光纤光栅的发展现状

文/吴朝龙

光纤光栅的发展现状

文/吴朝龙

介绍光纤光栅的发展历史光纤光栅的写入方法及光纤光棚在光纤通信和光纤传感器的应用。

光纤光栅；光纤能信；光纤传感器；写入方法

光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从加拿大渥太华通信研究中心的首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅，美国联合技术研究中心的实现了光纤光栅的激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器技术之后的又一重大技术突破。

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。比如用激光干涉条纹（全息照相）从侧面辐照掺锗光纤，就可使其成为光纤光栅。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤无源器件。这些器件具有反射带宽范围大附加损耗小、体积小，能与光纤很好的耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

本文将对光纤光栅的写入方法及光纤光栅在光纤通信和光纤传感器方面的应用作简单介绍。

一、光纤光栅的写入方法简介

人们对光纤光栅制作的研究已取得飞跃发展，目前光纤光栅的写入分类方法很多，从使用的光源看，有激光和紫外光；从使用的方式看，有干涉型写入和非干涉型写入；有均匀周期光栅写入和非均匀周期光栅写入；另外还有内部写入和外部写入之分，其中每一类又都几乎包含多种具体的实现方法。比如均匀周期光栅的写入方法包含纵向驻波干涉法、横向全息曝光法、相位掩膜法、逐点写入法、在线写入法、直接写入法、微透镜阵列法、光纤刻槽拉伸法、聚焦二氧化碳激光器写入法、聚焦离子束写入法、电弧导致微弯法、洛埃镜写入法、莫尔条纹振幅模板写入法等；非均匀周期光栅的写入方法包含全息干涉法、相位掩膜法、两次曝光法、光纤弯曲法、锥形光纤法、应力梯度法、移动平台法、复合hp光栅法等。下面简单介绍几种重要的写入技术。

1.横向全息曝光写入法

这种方法是将纤芯掺锗浓度较高的一段紫外光敏光纤在两束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。此法的优点是可以随意调节光栅波长（只需改变两束相干光的夹角）以及仅要求简单的光学元件，但对光源的相干性和系统的稳定性要求较高。

2.相位掩膜写入法

相位掩膜法是目前应用较多的一种方法。这种方法是将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于裸光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的光栅。此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，从而简化了光纤光栅的制造系统，但其缺点是制作掩膜复杂。

3.逐点写入法

这是一种非相干写入技术。它是利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而形成光栅，每写一个条纹，光栅移动一定距离，需用纳米级的精密机构控制光纤运动位移。通过控制光纤的移动，可以方便的控制光栅的周期。但技术操作较难，一般用于制造长周期光栅。

4.在线写入法

这是一种较新的成栅方法。它是在光纤拉制过程中在裸光纤上直接写入光栅，通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节，可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。此法制造工艺简单，能连续大批量地制造光纤光栅，提高了光纤性能的稳定性，但还需对所使用的准分子激光束截面进行改进才能满足实用化的要求。

二、光纤光栅在光纤通信方面的应用

在光纤通信领域，由于光纤光栅的独特性能，将影响到光源、光放大、光纤色散补偿、光信号处理等各个方面，是下一代高速光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一。同时，光纤光栅也使各种全光器件的研制成为可能，如全光纤激光器、全光纤滤波器等，因而所谓的全光纤一维光子集成，即将各种全光纤器件集成在一条光纤里，形成诸多集成型光纤信息系统也将成为现实。它迫使人们不得不重新考虑光通信系统的每一个设计，将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如传统光学系统中没有镜片一样令人难以置信。光纤光栅几乎可以运用到光纤通信的每一个领域，其主要应用有：

1.光纤激光器

它是利用光纤光栅的反射性，构成光纤激光器所需的谐振腔，实现光纤激光器。其与光纤光栅的兼容性、输出稳定性和光谱纯度比半导体激光器好，且具有较高的光输出功率、极窄的线宽和较宽的调谐范围。

2.光纤放大器

在长中继和高速光通信系统中，要求光放大器在较宽的带宽内有平坦的增益，而一般的光纤放大器都不能满足，用闪耀光纤光栅做成特定的光谱损耗形式可以平衡光放大器的增益。

3.色散补偿器

光纤的色散和损耗是影响光纤通信能力的两个重要因素。光栅的出现使光纤损耗不再是光通信系统的主要问题，色散补偿成为光纤通信中急需解决的问题。由于不同频率分量在光纤中具有不同的传输速度，使得输入脉冲在经过光纤传输后发生展宽，产生色散，如经过Chp光纤光栅反射后，由于不同频率分量在光栅中的不同位置发生反射，使脉冲的高频成分获得比低频成分大的时延，从而使脉冲被重新压缩。

综上所述，由于光纤光栅在通信、传感及其它领域中的重要应用价值和广泛的应用前景，近年来对光纤光栅的研究得到了十分迅速的发展，已成为全球性的一个技术热点。

［1］靳伟，廖延彪，张志鹏。《导波光学传感器：原理与技术》。北京：科学出版社，1998

［2］林均岫，彭伟，《光纤布喇格光栅及其应用》，光学技术，1999，25（2）：50-53

（作者简介：延安大学物理与电子信息学院）

吴朝龙（1990—），男，汉族，陕西省商洛市人，本科生在读，现就读于延安大学物理与电子信息学院，物理学专业。