利用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)折射率的降低。因此，B/Ge雙摻雜光纖材料可以具有較高的鍺摻雜濃度，同時又不引起光纖芯折射率的增大，從而可實(shí)現(xiàn)與普通單模光纖的良好匹配。

(2) 刷火

由于光纖材料的光敏性與光纖材料中的缺氧鍺缺陷濃度直接有關(guān)，且兩者近似成正比關(guān)系，因此可以通過使用氫燈對所要曝光的光纖段進(jìn)行刷火處理。1993年，Bilodeau等人 ^{REF _Ref176532655 \r \h \* MERGEFORMAT [2]}用溫度高達(dá)1700℃的氫氧焰來回灼燒要寫入光柵的區(qū)域，持續(xù)20min，使光纖在240nm處的吸收增加。該作用只發(fā)生在含GeO的纖芯，對包層沒有影響。紫外灼燒后的光纖可得到大于10^-3的折射率變化，使光纖材料的光敏性提高了一個數(shù)量級。用這種方法增強(qiáng)光敏性不會產(chǎn)生折射率的漂移。由于對曝光區(qū)段的光纖進(jìn)行處理，因此這種方法對兩個主要的通信窗口幾乎沒有影響，可在標(biāo)準(zhǔn)通信光纖中寫出強(qiáng)光纖光柵。

該方法的主要缺點(diǎn)是高溫灼燒破壞了光纖，有長期穩(wěn)定性問題。

(3) 氫載

將光纖需制作光柵的部分去掉保護(hù)層，然后置于(20～750)×10⁵Pa的氫氣高壓容器中，氫氣濃度23000～85000ppm (1ppm定義為每個SiO₂分子有10^-6molH₂)，在常溫(21～75℃)下滲氫數(shù)百小時或數(shù)天。氫載處理后的光纖光敏性可提高幾十倍到幾百倍，折射率改變可達(dá)10^-2數(shù)量級。它的機(jī)理也同樣是增加了鍺缺陷從而提高了光纖的光敏特性。

低溫高壓載氫技術(shù)是通過外在方式提高光纖光敏性的一種有效方法,制作成本低廉,制備簡單,能大幅提高光纖的光敏性。經(jīng)過載氫處理后,普通光纖纖芯的折射率調(diào)制量可從10^-5提高到10^-2,這樣就使在任意光纖(包括標(biāo)準(zhǔn)光纖、低損耗傳輸光纖或其它希望使用的光纖)中制作高反射率的光纖光柵成為可能。載氫的基本原理是將普通光纖置于高壓氫氣中一段時間后,氫分子逐漸擴(kuò)散到光纖的包層和纖芯中，當(dāng)特定波長的紫外光(一般是248nm)照射載氫光纖時,纖芯被照部分中的氫分子即與鍺發(fā)生反應(yīng)形成Ge-OH和Ge-H鍵,使該部分的折射率發(fā)生永久性的增加。刻寫過程結(jié)束后，光柵中殘存的氫分子有擴(kuò)散運(yùn)動,且反應(yīng)后存在不穩(wěn)定的Ge-OH鍵，這都會造成光柵光學(xué)特性的不穩(wěn)定，因此必須用高溫退火的方法來保證光纖光柵實(shí)際應(yīng)用時的穩(wěn)定性。退火一方面可以清除殘留在光纖中未反應(yīng)的氫分子；另一方面可以破壞光柵寫入后纖芯中一些不穩(wěn)定的Ge-OH和Ge-H鍵。研究發(fā)現(xiàn)，退火后光纖折射率變小，光柵諧振波長向短波方向漂移，光柵透射譜深度變小。

棱鏡干涉儀和Lloyd干涉儀 是兩種比較有代表性的可以在光纖中寫入布拉格光柵的分波前干涉儀。棱鏡干涉儀的裝置如 圖3.5 (a)所示，棱鏡由高均勻性的紫外熔融石英制作而成，具有較好的傳輸特性。實(shí)驗(yàn)裝置中紫外光束被棱鏡邊緣二等分，其中一束光被棱鏡的內(nèi)表面反射。在棱鏡的出光面上兩束光相遇，形成與光敏光纖纖芯平行的干涉條紋。裝置之前放置的一個圓柱透鏡有助于沿光纖形成直線干涉條紋。由于光程差是產(chǎn)生在棱鏡內(nèi)部，它不受振動的影響，因此該干涉儀具有良好的穩(wěn)定性，有報道說用棱鏡干涉儀寫入光柵時寫入時間可以超過8h。因?yàn)楦缮鎴D案是將光束折疊產(chǎn)生的，因此光束的不同部分必須相干，這就要求紫外光源必須有很好的空間相干性，這是棱鏡干涉儀的一個主要缺點(diǎn)。

