三、光纤光栅

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光纤光敏性分析（2）
• 虽然Ge原子与Si原子同为四价元素，可以代替Si 原子在石英玻璃中四面体中的位置，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 免地形成缺陷中心。
• 包层发生了什么?
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光敏光纤
• 掺铈光纤、掺铒锗光纤、掺锗硼光纤、掺氟锆光 纤、掺铕光纤。 • 在通信中应用最广泛的是纤芯掺锗光纤。 • 在光纤材料中掺入Ge以后将产生位于195nm、 213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等多 个附加吸收带，其中240nm、195nm为强吸收带
光敏性模型（1）
• 提出了多种模型，没有一种可以解释所有的实验结果。一 般认为 掺杂光纤的光敏性与光纤中的氧空位缺陷有关。 Ge具有两种氧化态Ge2+和Ge4+ 因此具有GeO和GeO2两种缺陷。GeO缺陷对应于光纤在 242nm和325nm的吸收，GeO2缺陷对应于193nm的吸收。 GeO缺陷对242nm的光产生了强烈的吸收，引起GeO电离， 引起光纤的折射率发生变化。 • 色心模型和密致模型。 • 1、色心模型 • D.P.Hand, P.St.J.Russel提出，认为在紫外光的照射下掺 锗石英光纤材料中缺氧锗缺陷将发生电离，所释放的电子 陷落在附近位置上形成新的缺陷中心。
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锗硅光纤的光敏性模型（2）
• 这种色心缺陷粒子数的变化将永久地改变光纤的紫外吸收 谱，从而引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，其改变 的具体数值如下式： • Kramers－Kronig关系：
c ( )d n( ) 2 0 '2
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石英结构
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光纤光敏性分析（1）
• 目前是十分活跃的领域，是一个十分复杂的过程， 目前不能给出完全定量化的描述。 • 光纤的光敏性与掺杂有关。石英材料的分子结构 通常为四面体结构，每个Si原子通过形成共价键 与四个氧原子相连。由于纯石英的吸收带位于 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。
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光纤光栅光敏的分类
• ⅡA（Ⅲ）类光栅 –掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)的光纤内形成 –较高UV曝光量（ ＞ 500J/cm2)， –结构重构引起折射率变化 –折射率变化⊿n＜0 –温度稳定性较好（500℃） –可使脉冲或连续激光 • Ⅱ类光栅 –极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 –物理破坏引起折射率变化(融化石英基质，物理性损伤） –折射率变化⊿n可达10-2 –温度稳定性好（800℃） –只能使用脉冲激光
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光纤材料的还原性处理（1）
• 2、光纤材料的还原性处理 • 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。 • 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。
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二、光 纤光栅的历史
• 1978年由加拿大通讯研究中心(CRC, Canadian Research Centre )的K.O. Hill.率先报道了光纤的 光敏特性，制造了第一支光纤光栅。 • 1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干 涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发 展。 • 1993年 K.O. Hill提出的相位掩模制造法使光纤光 栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大批 量制造成为可能。
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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。 • 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 • （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，可以在较短 的曝光时间内获得很高的光栅反射率。
(n 2 2)(n 2 1) V R V n [ X 1] 6n V R V • 玻璃的折射率变化不仅仅与玻璃吸收系数有关， 还与体积有关（光致密化和光致热膨胀效应）。
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光纤的光敏性
• 标准掺锗光纤中锗的含量是3％－5％，锗氧缺陷 很少，为了增加光纤的光敏性，需要提高锗的含 量，高掺锗光纤，折射率变化很小，不能满足对 光纤光栅的制作要求。 • 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所 有种类的光纤材料上不同程度地写入光栅。 • B和Ge共掺光纤可提高光纤的光敏性，折射率变 化较大;
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光纤光栅的重要作用
• 1、半导体激光器：在输出部分加Bragg单模激光； • 2、光纤激光器，波长相同的Bragg可以形成腔镜，提供波长选择反馈， 以掺铒光纤为增益介质。 • 3、光纤放大器,反射泵浦,增益平坦,增益锁定等功能; • 4、光纤滤波器 ，基本滤波器、干涉带通滤波器、Fabry-Perot滤波器， 内耦合器Bragg光栅滤波器 • 5、波分复用/解复用器 • 6、色散补偿，啁啾光纤光栅色散补偿 • 7、光学信息补偿，作为相位调节器，光学Fourier变换器和相位阵列 天线 • 8、光纤传感器：波长编码，绝对测量，可检测应力、应变、温度、 压力、振动、磁场、电流等多种物理量。
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载氢增敏技术（1）
• 1、载氢增敏技术 1993年 AT &T Bell实验室的P. J. Lemaire掺锗光纤的 载氢增敏技术。 掺锗3％光纤被放入气压为2.0-76MPa，温度为20－75℃ 的氢气中，形成载氢光纤。 载氢光纤在紫外光照射或加热时将引起氢气和掺锗石 英光纤之间产生化学反应，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，从而产生光致折射率变化，光敏性 可提高1－2个数量级，折射率变化提高两个数量级。 还有载氘光纤。
