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1、光纤光栅的制作与发展1.1 光纤材料的光敏性光纤光栅的光敏性是指物质的物理或者化学性质在外部光的作用下发生暂时或永久性改变的材料属性。对光纤材料的光敏性而言，则是指折射率、吸收谱、内部应力、密度和非线性极化率等多方面的特性发生永久性改变。石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个硅原子通过形成共价键与四个氧原子相连。虽然Ge原子与Si原子同为四价元素，可以代替Si原子在石英玻璃四面体结构中的位置，但是 Ge的掺入仍将对石英玻璃的分子结构产生干扰并不可避免的形成缺陷中心。由于纯石英玻璃的吸收带位于160nm处，对波长在190nm以上一直到红外区的光具有大于90%的透过率。这些波长的光不会对石英材料
2、的性质产生任何形式的影响，因此，光纤的光敏性与掺杂有关。一般认为掺锗石英光纤材料的光敏现象源于缺陷中心。起初，曾认为光敏性仅能从掺锗光纤中出现，光栅不能从纯硅纤芯生长，OH基对光纤的光敏性不是必要的。但是后来实验表明，光敏性存在于众多种类的光纤。比如，基于硅基光纤的掺铕光纤，掺铈光纤，掺饵锗光纤，以及掺氟浩盐光纤的掺锶饵光纤等。然而从实用的观点来看，最引人注意的光敏光纤就是广泛应用于通信产业和光传感领域的纤芯掺锗光纤。在光纤材料中掺锗以后将产生位于180nm，195nm，213nm，240nm，281nm，325nm，517nm等多个附加的吸收带，其中240nm和195nm为强吸收带。240n
3、m吸收带的宽度约为30nm，325nm吸收带的强度仅为240nm吸收带的1/1000。通常，对光纤材料光敏性研究主要集中在240nm和193nm的紫外光波段上。1.2 光纤材料的增敏技术自光敏性的发现和第一次证实锗硅光纤中的光栅以来，增加光纤中的光敏性就成为了一个重要的考虑因素。标准单模通讯光纤中掺有3%的锗，典型的光致折射率变化为310-5。由于光纤材料的光敏性与光纤的掺杂浓度基本上成正比关系，因此提高光纤材料感光性最直接的方法就是提高光纤芯区的锗掺杂浓度。一般地，增加掺锗浓度可导致510-4的光致折射率变化。但是用这种方法提高光纤材料的光敏性有一个很大的不利因素，即增加光纤芯区含锗量将增大
4、光纤芯区和包层折射率之差。为保证光纤只能进行单模传输，必须减少光纤的芯径。当芯区的锗含量很高时，光纤的芯径将要非常小，这将影响光敏光纤与普通单模光纤的匹配性能。因此，寻求更为有效的光纤材料增敏方法具有非常重要的意义。提高光纤材料紫外感光特性的方法可以从以下几个方面考虑：（1） 增加光纤材料中的缺陷浓度。 （2） 在光纤材料中掺入具有较大紫外吸收系数的杂质。（3） 在光纤的芯区或包层中掺入适当杂质，尽可能增大二者之间的热特性失配度。目前，已经有多种有效的光纤材料增敏方案在实验室应用。这些方案主要分为三种，即载氢技术、光纤还原法和多种掺杂。1.2.1 载氢增敏技术1993年，AT&T Bell实验
5、室的P.J.Lemaire等人首次引入了掺锗石英光纤材料的载氢增敏技术。掺锗3mol%的光纤被放入气压为2.076MPa（典型值为15MPa），温度为2075oC的氢气中，这种方法将氢气以分子形态扩散入光纤的芯区。载氢光纤在收到紫外光照射的时候或者加热时将引起氢气的与掺锗石英玻璃之间的化学反应，即H2分子在Si-O-Ge区发生变化，形成与折射率有关的Ge-OH，Si-OH，Ge-H，Si-H等化学键和缺氧锗缺陷中心，从而提高光纤材料的光致折射率变化，可以使任何类型的掺锗石英光纤材料的光敏性提高12个数量级，并在其上写入高反射率的光栅。这样可使折射率变化n比原来的变化提高两个数量级，可达5.91
6、0-3。另外，也可以对光纤载氘来达到光纤增强光敏性的目的。载氢技术的优势是可在任何锗硅或无锗光纤中生产Bragg光栅，而且未曝光的载氢光纤段在通信窗口的吸收损耗可以忽略。载氢光纤的形成的折射率变化是持久的，但是由于光纤中存在未反应的氢，使光栅的折射率随时间而发生变化，引起紫外写入光栅的Bragg波长的变化。因此，载氢光纤的热稳定性很差，一般在室温下放置两个星期其折射率深度就下降11%。探索提高温度稳定性的光纤光栅制作技术具有重要意义，一种方法是对其进行加速老化，即用事后热处理来稳定其波长；另一种方法是载氢光纤先经均匀曝光预处理再写入光栅。1.2.2 光纤材料的换原性处理由于光纤材料的光敏性与光
