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2013/08/30
作者：孙可元 郑培培 张伟
一、前言
随着光学光纤光敏性的发现，在光纤内研制一种新型的光纤化元件也就是所谓的光纤光栅。在光纤通信方面,光纤光栅可用于制作光纤激光器、色散补偿、脉冲压缩、上/ 下话路复用器、光纤放大增益平坦器、波分复用/ 解复用器等。在传感方面，光纤光栅的Bragg波长与温度和应变有较好的线性关系，而且传感信号用波长编码，不受光纤损耗和光源强度起伏的影响，也适于对物理量进行分布性测量，这在建筑、航空等方面都有很好的发展前景。光纤光栅的应用几乎渗透在光纤通信系统的每个角落，而光纤光栅技术和器件正在为蓬勃发展的技术和光纤传感技术与系统带来一场革命。同时，光纤光栅的研究已成为国际上研究的一个热点。近年来，国外的光敏光纤售价昂贵，国内能提供光敏光纤的公司较少，而一些科研所主要注意力集中在光纤光栅的制造和工艺上，对光敏光纤的研究基本没有，针对耐高温光敏光纤产品更是少而足见。
二、光纤光敏性、光敏原理
光纤的光敏性是指光纤对紫外光的吸收，可以通过光纤的紫外吸收谱来观察。在光纤中，包层一般是由纯石英组成，纤芯为提高折射率一般在石英中掺百分之几摩尔的锗或磷。有研究表明，商用SiO2（紫外）单吸收峰位于165nm处。Ge的加入改变了玻璃的紫外吸收带，使SiO2晶格阵列产生了扭曲，形成了畸变的晶格结构，产生了缺陷中心。Ge具有两种氧化态Ge2+和Ge4+，因此它有GeO和GeO2两种缺陷。前者对应于在242nm和325nm的吸收；后者对应于193nm的吸收。吸收峰随着Ge含量的增加而改变。光纤对紫外光的吸收诱导光纤的折射率随着紫外光强的空间分布发生变化，称作光致折射率变化。虽然这种变化是由于缺陷的光电离引起的观点已被人们广泛承认，但光诱导折射率变化的机理至今还不清楚。目前已经提出了两个模型：色心模型和结构模型。色心模型：是由Hand和Rusell于1990年提出来的，Ge/Si光纤曝光于紫外光，电离了缺氧缺陷，释放出光电子，光电子陷于邻近的位置，产生了新的色心；色心的改变，导致了玻璃吸收谱的永久性改变，通过Kramers－Kronig（K－K）关系导致了折射率的改变。K－K关系如下：
λ1和λ2是所计算的吸收变化的谱范围，λ’是所计算的折射率改变的波长。而结构模型认为在Ge/Si光纤中，缺陷的光电离不仅导致了光电子的重新分布，而且还改变了光纤的密度和应力，玻璃的压缩被认为是光纤中光致折射率改变的原因。光纤中的损耗是由吸收、瑞利散射和波导不完善引起的。吸收是由于分子振动引起的，包括玻璃材料内部的分子振动和电子激发以及制造过程中引入的不纯和色心。一般说，紫外区域内观察到的吸收主要是由电子激发引起的，而红外区域内的吸收主要是由分子振动引起的。硅最外层只有四个价电子，故正常情况下，每个硅原子和四个氧结合，在石英晶体中，这些四价原子形成了一个规则的点阵，但在玻璃中它们却形成了不规则的结构，Ge和Si一样是第四族的元素，故Ge可以很容易的代替Si原子，但由于原子半径、晶格常数和配位系数不同，掺入Ge使SiO2晶体阵列产生了扭曲，形成了畸变的晶格结构，产生了缺陷中心。这些缺陷中心，在光纤制造的各个阶段产生，是光敏现象产生的根源。
三、制备工艺
光纤预制棒的制备采用改良的化学气相管内沉积法（MCVD法）。其原理为：以液态四氯化硅（SiCl4）、四氯化锗（GeCl4）作为主导材料，用超纯氧气（O2）、氦气（He）作反应气体，与主导材料SiCl4、GeCl4等化学混合一并载入石英反应管内，在氢氧焰高温作用下，发生化学反应形成氧化物颗粒，在热泳效益的热迁移力作用下沉积在石英管内壁上，经高温熔融形成透明的玻璃沉积层。