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光纤材料的紫外增敏技术
• 标准单模通信光纤掺有3％的锗，典型的折射率变化是 3X10-5，提高锗掺杂浓度可达到5X10-4 • 增加掺杂锗浓度提高了纤芯和包层折射率之差，要减小纤 芯，造成普通光纤和光敏光纤的匹配性能下降。 • 因此要寻找增敏新方法，主要考虑： • 提高缺陷浓度； • 在光纤中掺 杂紫外吸收系数大的杂质； • 纤芯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； 主要方法：载氢技术、光纤还原法、多种掺杂、预加应力增 敏技术；
'

• 色心模型认为，在紫外光照射下电子在不同位置上的重新 分布是掺锗石英光纤折射率改变的主要原因。 • 色心模型由于结构清晰，并得到很多实验事实的支持，可 给出光致折射率改变的数量级，模型还不完善。 •
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锗硅光纤的光敏性模型（3）
• 2、密致模型 • 玻璃的光敏性不仅与玻璃中缺陷有关，在紫外光 照射下光纤材料中的局部应力和密度将发生变化。 • 掺锗石英玻璃的折射率与其密度呈线性关系，因 此这种应力和密度的变化被认为是光纤材料中光 致折射率的一种可能的机制－密致模型。
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三、光纤光栅光敏性
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光纤光敏性概念（1）
• 所谓的光敏性，就是指当材料被外部光照射时， 引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化 的一种特性。
• 光纤中的光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外 部光源照射时发生改变的特性。在一定条件下， 变化的大小与光强成线性关系并可保存下来。 • 色心一般是指缺陷的吸收带，是导致光纤传输的 重要原因。
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光纤光栅光敏的分类
• 光敏性与光纤类型、紫外辐射波段和激光功率有 关。 • 光纤光栅分成三种：I型、IIA型、III型。 • Ⅰ类光栅 –掺杂浓度较低的光纤内形成 –较低UV曝光量 –局部缺陷引起折射率变化 –折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0 –温度稳定性较差（300℃） –可使脉冲或连续激光，前者更有效
第三讲 光纤光栅 主要内容
光纤光栅的意义 光 纤光栅的历史 光纤的光敏性 光纤光栅的写入方法 光纤光栅的光学特性 光纤光栅传感及应用领域、展望
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一、光纤光栅的意义
• 光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化的效 应，在纤芯上形成周期性的折射率调制分布，从 而对入射光中相位匹配的频率产生反射。
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光纤光栅传感器的优势（1）
光纤光栅用于智能结构（smart structure）和材料的光纤传 感器的研究，主要用于结构内部应变、压力、温度、振动、 载荷疲劳、结构损伤等参数的监测。 • 1） 抗干扰能力强：这一方面是因为普通传输光纤不会影 响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面 光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干 扰，例如光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏 等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅 的传感系统具有很高的可靠性和稳定性； • 2） 光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量（在对光 纤光栅进行定标后），不必如基于条纹计数的干涉型传感 器那样要求初始参考；
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光纤光栅传感器的优势（2）
• 3） 传感探头结构简单、尺寸小（其外径与光纤本身等 同），适于各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入 复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全 性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测； • 4) 便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分 复用（WDM）技术构成分布式光纤光栅传感器阵列，进 行大面积的多点测量； • 5）测量结果具有良好的重复性； • 6) 光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模生产（商品 化）。
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载氢增敏技术（2）
• 特别说明，载氢光纤形成的折射率变化是持久的，由于光 纤中存在未反应的氢，使光纤光栅的折射率随时间变化而 变化，引起紫外写入光栅的Bragg波长的变化。室温条件 下放置2个星期下降11％。 • 主要方法：
• 加速老化，用事后热处理来稳定波长； • 载氢光纤先经均匀曝光处理再写入光栅；
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光纤材料的还原性处理（2）
• 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1.4µm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。
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光纤光栅的意义（2）
• 光纤光栅对光纤通信和光纤传感技术产生了重大影响,使 各种全光纤器件成为现实,并促使人们重新考虑光纤通信 系统中各种光学元器件的构成与设计。它促进了光通讯容 量的提高,尤其是促进了WDM复用的迅速发展。 • 光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域中的里程碑作用已被 世人认可,成为光纤通信和光纤传感等技术领域必不可少 的基础性元件。 • 它作为高性能的滤波元件,在光纤光栅激光器、光纤放大 器、密集波分复用器(DWDM)、光分/插复用器(OADM)、 光交叉连接器(OXC)和偏振模色散补偿器等全光网络关键 元器件中获得了重要应用,在全光网络的发展中起着重要 作用。