光纖光柵

1993年hill等人提出了相位掩模技術，它主要是利用紫外光透過相位掩模板後的±1級衍射光形成的干涉光對光纖曝光，使纖芯折射率產生週期性變化，從而寫入光柵。此技術使光纖光柵的製作更加簡單、靈活，便於批量生產。1993年Alkins等人採用了低温高壓氫擴散工藝提高光纖的光敏特性。這一技術使大批量、高質量光纖光柵的製作成為現實。這種光纖增敏工藝打破了光纖光柵製作對光纖中鍺含量的依賴，使得可選擇的光纖種類擴展到了普通光纖，它還大大提高了光致折變量(由10^-5最大提高到了10^-20),這樣可以在普通光纖上製作出高質量的光纖光柵。

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內鍺離子相互作用引起的折射率永久性變化），在纖芯內形成空間相位光柵，其作用的實質是在纖芯內形成（利用空間相位光柵的布拉格散射的波長特性）一個窄帶的（投射或反射）濾光器或反射鏡。

光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、易於與光纖系統連接、便於使用和維護、帶寬範圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性，而且光纖光柵製作工藝比較成熟，易於形成規模生產，成本低，因此它具有良好的實用性，其優越性是其他許多器件無法替代的。這使得光纖光柵以及基於光纖光柵的器件成為全光網中理想的關鍵器件。

1978年K.O.Hill等人首先在摻鍺光纖中採用駐波寫入法制成第一隻光纖光柵，經過三十多年來的發展，在製作光纖激光器、光纖通信、光纖傳感等領域均有廣闊的應用前景。隨着光纖光柵製造技術的不斷完善，光纖光敏性逐漸提高；各種特種光柵相繼問世，光纖光柵某些應用已達到商用化程度。應用成果日益增多，使得光纖光柵成為最有發展前途、最具代表性和發展最為迅速的光纖無源器件之一。

隨着光纖光柵應用範圍的日益擴大，光纖光柵的種類也日趨增多。根據折射率沿光柵軸向分佈的形式，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週期(也稱光纖光柵的週期)均沿光纖軸向保持不變的光纖光柵，如均勻光纖Bragg光柵(折射率變化的週期一般為0.1um量級)和均勻長週期光纖光柵(折射率變化的週期一般為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週期沿光纖軸向變化的光纖光柵，如chirped光纖光柵(其週期一般與光纖Bragg光柵週期處同一量級)、切趾光纖光柵、相移光纖光柵和取樣光纖光柵等。

均勻光纖Bragg光柵折射率變化的週期一般為0.1um量級。它可將入射光中某一確定波長的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領域，均勻光纖Bragg光柵可用於製作温度傳感器、應變傳感器等傳感器;在光通信領域，均勻光纖Bragg光柵可用於製作帶通濾波器、分插複用器和波分複用器的解複用器等器件。

均勻長週期光纖光柵折射率變化的週期一般為100um量級，它能將一定波長範圍內入射光前向傳播芯內導模耦合到包層模並損耗掉。在傳感器領域，長週期光纖光柵可用於製作微彎傳感器、折射率傳感器等傳感器;在光通信領域，長週期光纖光柵可用於製作摻餌光纖放大器、增益平坦器、模式轉換器、帶阻濾波器等器件。

對於一定長度的均勻光纖Bragg光柵，其反射譜中主峯的兩側伴隨有一系列的側峯，一般稱這些側峯為光柵的邊模。如將光柵應用於一些對邊模的抑制比要求較高的器件如密集波分複用器，這些側峯的存在是一個不良的因素，它嚴重影響器件的信道隔離度。為減小光柵邊模，人們提出了一種行之有效的辦法一切趾所謂切趾，就是用一些特定的函數對光纖光柵的折射率調製幅度進行調製。經切趾後的光纖光柵稱為切趾光纖光柵，它反射譜中的邊模明顯降低。

相移光纖光柵是由多段m（M＞2）具有不同長度的均勻光纖Bragg光柵以及連接這些光柵的M-1個連接區域組成.相移光纖光柵因為在其反射譜中存在一透射窗口可直接用作帶通濾波器。