随后经过轴向汽相沉积（VAD）进行大径预制棒制备，将大径棒在光纤拉丝机上进行拉丝、丙烯酸树脂涂覆、固化。在此基础上，采用树脂剥离机结合聚酰亚胺涂覆机对光纤进行二次处理，使其在聚酰亚胺涂层的作用下成为耐高温光敏光纤。
四、工艺参数
光纤预制棒工艺参数见表1。
光纤拉丝工艺参数见表2。
五、聚酰亚胺涂覆
经过拉丝、普通丙烯酸树脂涂覆、固化后的光纤不能耐高温以及不能在恶劣的环境中正常信号传输。为解决耐高温和恶劣环境影响因素，且能正常接收信号的传输，对制作好的普通光敏光纤进行了二次处理。
针对普通光敏光纤原有涂覆的树脂，采用树脂剥离机进行了丙烯酸树脂剥离，使其变成裸光纤，然后以聚酰亚胺为主原料的涂覆材料，利用聚酰亚胺涂覆机对裸光纤进行聚酰亚胺涂覆，结合电加热炉，对涂覆有聚酰亚胺涂料的光纤固化。从而因聚酰亚胺涂层的关系，使光纤能够起到耐高温的效果。
六、紫外光写入
光纤光栅作为光纤中的一种无源光子器件，在光纤中建立起一种空间折射率周期性分布，使光传播方式得以改变和控制。光纤光栅通过紫外曝光导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，纤芯内形成空间相位光栅。而高掺锗耐高温光纤除了具有较大的紫外线光敏性外，还具有较大的非线性。
普通光纤只能在100℃左右的环境状态下稳定使用，而耐高温高掺锗光敏光纤可以在300℃-400℃的环境中长期稳定使用，具有良好的光学特性和优异的动态疲劳特性及抗张强度。紫外光也不会因为温度过高而退化，光敏性能稳定。
针对紫外光的写入，利用了准分子激光器作为光源，采用相位掩膜法对制备的光纤进行紫外光写入实验，获得如下的光栅参数图。
图2中是所刻光栅的光谱图，由图可知，光栅的边模抑制比（大于15dB）、反射带宽（0.19nm）、反射中心波长（1550nm）。
图3是结合光源利用光谱仪进行监测，通过光栅的透射谱得到的参数图，从图中参数显示得出光栅反射率在90%以上。经紫外光的写入实验证明，利用该种方式，可以得到性能稳定的布拉格光纤光栅。
七、耐高温实验
将经过刻写光栅的高掺锗耐高温光纤放入不同温度环境的烤箱内，经过十多天对其进行光学传输性能对比、观察及测试，分别测试记录了1550nm、1625nm处温度对衰减的影响。得出该光纤能在300-400摄氏度的温度下表现出优越的耐高温性能，光纤的传输性能十分稳定，具体见图4。
八、结论
通过实验证明，利用MCVD管内化学气相工艺制备法，通过预制棒光纤拉丝技术，结合聚酰亚胺涂覆机对光纤实行聚酰亚胺涂覆，采用电加热对涂覆的聚酰亚胺涂料固化，能制备出适应较恶劣环境条件下的高掺锗光敏光纤，此光敏光纤可以刻写出反射率大于90%以上，边模抑制比大于15dB的布拉格光栅，并且能长时间耐温于三百左右的温度，比较适应于测井领域的应用，是制备传感器的首选材料之一。
随着光学光纤光敏性的发现，在光纤内研制一种新型的光纤化元件也就是所谓的光纤光栅。在光纤通信方面,光纤光栅可用于制作光纤激光器、色散补偿、脉冲压缩、上/ 下话路复用器、光纤放大增益平坦器、波分复用/ 解复用器等。在传感方面，光纤光栅的Bragg波长与温度和应变有较好的线性关系，而且传感信号用波长编码，不受光纤损耗和光源强度起伏的影响，也适于对物理量进行分布性测量，这在建筑、航空等方面都有很好的发展前景。光纤光栅的应用几乎渗透在光纤通信系统的每个角落，而光纤光栅技术和器件正在为蓬勃发展的技术和光纤传感技术与系统带来一场革命。同时，光纤光栅的研究已成为国际上研究的一个热点。近年来，国外的光敏光纤售价昂贵，国内能提供光敏光纤的公司较少，而一些科研所主要注意力集中在光纤光栅的制造和工艺上，对光敏光纤的研究基本没有，针对耐高温光敏光纤产品更是少而足见。
