。其中当t=td，时，光纤中氢气的浓度达到其饱和值H的63%。 将T =300k,rd=62.5代入上式，tdiff约为7天。
低温载氢光纤光敏性
冷藏载氢光敏光纤
载氢光纤光敏解释及退火处理
根据色心模型的解释，高压载氢光纤在紫外光的照射下，H2和纤芯中 的Ge-O-Si缺陷发生反应，缺氧错缺陷中心中的电子被电离出来，接着又 被附近的具有完整Ge-O键四面体结构的Ge原子所俘获，产生了Ge(1)和 Ge(2)色心，同时伴随有Ge-OH和Si-OH等物质，这些都引起了纤芯折射 率的变化。但是这些被俘获的电子有一部分处于靠近导带的低能量势阱中 ，通过热激发这些电子就会返回导带，并重新构成缺氧锗缺陷中心，从而 导致纤芯折射率改变量的减小。另外，由于载过氢的光纤中存在游离的氢 分子，纤芯的折射率将会有所增加。 在光纤光栅制作完毕之后，光纤中的未经反应的氢分子会逐渐逃逸出 光纤，导致光纤折射率的减小，从而引起谐振峰波长的改变。为了保证光 纤光栅在实际应用时折射率的稳定，在光纤光栅制作完成后一般进行高温 退火。退火的作用有两方面：一方面可以清除残留在光纤中的未反应的氢 分子，这会导致纤芯和包层折射率回复为未氢载前的值；另一方面，退火 可以破坏光栅写入后纤芯中的一些不稳定的Ge-OH和Ge-H键，使纤芯的 折射率降低的幅度也不同，温度越高折射率降低越多。
反射镜
UV 光 分光镜
反射镜
柱状透镜 光源
θ
柱状透镜 光谱分析仪
是光纤就行吗？

利用紫外光刻写法需要用光敏光纤

高掺杂锗（Ge）光纤 低温载氢光纤 高温载氢光纤 混合掺杂光纤
掺杂光纤

掺杂光纤光敏性机理


掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过 程使错位键破裂形成色心 标准光纤：GeOx 其它掺杂物质：Erbium（铒）, Europium （铕）, Cerium（铈）
氢在硅玻璃中的扩散满足如下方程:
在圆柱坐标下解扩散方程，得到氢在光纤中的扩散方程。当时间t=0时，对 于氢气进入光纤的情况，归一化浓度C=0，对于溢出的情况C=1。向内扩 散：
向外扩散：
载氢光纤光敏性
载氢光纤中氢气摩尔分数的饱和值H与温度T和压力P有关
对于一段裸光纤来讲，扩散时间满足下面的关系式:
载氢技术
载氢技术作为一种光纤增敏技术是由lemaire等人在1993年提出的，其 优点是成本低廉，制备简单，并且能大幅度提高光纤光敏性，通过氢载处理 的普通光纤的纤芯折射率变化幅度可从10-5提高到10-2。其基本原理是普通 光纤在高压氢气中放置一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中 :当特定波长的紫外光(一般是248nm或193nm )照射氢载光纤时，纤芯被照 部分中的氢分子即与锗发生反应形成Ge - OH和Ge一H键，从而使该部分的 折射率发生永久性的增加。由于写入后光栅中残存的氢分子的扩散运动以及 反应后存在不稳定的Ge一OH键，会造成光栅光学特性的不稳定，因此为便 于应用必须用高温退火的方法提高光纤光栅的稳定性。由于 存 在游离的氢 气，光纤在1245nm处存在着一个比较明显的吸收峰。光纤中氢气的摩尔分 子数)可以简单地通过测量每米光纤上这个吸收峰的大小来确定，满足以下 的关系:

增加光纤光敏性的方法（2）

高温载氢处理

在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温至 600℃ 短时间（10秒）内增加光纤的光敏性

火焰热处理 氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃ 持续20分钟 -3 光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10 高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问 题
光纤光栅的诞生


1978年，加拿大Hill 等人使 用如左图所示的实验装置将 488nm的氩离子激光注入到 掺锗光纤中，首次观察到入 射光与反射光在光纤纤芯内 形成的干涉条纹场而导致的 纤芯折射率沿光纤轴向的周 期性调制，从而发现了光纤 的光敏特性，并制成了世界 上第一个光纤布拉格光栅。 1989年，G.Meltz等人首次采 用全息干涉法，制出第一支 布拉格谐振波长位于通信波 段的光纤光栅，从此推动了 光纤光栅的巨大发展。
光纤光栅理论及应用
孙伟民 哈尔滨工程大学
What is FBG？
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Fiber Bragg grating (FBG) 是布拉格光纤光 栅，是一种沿光纤轴向制作的周期性结构， 相当于一种选定波长的反射镜。
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Bragg光纤光栅的概念
影响光纤光敏性的因素

掺杂种类与掺杂浓度 预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前 拉纤速度影响光纤光敏性 光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
增加光纤光敏性的方法（1）

低温载氢处理
压力：20—750atm(典型150atm)，温度： 20—75℃，时间：数十小时至数天 形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH 有效增加标准单模光纤的光敏性 标准单模光纤损耗增大 光敏性变化大 退火及老化处理
光纤光敏性
光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将 随光强的空间分布发生相应变化的特性(这种现象也称为光致 折射率变化效应，简称光折变效应。光纤的光敏性是光纤光栅 周期性折射率变化的根本原因。虽然光纤光敏性的发现距今已 有二十多年了，但其产生的微观机理还不是很清楚。目前人们 一般采用两种模型，即色心模型和应力松弛模型。色心模型认 为掺锗光纤中缺氧中心(GODC)吸收紫外光电离，释放电子， 电子陷于临近位置，形成新的色心，导致了吸收谱的变化，折 射率变化可以通过Kramers-Kroning关系来完成;应力松弛模 型认为，缺陷的电离不仅导致了吸收谱变，还使光纤材料的密 度和应力分布发生变化，引起折射率的变化，这在点点写入长 周期光栅时更为明显。通过提高光纤的掺杂浓度，可以提高光 敏性。
λ B = 2 n eff Λ
λ1 λ2 λ3 λ1
Λ
λ3
λ2 = λB
I
λ
输入宽光谱
λB
反射光谱
λ − λB
透射光谱
式中：neff —— 光纤的有效折射率 λB —— 布拉格耦合（中心）波长 Λ —— 光纤光栅栅格间距
与传统光学元件的比较

等效于激光器的多层介质膜反射镜
MgF2 (1.38) ZnS (2.35) MgF2 (1.38) ZnS (2.35) MgF2 (1.38) 1.50 13~17层