取樣光纖光柵也稱超結構光纖光柵，它是由多段具有相同參數的光纖光柵以相同的間距級聯成。除了用作梳狀濾波器之外，取樣光纖光柵還可用wdm系統中的分插複用器件。與其他分插複用器件不同的是，取樣光纖光柵構成的分插器件

可同時分或插多路信道間隔相同的信號。

所謂啁啾光纖光柵，是指光纖的纖芯折射率變化幅度或折射率變化的週期沿光纖軸向逐漸變大(小)形成的一種光纖光柵。在啁啾光纖光柵軸向不同位置可反射不同波長的入射光。所以啁啾光纖光柵的特點是反射譜寬，在反射帶寬內具有漸變的羣時延，羣時延曲線的斜率即光纖光柵的色散值。所以，可以利用啁啾光纖光柵作為色散補償器。

對於啁啾率大於0.5nm/cm的啁啾光纖光柵，稱之為大啁啾光纖光柵。利用大啁啾光纖光柵進行色散補償（脈衝展寬/壓縮）是超快激光器領域的核心關鍵技術之一，已經成為大啁啾光纖光柵的重要應用方向。除此之外，大啁啾光纖光柵還可用於多波長光源的穩定合成、短光纖激光的整形、以及製作穩定連續波和可調鎖模外腔半導體激光器。光纖光柵傳感解調技術中，也需要用到具有特殊反射波形的大啁啾光纖光柵。

採用適當的光源和光纖增敏技術，可以在幾乎所有種類的光纖上不同程度的寫入光柵。所謂光纖中的光折變是指激光通過光敏光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分佈發生相應的變化，如這種折射率變化呈現週期性分佈，並被保存下來，就成為光纖光柵。 光纖中的折射率改變量與許多參數有關，如照射波長、光纖類型、摻雜水平等。如果不進行其它處理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為（10的負4次方）數量級便已經飽和，為了滿足高速通信的需要，提高光纖光敏性日益重要，光纖增敏方法主要有以下幾種：

1.摻入光敏性雜質，如：鍺、錫、硼等。

2.多種摻雜（主要是B/Ge共接）。

3.高壓低温氫氣擴散處理。

4.劇火。

光纖的光致折射率變化的光敏性主要在244nm紫外光的錯吸收峯附近，因此除駐波法用488nm可見光外，成柵光源都是紫外光。大部分成柵方法是利用激光束的空間干涉條紋，所以成柵光源的空間相干性特別重要。主要的成柵光源有準分子激光器、窄線寬準分子激光器、倍頻Ar 離子激光器、倍頻染料激光器、倍頻OPO激光器等。從大部分的實驗結果來看，窄線寬準分子激光器是大批量製作光纖光柵最為適宜的光源。它可同時提供193nm和 244nm兩種有效的寫入波長並有很高的單脈衝能量，可在光敏性較弱的光纖上寫人光柵並實現光纖光柵在線製作。

光纖光柵製作方法中的駐波法及光纖表面損傷刻蝕法，成柵條件苛刻，成品率低，使用受到限制。主要的成柵有下列幾種。

1.短週期光纖光柵的製作

a.內部寫入法 內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。由於纖芯材料具有光敏性，其折射率發生相應的週期變化，於是形成了與干涉週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，反射帶寬小於200MHZ。此方法是早期使用的，由於實驗要求在特製鍺摻雜光纖中進行，要求鍺含量很高，芯徑很小，並且上述方法只能夠製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，很少被採用。用準分子激光干涉的方法，Meltz等人首次製作了橫向側面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在接錯光纖的側面相干，形成干涉圖，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距週期由 ∧=λuv/（2sinθ）給出。可見，通過改變人射光波長或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數，獲得適宜的光纖光柵。但是要得到高反射率的光柵，則對所用光源及周圍環境有較高的要求。這種光柵製造方法採用多脈衝曝光技術，光柵性質可以精確控制，但是容易受機械震動或温度漂移的影響，並且不易製作具有複雜截面的光纖光柵，這種方法使用不多。

