硫系玻璃光纖布拉格光柵制備方法研究

何盼盼?邱富軍

摘要：硫系玻璃具有具有低聲子能量、高折射率和高非線性，在光通信階段具有較低的雙光子吸收和不存在自由載流子吸收，在中遠紅外域有良好的透光性等特點。硫系玻璃光纖具有硫系玻璃的特性，根據其參雜元素的不同，特性和應用方向也不同。本文采用As-S硫系玻璃光纖，由于其不易斷裂和化學性質穩定的特點，被廣泛應用在光子器件領域。光纖布拉格光柵作為一種重要的光子器件，有線性和非線性兩種特性，且都得到了運用，例如在紅外傳感器方面運用了其線性特性，在全光開關方面運用了其非線性特性等。由此可見獲得一個高反射和低損耗的光纖布拉格光柵的重要性！運用硫系玻璃光纖制作布拉格光柵時，由于包層和芯層都具有光敏性，導致寫入光柵變得尤為復雜，對光源及寫入系統要求甚高。本文將對As-S硫系玻璃光纖布拉格光柵的寫入系統進行研究，并提出制備方法。

在玻璃中參入硫族元素（如S、Se、Te等），再輔助于一些其他元素（如：As、Sb、Ge、Ga等），就能制成硫系玻璃。將硫系玻璃再加工，通過常規的制備方法，可以制作硫系玻璃脊形波導、條形波導和光纖等結構。據查詢，現在已有成熟的、商業化的低損耗AsS硫系玻璃光纖的制備技術，且由該技術制備的AsS硫系玻璃光纖在波長為5 μm時，損耗低至約0.1 dB/m。

由于硫系玻璃具有寬廣的紅外透光性和非線性效益，其光纖已被應用在如紅外CO激光能量傳輸、紅外生物和化學傳感器、中紅外光纖激光器等方面。除此以外，硫系玻璃光子器件在近中紅外波段域也有巨大潛在應用價值。同時，光纖光柵近幾年發展迅速，具有體積小、低損耗、不受光纖非線性影響、與光纖兼容良好、波長可選擇等優點。在光通信和光纖傳感器等方面具有巨大的潛力。

如此，結合硫系玻璃和光纖光柵雙重性質的硫系玻璃光纖布拉格光柵，具有更為深遠的意義：1、作為線性器件，被應用于紅外傳感器;2、作為非線性器件，能夠提高超連續光譜的產生和減慢光速等。由此可見，制作一個高反射和低損耗的硫系玻璃光纖布拉格光柵的意義尤為重要。

根據研究，硫系玻璃光纖的包層和芯層都具有光敏性，且包層和芯層折射率相差極小，例如AsS硫系玻璃光纖的芯層/包層對應成分是AsS/AsS， 只是稍微改變了摩爾數比，它們之間折射率差異約為0.3%，對光的敏感程度也相差無幾。所以近十幾年來，研究AsS硫系玻璃光纖布拉格光柵的研究報道不多。最早是1996年，采用橫向全息曝光法制作出透過峰值為–5 dB的AsS光纖布拉格光柵。但是橫向全息曝光法的機械穩定性不高，所以后來又采用機械穩定性比較高的相位模板技術在AsS硫系玻璃光纖中寫入布拉格光柵。這個方法機械穩定性高，寫入系統簡單方便，被廣泛運用。后來又提出了聲波諧振法和飛秒激光點對點寫法，但是這兩種方法更適合用來寫入長周期光柵，所以本文依舊以相位模板技術為基礎進行研究。

在光源的選擇上，最開始利用硫系玻璃材料對亞帶隙光的吸收少的原理，采用633nm的亞帶隙光，使之能夠大部分穿透光纖包層進入芯層。但是，因為AsS硫系玻璃光纖包層和芯層折射率差異約0.3%，所以芯層對光的吸收也很少，得到的光柵透射峰和反射率不高，且曝光時間長，光譜質量差。經研究，如果使用帶隙光，光源將被包層吸收，無法到達芯層。所以在光源的選擇上，波長不能太靠近材料的吸收邊緣，會導致光被包層吸收，無法到達芯層;也不能選擇太遠離材料的吸收邊緣，因為會導致光吸收少，無法寫入光柵或者寫入的光柵質量差。故而本問將采用準帶隙光源作為曝光源，以期能夠最大限度發揮光源的作用。

相位掩模板法的機械穩定性高，適合用來寫入硫系玻璃光纖布拉格光柵。當然傳統的相位掩模板法寫入的光纖布拉格光柵透射峰和反射率不高，所以對其進行整改，采用改進型相位掩模板法。如圖所示，準帶隙光由激光器射出，經過擴束透鏡組、快門后被反射鏡1反射入透鏡中聚焦，再經過相位掩模板后得到±1衍射級兩光束，經過反射鏡2和反射鏡3后，在光纖樣品表面形成一定寬度和高度的高斯光斑，并發生干涉，從而在光纖樣品中寫入布拉格光柵。其中快門作為曝光開關，可以準確控制曝光時長。該光柵寫入系統，具有較高的穩定性，能夠輕易控制曝光時長。寫入系統如圖所示：

本文通過深入了解硫系玻璃的特性和應用，分析硫系玻璃光纖的光敏性，提出硫系玻璃光纖寫入布拉格光柵的方法——改進型相位掩模板法，如上圖所示。該方法具有較高的穩定性，能夠輕易控制曝光時長，兩束光的干涉較好;激光選擇準間隙光，適應硫系玻璃光纖包層和芯層的光敏性，并且能夠縮短光柵的寫入時間，以便獲得符合應用要求的光柵。

科研課題：《瀘州職業技術學院科研資助金項目《硫系玻璃光纖布拉格光柵研制方法猜想》的研究成果，課題編號K-2033

作者簡介：何盼盼（1990.04-），女，四川瀘州人，碩士研究生，講師。研究方向：電子信息和光通信

邱富軍（1982.02-），男，四川樂至人，碩士研究生，副教授。研究方向：工業互聯網、物聯網和通信