光纖光柵制備結構的穩定性

肖劍峰， 施解龍， 陸君輝， 孫偉勝

(上海大學理學院，上海200444)

布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating，FBG)是目前應用最廣泛的短周期光纖光柵，其在光纖通信和光纖傳感領域的應用已經日臻成熟［1］.制備布拉格光纖光柵所要考慮的因素主要有光源、光敏光纖、掩模板、制備光路結構、調節系統、封裝與測試這幾個環節.一般采用掩模法制備光纖光柵，該方法對光源的要求相對不高，但也有一定的限制.光纖的光敏性將直接影響光致折射率增量與曝光量的關系，從而在時間域上限制光纖光柵的成柵質量.而掩模板對光源空間相干性的要求，也在一定程度上制約著布拉格光纖光柵的成柵質量.光路系統和對準調節系統決定了光柵的中心波長、頻譜寬度等參數.掩模板與光纖的距離和角度會直接影響眾多光纖光柵參數，光纖所受軸向壓力也會影響光柵中心波長的分布.

1 紫外光源

制備布拉格光柵最常用的光源是準分子激光器的240 nm左右波段的紫外光源.一般采用平行紫外光垂直照射掩模板，利用產生的±1級衍射光在掩模板后表面形成的干涉效應來制作布拉格光纖光柵(見圖1).

圖1 紫外光照射掩模板示意圖Fig.1 Ultraviolet rays of the diagram template

理論分析可知，±1級衍射光產生的干涉場周期由掩模板的性質決定，與入射光的波長和入射角度無關.然而，入射光的入射角對掩模板透射譜的對比度有比較大的影響，這也是掩模法制備光纖光柵所應考慮的問題.圖2是在現有理論基礎上，對入射光偏轉角與相對于垂直入射透射光對比度的關系的數值模擬［1-2］.圖中可以發現：隨著光纖掩模板距離的增加，偏轉角越大，對比度衰減越快.偏轉角越接近于0 rad，對比度保持效果越明顯.因此，可以得到以下結論：在用掩模法制備光纖光柵時，光源環節要盡可能保證入射光的垂直入射，并且，光纖要接近掩模板.考慮到光纖自身直徑的大小，光纖與掩模板的距離在100 μm比較理想.

圖2 入射光偏轉角與對比度的關系Fig.2 Light and deflection of the diagram

2 相位掩模板

相位掩模法是指利用產生的±1級衍射光在掩模板后表面形成的周期性干涉條紋來制作布拉格光纖光柵.干涉條紋主要由掩模板自身結構決定，對光源的相干性要求相對不是很高，極大地降低了對光纖光柵制備系統結構的精度要求.然而，作為系統核心元件，相位掩模板的性能參數的好壞則直接決定了所制備光纖光柵的性能參數.因此，對相位掩模板性能的分析和掌握是相位掩模法制備技術的關鍵.布拉格的光柵方程［3-4］為

式中，i，j分別為小于 d(1+sin θ)/λ和 d(1－sin θ)/λ的最大整數，d為光柵周期.假定坐標系：垂直掩模板為y軸方向，0點為掩模板透射面，正交于y軸并平行于掩模板為x軸方向.根據耦合模理論可推導出各級衍射光強如下：

式中，f=d1/d為相位掩模板后表面刻槽的占空比，φ為相位掩膜板衍射結構部分的相對相位延遲參量，即

根據式(3)和(4)，圖3是假設入射角θ為0 rad時零級衍射光的Matlab數值模擬圖.由此可以獲得掩膜板刻槽深度h和占空比f與零級衍射效率的關系如下：只有當占空比和刻槽深度都在理想狀態下(f=0.5，h=λ/(2×(nsi－1)))時，零級衍射效率才為0.通常情況下，相位掩模法制備光纖光柵時，由于零級衍射光是有害的，因此必須最大限度地加以抑制.

圖3 零級衍射光數值模擬Fig.3 Zero level light numerical simulation

以上結論是建立在假設激光入射偏轉角為0 rad的前提下，下面分析偏轉角對干涉場的影響.首先，提出一種絕對理想化的情況：光源偏轉角為0 rad，零級衍射也被完全抑制，只存在±1級衍射光.則透射譜能量分布公式為［4］根據式(5)，圖 4是當發散角為 0 rad，取 λ= 248 nm，d=1 071 nm時，透射光強的Matlab數值模擬分析圖.