b.光纖光柵的單脈衝寫入 由於準分子激光具有很高的單脈衝能量，聚焦後每次脈衝可達J·cm－2，又發展了用單個激光脈衝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。由於光柵成柵時間短，因此環境因素對成柵的影響降到了最低限度。此外，此法可以在光纖技制過程中實現，接着進行塗覆，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，特別適用於光纖光柵的低成本、大批量生產。

c.相位掩膜法 ^[1]  將用全息干涉法製作好的玻璃相位掩模板置於光纖前，然後以248nm的紫外光通過相位掩模板，依靠相位掩膜板具有的壓制零級，增強一級衍射的功能。使得紫外光經過相位掩模板後後衍射到光纖上形成干涉條紋，寫入週期為掩膜板週期一半的Bragg光柵。這種成柵方法不依賴於入射光波長，只與相位光柵的週期有關，因此，對光源的相干性要求不高，簡化了光纖光柵的製造系統。這種方法的缺點是製作掩膜複雜，且價格高昂。並且無法制作紫外波段的光纖光柵。 ^[1]  用低相干光源和相位掩膜版來製作光纖光柵的這種方法非常重要，並且相位掩膜與掃描曝光技術相結合還可以實現光柵耦合截面的控制，來製作特殊結構的光柵。該方法大大簡化了光纖光柵的製作過程，是2015年後國際上主流的用於製作光纖光柵的方法，也是截止至2019年唯一商用化的大批量光纖光柵製備方法。

d.飛秒逐點寫入法 使用飛秒激光器作為光源，然後利用精密機械控制激光器運動位移，逐點寫入光柵，通過控制激光器的移動速度可寫入任意週期的光柵。這種方法在原理上具有最大的靈活性，對光柵可以任意進行設計製作。原則上，利用此方法可以製作出任意長度的光柵，也可以製作出極短的高反射率光纖光柵，但是寫人光束必須聚焦到很密集的一點，由於現有技術條件限制，此方法只能刻寫長度較短的光纖光柵，且很難刻寫高反。所以此方法主要用於刻寫一些需要在高温、高輻射等特殊條件下使用的傳感光柵。

2.長週期光纖光柵的製作

a.金屬掩膜法 金屬掩膜法是製做長週期光纖光柵最常用的一種方法。實驗中採用的光纖為光敏光纖，PC為偏振控制器，AM為金屬振幅掩膜，使用CO2激光器照射數min後，可製成週期 60μm～1mm範圍內變化的光柵，這種方法對激光器與掩模板的要求極低。

b.逐點寫入法 此方法是利用精密機械控制光纖運動位移，每隔一個週期曝光一次，通過控制光纖移動速度可寫入任意週期的光柵。這種方法在原理上具有最大的靈活性，對光柵的耦合截面可以任意進行設計製作。原則上，利用此方法可以製作出任意長度的光柵，也可以製作出極短的高反射率光纖光柵，但是寫入光束必須聚焦到很密集的一點，因此這一技術主要適用於長週期光柵的寫入。它的缺點是需要複雜的聚焦光學系統和精確的位移移動技術。由於各種精密移動平台的研製，這種長週期光纖光柵寫入方法正在越來越多的被採用。

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

有源器件：光纖激光器（光柵窄帶反射器用於DFB等結構，波長可調諧等）；半導體激光器（光纖光柵作為反饋外腔及用於穩定980nm泵浦光源）；EDFA光纖放大器（光纖光柵實現增益平坦和殘餘泵浦光反射）；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波分複用器（波導光柵陣列、光柵/濾波組合）；OADM上下路分插複用器（光柵選路）；色散補償器（線性啁啾光纖光柵實現單通道補償，抽樣光纖光柵實現WDM系統中多通道補償）；波長變換器 OTDM延時器 OCDMA編碼器 光纖光柵編碼器。

