氢致锗掺杂单模光纤光学损耗机制：O-H键与短波边缘衰减(SWE)的贡献解析

这篇研究深入探讨了氢环境下锗掺杂单模光纤的损耗机制，揭示了O-H键形成（1390 nm特征峰）与短波边缘衰减(SWE)在1310/1550 nm波段的相对贡献。作者通过多变量回归分析，量化了温度（<150°C至375°C）、氢压及辐射预处理（UV/γ/电子束）对损耗的影响，为光纤传感（如井下温度/应变监测）的氢损防护提供了关键数据支撑。

　　

亮点

氢在光纤中的反应会生成O-H基团和其他导致短波边缘(SWE)衰减的缺陷。本研究解析了O-H和SWE对锗掺杂单模光纤在1310/1550 nm波段损耗的贡献差异，涵盖通信级和特种光纤。在温和老化条件（<150°C）下，探索了氢压、温度和时间的影响，并特别测试了聚酰亚胺涂层光纤在375°C下的氢敏感性。

实验方法

研究了多种锗掺杂单模光纤（截止波长1250-1260 nm），变量包括：(1)波导结构，(2)涂层类型，(3)氢老化前的预处理方式（如32 kGy γ/电子束辐照）。采用95%氮气混合气体（5% H₂）模拟环境，通过光谱分析量化O-H（1390 nm）和SWE（700/900 nm）特征峰。

O-H与SWE的贡献比例（以光纤1为例）

氢诱导损耗Δα_λ可分解为Δα_OH,λ + Δα_SWE,λ。在150°C/75 psi H₂老化74天后，1310 nm处SWE贡献占比高达80%，而1550 nm处O-H主导（约60%）。这种波长依赖性表明SWE对短波通信的影响远超预期。

结论

氢致衰减是未反应H₂、O-H峰和SWE共同作用的结果。研究发现：(1)纤芯GeO₂浓度，(2)涂层类型，(3)辐射历史共同决定SWE的权重。例如，γ辐照预处理会显著改变SWE的非线性行为，这对极端环境（如核电站监测）的光纤选型具有指导意义。