圖4 發散角為0 rad時透射光強模擬分析圖Fig.4 Simulation diagram of transmitted light with zero angle

由圖可見，光強在x方向呈周期約為d/2的明暗交替分布，干涉條紋的對比度與y方向及入射光波長無關.因此得到如下結論：在掩模板質量較好(零級衍射光)、入射光發散角極小的情況下，制作光纖光柵時就不需要窄線寬光源，從而大大降低了對光源干涉性的要求.

圖5為當發散角不為 0 rad(小角度約為0.002 rad)，取λ=248 nm，d=1 071 nm時，透射光強的Matlab數值模擬分析圖.

圖5 發散角不為0 rad時透射光強模擬分析圖Fig.5 Simulation diagram of transmitted light with no-zero angle

由圖可見，光強在x方向仍然呈約為d/2的周期分布，但干涉條紋的對比度隨著距離的增大而衰減，特別是當距離超過100 μm以后，對比度衰減的速率越來越大，這與第1節的論述非常符合.

因此，制備光纖光柵時，應盡量減小光源發散角以及光纖與掩膜板的距離.經驗公式表明，該距離最好控制在100 μm左右.

當零級衍射未被完全抑制，或存在±1級衍射光以及較弱的±2級衍射光時，假定光源發出的光為具有良好相干性的準單色光，ψn為第n級衍射的衍射角，設最大衍射級次為m，則掩膜板的近場光強分布由各級衍射光束之間的相互干涉給出［4-5］，即

令ΔΦ為光源發散角，d為光柵周期，取參數ΔΦ=2 mrad，λ=248 nm，d=1 071 nm.下面分兩種情況進行討論.

(1)離掩膜板較近(y=0d～4d)時(見圖6(a))，由于微小的距離差異等影響，光強在x與y方向都呈現周期性分布.在x方向主周期為d，但隨著y的增大，2列x方向呈周期分布的條紋之間存在d/2的位移.

圖6 零級衍射未被抑制時的透射率模擬圖Fig.6 Transmittance simulatin with zero-order diffraction no-restrainted

(2)當 y足夠大(y=150d～250d)時(見圖6(b))，在數百微米量級下，y軸周期性分布特性幾乎可忽略，形成了y軸近似平滑的現象.但仍然能看出，y軸呈現出一定的周期性，周期長度約為100d，和光纖直徑是同一個量級的.實踐證明，這種周期性在制備高精度(反射率在15 dB以上)布拉格光柵時，會影響光纖光柵參數的穩定性.在相同條件下，批量制備的光纖光柵的實測反射率會有比較大的差距，因此，在制備高精度布拉格光柵的過程中，±2級衍射光的干擾作用不容忽視［6］.

3 光纖光敏性測量

光纖的光敏性機理主要表現在：在紫外光照射下，光纖中缺陷的Ge-Si鍵被打破，釋放的電子被鄰近的 Ge俘獲，又形成新的吸收中心，結果導致240 nm處吸收峰的加強［7-8］.正因為如此，采用240 nm的準分子激光作為制備光源是最佳選擇.

檢測光纖光敏性最常用的方法是M-Z干涉測量法［9］.圖7是測量裝置的基本結構圖.

圖7 M-Z干涉法測量光纖光敏性Fig.7 M-Z interference for measuring fiber photosensitivity

由圖可見，LD光源發出的光被3 dB耦合器分為兩路耦合進光纖光路.一路是測量臂，用準分子激光器做曝光實驗，另一路作為參考臂.之后，兩路光重新被3 dB耦合器耦合成一路光纖光路.最后，該路光被耦合進光譜分析儀OSA，通過對耦合光譜的時域進行分析，可定量分析出光敏性效果.時域光程差為

式中，k(t)為實驗觀察到的光強變化量.

圖8是Nufern光敏光纖(型號GF1)光敏性采樣實驗結果.從圖中可知，較佳的制備時間在180 s以內，超出這個時間則折射率調制就會變得非常慢.

4 聚焦制備系統

除掩模板之外，對光纖光柵成柵質量影響最大的就是相配套的光學平臺和系統.從第2節分析可知，掩模法要求光源的入射角小于0.002 rad，同時要求光纖與掩模板的距離達到微米量級，這些都需要配套的光學系統來實現.因此，本研究利用一種特殊的三維平移臺構建了一套預拉制備結構如圖9所示，其主要結構包括Brg200準分子激光器、柱透鏡系統、掩模板系統、光纖定位系統、光路聚焦調節背景板，外加寬帶光源和時域光纖光譜分析儀.

