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(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(dú)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(rèn)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(yōu)缺點(diǎn)，下面分別進(jìn)行評述。

二、光纖光柵制作方法

1、光敏光纖的制備

采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，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(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，如這種折射率變化呈現(xiàn)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(shù)有關(guān)，如照射波長、光纖類型、摻雜水平等。如果不進(jìn)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(fù)4次方)數(shù)量級便已經(jīng)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(zhì)，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(kuò)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(xiàn)在244nm紫外光的錯(cuò)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(zhǔn)分子激光器、窄線寬準(zhǔn)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(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，窄線寬準(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)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(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(gè)端面耦合到錯(cuò)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(yīng)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(dá)90%以上，反射帶寬小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于實(shí)驗(yàn)要求在特制鍺摻雜光纖中進(jìn)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(jià)值的應(yīng)用，現(xiàn)在很少被采用。用準(zhǔn)分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了橫向側(cè)面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在接錯(cuò)光纖的側(cè)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。可見，通過改變?nèi)松涔獠ㄩL或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數(shù)，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(huán)境有較高的要求。這種光柵制造方法采用多脈沖曝光技術(shù)，光柵性質(zhì)可以精確控制，但是容易受機(jī)械震動(dòng)或溫度漂移的影響，并且不易制作具有復(fù)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(zhǔn)分子激光具有很高的單脈沖能量，聚焦后每次脈沖可達(dá)J?cm-2，近年來又發(fā)展了用單個(gè)激光脈沖在光纖上形成高反射率光柵。英國南安普敦大學(xué)的Archambanlt等人對此方法進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為這一過程與二階和雙光子吸收有關(guān)。由于光柵成柵時(shí)間短，因此環(huán)境因素對成柵的影響降到了最低限度。此外，此法可以在光纖技制過程中實(shí)現(xiàn)，接著進(jìn)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(qiáng)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(chǎn)。

(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(qiáng)一級衍射的功能。紫外光經(jīng)過掩膜相位調(diào)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(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(diǎn)是制作掩膜復(fù)雜，為使KrF準(zhǔn)分子激光光束相位以知間。隔進(jìn)行調(diào)制，掩膜版一維表面間隙結(jié)構(gòu)的振幅周期被選為4π(nilica-1)/(A?λKrF)=π，這里A是表面間隙結(jié)構(gòu)的振幅。這樣得到的相位掩膜版可使準(zhǔn)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(zhuǎn)向+1和-1級衍射，每級衍射光光強(qiáng)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(shù)相結(jié)合還可以實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shù)min后，可制成周期60μm～1mm范圍內(nèi)變化的光柵，這種方法對紫外光的相干性沒有要求。

(b)逐點(diǎn)寫入法 

此方法是利用精密機(jī)構(gòu)控制光纖運(yùn)動(dòng)位移，每隔一個(gè)周期曝光一次，通過控制光纖移動(dòng)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(diǎn)，因此這一技術(shù)主要適用于長周期光柵的寫入。它的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的聚焦光學(xué)系統(tǒng)和精確的位移移動(dòng)技術(shù)。目前，由于各種精密移動(dòng)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。