光纖布拉格光柵(FBG)介紹

一、光纖布拉格光柵介紹

FBG是Fiber Bragg Grating的縮寫，即光纖布拉格光柵。

在纖芯內形成的空間相位周期性分布的光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合。近年來，隨光纖光柵的重要性被人們所認識，各種光纖光柵的制作方法也層出不窮，這些方法各有其優缺點，下面分別進行評述。

二、光纖光柵制作方法

1、光敏光纖的制備

采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布發生相應的變化，如這種折射率變化呈現周期性分布，并被保存下來，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，目前光纖增敏方法主要有以下幾種：(1)摻入光敏性雜質，如：鍺、錫、棚等。(2)多種摻雜(主要是B/Ge共接)。(3)高壓低溫氫氣擴散處理。(4)劇火。

2、成柵的紫外光源

光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現在244nm紫外光的錯吸收峰附近，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。目前，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，根據實驗結果，窄線寬準分子激光器是目前用來制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并有很高的單脈沖能量，可在光敏性較弱的光纖上寫入光柵并實現光纖光柵在線制作。光纖光柵制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。

目前主要的成柵有下列幾種。

(1)短周期光纖光柵的制作

(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錯摻雜光纖中，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。由于纖芯材料具有光敏性，其折射率發生相應的周期變化，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，現在很少被采用。用準分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制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。柵距周期由∧=λuv/(2sinθ)給出?？梢?，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。這種光柵制造方法采用多脈沖曝光技術，光柵性質可以精確控制，但是容易受機械震動或溫度漂移的影響，并且不易制作具有復雜截面的光纖光柵，目前這種方法使用不多。 

(b)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，近年來又發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。由于光柵成柵時間短，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，特別適用于光纖光柵的低成本、大批量生產。

(c)相位掩膜法 

將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置于探光纖上，相位掩膜具有壓制零級，增強一級衍射的功能。紫外光經過掩膜相位調制后衍射到光纖上形成干涉條紋，寫入周期為掩膜周期一半的Bragg光柵。這種成柵方法不依賴于人射光波長，只與相位光柵的周期有關，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。這種方法的缺點是制作掩膜復雜，為使KrF準分子激光光束相位以知間。隔進行調制，掩膜版一維表面間隙結構的振幅周期被選為4π(nilica-1)/(A?λKrF)=π，這里A是表面間隙結構的振幅。這樣得到的相位掩膜版可使準分子激光光束通過掩膜后，零級光束小子衍射光的5%，人射光束轉向+1和-1級衍射，每級衍射光光強的典型值比總衍射光的35%還多。用低相干光源和相位掩膜版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相結合還可以實現光柵耦合截面的控制，來制作特殊結構的光柵。該方法大大簡化了光纖光柵的制作過程，是目前寫入光柵極有前途的一種方法。

(2)長周期光纖光柵的制作 

(a)掩膜法 

掩膜法是目前制做長周期光纖光柵最常用的一種方法。實驗中采用的光纖為光敏光纖，PC為偏振控制器，AM為振幅掩膜，激光器照射數min后，可制成周期60μm～1mm范圍內變化的光柵，這種方法對紫外光的相干性沒有要求。

(b)逐點寫入法 

此方法是利用精密機構控制光纖運動位移，每隔一個周期曝光一次，通過控制光纖移動速度可寫入任意周期的光柵。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制作。原則上，利用此方法可以制作出任意長度的光柵，也可以制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于長周期光柵的寫入。它的缺點是需要復雜的聚焦光學系統和精確的位移移動技術。目前，由于各種精密移動平臺的研制，這種長周期光纖光柵寫入方法正在越來越多的被采用。