1、光纖光柵的制作與發展1.1 光纖材料的光敏性光纖光柵的光敏性是指物質的物理或者化學性質在外部光的作用下發生暫時或永久性 改變的材料屬性。對光纖材料的光敏性而言，則是指折射率、吸收譜、內部應力、密度和非 線性極化率等多方面的特性發生永久性改變。石英材料的分子結構通常為四面體結構，每個硅原子通過形成共價鍵與四個氧原子相連。雖然 Ge 原子與 Si 原子同為四價元素，可以代替 Si 原子在石英玻璃四面體結構中的位 置，但是 Ge 的摻入仍將對石英玻璃的分子結構產生干擾并不可避免的形成缺陷中心。 由于 純石英玻璃的吸收帶位于 160nm 處，對波長在 190nm 以上一直到紅外區的光具有大于90%的透

2、過率。 這些波長的光不會對石英材料的性質產生任何形式的影響， 因此， 光纖的光敏性 與摻雜有關。一般認為摻鍺石英光纖材料的光敏現象源于缺陷中心。起初， 曾認為光敏性僅能從摻鍺光纖中出現，光柵不能從純硅纖芯生長， OH 基對光纖的光敏性不是必要的。但是后來實驗 表明，光敏性存在于眾多種類的光纖。比如，基于硅基光纖的摻銪光纖，摻鈰光纖，摻餌鍺 光纖，以及摻氟浩鹽光纖的摻鍶餌光纖等。然而從實用的觀點來看， 最引人注意的光敏光纖就是廣泛應用于通信產業和光傳感領域 的纖芯摻鍺光纖。 在光纖材料中摻鍺以后將產生位于180nm ，195nm ，213nm，240nm，281nm，325nm, 517nm等多

3、個附加的吸收帶，其中240nm和195nm為強吸收帶。240nm吸收帶的寬度約為 30nm， 325nm 吸收帶的強度僅為 240nm 吸收帶的 1/1000。通常，對光纖材料光敏 性研究主要集中在 240nm 和 193nm 的紫外光波段上。1.2 光纖材料的增敏技術 自光敏性的發現和第一次證實鍺硅光纖中的光柵以來,增加光纖中的光敏性就成為了一個重要的考慮因素。標準單模通訊光纖中摻有3%的鍺，典型的光致折射率變化為3 x 10-5。由于光纖材料的光敏性與光纖的摻雜濃度基本上成正比關系,因此提高光纖材料感光性最直接的方法就是提高光纖芯區的鍺摻雜濃度。一般地,增加摻鍺濃度可導致5x 10-4的光

4、致折射率變化。 但是用這種方法提高光纖材料的光敏性有一個很大的不利因素,即增加光纖芯區含鍺量將增大光纖芯區和包層折射率之差。 為保證光纖只能進行單模傳輸, 必須減少光纖的 芯徑。 當芯區的鍺含量很高時, 光纖的芯徑將要非常小, 這將影響光敏光纖與普通單模光纖 的匹配性能。因此, 尋求更為有效的光纖材料增敏方法具有非常重要的意義。提高光纖材料紫外感光特性的方法可以從以下幾個方面考慮：（ 1 ）增加光纖材料中的缺陷濃度。（2）在光纖材料中摻入具有較大紫外吸收系數的雜質。（3）在光纖的芯區或包層中摻入適當雜質,盡可能增大二者之間的熱特性失配度。目前, 已經有多種有效的光纖材料增敏方案在實驗室應用。

5、這些方案主要分為三種, 即 載氫技術、光纖還原法和多種摻雜。1.2.1 載氫增敏技術1993 年, AT&T Bell 實驗室的 P.J.Lemaire 等人首次引入了摻鍺石英光纖材料的載氫增敏技 術。摻鍺3mol%的光纖被放入氣壓為 2.076MPa （典型值為15MPa）,溫度為2075C的氫 氣中，這種方法將氫氣以分子形態擴散入光纖的芯區。 載氫光纖在收到紫外光照射的時候或 者加熱時將引起氫氣的與摻鍺石英玻璃之間的化學反應，即H2分子在Si-0-Ge區發生變化，形成與折射率有關的 Ge-OH ，Si-OH ，Ge-H，Si-H 等化學鍵和缺氧鍺缺陷中心，從而提高光纖材料的光致折射率變化，

6、 可以使任何類型的摻鍺石英光纖材料的光敏性提高 12 個數量 級，并在其上寫入高反射率的光柵。這樣可使折射率變化 M比原來的變化提高兩個數量級， 可達5.9 X 10-3。另外，也可以對光纖載氘來達到光纖增強光敏性的目的。載氫技術的優勢 是可在任何鍺硅或無鍺光纖中生產 Bragg 光柵，而且未曝光的載氫光纖段在通信窗口的吸收 損耗可以忽略。載氫光纖的形成的折射率變化是持久的， 但是由于光纖中存在未反應的氫， 使光柵的折 射率隨時間而發生變化， 引起紫外寫入光柵的 Bragg 波長的變化。 因此， 載氫光纖的熱穩定 性很差， 一般在室溫下放置兩個星期其折射率深度就下降 11%。探索提高溫度穩定性