7、纤材料的中的缺氧锗缺陷浓度直接相关，且两者近似地成正比关系，因此可以通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的光纤段进行“焰刷”处理。1993年，F.Bilodeau等人把拉制好的标准通信锗光纤拟写入光栅的一段放在1700oC的氢氧焰下灼烧，使光纤在240nm处的吸收增加。该作用指发生在含GeO的纤芯，对包层没有影响。紫外照射灼烧后的光纤可得到大于10-3的折射率变化，使光纤材料的光敏性提高了一个数量级。用这种方法增强光敏性不会产生折射率的飘移。由于对曝光区段的光纤进行处理，因此这种方法对两个主要的通信窗口几乎没有影响。可在标准通信光纤中写制出强Bragg光栅。然而，该技术的主要缺点是高温灼绕破
8、坏了光纤，有长期稳定性的问题。对光纤材料进行还原性处理的另一种方法是在光纤预制棒的制作过程中施加还原性条件或者对光纤预制棒在高温氢气中进行后处理使芯区的缺氧锗缺陷浓度增加，可将光纤材料的光敏性提高23倍。这种方法最大的缺点就是氢气与GeO2反应生成的OH-离子将在1.4um处产生一个很强的吸收带。这个吸收带对光信号在两个主要通信窗口的传输具有非常不利的影响。1.2.3 多种掺杂在锗硅光纤材料中，掺入B、Sn或Al等元素可提高光纤材料的光敏性，其中以B/Ge双掺杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以采用MCVD技术生产。在石英玻璃中掺入B
9、将使物理性质发生很大的变化，比如，掺B后石英玻璃的热膨胀系数增大，同时熔点降低。在几百摄氏度高温下的退火实验，证实了在B/Ge光纤的纤芯区将由于B的掺入而引入较大的应力。利用B/Ge双掺提高光纤材料光敏性最主要的有利因素是B的掺入能够引起光纤材料芯区的折射率的降低。因此，B/Ge双掺光纤材料可以具有较高的锗掺杂浓度，同时又不引起光纤芯包折射率的增大，从而可实现与普通单模光纤的良好匹配。因此，对这种高度光敏光纤材料的研究具有很大的意义。（1）避免了对光纤材料进行长时间且具有危险性的氢气敏化处理。（2）可避免由于载氢增敏在光栅区域引起的羟基吸收损耗，这一损耗在长度较大的 Chirp光纤光栅中是十分
10、严重的。（3）提高了光栅的制作效率。如果对B/Ge双掺光纤材料进一步载氢处理，可以在教短的曝光时间内获得很高的光栅反射率。1.2.4 预加应力增敏技术在写入光栅的过程中，对掺锗光纤施加适当应力，将会提高光纤的光敏性。图1表明，施加3%应变的应力情况下，可使光敏性提高2倍以上，而且形成的光栅的热稳定性也将保持不变。在同样的曝光条件下写入Bragg光栅时，施加应力的光纤将会得到高达18dB的反射深度，而未加应力的光纤的反射深度仅为7dB，因此利用这种方法将会明显缩短光纤光栅的写入时间。光纤光栅的写入方法用掺杂光纤制作光栅的方法主要有内写入和外写入法。内写入技术是一个全息制作过程，它利用光在纤芯内部
11、传播时形成驻波所产生的双光子吸收的原理；外写入技术则主要有点-点成栅技术，相干UV光全息干涉技术和相位掩模技术等。2.1 内写入法该法制作光栅同光学全息法制作光栅相似，利用菲涅尔反射，使得反射光与入射光在适当条件下干涉，在纤芯内部形成驻波。由于光致折射效应，在沿光纤长度的波节波腹处通过曝光可以诱导出周期性的折射率变化形成光栅。这样制作的光栅，曝光时对装置的稳定性要求很高，得到折射率变化较小，仅为10-6，而波长不易改变，其特点见表1。由于该技术的写入效率低，写入的Bragg波长受激光写入波长限制等原因，制作的光栅性能太差，所以该方法已较少使用。表1 各种主要写入光栅方法的比较：2.2 外写入法
12、相对于内写入法，外写入法的形式很多，方法也更为灵活，能够制作各种特定波长的Bragg光栅。2.2.1 外写入全息法1989年UTRC的研究人员首次用紫外光全息法制成了高反射率的Bragg光栅，反射率可达76%。它是在选择适当的波长后，使光纤芯径在两束干涉光的诱导下发生折射率的永久性变化而形成的。光栅的周期由入射光的波长和两光束之间的夹角决定，系统设置如图1。图1 UV光全息法写入原理一小段去掉包层的光纤在两束相互垂直的诱导光的作用下，经侧面曝光形成光栅。利用可调谐准分子泵浦染料激光器件为光源，波长为486nm500nm，经倍频得到244nm的UV光，图中水银弧灯和高精度的单色仪用来观察Brag
