期

1非氢载光纤光敏性机理

1.1色心模型色心形成的原因是光纤的纤芯中掺杂了其它杂质，这些杂质的作用是使纤芯折射率略高于包层，从而达到传输光信号时所需要的芯包结构。但是，这些杂质也破坏了SiO2正四面体晶格结构。通常使用含锗（Ge）的石英玻璃作为纤芯材料，锗（Ge）可以提高石英材料的折射率，并且其最外层电子数和硅（Si）相同（Si和Ge都属于第四族元素），也可以形成GeO2正四面体结构，但是锗（Ge）的半径比硅（Si）要大许多，锗（Ge）的存在会破坏SiO2正四面体晶格结构，产生缺陷能级；同时，光纤制作过程中，由于氧气供应不足，锗（Ge）原子没有同氧气充分反应形成GeO2四面体结构，因此在光纤纤芯中存在缺氧锗缺陷（GODC），缺陷的数量同光纤中锗（Ge）的含量、制作光纤时氧气的压强有关[6]。1990年，Hand和Russell提出GODC的吸收峰在240nm附近，GODC可以通过488nm的双光子作用电离缺陷中的电子，该电子被附近的缺陷捕获，进而生成新的缺陷。此后，GODC成为研究的热点[7]。1992年，D.L.Williams等人用紫外光照射锗含量为20mol%的光纤，观察到200~350nm范围内的吸收谱在242nm附近减小，在小于200nm处有明显增加的吸收峰，并且计算出1.6μm处折射率变化量达到10-5数量级；同年，Atkins等人使用含锗量较低（8mol%）的光纤，也得到类似的结论。1993年，Atkins等人将紫外光谱范围下限扩展到165nm，并且观察到吸收峰在195nm附近有明显的增加。1995年随着新技术的不断出现，L.Dong等人对紫外光诱导光纤材料的紫外吸收谱变化做了系统的研究，首次通过165~300nm范围内紫外吸收谱变化量计算出1.5μm处折射率强度变化达到10-4以上[4]。最近C.L.Janer等人有新的研究表明，GODC由两部分组成：中性氧单空位（NOMV）和中性氧双空位（NODV）；这两种缺陷均缺少锗氧（Ge-O）键，可以在243nm（5.1eV）附近形成紫外吸收峰。有实验现象表明纤芯中硅锗错键（Ge-Si）的含量很少，可以略去不计，因此GODC中不考虑硅原子的存在。同时，中性氧单空位（NOMV）和中性氧双空位（NODV）的原子模型如图1所示[6]。目前，普遍肯定的是NOMV的原子模型如图1所示，而NODV的原子模型较为复杂。图中采用的模型是由Tsai等人提出的[8]，确定使用这样的模型是结合光化学反应的产物含量比例反推出的较为合理的原子模型。同时，光纤光栅制作过程中的光化学反应方程式为紫外光谱可以分解为若干高斯函数（Gauss）的组合，式（4）中Δαi表示紫外波段相应中心频率下的紫外吸收系数，Bi表示吸收峰值的1/e值处对应的带宽，C表示光速[9]。从式（4）看出，折射率强度的改变主要和光纤纤芯的紫外吸收光谱有关，纤芯紫外吸收谱的改变会影响红外区域内相应波长（如通信常使用波长1550nm）的折射率大小。也有学者认为NODV应该是锗孤对中心（GLPC）如图2所示，这样所引起的光化学反应将会有很大不同。综合实验结果和仿真结果[6]证实图1所示的原子结构更准确。同时，实验证实，吸收紫外光子后石英材料整体结构会发生变化，也就形成了另一个新的紧缩（密致）模型[10]。