用Lloyd干涉儀寫入光柵的實(shí)驗(yàn)裝置如 圖3.5 (b)所示，干涉儀由一個絕緣的反射鏡組成，將一半的紫外光束反射到與其傾斜的光纖上，寫入光束被聚焦在反射鏡面與光纖的交點(diǎn)上。直接入射的紫外光和被反射的紫外光產(chǎn)生與光纖軸線垂直的干涉條紋。裝置之前放置了一個圓柱棱鏡以幫助沿著光纖聚焦干涉條紋。與前面提到的棱鏡干涉儀一樣，Lloyd干涉儀的條紋圖也是將光束分割然后折疊形成的，要求光束的不同部分必須相干，因此，所用的紫外光源也必須具有很好的空間相干性。分波前干涉法一個重要優(yōu)點(diǎn)是只需要一個光學(xué)器件，大大降低了其對機(jī)械振動的敏感性，此外，紫外光束分割后傳輸?shù)木嚯x較短，減小了由于光束所經(jīng)光路的空氣流動和溫度不同造成的波前畸變；再者，由于裝置簡單，很容易進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣就可以很容易地通過改變兩束光的夾角來調(diào)節(jié)光柵的波長。

分波前干涉法的缺點(diǎn)是支撐的光柵長度受限，它主要取決于光束的半寬度；還有一個缺點(diǎn)是受干涉儀物理配置的限制，布拉格波長的調(diào)諧范圍不大，因?yàn)殡S著夾角的增大，兩束光的光程差也增大，這樣光束的相干長度就會限制布拉格波長的調(diào)諧范圍。

利用相位掩膜板法制作光纖光柵

1993年，Hill等人首次采用相位掩模法成功寫入光纖Bragg光柵，光源是248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，相位掩模采用零級抑制位相掩模，周期Λ_PM=1060nm，零級衍射光受到抑制小于總衍射光功率的5%，正負(fù)一級衍射光各占總衍射光功率的37%，采用正入射曝光20分鐘后在1531nm處得到16%的反射率。不久，該研究組又采用類似方法，用單個KrF準(zhǔn)分子激光脈沖在光敏光纖中寫入了光纖Bragg光柵。

幾乎與此同時，美國AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的Anderson^]也用相位掩模法成功的制作了光纖光柵。他們使用的相位掩模周期Λ_PM=519nm，采用斜入射，入射角為13°，零級衍射光占入射光功率的26%，正負(fù)一級各占14%，在1508.5nm處得到94%的反射率。

由于相位掩模法具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此很快便成為制作Bragg光柵的首選方法。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是寫入Bragg光柵的周期僅由位相光柵掩模的周期Λ_PM和寫入光束的方向決定，而與寫入光的波長無關(guān)，工藝簡單，重復(fù)性好，成品率高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，對光源的時間相干性和單色性要求較低。另外，相位掩模近場衍射所形成的干涉條紋的位相與寫入光束入射到相位掩模上的位置無關(guān)，因此可以用來寫入均勻周期長光柵。

相位掩膜法技術(shù)大大的降低了光纖光柵制作系統(tǒng)的復(fù)雜程度，簡單到只需一個光學(xué)器件就可制作較強(qiáng)和比較穩(wěn)定的光纖光柵，因?yàn)楣饫w通常都放在模板后面衍射光的近場中，對機(jī)械振動的敏感性以及由其產(chǎn)生的不穩(wěn)定性等問題都被最大限度的克服了。由于干涉儀的幾何結(jié)構(gòu)、時間相干性不會影響寫入能力(與干涉儀相比)，但空間相干性對光柵的制作很重要。另外，相位掩膜法要求光纖被放置在與相位模板上光柵結(jié)構(gòu)近乎接觸的位置，以便能夠產(chǎn)生最大的折射率調(diào)制。顯然，光纖與相位模板的距離在寫入光柵過程中是一個很重要的參數(shù)。對于空間相干性不好的紫外光源，如準(zhǔn)分子激光器等，應(yīng)該使這個距離盡可能小。

圖3.13所示的裝置可以幫助理解空間相干性的重要性，纖芯與相位模板的距離為h，從模板不同部分(間隔距離為y)透過的+1階衍射和-1階衍射光束干涉形成干涉條紋，由于對兩束相干光來說，光纖到相位模板的距離是相等的，因此并不要求較好的時間相干性，一樣可以形成對比度高的干涉條紋。但是，隨著距離h的增加，兩束相干光的間隔距離y也會增加，因此必須要求光源具有很好的空間相干性才能形成對比度高的干涉條紋，如果距離h增加到超過入射紫外光的空間相干長度時，條紋對比度會迅速惡化，最后根本不會產(chǎn)生干涉。

