【文章內容簡介】 大量的研究工作。 人們發(fā)現 摻鍺石英光纖在一定波長的藍光（ 488nm）折射率會發(fā)生永久性改變，即顯出光敏性質。 細致的研究發(fā)現 Kenh O. Hill等研究人員所用的 藍光（ 488nm）引起的折射率變化 是一雙光子過程，更進一步的研究，人們發(fā)現若能采用單光子過程，對折射率改變更有效。即選擇雙光子 過程所使用波長的一半的光源并使用單光子過程作用于光纖，造成的折射率的變化會更明顯。 Kenh O. Hill等研究人員的首次實驗之后，人們更多地 選擇紫外光（ 244nm）源并采用全息寫入法作用于成柵光纖制作光纖光柵，其表現出更好的效果，因此基于單光子作用的紫外激光寫入技術使用得到了廣泛采納。 光纖纖芯和光纖包層兩部分構成光纖的基本組成，并且纖芯的折射率大于光纖包層的折射率。石英光纖的主要成分是高純 SiO2，光纖纖芯通過摻雜其它材料的辦法來提高折射率。摻雜材料一般為 GeO2。 石英材料的分子結構為四面體的結 構， Si原子價態(tài)為 +4，每個 Si原子與四個氧原子通過形成共價鍵結合。而 Ge原子有 +2價和 +4價兩種價態(tài)，會以 GeO2和 GeO的形式存在于石英材料中。通過對載氫摻鍺光纖紫外輻射吸收譜的相關研究，人們發(fā)現摻鍺石英光纖具有光敏性質與石英材料中點缺陷的轉變過程有關。進一步對高溫下 (高于 1600℃ )的石英玻璃迅速冷卻到室溫進行淬火過程的研究發(fā)現這一過程會生成大量缺陷的同時，光敏性質大大增強，而純石英玻璃的吸收帶位于 160nm處，對波長大于 190nm并延續(xù)到紅外波長范圍的光波段能有近于百分之九十的透過率。即此波段的光波 不會對石英材料的性質產生任何影響。所以基于此事實可以進一步為摻鍺石英光纖具有光敏性質應與石英玻璃中缺陷中心的存在有關提供有利證據。 8 色心模型解釋 Hand等人于 1990年提出了石英材料光敏性質的色心模型。用紫外光照射摻鍺石英光纖時，光纖中的缺氧、鍺缺陷將會電離，新的缺陷中心將會在釋放出的光電子陷落位置附近形成，稱為色心缺陷粒子，色心缺陷粒子數的增加將永久改變光纖的紫外波段的吸收光譜。根據 Kramers— Kronig關系，缺陷中心數目的增加會導致光纖紫外吸 收譜的改變，從而進一步使得折射率發(fā)生改變。折射率改變的具體數值可以用公式： 02()1 ( / )2dn?? ????? ?? ????? ? （ 211） 公式中 ()??? 為依賴波長的吸收率的改變，基于此模型，光纖中電子在紫外光照射下在不同外置上的重新分布是導致折射率變化的基本原因，若紫外光導致的吸收帶的變化波長遠離我們感興趣的波長 ? ，則可以表示為一系列高斯吸收頻率帶的疊加，公式 211又可以有近似 表示： 21 ( / )42i iinIn? ?????? ???? ? （ 212） 其中， i? 為第 i個吸收頻帶的中心波長， i?? 為中心波長處吸收率改變量， i?? 為第 i個吸收帶的半最大值全寬。 L Dong,JL Archambault等人于 1995年用一 248nm準分子激光照射摻鍺的光纖預 制棒，測量了 165nm— 300nm范圍的吸收譜，根據上述公式得到了 1550nm波長上的折射率變化為 43 10?? ，一致性較好。色心模型具備清晰的物理圖像，并有較多的實驗支持，理論與實驗在數量級上比較一致，但用此模型解釋光纖光敏性質仍然需要進行大量細致深入的研究。 結構模型 光纖光敏特性方面的許多實驗表明在紫外光照射下光纖中的局部應力及密度會發(fā)生改變。而摻鍺石英光纖纖芯的折射率與其密度呈線性變化關系，從而使得應力和密度的變化被認為可能是光纖中折射率 改變的一種原因。