13、g光栅的反射光谱。这种光栅的侧面UV光曝光全息法反射效率高，方便灵活，可调整入射光束的夹角和全息图条纹的间距来得到不同波长的Bragg光栅。这种光栅稳定性好，但它对光源的相干性和光路的稳定性要求较高。2.2.2 全息干涉计方法 全息相干法是最早用于横向写人制作FBG的一种方法，图2示出的是M-Z干涉计法工作装置示意图。人射紫外光经分光镜分成两束。经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正弦分布明暗相间的干涉条纹;光纤经过一定时间照射，在纤芯内部引起和干涉条纹同样分布的折射率变化，从而在光纤上就写人了正弦分布的体光栅。干涉条纹间距如式(1)。 这种方法的最大优点在于突破了纵向驻波法对布喇格中心反
14、射波长的限制，可以在最感兴趣的波段内对之进行更充分的运用。它既行之有效，又操作简单，所以受到普遍重视，也得到了相当的运用。采用改变两光束夹角或旋转光纤放置位置的方法都可以方便的实现改变反射中心波长之目的，或者将光纤以一定弧度放置于相干场，很容易得到带有chirp的光纤光栅。这些都是全息相干法优点所在。 图2 干涉计写光纤光栅方法这种方法亦存在很大的缺点，给制作带来诸多问题。首先，全息相干对光源的空间相干性和时间相干性都有很高的要求:空间相干性由激光器输出光的横模特性决定。如果激光器处于多横模振荡，那么输出光束就有较大的空间发散性，通过测定激光的近场图和远场图可知:输出光斑是由一系列的尖峰所组成
15、，每一尖峰的宽度约为微秒数量级，并且是无规划分布的，这就说明整个输出光束的截面内并非全部相干，相干区域仅是很小的一部分，所以输出光束的多横模现象将严重影响全息相干法的效果。另外，输出光的纵模特性决定了它的时间相干性。如果是多纵模振荡，或纵模存在严重漂移(如由温度变化引起)，都将增加输出线宽，由可以看出，线宽增加大大缩短了相干长度，对全息相干法写人效果也极为不利，增大了光路的调节难度；其次，欲得到准确的布喇格中心反射波长，对光路的调整有着极高的精度要求，从d和B容易得出：假如采用= 240nm的紫外光，光纤折射率n= 1. 45，那么要得到B =1550nm的反射中心波长，为12. 97o；如果
16、光路调整使偏差0. 01o，可得到中心波长偏差B =67. 27nm ，可见制作的FBG的中心波长已经远离了1550nm。这说明了对光路调整要求是极其苛刻的。 全息相干法要有一定的曝光时间，这就要求在这一段曝光时间内光路保持良好的防振，以避免波长量级的扰动造成光路错动，恶化相干效果，因此要将光路中的元件都置于一个防震平台上。全息相干法的光源大多为Ar十二倍频和染料二倍频激光器，并配以高质量的相干光路。一般来说，其装置体积都很大。2.2.3 外写入单脉冲法所用的内写入法和侧面曝光全息法，要求写入光有足够高的能量密度，一般为几百焦尔每平方厘米，曝光时间为数秒至几分不等，而且对整个系统的稳定性要求极
17、高，需要排除诸如气流振动、温度漂移、光源不稳定等因素的影响。对此，研究人员提出了利用准分子激光器制作光栅的单脉冲法。Ask-ins等人利用该方法，采用Kr+F准分子激光器作光源制作光栅，所需能量密度小(1J/cm2)，曝光时间短(20ns)，得到的光纤折射率为10-5，最高可达10-4，效率高，其性能见表1。同以往的方法相比，该方法一次性曝光，可以免除外界的干扰，对于制作大批量的光栅有重要的意义。Archambault等人利用该方法制作出了深度折射率调制的高反射率光栅，光栅折射率变化可达510-4，反射率为65%，FWHM为6GHz，这是目前据文献报道最窄的带宽，其性能见表1。图2是利用该方法
18、制作光栅的系统结构示意图。图中柱面镜可分别放置在a，b位置将两束光汇聚在光纤上。图2 单脉冲写入法装置2.2.4 外写入掩模法主要指相位掩模法。相位掩模是个衍射元件，由计算机控制经刻蚀而成。入射的UV光经过图3 相位掩模法示意图掩模形成衍射，衍射光侧面照射光纤，是因光敏效应可在掩模后的不同位置形成不同周期的光栅所致。图3为用相位掩模制作光栅的一种系统结构示意图。相位掩模放在一个靠近光纤的精密光刻装置中，掩模光栅的条纹与光纤轴正交，正入射的UV光经掩模后作相位调制，产生衍射;在入射光方向Talbot距离内形成不同的干涉条纹。在图3所示系统中，Hill等人采用压制零级衍射(约占入射能量的5%)的方
