硫系玻璃光纤布拉格光栅制备方法研究

何盼盼 邱富军

摘要：硫系玻璃具有具有低声子能量、高折射率和高非线性，在光通信阶段具有较低的双光子吸收和不存在自由载流子吸收，在中远红外域有良好的透光性等特点。硫系玻璃光纤具有硫系玻璃的特性，根据其参杂元素的不同，特性和应用方向也不同。本文采用As-S硫系玻璃光纤，由于其不易断裂和化学性质稳定的特点，被广泛应用在光子器件领域。光纤布拉格光栅作为一种重要的光子器件，有线性和非线性两种特性，且都得到了运用，例如在红外传感器方面运用了其线性特性，在全光开关方面运用了其非线性特性等。由此可见获得一个高反射和低损耗的光纤布拉格光栅的重要性！运用硫系玻璃光纤制作布拉格光栅时，由于包层和芯层都具有光敏性，导致写入光栅变得尤为复杂，对光源及写入系统要求甚高。本文将对As-S硫系玻璃光纤布拉格光柵的写入系统进行研究，并提出制备方法。

在玻璃中参入硫族元素（如S、Se、Te等），再辅助于一些其他元素（如：As、Sb、Ge、Ga等），就能制成硫系玻璃。将硫系玻璃再加工，通过常规的制备方法，可以制作硫系玻璃脊形波导、条形波导和光纤等结构。据查询，现在已有成熟的、商业化的低损耗AsS硫系玻璃光纤的制备技术，且由该技术制备的AsS硫系玻璃光纤在波长为5 µm时，损耗低至约0.1 dB/m。

由于硫系玻璃具有宽广的红外透光性和非线性效益，其光纤已被应用在如红外CO激光能量传输、红外生物和化学传感器、中红外光纤激光器等方面。除此以外，硫系玻璃光子器件在近中红外波段域也有巨大潜在应用价值。同时，光纤光栅近几年发展迅速，具有体积小、低损耗、不受光纤非线性影响、与光纤兼容良好、波长可选择等优点。在光通信和光纤传感器等方面具有巨大的潜力。

如此，结合硫系玻璃和光纤光栅双重性质的硫系玻璃光纤布拉格光栅，具有更为深远的意义：1、作为线性器件，被应用于红外传感器;2、作为非线性器件，能够提高超连续光谱的产生和减慢光速等。由此可见，制作一个高反射和低损耗的硫系玻璃光纤布拉格光栅的意义尤为重要。

根据研究，硫系玻璃光纤的包层和芯层都具有光敏性，且包层和芯层折射率相差极小，例如AsS硫系玻璃光纤的芯层/包层对应成分是AsS/AsS， 只是稍微改变了摩尔数比，它们之间折射率差异约为0.3%，对光的敏感程度也相差无几。所以近十几年来，研究AsS硫系玻璃光纤布拉格光栅的研究报道不多。最早是1996年，采用横向全息曝光法制作出透过峰值为–5 dB的AsS光纤布拉格光栅。但是横向全息曝光法的机械稳定性不高，所以后来又采用机械稳定性比较高的相位模板技术在AsS硫系玻璃光纤中写入布拉格光栅。这个方法机械稳定性高，写入系统简单方便，被广泛运用。后来又提出了声波谐振法和飞秒激光点对点写法，但是这两种方法更适合用来写入长周期光栅，所以本文依旧以相位模板技术为基础进行研究。

在光源的选择上，最开始利用硫系玻璃材料对亚带隙光的吸收少的原理，采用633nm的亚带隙光，使之能够大部分穿透光纤包层进入芯层。但是，因为AsS硫系玻璃光纤包层和芯层折射率差异约0.3%，所以芯层对光的吸收也很少，得到的光栅透射峰和反射率不高，且曝光时间长，光谱质量差。经研究，如果使用带隙光，光源将被包层吸收，无法到达芯层。所以在光源的选择上，波长不能太靠近材料的吸收边缘，会导致光被包层吸收，无法到达芯层;也不能选择太远离材料的吸收边缘，因为会导致光吸收少，无法写入光栅或者写入的光栅质量差。故而本问将采用准带隙光源作为曝光源，以期能够最大限度发挥光源的作用。

相位掩模板法的机械稳定性高，适合用来写入硫系玻璃光纤布拉格光栅。当然传统的相位掩模板法写入的光纤布拉格光栅透射峰和反射率不高，所以对其进行整改，采用改进型相位掩模板法。如图所示，准带隙光由激光器射出，经过扩束透镜组、快门后被反射镜1反射入透镜中聚焦，再经过相位掩模板后得到±1衍射级两光束，经过反射镜2和反射镜3后，在光纤样品表面形成一定宽度和高度的高斯光斑，并发生干涉，从而在光纤样品中写入布拉格光栅。其中快门作为曝光开关，可以准确控制曝光时长。该光栅写入系统，具有较高的稳定性，能够轻易控制曝光时长。写入系统如图所示：

本文通过深入了解硫系玻璃的特性和应用，分析硫系玻璃光纤的光敏性，提出硫系玻璃光纤写入布拉格光栅的方法——改进型相位掩模板法，如上图所示。该方法具有较高的稳定性，能够轻易控制曝光时长，两束光的干涉较好;激光选择准间隙光，适应硫系玻璃光纤包层和芯层的光敏性，并且能够缩短光栅的写入时间，以便获得符合应用要求的光栅。

科研课题：《泸州职业技术学院科研资助金项目《硫系玻璃光纤布拉格光栅研制方法猜想》的研究成果，课题编号K-2033

作者简介：何盼盼（1990.04-），女，四川泸州人，硕士研究生，讲师。研究方向：电子信息和光通信

邱富军（1982.02-），男，四川乐至人，硕士研究生，副教授。研究方向：工业互联网、物联网和通信