研究分析表明，光纖光柵反射譜在短波長一側(cè)的反射旁瓣是由于光致折射率變化為非均勻時，光纖中的有效折射率隨光纖光柵的位置而變化，使光柵形成自啁啾效應(yīng)所造成的。顯然，只要在光纖光柵的長度范圍內(nèi)使非均勻折射率變化的直流分量保持為恒定值，便可以避免光纖光柵中的自啁啾效應(yīng)，從而有效地消除光纖光柵反射譜短波長側(cè)的旁瓣。

這里分析討論的光致折射率變化分布的獲得，都是基于“相位模板”方式的。擬刻寫光柵的光纖(經(jīng)載氫、并剝?nèi)プo(hù)套)直接置于相位模板下，光束垂直照射，光纖相位模板產(chǎn)生的干涉條紋使光纖受到周期結(jié)構(gòu)光強(qiáng)的照射，從而產(chǎn)生周期結(jié)構(gòu)的折射率變化，其分布取決于刻寫光柵的光強(qiáng)分布和光纖折射率分布，一般情況下，后者沿光軸向分布是均勻的，因此，光纖光柵折射率變化的分布取決于光強(qiáng)的分布。當(dāng)光強(qiáng)為高斯分布時，所形成的折射分布也呈高斯分布。

顯然，要使非均勻折射率變化分布的直流成分為恒定值，必須使光纖中折射率的變化是關(guān)于光柵軸對稱的。因此，應(yīng)使擬刻光柵的光纖折射率變化沿軸向分布為光強(qiáng)分布的反分布，即應(yīng)先在擬刻光柵的光纖上形成一折射率分布輪廓，然后再在該反對稱折射率分布的光纖上刻制光纖光柵。為此，可以采用兩步曝光法來實(shí)現(xiàn)。第一步曝光不加相位模板,使光纖上擬刻光柵的部位形成一所需的折射率分布；第二步曝光是把相位模板加于光纖的相應(yīng)位置上，使該部分形成光柵的周期結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以用相對簡便的方法去實(shí)現(xiàn)光纖中背景折射率的分布。

設(shè)擬刻光柵的光纖部分為R，長度為L，如 圖3.20所示。先把高斯分布光束的中心點(diǎn)對準(zhǔn)R的中心點(diǎn)；然后把光束平移L，使其對準(zhǔn)待刻光柵(R)部位的右端，使右半部分曝光，形成圖中箭頭(a)所示的光致折射率變化；而后再把光束平移L，移到擬刻光柵的左半部分(光束中心對準(zhǔn)L的左端)，使左半部分曝光，形成圖中箭頭(b)所示的光致折射率變化。這樣便在擬刻光柵的部分R形成了一折射率分布。第二步曝光時，便可在此折射率背景中形成周期結(jié)構(gòu)的折射率，如圖3.20中箭頭(c)所示。

表3. 制作光纖光柵用的UV光源及其性能

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光源	物理機(jī)制	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
1. KrF準(zhǔn)分子激光器(248nm) 2. 倍頻的氬離子激光器(244nm, 257nm) 3. 四倍頻的Nd3 + ∶YAG激光器(266nm) 4. 二次諧波銅蒸氣激光器(255nm) 5. Xecl準(zhǔn)分子激光器倍頻染料激光器(240～250nm)	GODC 240nm 處單光子吸收	KrF準(zhǔn)分子激光器無需倍頻,可提供短脈沖、高功率的能量,脈沖輸出頻率可調(diào),既可保證掩模法所需的相干度,操作亦簡單方便。是目前最為常用的光源。
氬離子激光器(488nm和514nm)	GODC 240nm 處雙光子吸收		與內(nèi)部寫入法結(jié)合形成駐波成柵,現(xiàn)在已不常用該法。
近紫外的連續(xù)氬離子激光器( 333 ～364nm)	GODC 330nm 處的吸收		形成的折射率調(diào)制量很小。
ArF準(zhǔn)分子激光器(193nm)		1. 可以在普通標(biāo)準(zhǔn)光纖上刻寫光柵,而無需提高鍺的摻雜濃度; 2. 由于光源波長短,因此在點(diǎn)點(diǎn)寫入法中就可以提供高空間分辨率。	激光能量要低于248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器。
F2 激光器的真空紫外光(157nm)	直接激發(fā)摻鍺石英光纖的傳導(dǎo)帶 <<<1234>>> 上一篇：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中光纖光柵傳感技術(shù)（二）光纖光柵基本原理2 下一篇：儀器儀表精度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn) 收藏 打印          粵ICP備14014482號-1 Copyright ? 2013-2015 深圳市簡測智能技術(shù)有限公司 版權(quán)所有 簡測智能淘寶店：shop115087619.taobao.com 公司地址：深圳市南山區(qū)學(xué)府路1號