19、法使入射光的正、负级衍射光发生干涉，形成对比强烈的干涉条纹，对纤芯曝光形成光栅。实验中用249nm的准分子激光器作光源，对AndrewD型光纤曝光，得到的光栅性能见表1。在该方法所示的基础上，用单脉冲准分子激光器能够作为高质量的光栅，反射率几乎可达100%，见表1所示。用这种方法曝光时间大大缩短，保证了光源的时间和空间的相干性，提高了效率，为以后在拉制光纤的同时大批量写入光栅奠定了基础。利用零级压制法制作光栅也可用Nd3+:YLF激光器作光源，经四倍频后输出UV光，由掩模调制后的诱导光用较短的时间就能够制成高质量的Bragg反射光栅。该方法对于大批量地快速写入光栅有十分重要的参考价值。相位掩模
20、技术的放大原理用相位掩模法制作的光纤光栅，其周期受掩模周期和光纤折射率的控制，与入射光的波长无关。对于已有固定周期的掩模，可用一个透镜来改变写入光栅的Bragg波长，其原理如图4所示。由几何关系可知，经过透镜后的放大倍率可以表示为M=（f-p-q）（f-p）式中，f，p，q分别为透镜的焦距!透镜与掩膜的距离，以及掩膜与光纤轴间的距离。其中当透镜为正透镜时，f为正;当为负透镜时，f为负。实验证明，用正透镜可以减小所建光栅的Bragg波长，减少的大小与p，q值有关。位相光栅衍射写人法是现在最有前途、使用最广的一种方法。目前，能够见到的位相光栅衍射相干法大致可分为四类，分别示于图S (a), (b)
21、, (c), (d)。从对光栅的要求来看，(a), (b)为一类，(c), (d)各为一类。它们的使用方法各不相同，对位相光栅的工艺要求也有高低之别，但都是为了使位相光栅的衍射光相交而产生高质量的干涉场，以便有效地实现FBG的制作。 在(a), (b)中，要求人射光垂直人射位相光栅，根据光栅方程可得，人射角=0o时，有dsin=m，d为位相光栅栅距，为衍射角。显然，士1级衍射光发生相干，则条纹间距为可见正入射并利用正负一级衍射光产生相干时，所得条纹间距总等于位相光栅距的一半，而与人射光波长无关，这一点正是该方程的优点所在。 图(c)是斜入射利用0级和一1级衍射光产生相干的示意图，这种情况较正人
22、射要复杂一些，由光栅方程(8)可得: 所以得到两衍射光产生的干涉场条纹间距为：从图6中可以看出，当光纤与位相光栅出射面紧贴时，经与干涉条纹有夹角所以有光纤光栅栅距为：从上面的分析可以看出，在位相光栅近场干涉场中，士1级衍射光相干条纹间距为d /2，而0级和1级衍射光相干条纹间距为d，更高级衍射光相干条纹间距又不相同，这样在光纤上就会存在多组条纹不同间距的条纹，显然对于制出高质量的FBG是极不利的。因此，必须对位相光栅参数提出特殊要求，才可能避免其近场中多套相干条纹的混杂。为消除光的影响，必须对位相光栅的刻蚀深度有严格要求。 图4中d是在位相光栅法上的改进方法，紫外光首先经位相光栅，产生士1级，
23、这二光束在矩形棱镜内部反射而在底面产生干涉场，在光纤内写出光栅。这个技术对位相光栅产生的0级消除不是十分苛刻，因为空间滤波将其消除。这方法很稳定，允许较快地改变，是非接触式，设备亦较小型。2.2.5分波面干涉法 采用分波面干涉法可以实现FGB的制作，相比之下，它较全息相干法结构上更为简单，可(a) (b)采用更少或更灵活的光学元件。图4中示出了三个棱镜分波面法。图中，(a)是一端为斜面的长方棱镜；(b)是直角三角棱镜；(c)是等腰三角棱镜。 (c)图(a), (b)中紫外光束从斜面人射，调节光束位置，使1/2光束从棱镜反射，在底面和另1/2光束形成干涉场。光纤紧贴底面，进行曝光，从而将光栅写人
24、光纤纤芯上。这种方法制得的光栅距为a为晶体人射斜面与水平面的夹角，n1为对应人射波长的晶体的照射率。由此可见，只需控制人射斜面的倾角，就可以得到所需的光栅周期。等腰三角棱镜法在(c)图中紫外光束从棱镜人射，干涉场在棱镜底面产生，光纤置于底面附近，得到的光栅栅距为式中，为棱镜的下角。 计算发现，在B =1550nm时，a=24. 5o,若a角有0. 1的偏差，偏约2nm，对应B偏差约6nm。可见这种方法较前面的M-Z干涉法，对角度调整的要求较低，同时光路亦简单。 分波面法:虽然两光束光程很小，从相干性要求看，对光束的空间相干性亦有较高的要求，也必须对激光光束进行预先横模优化。2.2.6 逐点写人