1.2紧缩（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等人才用实验直接证明密致化在光栅的形成过程中确实存在[1]。密致模型认为折射率周期性变化的原因是光纤吸收紫外光后纤芯的结构发生变化，被光照射的部分密度变大，导致纤芯体积发生改变，从而引起折射率的变化。通过Lorentz-Lorenz关系能够得到折射率和体积变化的关系为：其中：n代表光纤纤芯的折射率，V为对应纤芯的体积，R代表光栅的反射率[1]。通过式（5）可以看出，石英玻璃体积和反射率都引起折射率的改变。在光纤光栅制作过程中，E.M.Dianov等人通过喇曼谱证实光纤在被紫外光照射后，光纤纤芯中高阶…Si-O-Si(Ge)-O…环减少，同时，低阶环（二到四阶）增加，这表明石英玻璃结构中由于高阶环受到碰撞裂变为二阶环或者三阶环时，石英玻璃的密度会增加，从而提高了石英玻璃的折射率，说明纤芯结构确实发生变化有密致、紧缩的现象出现[10]。当然，包层的结构也发生了一些变化，但是由于包层缺陷浓度较低，因此产生的折射率改变量与纤芯相比可以略去不计。1995年，P.Y.Fonjallaz等人通过实验表明在制作光纤光栅时，光纤纤芯和包层内侧之间的应力会增加[11]。根据弹光效应可知，应力增加会减小光纤纤芯的折射率，为此，我们需要将光纤芯包结构产生的应力作为影响光纤纤芯折射率变化的一个重要因素。综上所述，目前普遍认为色心模型、密致化模型和弹光效应共同影响光纤纤芯的折射率，这三种因素对折射率调制强度的影响程度与光纤参杂的浓度、是否进行预处理过程和紫外光源类型密切相关。

2氢载光纤光敏性机理

目前商业化使用的普通单模光纤其光敏性很低，通过色心模型分析得出248nm紫外光源可以使其折射率调制强度达到10-5数量级，不能满足对光纤光栅反射率强度的最低要求，通过密致化模型分析得出其折射率调制强度数量级达到10-4，虽然比色心模型高了一个数量级，但是仍然不能满足目前的实际需求，因此出现了很多增强光纤光敏性的方法，其中最行之有效的方法要数在低温高压环境下氢载光纤。这种方法操作相对简单，可以将折射率调制强度提高到10-3数量级，还可以减小制作光栅时所使用的紫外光脉冲的能量密度、缩短制作时间，可见，采用氢载的方法制作光栅带来了很多优势。由于有氢气分子的参与，在氢载光纤中研究影响折射率变化的因素更复杂，Lemaire认为氢载光纤折射率变化的原因主要有三种：形成羟基群、形成大量GeE''''缺陷中心和光纤材料密致化[12]。经过实验研究[13~15]，普遍认为氢载光纤在制作光栅过程中发生如下反应：式（7）中，T表示Ge或者Si。式(6)虽然是一个简单的过程，但是包含多个光致化学变化，GeODC可以看作是前文中提到的NODV吸收紫外光子后形成的一种产物。从上述光化学反应方程式中可以看出，氢气分子在光化学反应中起催化剂的作用，氢气在紫外光的激励下同光纤中存在的锗氧缺陷中心发生化学反应，生成较稳定的氢化物、羟基化合物和深能级缺陷中心。羟基浓度增加会引起光纤纤芯的体积膨胀、密度增加，这些因素共同影响光纤光栅的折射率调制强度。其中，密致化所引起的折射率增加量数量级为10-4，羟基浓度增加预计产生的折射率增加量数量级也为10-4，对折射率调制强度贡献最大的就是GeE''''中心缺陷，该缺陷产生的折射率调制强度至少在10-3以上。由此可以看出，氢载光纤具有强光敏性的主要原因是紫外光照射后可以生成大量深能级缺陷GeE''''[12]。通过研究氢载光纤制作光纤光栅的机理，J.Can-ning等人提出的锁定氢载光纤光敏性的方案：在光栅 制作之前，用一定强度的紫外光均匀照射氢载光纤，随后，将照射后的光纤在室温下放置15天，排出光纤中残留的氢气，最后采用相位掩膜板的方法制作光纤光栅[16]。实验证实，使用这种方法制成的光栅温度稳定性极好，如图3、图4所示[16]。通过对比图3和图4可以看出，经过预处理的氢载光纤光栅在200℃左右的高温下光纤纤芯折射率调制改变量在0.1%附近，这样的光纤光栅可以在室温条件下工作25年之久，同时，预处理对光纤光栅造成的影响可以忽略不计[16~19]。

3结束语

目前，国内外对紫外光致光纤折射率变化原因的研究仍在继续，所得到的结论都是通过实验现象总结得出的，可以确定的是紫外光致光纤折射率变化是许多微观过程共同影响的结果，而各个微观过程之间都有密切的联系，因此单独考虑其中一个过程的具体内容也需要设计不同的实验，同时，随着光纤技术的发展、更精密的实验设备的诞生和光纤理论研究的突破进展，我相信未来紫外光致光纤折射率变化的原因一定会有确定的结论。

作者：李颖倩陈根祥田恺谭晓琳单位：北京交通大学电子信息工程学院中央民族大学理学院