光纖光柵原理及刻寫方法淺談

光纖光柵在光纖通信系統(tǒng)中的應用光纖光柵作為一種新型光器件，主要用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理。在光纖通信中實現(xiàn)許多特殊功能，應用廣泛，可構(gòu)成的有源和無源光纖器件分別是：

有源器件：光纖激光器（光柵窄帶反射器用于DFB等結(jié)構(gòu)，波長可調(diào)諧等）；半導體激光器（光纖光柵作為反饋外腔及用于穩(wěn)定980nm泵浦光源）；EDFA光纖放大器（光纖光柵實現(xiàn)增益平坦和殘余泵浦光反射）；Ramam光纖放大器（布喇格光柵諧振腔）；

無源器件：濾波器（窄帶、寬帶及帶阻；反射式和透射式）；WDM波分復用器（波導光柵陣列、光柵/濾波組合）；OADM上下路分插復用器（光柵選路）；色散補償器（線性啁啾光纖光柵實現(xiàn)單通道補償，抽樣光纖光柵實現(xiàn)WDM系統(tǒng)中多通道補償）；波長變換器 OTDM延時器 OCDMA編碼器 光纖光柵編碼器。

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光纖光柵使用原理

光纖光柵是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，是一種無源濾波器件。由于光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點，并且其諧振波長對溫度、應變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感。光纖光柵主要的制作方法是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。

光纖光柵的種類也日趨增多。根據(jù)折射率沿光柵軸向分布的形式，可將紫外寫入的光纖光柵分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。其中均勻光纖光柵是指纖芯折射率變化幅度和折射率變化的周期(也稱光纖光柵的周期)均沿光纖軸向保持不變的光纖光柵，如均勻光纖Bragg光柵(折射率變化的周期一般為0.1um量級)和均勻長周期光纖光柵(折射率變化的周期一般為100um量級);非均勻光纖光柵是指纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向變化的光纖光柵，如chirped光纖光柵。

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光纖光柵的制作

制作布拉格光纖光柵（FBG）的方法很多，比如駐波法、光刻法、物理壓制法等等。下列介紹幾種制作方法。

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內(nèi)部寫入法

內(nèi)部寫入法又稱駐波法。將波長488nm的基模氛離子激光從一個端面耦合到鍺摻雜光纖中，經(jīng)過光纖另一端面反射鏡的反射，使光纖中的入射和反射激光相干涉形成駐波。由于纖芯材料具有光敏性，其折射率發(fā)生相應的周期變化，于是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵，它起到了Bragg反射器的作用。已測得其反射率可達90%以上，反射帶寬小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于實驗要求在特制鍺摻雜光纖中進行，要求鍺含量很高，芯徑很小，并且上述方法只能夠制作布拉格波長與寫入波長相同的光纖光柵，因此，這種光柵幾乎無法獲得任何有價值的應用，很少被采用。

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光纖光柵的單脈沖寫入

由于準分子激光具有很高的單脈沖能量，聚焦后每次脈沖可達J·cm－2，又發(fā)展了用單個激光脈沖在光纖上形成高反射率光柵。英國南安普敦大學的 Archambanlt等人對此方法進行了研究，他們認為這一過程與二階和雙光子吸收有關(guān)。由于光柵成柵時間短，因此環(huán)境因素對成柵的影響降到了最低限度。此外，此法可以在光纖制作過程中實現(xiàn)，接著進行涂覆，從而避免了光纖受到額外的損傷，保證了光柵的良好強度和完整性。這種成柵方法對光源的要求不高，但由于這種方式想要制作高反光纖光柵需要重摻鍺，對很多應用的光纖光柵都無法或很難寫制，所以特別適用于傳感光纖光柵（反射率要求低）的低成本、大批量生產(chǎn)。