25、法 这是一种非相干写人技术。利用聚集光束在光纤上逐点曝光而形成光栅，结构如图7所示。每写一个条纹，必须移动光纤。由于L很小，因此微电机移动距离也很小，是小于lm量级的。这是极苛刻的，因而一般用此法制作长周期光栅。也可用逐点谐波法，即电机每移动一步，步距是光栅栅距的几倍，以降低对电机和传动机构的要求。这种方法依据从高阶布喇格光栅方程2n mB 。得到。2.2.7 其他写入光栅的主要方法在未来的光纤通信和光纤传感领域中，光纤光栅有着巨大的应用潜力。为快速有效地在光纤上写入光栅，提出了许多方法，如在光纤拉制生产同时写入光栅的在线写入法，以及用于模式转换的点-点式光栅写入法。在线光栅写入法写入光栅时，
26、用一定带宽的脉冲准分子激光器作为光源，光束经由一系列反射镜的反射，经过一定的距离，到达制作光栅的位置，让相干光照射在光纤上形成全息图，通过控制落在光纤上的全息图尺寸和拉制光纤时光纤的移动速度，在极短的时间内可以在同一光纤上写入多个光栅。实验表明，光栅的反射率与拉制光纤的速度及脉冲能量有关，脉冲能量越大，反射率越高。用这种方法制作光栅的关键是光源光束截面的质量要好。基于大批量生产的在线光栅写入法是在光纤拉制过程中未包层以前在纤芯建立光栅，再将光栅的纤芯包层制成光纤，用这种方法制作光栅，快速经济，在准分布式传感和复用传感网络中有广阔的应用前景。在此基础上又发展出在一根光纤上写入不同Bragg波长光
27、栅的新技术，可以在一定范围内调节反射镜的角度使两束干涉光之间的夹角发生改变，从而得到不同Bragg波长的光栅。据文献报道，在光纤拉制过程中用准分子激光器1h内可以写入约450个光栅，同时可以通过计算机自动控制反射镜倾角建立有不同Bragg波长光栅组成的光纤光栅阵列。模式转换的光栅写入方法，即点-点曝光写入法，其工作原理是:用狭缝控制光敏光纤的曝光宽度(曝光宽度与狭缝宽度相同)，光纤上的点由于光照而使折射率有所变化，用准分子激光器作光源，点曝光后沿光纤轴移动适当距离，再对另外一点曝光，这样逐点曝光可以在一段光纤上建立光栅结构。利用该技术可通过控制曝光点间的相互宽度来建立周期性或非周期性的光栅结构
28、。使用这种技术方便灵活，可实现对不同波长的控制，但是它对机械传动精度的要求极高。结语：光纤Bragg光栅的应用十分广泛。它既可作为窄带滤波器用于波分复用，也可作为宽带的高反射镜构成光纤激光放大器，同时也可作为敏感元件进行传感，而新发展的啁啾光栅则可作为色散补偿元件在光通信中得到应用。国外对光纤Bragg光栅的研究正方兴未艾，国内也已经开始在此方面的研究，上海光机所、华南师范大学等单位制作出了高性能的光纤光栅，这必将推动我国光纤通信和光纤传感技术的进一步发展。我们相信随着新工艺、新方法的出现，光纤Bragg光栅将在未来得到更广泛的发展和应用。光纤光栅的制备光纤光栅的分类光纤光栅按折射率变化周期的
29、长短大体可分为两类1)短周期光纤光栅(FBG，也叫反射或布喇格光栅):光栅周期一般为零点几个微米，耦合发生在正向与反向传输的模式之间，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去，如图4所示。2)长周期光纤光栅(LPG，也叫传输光栅):光栅周期在100Lm以上，耦合发生在同向传输的模式之间，它的特性是将导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉而让其他频段的光通过，如图5所示。因为长周期光纤光栅的出现较晚，其理论分析及实际应用还有待于进一步的发展。 图4 短周期光纤光栅(m为衍射级数)图5 长周期光纤光栅光纤光栅按常见的折射率分布大体可分为周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅。周期性光纤光栅也叫均匀光纤光栅
30、，而非周期性光纤光栅又称为啁啾光纤光栅(chirpedgratings)，又可分为线性Chirped光栅、Taper型光栅、Morie型光栅和Blazed型光栅等类型。3.1 周期性光纤光栅的制作方法目前，制作周期性光纤光栅的方法大致可分为4类:纵向驻波干涉法、横向全息曝光法、点光源写入法、位相母板复制法。1)纵向驻波干涉法。这是加拿大通信研究中心的K。O。Hill等人首次发现光纤光敏性的方法。它利用注入光纤的入射光和从光纤另一端面返回的反射光在光纤内形成驻波，经过一定时间曝光后使光纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅。驻波干涉法制作光纤光栅的优点是装置较简单，缺点是Bragg反射波长仅由