圖8 光敏性測量實驗結果Fig.8 Light-sensitive of the survey results

圖9 布拉格光纖光柵制備結構圖Fig.9 Structural drawing of FBG preparation

柱透鏡系統的作用是把準分子激光器的光束聚焦成線光，把激光能量聚集到待測光纖上，避免了散射光的干擾，同時通過擴束、壓縮、聚焦等操作，提高了光源模式穩定性和時域功率穩定性.實踐證明，提高聚焦效率的有效措施是采用雙“迎合”的方法，即調節光路時先撤出掩模板系統，利用光纖定位系統調節光纖的距離和角度來“迎合”線光焦點，然后再讓掩模板“迎合”光纖.這是因為去包層的光纖纖芯直徑可以和光波長相比擬，達到了物理學上“狹縫衍射”的要求，于是線光在焦點的附近能發生空間濾波現象.

把聚焦成線的光束比作線光，假定如下坐標系：水平垂直線光方向為Y軸，豎直垂直線光方向為Z軸.光纖在Y軸上的偏移對應著背景板上暗紋的寬度，Z軸上的偏移對應著暗紋的偏轉角度，Z軸與線光吻合度越高，暗紋偏轉角越大.圖10為Z軸高度與線光高度吻合的實驗空間濾波效果照片.此時，光纖已經接近光纖焦點附近，所發生的濾波現象使得暗條紋偏轉了90°，從平行于光纖，轉變到垂直于光纖.圖11則是將實驗采樣經過曲線擬合，用Matlab模擬了Y軸、Z軸偏移量與光斑覆蓋率之間的關系.基于該量化關系，可以通過觀察背景板上暗紋的寬度和偏轉角度分別調節Y軸和Z軸，從而能夠很容易達到聚焦效果.

圖10 實驗空間濾波現象Fig.10 Spatial filtering in experiment

圖11 偏移量與陰影覆蓋率的關系Fig.11 Offset vs.the coverage

光纖光柵的布拉格波長受應力的影響也非常明顯［9］.刻制光柵時通過對光纖進行預拉，可以人為控制中心波長的位置(±0.1 nm誤差范圍內的概率在99%以上)，從而提高所刻制光柵參數的統一性.本研究通過實驗證明，如果在制備光纖光柵前先對光敏光纖施加軸向應力，完成后再釋放其應力，則光纖光柵的周期會變小，布拉格波長變化的幅度可多達幾個納米;若在光纖光柵制備后再施加軸向應力，則光柵周期會變長，數值幅度也可達幾個納米.

5 穩定性處理

剛制備成的布拉格光纖光柵如不經過穩定性處理，其性能是很不穩定的，尤其是實驗中用到的載氫光纖.光敏光纖經載氫后，氫就擴散進入光纖，當對光纖進行曝光時，就會形成Si—OH鍵和鍺缺氧缺陷，二者都會使光誘導折射率變大［10-12］.一些沒有參加反應的溶解在光纖里的氫也會使光柵的有效折射率增大，但這些影響會隨著時間的推移慢慢消失，結果使光柵的有效折射率相應減小，光柵反射譜的布拉格波長向短波方向漂移.因此，有必要對光纖光柵進行退火處理［13］.本實驗采用的載氫光纖是在100個大氣壓氫氣氣氛中保持14 d的普通單模光纖.實驗結果表明，高于95℃的退火溫度會對涂覆層產生不可恢復的損傷，甚至脆裂.經過反復驗證，最終得出在85℃恒溫箱中烘烤4 h，效果相對較好.圖12是在恒溫35℃條件下測定的退火效果實驗采樣圖.由圖可見，退火處理對穩定光纖光柵中心波長有積極的作用.

圖12 退火處理對光纖中心波長的影響Fig.12 Anneal for the center of the effect of optical fiber wavelength

6 結束語

數值模擬顯示，隨著光纖與掩模板距離的增加，紫外光偏轉角越大，對比度衰減越快.偏轉角越接近于0 rad，對比度保持效果越明顯.只有當掩模板的占空比和刻槽深度都在理想狀態下(f=0.5，h=λ/ (2×(nsi－1)))時，零級衍射效率才為0.在理想狀態下，掩模板光強在x方向呈周期約為d/2的明暗交替分布，干涉條紋的對比度與y方向和入射光波長無關.光源發散角影響透射光宏觀對比度，±2級衍射光影響了微觀透射光譜.可以利用制備結構中產生的空間濾波現象作為聚焦系統的調節標尺，并可以用預拉光纖的方法調節光纖光柵的中心波長.最后通過實驗證實了退火處理有助于穩定光纖光柵的工作波長.

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