什么是光纤光栅?

发布网友 发布时间：2024-09-07 07:38

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热心网友 时间：2024-09-24 19:07

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在制作光纤激光器、光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。
  光纤光栅主要的制作方法是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
  光纤光栅简介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。光纤光栅主要特点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。1978年K。O。Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过三十多年来的发展，在制作光纤激光器、光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。
  应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅主要分类随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。
  其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Bragg光栅(折射率变化的周期一般为0。1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。
  均匀光纤光栅均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0。1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。
  均匀长周期光纤光栅均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器、增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。
  切趾光纤光栅对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。
  为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾所谓切趾，就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。相移光纤光栅相移光纤光栅是由多段m（M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成。
  相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。取样光纤光栅取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件可同时分或插多路信道间隔相同的信号。
  啁啾光纤光栅所谓啁啾光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在啁啾光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以啁啾光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。
  所以，可以利用啁啾光纤光栅作为色散补偿器。大啁啾光纤光栅对于啁啾率大于0。5nm/cm的啁啾光纤光栅，称之为大啁啾光纤光栅。利用大啁啾光纤光栅进行色散补偿（脉冲展宽/压缩）是超快激光器领域的核心关键技术之一，已经成为大啁啾光纤光栅的重要应用方向。
  除此之外，大啁啾光纤光栅还可用于多波长光源的稳定合成、短光纤激光的整形、以及制作稳定连续波和可调锁模外腔半导体激光器。光纤光栅传感解调技术中，也需要用到具有特殊反射波形的大啁啾光纤光栅。光纤光栅制作方法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。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，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。