31、写入光波长决定，而且写入效率低，光栅很长(Hill的实验中光栅长为1m)。2)双光束全息干涉横向写入法。这是1989年美国东哈特福德联合技术研究中心的G。Meltz等人首先实现的。将一小段掺锗光敏裸光纤在两束相干紫外光束交叠区域所形成的干涉场中曝光，引起纤芯折射率的周期性扰动，从而形成光栅。与纵向驻波干涉法相比，该写入法写入效率大大提高，并且可以通过改变两干涉光束之间的夹角来调整光栅的周期，易于获得所希望的Bragg反射波长。但这种方法也有其缺点:一是对光源的相干性要求较高，二是对系统的稳定性要求较高。3)点光源写入法。这种方法是利用一点光源，沿光纤长度方向等间距地曝光，使光纤芯的折射率形成周
32、期性分布而制成光纤光栅。这种方法的优点是灵活性高，周期容易控制，可以制作变迹光栅;对光源的相干性没有要求。缺点是由于需要亚微米间隔的精确控制，难度较大，而且受光点几何尺寸限制，光栅周期不能太小，适于写入长周期光栅。4)相位母板复制法。这种方法是将光敏光纤贴近位相光栅母板，利用位相光栅母板近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成折射率的周期性扰动，从而形成光纤光栅。用相位母板复制法制作光纤光栅的优点是:工艺简单，重复性好，成品率高，便于大规模生产;光栅周期与曝光用的光源波长无关。缺点是母板制作成本较高，一块母板只能制作一种固定周期的光纤光栅，但用光学系统放大或拉伸光纤的办法也可制作周期稍有不同的光栅
33、。3.2 长周期光纤光栅的制作 长周期光纤光栅的制作现在主要有以下几类方法:3.2.1 紫外光致折变当紫外光照射掺锗光纤时能引起光纤芯径折射率的永久性变化，1976年K.O.Hill的这一发现使得光纤光栅在光通信网络中获得广泛应用。利用紫外光通过振幅掩模板，引起光纤芯径折射率周期性分布而形成长周期光纤光栅，如图6所示。图7为我们用这种方法制作的长周期光纤光栅的传输谱。因为长周期光纤光栅的周期一般为几百微米，掩模板的制作很方便，而且精确度容易得到保证所以用这种方法制作的光栅，其一致性和光谱特性比较好。基于同样的原理，还有利用紫外光透过微透镜列阵，逐点写入等方法来制作长周期光栅，都获得了很好的结果
34、。图6 紫外光透过振幅掩模板制作光栅示意图图7 长周期光纤光栅传输谱3.2.2 微弯变形韩国的一个小组提出了一种利用电弧使光纤发生微弯而形成长周期光纤光栅的方法。如图8(a)所示，剥除涂覆层的光纤紧贴在一个周期性石英槽上，对架在槽上的部分用电弧加热，由于重力作用，在槽处的光纤会发生微弯。这样逐点用相同的电流进行加热，在光纤上引入一个周期与石英槽周期相同的周期性微弯结构。这种结构的长周期光栅的传输谱特性如图8(b)所示，图中a、bc三条曲线分别是光栅长为50、65、75个周期的谱特性，光栅周期为600Lm。这种制作方法很简便、容易控制，光栅周期取决于石英槽的周期，还可以根据需要调整电弧电流的大小
35、和光纤被加热的长度来控制光栅的谱特性，而且这种方法可以应用于任何种类的光纤。图8 (a)局部加热微弯制作长周期光纤光栅的示意图及(b)其传输谱特性3.3.3 残余应力释放在芯径是纯二氧化硅、包层内掺氟的光纤中，被拉伸时由于光弹效应在高粘度的芯径区引入了残余应力，折射率会降低。当用火焰、电弧或高功率激光退火时，可以很容易地将芯径内残余的应力释放掉，芯径的折射率又可以恢复到原来的水平，此过程如图9(a)所示。如果对有残余应力的光纤进行逐点周期性退火，就可以在光纤芯径内形成周期性折射率变化，从而形成光栅。用这种方法制作的长周期光纤光栅的传输谱特性如图9(b)所示。虽然这种方法只适用于特殊的光纤，但制
36、作方法比较简单，而且这种长周期光纤光栅具有较好的温度特性，特别是高温稳定性较好，可以用来做高温下的温度传感器。图9 (a)残余应力释放制作长周期光纤光栅原理示意图及(b)传输谱特性图10 (a)熔融拉锥方法制作长周期光纤光栅示意图和(b)传输光谱3.3.5 熔融拉锥法还有一种是利用制作耦合器的熔融拉锥工艺来制作长周期光纤光栅。如图10(a)所示，在用高功率激光、电弧或火焰对光纤进行局部加热的同时，对光纤施加一定的应力，使得光纤芯径发生周期性变化，从而形成光栅。图10(b)是用这种方法制作的长周期光纤光栅的传输谱。这种方法制作的控制难度较大，所以有人在制作前先在光纤上刻槽然后再加热来实现更精确的