二、光纤光敏性、光敏原理
光纤的光敏性是指光纤对紫外光的吸收，可以通过光纤的紫外吸收谱来观察。在光纤中，包层一般是由纯石英组成，纤芯为提高折射率一般在石英中掺百分之几摩尔的锗或磷。有研究表明，商用SiO2（紫外）单吸收峰位于165nm处。Ge的加入改变了玻璃的紫外吸收带，使SiO2晶格阵列产生了扭曲，形成了畸变的晶格结构，产生了缺陷中心。Ge具有两种氧化态Ge2+和Ge4+，因此它有GeO和GeO2两种缺陷。前者对应于在242nm和325nm的吸收；后者对应于193nm的吸收。吸收峰随着Ge含量的增加而改变。光纤对紫外光的吸收诱导光纤的折射率随着紫外光强的空间分布发生变化，称作光致折射率变化。虽然这种变化是由于缺陷的光电离引起的观点已被人们广泛承认，但光诱导折射率变化的机理至今还不清楚。目前已经提出了两个模型：色心模型和结构模型。色心模型：是由Hand和Rusell于1990年提出来的，Ge/Si光纤曝光于紫外光，电离了缺氧缺陷，释放出光电子，光电子陷于邻近的位置，产生了新的色心；色心的改变，导致了玻璃吸收谱的永久性改变，通过Kramers－Kronig（K－K）关系导致了折射率的改变。K－K关系如下：
λ1和λ2是所计算的吸收变化的谱范围，λ’是所计算的折射率改变的波长。而结构模型认为在Ge/Si光纤中，缺陷的光电离不仅导致了光电子的重新分布，而且还改变了光纤的密度和应力，玻璃的压缩被认为是光纤中光致折射率改变的原因。光纤中的损耗是由吸收、瑞利散射和波导不完善引起的。吸收是由于分子振动引起的，包括玻璃材料内部的分子振动和电子激发以及制造过程中引入的不纯和色心。一般说，紫外区域内观察到的吸收主要是由电子激发引起的，而红外区域内的吸收主要是由分子振动引起的。硅最外层只有四个价电子，故正常情况下，每个硅原子和四个氧结合，在石英晶体中，这些四价原子形成了一个规则的点阵，但在玻璃中它们却形成了不规则的结构，Ge和Si一样是第四族的元素，故Ge可以很容易的代替Si原子，但由于原子半径、晶格常数和配位系数不同，掺入Ge使SiO2晶体阵列产生了扭曲，形成了畸变的晶格结构，产生了缺陷中心。这些缺陷中心，在光纤制造的各个阶段产生，是光敏现象产生的根源。
三、制备工艺
光纤预制棒的制备采用改良的化学气相管内沉积法（MCVD法）。其原理为：以液态四氯化硅（SiCl4）、四氯化锗（GeCl4）作为主导材料，用超纯氧气（O2）、氦气（He）作反应气体，与主导材料SiCl4、GeCl4等化学混合一并载入石英反应管内，在氢氧焰高温作用下，发生化学反应形成氧化物颗粒，在热泳效益的热迁移力作用下沉积在石英管内壁上，经高温熔融形成透明的玻璃沉积层。
随后经过轴向汽相沉积（VAD）进行大径预制棒制备，将大径棒在光纤拉丝机上进行拉丝、丙烯酸树脂涂覆、固化。在此基础上，采用树脂剥离机结合聚酰亚胺涂覆机对光纤进行二次处理，使其在聚酰亚胺涂层的作用下成为耐高温光敏光纤。
四、工艺参数
光纤预制棒工艺参数见表1。
表1 光纤预制棒工艺各参数（ml/min）
| 沉积层 | SiCl4 | GeCl4 | SF6 | O2 | He | 温度（℃） |
| 包层 | 375-450 | 0 | 0-8 | 1500-1800 | 800-1200 | 1800-1900 |
| 芯层 | 250-400 | 1450 | 0-5 | 1500-1800 | 800-1200 | 1900-1980 |
| 缩棒 | 0 | 0-15 | 0-3 | 1200 | 100-600 | 1940-2000 |
表2 光纤拉丝工艺各参数
