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《光通信技術雜志》2014年第六期

1非氫載光纖光敏性機理

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，這些雜質的作用是使纖芯折射率略高于包層，從而達到傳輸光信號時所需要的芯包結構。但是，這些雜質也破壞了SiO2正四面體晶格結構。通常使用含鍺（Ge）的石英玻璃作為纖芯材料，鍺（Ge）可以提高石英材料的折射率，并且其最外層電子數和硅（Si）相同（Si和Ge都屬于第四族元素），也可以形成GeO2正四面體結構，但是鍺（Ge）的半徑比硅（Si）要大許多，鍺（Ge）的存在會破壞SiO2正四面體晶格結構，產生缺陷能級；同時，光纖制作過程中，由于氧氣供應不足，鍺（Ge）原子沒有同氧氣充分反應形成GeO2四面體結構，因此在光纖纖芯中存在缺氧鍺缺陷（GODC），缺陷的數量同光纖中鍺（Ge）的含量、制作光纖時氧氣的壓強有關[6]。1990年，Hand和Russell提出GODC的吸收峰在240nm附近，GODC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，進而生成新的缺陷。此后，GODC成為研究的熱點[7]。1992年，D.L.Williams等人用紫外光照射鍺含量為20mol%的光纖，觀察到200~350nm范圍內的吸收譜在242nm附近減小，在小于200nm處有明顯增加的吸收峰，并且計算出1.6μm處折射率變化量達到10-5數量級；同年，Atkins等人使用含鍺量較低（8mol%）的光纖，也得到類似的結論。1993年，Atkins等人將紫外光譜范圍下限擴展到165nm，并且觀察到吸收峰在195nm附近有明顯的增加。1995年隨著新技術的不斷出現，L.Dong等人對紫外光誘導光纖材料的紫外吸收譜變化做了系統的研究，首次通過165~300nm范圍內紫外吸收譜變化量計算出1.5μm處折射率強度變化達到10-4以上[4]。最近C.L.Janer等人有新的研究表明，GODC由兩部分組成：中性氧單空位（NOMV）和中性氧雙空位（NODV）；這兩種缺陷均缺少鍺氧（Ge-O）鍵，可以在243nm（5.1eV）附近形成紫外吸收峰。有實驗現象表明纖芯中硅鍺錯鍵（Ge-Si）的含量很少，可以略去不計，因此GODC中不考慮硅原子的存在。同時，中性氧單空位（NOMV）和中性氧雙空位（NODV）的原子模型如圖1所示[6]。目前，普遍肯定的是NOMV的原子模型如圖1所示，而NODV的原子模型較為復雜。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合光化學反應的產物含量比例反推出的較為合理的原子模型。同時，光纖光柵制作過程中的光化學反應方程式為紫外光譜可以分解為若干高斯函數（Gauss）的組合，式（4）中Δαi表示紫外波段相應中心頻率下的紫外吸收系數，Bi表示吸收峰值的1/e值處對應的帶寬，C表示光速[9]。從式（4）看出，折射率強度的改變主要和光纖纖芯的紫外吸收光譜有關，纖芯紫外吸收譜的改變會影響紅外區域內相應波長（如通信常使用波長1550nm）的折射率大小。也有學者認為NODV應該是鍺孤對中心（GLPC）如圖2所示，這樣所引起的光化學反應將會有很大不同。綜合實驗結果和仿真結果[6]證實圖1所示的原子結構更準確。同時，實驗證實，吸收紫外光子后石英材料整體結構會發生變化，也就形成了另一個新的緊縮（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等人才用實驗直接證明密致化在光柵的形成過程中確實存在[1]。密致模型認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構發生變化，被光照射的部分密度變大，導致纖芯體積發生改變，從而引起折射率的變化。通過Lorentz-Lorenz關系能夠得到折射率和體積變化的關系為：其中：n代表光纖纖芯的折射率，V為對應纖芯的體積，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光纖在被紫外光照射后，光纖纖芯中高階…Si-O-Si(Ge)-O…環減少，同時，低階環（二到四階）增加，這表明石英玻璃結構中由于高階環受到碰撞裂變為二階環或者三階環時，石英玻璃的密度會增加，從而提高了石英玻璃的折射率，說明纖芯結構確實發生變化有密致、緊縮的現象出現[10]。當然，包層的結構也發生了一些變化，但是由于包層缺陷濃度較低，因此產生的折射率改變量與纖芯相比可以略去不計。1995年，P.Y.Fonjallaz等人通過實驗表明在制作光纖光柵時，光纖纖芯和包層內側之間的應力會增加[11]。根據彈光效應可知，應力增加會減小光纖纖芯的折射率，為此，我們需要將光纖芯包結構產生的應力作為影響光纖纖芯折射率變化的一個重要因素。綜上所述，目前普遍認為色心模型、密致化模型和彈光效應共同影響光纖纖芯的折射率，這三種因素對折射率調制強度的影響程度與光纖參雜的濃度、是否進行預處理過程和紫外光源類型密切相關。

2氫載光纖光敏性機理

目前商業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制強度達到10-5數量級，不能滿足對光纖光柵反射率強度的最低要求，通過密致化模型分析得出其折射率調制強度數量級達到10-4，雖然比色心模型高了一個數量級，但是仍然不能滿足目前的實際需求，因此出現了很多增強光纖光敏性的方法，其中最行之有效的方法要數在低溫高壓環境下氫載光纖。這種方法操作相對簡單，可以將折射率調制強度提高到10-3數量級，還可以減小制作光柵時所使用的紫外光脈沖的能量密度、縮短制作時間，可見，采用氫載的方法制作光柵帶來了很多優勢。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雜，Lemaire認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]。經過實驗研究[13~15]，普遍認為氫載光纖在制作光柵過程中發生如下反應：式（7）中，T表示Ge或者Si。式(6)雖然是一個簡單的過程，但是包含多個光致化學變化，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物。從上述光化學反應方程式中可以看出，氫氣分子在光化學反應中起催化劑的作用，氫氣在紫外光的激勵下同光纖中存在的鍺氧缺陷中心發生化學反應，生成較穩定的氫化物、羥基化合物和深能級缺陷中心。羥基濃度增加會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制強度。其中，密致化所引起的折射率增加量數量級為10-4，羥基濃度增加預計產生的折射率增加量數量級也為10-4，對折射率調制強度貢獻最大的就是GeE''''中心缺陷，該缺陷產生的折射率調制強度至少在10-3以上。由此可以看出，氫載光纖具有強光敏性的主要原因是紫外光照射后可以生成大量深能級缺陷GeE''''[12]。通過研究氫載光纖制作光纖光柵的機理，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]。實驗證實，使用這種方法制成的光柵溫度穩定性極好，如圖3、圖4所示[16]。通過對比圖3和圖4可以看出，經過預處理的氫載光纖光柵在200℃左右的高溫下光纖纖芯折射率調制改變量在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，預處理對光纖光柵造成的影響可以忽略不計[16~19]。

3結束語

目前，國內外對紫外光致光纖折射率變化原因的研究仍在繼續，所得到的結論都是通過實驗現象總結得出的，可以確定的是紫外光致光纖折射率變化是許多微觀過程共同影響的結果，而各個微觀過程之間都有密切的聯系，因此單獨考慮其中一個過程的具體內容也需要設計不同的實驗，同時，隨著光纖技術的發展、更精密的實驗設備的誕生和光纖理論研究的突破進展，我相信未來紫外光致光纖折射率變化的原因一定會有確定的結論。

作者：李穎倩陳根祥田愷譚曉琳單位：北京交通大學電子信息工程學院中央民族大學理學院