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相位掩模法

將用全息干涉法（或電子束法）制作好的玻璃相位掩模板置于光纖前，然后以指定工作波長的激光（一般為準分子激光或飛秒激光）通過相位掩模板，依靠相位掩膜板具有的壓制零級，增強一級衍射的功能。使得激光經(jīng)過相位掩模板后后衍射到光纖上形成干涉條紋，寫入周期為掩膜板周期一半的光纖光柵。這種成柵方法不依賴于入射光波長，只與相位光柵（相位掩模板）的周期有關(guān)，因此，對光源的相干性要求不高，簡化了光纖光柵的制造系統(tǒng)。這種方法的缺點是相位掩模板的制作工藝復雜，且價格高昂，并且無法制作紫外波段的光纖光柵。用低相干光源和相位掩膜板來制作光纖光柵的這種方法非常重要，并且相位掩膜與掃描曝光技術(shù)相結(jié)合還可以實現(xiàn)光柵耦合截面的控制，來制作特殊結(jié)構(gòu)的光柵。該方法大大簡化了光纖光柵的制作過程，是2015年后國際上主流的用于制作光纖光柵的方法，也是截止至目前唯一商用化的大批量光纖光柵制備方法。

使用紫外激光配合相位掩模版的方法是所有方法中效率最高、最穩(wěn)定、最經(jīng)濟的一種方式。其基本原理如下。

圖一光纖光柵刻寫示意圖 從激光器出來的紫外光經(jīng)過光路的反射鏡后，進入到柱透鏡中。柱透鏡的作用是把激光在垂直方向壓縮成一條線，以此來提高光的能量密度。聚焦的激光線進入纖芯之前，經(jīng)過相位掩模版，掩模版一般設計為正負一級衍射，激光經(jīng)過相位掩模版后分成兩束，并且在相位掩模版附近形成干涉條紋。在干涉條紋區(qū)域放置光纖，這些干涉條紋直接作用在光纖纖芯上，對纖芯的折射率形成周期性的調(diào)制，以此來形成光柵。 激光經(jīng)過相位掩模版后的刻寫原理如下所示:

圖二激光經(jīng)過相位掩模版后的刻寫原理 利用以上原理刻寫的均勻光纖光柵譜線如下所示：

圖三均勻光柵譜線

從圖三的譜線可以看出，均勻光柵反射峰的兩側(cè)存有大量的雜峰，在此稱為旁瓣。這些旁瓣的存在有時會對解調(diào)儀造成困擾，即很難判斷反射峰的精確漂移位置。為此，發(fā)展出光柵切趾技術(shù)，即在刻寫過程中，在柵區(qū)的兩端減少曝光強度，使曝光能量中間強，兩邊弱。如此相當于在原有的譜線上增加一個調(diào)制函數(shù)，以去除主峰兩邊的旁瓣。如圖四所示。

圖四 切趾光柵示意圖

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光纖光柵飛秒激光制備法

近年來，光纖光柵飛秒激光制備方法越來越引起人們的廣泛興趣。如圖1所示，飛秒激光利用逐點法、逐線法、逐面法、螺旋線法在幾乎所有類型的光纖中制備光纖光柵。如圖2所示，該方法可以制備不同類型的光纖光柵，例如標準光柵、啁啾光柵、傾斜光柵、切趾光柵、少模光柵、相移光柵、藍寶石光柵、中紅外光柵、大芯徑雙包層光柵等。

圖1 光纖光柵飛秒激光制備技術(shù)：（a）制備裝置示意；（b）光纖光柵樣品顯微圖

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圖2 飛秒激光制備的不同類型光纖光柵的反射譜/透射譜

該方法不需光纖具有光敏性和載氫處理，因此，飛秒激光制備的光纖光柵長期穩(wěn)定性好，耐高溫性能完全取決于光纖材料自生的耐高溫特性。例如，藍寶石光纖光柵可以實現(xiàn)1800 ℃超高溫實時原位測量。光纖光柵飛秒激光制備法不需要掩膜板，光柵周期可以隨意改變，可以制備包括均勻光柵、啁啾光柵、相移光柵、傾斜光柵等幾乎所有類型的光纖光柵。

此外，飛秒激光可以透過涂敷層直接在光纖纖芯中制備光柵，因此，制備的光纖光柵保留了光纖原有的機械強度。

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未來展望

光纖光柵是將來很長一段時間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實用價值的無源光器件之一，利用它可組成多種新型光電子器件，由于這些器件的優(yōu)良性能使人們更加充分地利用光纖通信系統(tǒng)的帶寬資源。 來源：激光之窗

審核編輯：劉清