| 拉丝速度（min/m） | 炉温（℃） | 张力（pis） | 涂覆材料 | 涂覆温度（℃） | 固化（nm） |
| 1000-1500 | 1900-2100 | 190-250 | 丙烯酸树脂 | 60-100 | 400-750 |
经过拉丝、普通丙烯酸树脂涂覆、固化后的光纤不能耐高温以及不能在恶劣的环境中正常信号传输。为解决耐高温和恶劣环境影响因素，且能正常接收信号的传输，对制作好的普通光敏光纤进行了二次处理。
针对普通光敏光纤原有涂覆的树脂，采用树脂剥离机进行了丙烯酸树脂剥离，使其变成裸光纤，然后以聚酰亚胺为主原料的涂覆材料，利用聚酰亚胺涂覆机对裸光纤进行聚酰亚胺涂覆，结合电加热炉，对涂覆有聚酰亚胺涂料的光纤固化。从而因聚酰亚胺涂层的关系，使光纤能够起到耐高温的效果。
六、紫外光写入
光纤光栅作为光纤中的一种无源光子器件，在光纤中建立起一种空间折射率周期性分布，使光传播方式得以改变和控制。光纤光栅通过紫外曝光导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，纤芯内形成空间相位光栅。而高掺锗耐高温光纤除了具有较大的紫外线光敏性外，还具有较大的非线性。
普通光纤只能在100℃左右的环境状态下稳定使用，而耐高温高掺锗光敏光纤可以在300℃-400℃的环境中长期稳定使用，具有良好的光学特性和优异的动态疲劳特性及抗张强度。紫外光也不会因为温度过高而退化，光敏性能稳定。
针对紫外光的写入，利用了准分子激光器作为光源，采用相位掩膜法对制备的光纤进行紫外光写入实验，获得如下的光栅参数图。
图1 布拉格光纤光栅原理图
图2 光栅透射谱图
如上图1所示，作者采用相位掩模法进行光栅刻制。系统中采用准分子激光器作为光源，并利用相位掩模板产生的+1级和-1级衍射光束进行干涉，它们的光功率相等，通过柱面镜压缩汇聚在光纤上，形成明暗相间的干涉条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率便会受到调制，从而导致永久性的折射率周期变化，即形成了光纤光栅。图2中是所刻光栅的光谱图，由图可知，光栅的边模抑制比（大于15dB）、反射带宽（0.19nm）、反射中心波长（1550nm）。
图3是结合光源利用光谱仪进行监测，通过光栅的透射谱得到的参数图，从图中参数显示得出光栅反射率在90%以上。经紫外光的写入实验证明，利用该种方式，可以得到性能稳定的布拉格光纤光栅。
图3 光栅反射谱图
所谓布拉格光栅是在一个窄的或宽的波长范围反射，其反射率的高低由光栅的周期、长度以及光栅与光场的作用强度（耦合系数）决定。七、耐高温实验
将经过刻写光栅的高掺锗耐高温光纤放入不同温度环境的烤箱内，经过十多天对其进行光学传输性能对比、观察及测试，分别测试记录了1550nm、1625nm处温度对衰减的影响。得出该光纤能在300-400摄氏度的温度下表现出优越的耐高温性能，光纤的传输性能十分稳定，具体见图4。
图 4 温度对衰减影响的趋势图
利用刻写光栅的高掺锗耐高温光敏光纤进行光器件（高温传感器）制作，光栅处利用高温材料封塑后，同样在高温环境下对做好的耐高温光敏光栅传感器进行数据传输、耐高温稳定性、重复性、和良好的线性测试。发现能在300-400摄氏度的环境中能测量到温度的变化趋势。八、结论
通过实验证明，利用MCVD管内化学气相工艺制备法，通过预制棒光纤拉丝技术，结合聚酰亚胺涂覆机对光纤实行聚酰亚胺涂覆，采用电加热对涂覆的聚酰亚胺涂料固化，能制备出适应较恶劣环境条件下的高掺锗光敏光纤，此光敏光纤可以刻写出反射率大于90%以上，边模抑制比大于15dB的布拉格光栅，并且能长时间耐温于三百左右的温度，比较适应于测井领域的应用，是制备传感器的首选材料之一。