37、波长和带宽控制。3.3.6 高频CO2激光脉冲写入法图11为光栅制作系统结构图，将普通光纤的涂覆层剥掉50mm左右，水平放置在CO2激光器聚焦透镜的焦平面上，由于光纤在CO2激光加热过程中可能产生物理延长，因此，需要悬挂轻物使其保持恒定的轴向应力，从而始终处于水平状态。使用宽带光源做输入，光谱仪用来监测光栅谱线的变化。关键设备是高频CO2激光器，全功率为10W，制作光栅时使用的工作频率为5kHz，由于单脉冲激光能量固定，对光栅的加热是激光释放时间内多脉冲的累积效应，可以通过改变激光脉冲的释放时间来控制激光的能量。图11 高频CO2激光脉冲写入系统激光头的扫描振镜可以完成二维扫描，激光束通过焦距
38、为100mm的透镜聚焦，产生50Lm左右的光斑。在制作过程中，预先在计算机中绘制光栅图样，之后由计算机根据此图样控制激光器的二维扫描振镜，先使激光脉冲沿光纤横向扫描，再按光栅图样要求沿光纤轴向移动，依次逐点扫描。由于激光束在光纤某点上一次曝光难以达到制作要求，所以要依照上述流程反复扫描，直到制作出满意的光栅1实际制作中选用的是康宁SMF228光纤，选取的光栅周期为600，周期数为60，光栅中央的间隔为300，光栅总的长度为35。7mm，制作的PSLPG谱图如图12所示。在波长为15201570nm和16101670nm范围内分别呈现出相移光栅的图样，相移波段的通带中心波长分别为1546nm和1
39、640nm。图12光纤光栅谱图3.2 非周期性光纤光栅的制作方法非周期性光纤光栅又称为啁啾光栅(chirpedgratings)，其反射带宽比均匀周期的Bragg光栅宽很多，可用于光通信中超高速率色散补偿、超短脉冲压缩或光栅传感器中。啁啾光栅的制作方法常见的有以下几种:1)两次曝光法。这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。第一次曝光在光纤上并不形成光栅，而是仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第一次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应迭加便构成了一个Chir光栅。这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使得制作方法大大简化。2)光纤弯曲法。这是在均匀光栅中引
40、入光纤的机械变形，形成Chirp光栅的一种方法。由于光纤的弯曲角度渐变，造成光栅的周期渐变。这种方法引入的Chirp量不能过大，否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成包层模而造成附加损耗。3)锥形光纤法。这是利用锥形光纤形成Chir光栅的一种方法。可在锥形光纤两端施加应力发生形变，然后写入均匀周期的光栅，应力释放后，由于锥体各部分的伸长形变不同，造成光栅周期的轴向发生均匀变化，形成Chirp光栅。也可先在锥形光纤上写入均匀光栅，然后再施加应力得到相同的效果。4)应力梯度法。与锥形光纤法原理相同，只是应力大小是通过将光纤粘在底座上的胶含量来调节。其优点是可以分别调节中心波长和光栅的带宽这对于制作高性能的
41、色散补偿器具有重要的意义。5)复合Chirp光栅法。将一列不同周期的均匀光栅顺序写在光纤上，它最大限度地应用了制作均匀光纤光栅的工艺简单性，具有很大的灵活性。6)Chirp光栅的全息干涉法。这种制作Chirp光栅的基本原理是通过在双光束全息光路系统中加入柱面镜，使两束光的干涉角度沿着光纤轴向发生连续变化，从而造成光纤的纤芯折射率发生周期性渐变，形成Chirp光纤光栅。此外，用相位母板法也可制作啁啾光栅，曝光时使光纤与相位母板之间成一倾斜角，从而使光纤光栅的周期沿光纤z轴方向变化，形成啁啾光栅。也可以在制作母板时使其周期不均匀，用这样的母板也可制作啁啾光栅。近年来，国内外还报道了一些新的光纤光栅
42、制作方法:直接写入法，在线成栅法，光纤刻槽拉伸法，微透镜阵列法，用聚焦二氧化碳激光器写入长周期光纤光栅法，移动平台法，用聚焦离子束写入光纤光栅等。3.3 几种特殊光纤光栅的制作1978年开始研究FBG，当时制作用纵向驻波写人法。这种方法，栅距不能变，写人效率很低，折射率调制深度小，FBG特性不好，因此使FBG得不到重视，并使这一技术发展很慢。自从1989年开始用侧向全息写人法后，FBG技术得到很大发展。人们提出并实验了许多光栅的制作方法，都制出了满足要求的FBG。用紫外光制作FBG的原理如图13所示。图13 用紫外光束制作FBG光栅两束相干紫外光产生干涉场，形成正弦分布明暗相间的干涉条纹，光纤
