光纤光栅

　　1993年hill等人提出了相位掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的±1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化，从而写入光栅。此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10^-5最大提高到了10^-20),这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。

　　光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成(利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性)一个窄带的(投射或反射)滤光器或反射镜。

　　1、光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为:

　　①相移光栅:在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构造多通道滤波器件。

　　②啁啾光栅:栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。

　　③闪耀光栅:当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。

　　④长周期光栅:栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。

　　⑤均匀周期光纤布喇格光栅:通常称为布喇格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。

　　此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。

　　2、根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种:Ⅰ型、Ⅱ型和ⅡA型。

　　①Ⅰ型光栅:即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层耦合损耗;另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度(200℃左右)下光栅会变弱或消失。

　　②Ⅱ型光栅:由单个高能量光脉冲(大于0.5J/cm2)曝光形成。其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合到包层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。有极高的温度稳定性，在800℃下放置24小时无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失。

　　③ⅡA型光栅:成栅于高掺锗(15%mol)光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。成栅机理于Ⅰ型不同。其写入过程为:曝光开始不久，纤芯中形成Ⅰ型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成ⅡA型光栅，其温度稳定性优于Ⅰ型光栅，直到500℃附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。

　　光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。

　　光纤光栅制备

　　采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。 光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，光纤增敏方法主要有以下几种：

　　1)掺入光敏性杂质，如：锗、锡、硼等。

　　2)多种掺杂(主要是B/Ge共接)。

　　3)高压低温氢气扩散处理。

　　4)剧火。

　　光纤光栅成栅光源

　　光纤的光致折射率变化的光敏性主要在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar 离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等。从大部分的实验结果来看，窄线宽准分子激光器是大批量制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和 244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。

　　光纤光栅成栅方法

　　光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品率低，使用受到限制。主要的成栅有下列几种。

　　1)短周期光纤光栅的制作

　　a)内部写入法 内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到锗掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，很少被采用。用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由 ∧=λuv/(2sinθ)给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，这种方法使用不多。

　　b)光纤光栅的单脉冲写入 由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J·cm-2，又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。英国南安普敦大学的 Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。由于光栅成栅时间短，因此环境因素对成栅的影响降到了最低限度。此外，此法可以在光纤技制过程中实现，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。这种成栅方法对光源的要求不高，特别适用于光纤光栅的低成本、大批量生产。

　　相位掩模法

　　c)相位掩膜法 将用全息干涉法制作好的玻璃相位掩模板置于光纤前，然后以248nm的紫外光通过相位掩模板，依靠相位掩膜板具有的压制零级，增强一级衍射的功能。使得紫外光经过相位掩模板后后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜板周期一半的Bragg光栅。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂，且价格高昂。并且无法制作紫外波段的光纤光栅。 用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是2015年后国际上主流的用于制作光纤光栅的方法，也是截止至2019年唯一商用化的大批量光纤光栅制备方法。

　　d)飞秒逐点写入法 使用飞秒激光器作为光源，然后利用精密机械控制激光器运动位移，逐点写入光栅，通过控制激光器的移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，由于现有技术条件限制，此方法只能刻写长度较短的光纤光栅，且很难刻写高反。所以此方法主要用于刻写一些需要在高温、高辐射等特殊条件下使用的传感光栅。

　　2)长周期光纤光栅的制作

　　a)金属掩膜法 金属掩膜法是制做长周期光纤光栅最常用的一种方法。实验中采用的光纤为光敏光纤，PC为偏振控制器，AM为金属振幅掩膜，使用CO2激光器照射数min后，可制成周期 60μm～1mm范围内变化的光栅，这种方法对激光器与掩模板的要求极低。

　　b)逐点写入法 此方法是利用精密机械控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。由于各种精密移动平台的研制，这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。

　　光纤光栅在光纤通信系统中的应用 光纤光栅作为一种新型光器件，主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能，应用广泛，可构成的有源和无源光纤器件分别是：

　　有源器件：光纤激光器(光栅窄带反射器用于DFB等结构，波长可调谐等);半导体激光器(光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源);EDFA光纤放大器(光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射);Ramam光纤放大器(布喇格光栅谐振腔);

　　无源器件：滤波器(窄带、宽带及带阻;反射式和透射式);WDM波分复用器(波导光栅阵列、光栅/滤波组合);OADM上下路分插复用器(光栅选路);色散补偿器(线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿，抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿);波长变换器 OTDM延时器 OCDMA编码器 光纤光栅编码器。

　　光纤光栅传感器中

　　光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。 光纤光栅传感器现已占以光纤为主的材料的44.2 %。光纤光栅传感器已被用于各个方面，例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、地球技术、铁路、油或气库的监测。传感器的一个发展方向就是多点、分布式传感器，它们主要是利用WDM, TDM, SDM, CDMA的组合。

　　光纤光栅滤波器中

　　光纤滤波器是光纤通信中的一个重要的无源器件，光纤光栅的出现真正实现了全光纤型滤波器。光纤光栅滤波器成本低、与光纤兼容、易于集成等优点是光纤通信系统中理想的器件。随着光纤光栅制作技术的成熟和各种波长调节手段的丰富，可以实现从1520~1560nm全波段单通道和多通道的宽带、高反射率的带阻滤波器和窄带、低损耗的带通滤波器，另外应用于增益平坦的光纤光栅滤波器得到了人们的广泛的关注.除此之外光纤光栅还用于sdh系统的色散补偿以及wdm系统的分插复用。

　　光纤光栅色散补偿

　　光纤光栅色散补偿

　　对于普通单模G.652光纤,在1550nm处色散值为正,光脉冲在其中传输时，短波长的光(“兰光”)较长波长的光(“红光”)传播得快.这样经过一定距离得传输后，脉冲就被展宽了,形成光纤材料的色散.若使光栅周期大的一端在前，使长波长的光在光栅前端反射，而短波长的光在光栅末端反射，因此短波长的光比长波长的光多走了2L距离(L为光栅长度)，这样便在长、短波长光之间产生了时延差，从而形成了光栅的色散。 当光脉冲通过光栅后，短波长的光的时延比长波长的光的时延长，正好起到了色散均衡作用，从而实现了色散补偿。

　　光纤光栅光纤激光器中

　　光纤激光器由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成，增益光纤为产生光子的增益介质;抽运光的作用是作为外部能量使增益介质达到粒子数反转，也就是泵浦源;光学谐振腔由两个反射镜组成，作用是使光子得到反馈并在工作介质中得到放大，在光纤激光器中，构成反射镜的谐振腔一般由一对光纤光栅组成(一只高反光栅，一只低反光栅，中心波长匹配)。泵浦源的抽运光进入增益光纤后被吸收，进而使增益介质中能级粒子数发生反转，当谐振腔内的增益高于损耗时在2只光纤光栅之间便会形成激光振荡，产生激光信号输出。