光纖光柵自問世以來，已廣泛應用於光纖傳感領域。由於光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本以及和普通光纖的良好的兼容性等優點，所以越來越受關注。由於光纖光柵的諧振波長對應力應變和温度的變化敏感，所以主要用於温度和應力應變的測量。這種傳感器是通過外界參量(温度或應力應變)對Bragg光纖光柵的中心波長調製來獲得傳感信息的。因此，傳感器靈敏度高，抗干擾能力強，對光源能量和穩定性要求低，適合作精密、精確測量。 光纖光柵傳感器現已佔以光纖為主的材料的44.2 %。光纖光柵傳感器已被用於各個方面，例如高速公路、橋樑、大壩、礦山、機場、船舶、地球技術、鐵路、油或氣庫的監測。傳感器的一個發展方向就是多點、分佈式傳感器，它們主要是利用WDM, TDM, SDM, CDMA的組合。

光纖濾波器是光纖通信中的一個重要的無源器件，光纖光柵的出現真正實現了全光纖型濾波器。光纖光柵濾波器成本低、與光纖兼容、易於集成等優點是光纖通信系統中理想的器件。隨着光纖光柵製作技術的成熟和各種波長調節手段的豐富，可以實現從1520~1560nm全波段單通道和多通道的寬帶、高反射率的帶阻濾波器和窄帶、低損耗的帶通濾波器，另外應用於增益平坦的光纖光柵濾波器得到了人們的廣泛的關注.除此之外光纖光柵還用於sdh系統的色散補償以及wdm系統的分插複用。

對於普通單模G.652光纖,在1550nm處色散值為正,光脈衝在其中傳輸時，短波長的光（“蘭光”）較長波長的光（“紅光”）傳播得快.這樣經過一定距離得傳輸後，脈衝就被展寬了,形成光纖材料的色散.若使光柵週期大的一端在前，使長波長的光在光柵前端反射，而短波長的光在光柵末端反射，因此短波長的光比長波長的光多走了2L距離(L為光柵長度)，這樣便在長、短波長光之間產生了時延差，從而形成了光柵的色散。 當光脈衝通過光柵後，短波長的光的時延比長波長的光的時延長，正好起到了色散均衡作用，從而實現了色散補償。

光纖激光器由工作物質、泵浦源和諧振腔三部分組成，增益光纖為產生光子的增益介質；抽運光的作用是作為外部能量使增益介質達到粒子數反轉，也就是泵浦源；光學諧振腔由兩個反射鏡組成，作用是使光子得到反饋並在工作介質中得到放大，在光纖激光器中，構成反射鏡的諧振腔一般由一對光纖光柵組成（一隻高反光柵，一隻低反光柵，中心波長匹配）。泵浦源的抽運光進入增益光纖後被吸收，進而使增益介質中能級粒子數發生反轉，當諧振腔內的增益高於損耗時在2只光纖光柵之間便會形成激光振盪，產生激光信號輸出。 ^[2] 

1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次從摻鍺光纖中觀察到了光子誘導光柵。Hill的早期光纖是採用488nm可見光波長的氬離子激光器，通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵。後來Meltz等人利用高強度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進行側面橫向曝光在該光纖芯中產生折射率調製或相位光柵。198 ^[2]  9年，第一支布拉格諾振波長位於通信波段的光纖光柵研製成功。

全光通信的研究還處於起步階段，許多技術難點需要克服。雖然光纖光柵不能解決全光通信中所有的技術難點，但是對光纖光柵技術和器件的研究可以解決全光通信系統中許多關鍵技術。因此對光纖光柵的研究可以促進全光通信網的早日實現。 ^[3] 

光纖光柵是將來很長一段時間內光纖通信系統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，由於這些器件的優良性能使人們更加充分地利用光纖通信系統的帶寬資源。對光纖光柵的研究和開發正逐步深入到光纖通信系統的每一個細節，從波分複用系統的合波/分波、光纖放大器的增益平坦、色散補償，到全光網絡上下路、波長路由、光交換等，光纖光柵的應用將推動高速光通信的發展，將在未來的高速全光通信系統中扮演重要的角色。在光纖光柵研究成果轉化方面國內外的差距還不算太大，中國應集中力量發展民族光電子產業，使光纖光柵研究成果儘早產業化，為國家經濟服務。 ^[3]