43、置于干涉场中。经过一定时间的照射，在纤芯内引起和干涉条纹同样分布的折射率变化，光纤芯上就写上了正弦分布的体光栅。干涉条纹的间距为 ： (1)式中为照射光波长，2为两光束的夹角。在光纤纤芯上光栅周期和干涉条纹间距d完全一样。显然，可以通过调节角度。而得到任意的光栅周期，从而得到不同的B。旋转光纤使其和干涉条纹成一定角度，便得到闪烁光栅，实现符合要求的相干光场。根据光纤光栅的波矢方向、空间周期分布、及周期大小，可分为四种基本类型，即光纤Bragg光栅、闪耀光纤光栅、啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅。若进一步对光栅的折射率分布及其调制深度进行调制，在四种光栅类型的基础上可以分为多种衍射光纤光栅类型，即超
44、结构光纤光栅、多重写入光纤光栅、相移光纤光栅、Moire光纤光栅和变迹光纤光栅等。3.3.1 光纤Bragg光栅光纤Bragg光栅是最早发展起来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。光纤Bragg光栅的折射率呈固定的周期性调制分布，即调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向相一致，参见图3.23。当光经过光纤Bragg光栅时，对满足Bragg相位匹配条件的光产生很强的反射；对不满足Bragg条件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回来。该类光纤光栅在通信和传感领域均有广泛的应用。在光纤Bragg光栅中，折射率的纵向剖面可表示为式中光纤纤芯的平均折射率；导致折射率扰动的数量
45、（典型值为）；z沿光轴的纵向距离在相位掩模法中，光纤Bragg光栅可在相位掩模在近场形成均匀分布的紫外干涉条纹制作，参见图3.24。目前，作为商品用的光纤Bragg光栅，其典型的技术数据如下：（1） 中心波长：980nm，1020nm，1550nm。（2） 波长准确度：0.2nm。（3） 反射率：099%。（4） 带宽：0.10.210%nm。（5） 插入损耗：0.1dB。但有时光纤Bragg光栅需要有较长的光栅长度（典型的可达几十厘米）。1994年，J.Martin等人将相位掩模和光敏光纤固定在一起，在垂直入射的固定写入光束下，通过平移相位掩模和光敏光纤，写入了15厘米长的光栅，反射率为98
46、.5%，带宽为0,43nm。H.N.Rourke等人则却使光纤和相位掩模固定在一起不动参见图3.25，将垂直入射光沿相位掩模平移，写入了长达50cm的光栅，反射率为70%，带宽仅为0.029nm。3.3.2 平面波导阵列布喇格光栅利用空间频率不同的双光束干涉图样以一定的夹角先后两次或两对双光束同时辐照体块光敏感材料，在其中产生两种周期性折射率分布，两种分布的排列方向相互垂直。这种结构可以作为平面波导阵列布喇格光栅，其中与低、高空间频率的干涉图样对应的结构分别作为平面波导阵列和布喇格光栅，每个波导上都有布喇格光栅。在低频干涉图样写入平面波导阵列的基础上，利用高频干涉图样以不同角度多次曝光可以在波
47、导中写入多重布喇格光栅，从而形成平面波导阵列多重布喇格光栅。其典型结构与制作方法如图14所示， （a） （b）图14 平面波导阵列布拉格结构及光辐射制作方法其中图14(a)为制作平面波导阵列的示意图，图14(b)为在平面波导阵列中通过透射全息和邻面照射法制作布喇格光栅的示意图，根据需要也可以通过反射全息法制作相应的布喇格光栅。这种新的平面波导阵列布喇格光栅结构，可以通过全息光辐照方法在光敏感材料中形成这种结构。这种结构在波导平面内具有很好的导波衍射行为，其衍射光具备布喇格衍射的基本特性。根据全息存储的角度复用特性，还可以在这种平面波导阵列中制作衍射不同波长的多重布喇格光栅，因此有可能用于波分复用系统。在LiNbO3晶体中利用双光束干涉图样写入的阵列波导密度可达70mm-1，如果每个波导中都写入多重布喇格光栅，则在一块不大的光敏感材料中就可以形成大量的光学窄带滤波器。因此以平面波导阵列分层并在其中形成多重布喇格光栅结构，有可能用于制作UDWDM系统中的MUX/DEMUX等器件。进一步提高激光功率密度或改变激光波长，该方法也能被用于在玻璃、聚合物等其他体块光敏材料中制作出类似器件。这种类型的光栅具有很好的应用前景。利用光纤光摄可以制作的部分功能性器件： 国外这方面的研究工作已经展开并取得了许多成果，制造了一些光纤光栅器件，我国一些科技人员也