解釋如下：光纖纖芯區(qū)和光纖包層區(qū)的熱膨脹系數和熔點不同導致光纖預制棒的制備及光纖拉制過程中應力的引入。用紫外光照射光纖時，光纖纖芯吸收紫外光后會使得一些錯鍵被打破并產生大量的熱量，從而使得光纖局部發(fā)生不可逆轉的應力釋放，這樣光纖中的應力第一章 緒論 9 分布和密度分布將會改變，進一步就引起了光纖折射率的變化。 算表明光纖軸向的線度若有僅 % 的改變則會產生 310? 的折射率改變。 此結構模型的 優(yōu)點是可對纖芯和包層具有較大熔點和膨脹系數差別的摻鍺光纖具有更強的光敏特性給出定性方面的解釋。實驗也表明在實驗條件完全相同時，光纖要比光纖預制棒顯示出更強的光敏特性，原因是光纖拉制過程中將會引入更多的應力，由此可見應力對光敏性質的影響具有非常重要的意義。結構模型雖能定性解釋光纖光敏特性與應力和密度的關系但目前無法給出光纖光敏特性的定量解釋。 光柵數值研究理論基礎 由于光纖光敏性質使 光纖纖芯折射率發(fā)生改變產生周期性微擾而形成的光纖光柵是一種新穎的全光纖無源器件。光柵中折射率分布可寫成如下形式： ? ? ? ? ? ?21 c osc ore zn n n z zz?? ? ???????? ? ? ?????????? （ 221） 其中： ? ? 222Fzz L? ?。 （ 221） 式中 coren 表示光纖纖芯折射率， ()nz? 表示光纖纖芯折射率變化的幅值，即折射率改變量。 v 為折射率變化的可見度， ()z? 為光柵折射率沿 縱方向的周期。另外 ??z? 是折射率變化的相位，一般可用來描述光柵的啁啾， F 為光柵的啁啾度， L為光柵的長度。光纖光柵的光譜是光纖光柵應用于不同場合的基礎， 用數值方法研究光纖光柵光譜屬性，一般有兩種可選的方法，其一為基于電磁場的耦合模理論，其二為傳輸矩陣理論。 在光波導里傳輸的光波的電場分量可表示為： ( , , , ) ( ) e x p ( ) ( ) e x p ( ) ( , ) e x p ( )jtt j j j jjE x y z t A z i z B z i z e x y t? ? ???? ? ? ? ???? （ 222） 222 式里 j 對應傳播的模式。 jA ， jB 為漸變包絡，分別表示 z? 和 z? 方向傳播模式的振幅。 ( , )jte xy 既可以是光纖波導內導模的傳播模式場，也可以是光纖波導包層模的傳輸模式場。 考慮折射率微擾，在光纖光柵光柵中傳輸的光波的各模式間發(fā)生模式耦合 ,耦合滿足下面公式所述耦合模方程： 10 ? ? ? ?? ? ? ?e x p e x pe x p e x pjk k j k j k k j k jkkjk k j k j k k j k jdA i A K i z i B K i zdzdB i A K i z i B K i zdz? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ??? （ 223） 223 中 kjK 為第 j 次模與第 k 次模之間的耦合參數，寫為： ? ? ? ? ? ?*( , , ) , ,4k j k t jtK z d x d y x y z e x y e x y? ??? ? ??? （ 224） 224 中 ?? 是波導中的電介質的微擾。當 corenn? 時， 2 corenn???? 。此處再定義兩個新的參量 ? ?kj z? 和 ??kj z? ： ? ? ? ? ? ? ? ?*,2c o r ek j k t jtnz n z d x d y e x y e x y??? ????? （ 225） ? ? ? ?2kj kjzz???? （ 226） 224 可寫為： ? ? ? ? ?