7、的光纖 光柵制作技術具有重要意義， 一種方法是對其進行加速老化， 即用事后熱處理來穩定其波長； 另一種方法是載氫光纖先經均勻曝光預處理再寫入光柵。1.2.2 光纖材料的換原性處理且兩者近似地成正比關“焰刷”處理。 19931700oC 的氫氧焰下由于光纖材料的光敏性與光纖材料的中的缺氧鍺缺陷濃度直接相關， 系，因此可以通過在光纖拉制中完成后用氫燈對所要曝光的光纖段進行 年， F.Bilodeau 等人把拉制好的標準通信鍺光纖擬寫入光柵的一段放在灼燒，使光纖在240nm處的吸收增加。該作用指發生在含GeO的纖芯，對包層沒有影響。紫外照射灼燒后的光纖可得到大于 10-3 的折射率變化，使光纖材料的

8、光敏性提高了一個數 量級。 用這種方法增強光敏性不會產生折射率的飄移。 由于對曝光區段的光纖進行處理， 因 此這種方法對兩個主要的通信窗口幾乎沒有影響。可在標準通信光纖中寫制出強 Bragg 光 柵。然而，該技術的主要缺點是高溫灼繞破壞了光纖，有長期穩定性的問題。對光纖材料進行還原性處理的另一種方法是在光纖預制棒的制作過程中施加還原性條件或者對光纖預制棒在高溫氫氣中進行后處理使芯區的缺氧鍺缺陷濃度增加，可將光纖材料的光敏性提高23倍。這種方法最大的缺點就是氫氣與GeO2反應生成的OH-離子將在1.4um處產生一個很強的吸收帶。 這個吸收帶對光信號在兩個主要通信窗口的傳輸具有非常不利的影 響。1

9、.2.3 多種摻雜 在鍺硅光纖材料中，摻入 B、Sn 或 Al 等元素可提高光纖材料的光敏性，其中以 B/Ge 雙摻 雜光纖材料的光敏性最強，其光敏性要比含鍺量相當的單摻鍺光纖材料要高出約一個數量 級。這些光纖都可以采用 MCVD 技術生產。在石英玻璃中摻入 B 將使物理性質發生很大的變化，比如，摻 B 后石英玻璃的熱膨脹系數 增大，同時熔點降低。在幾百攝氏度高溫下的退火實驗，證實了在B/Ge 光纖的纖芯區將由于 B 的摻入而引入較大的應力。利用 B/Ge 雙摻提高光纖材料光敏性最主要的有利因素是 B 的摻入能夠引起光纖材料芯 區的折射率的降低。因此， B/Ge 雙摻光纖材料可以具有較高的鍺摻

10、雜濃度，同時又不引起光纖芯包折射率的增大，從而可實現與普通單模光纖的良好匹配。 因此，對這種高度光敏光纖材料的研究具有很大的意義。（1）避免了對光纖材料進行長時間且具有危險性的氫氣敏化處理。（ 2）可避免由于載氫增敏在光柵區域引起的羥基吸收損耗，這一損耗在長度較大的Chirp 光纖光柵中是十分嚴重的。（3）提高了光柵的制作效率。如果對 B/Ge 雙摻光纖材料進一步載氫處理，可以在教短的曝光時間內獲得很高的光柵 反射率。1.2.4預加應力增敏技術在寫入光柵的過程中，對摻鍺光纖施加適當應力，將會提高光纖的光敏性。圖1表明，施加3%應變的應力情況下，可使光敏性提高2倍以上，而且形成的光柵的熱穩定性也

11、將保持不變。在同樣的曝光條件下寫入Bragg光柵時，施加應力的光纖將會得到高達18dB的反射深度，而未加應力的光纖的反射深度僅為7dB，因此利用這種方法將會明顯縮短光纖光柵的寫入時間。相同曝光條件下預加應力和未加應 力的折射率變化比較預加應力和未加應力情況下制作的長周期光柵的熱穩定性比較光纖光柵的寫入方法用摻雜光纖制作光柵的方法主要有內寫入和外寫入法。內寫入技術是一個全息制作過程，它利用光在纖芯內部傳播時形成駐波所產生的雙光子吸收的原理；外寫入技術則主要有點-點成柵技術，相干 UV光全息干涉技術和相位掩模技術等。2.1內寫入法該法制作光柵同光學全息法制作光柵相似，利用菲涅爾反射，使得反射光與入

12、射光在適當條件下干涉，在纖芯內部形成駐波。 由于光致折射效應， 在沿光纖長度的波節波腹處通過 曝光可以誘導出周期性的折射率變化形成光柵。這樣制作的光柵，曝光時對裝置的穩定性要求很高，得到折射率變化較小，僅為10-6，而波長不易改變，其特點見表1。由于該技術的寫入效率低，寫入的Bragg波長受激光寫入波長限制等原因，制作的光柵性能太差，所以該方法已較少使用。內耳入駐波汕L 1- 1.450 200 Mik0, 30丸全息法0. 57676424.40單眈沖也A0.書、0. 772 500. 8 run 1.00在線耳入草脈沖法L552“ 100任意點-恵塢入注氣0.95M nW10 L J0*系

13、址愆宦性擺求陽：比柵M4SR inn退化：適用性差;反射舉低5 mW.3* i(rs5 ma中也波怏可變聚冊和定性244 nni好曝光時間長)J. cm3* 10-5230 ni外界干擾仇辿度怏.能量小,KrT* Lawr易于在歳制造.反射率低0. J,5x W420時反射率昌閘制惟洙柵24H nm200 mjrnn_ -Ih io-42 mi*靈話簡便點快可饑質磧好.同脈沖袪站倉有發廉港力249 nm1 JL jjh- 3.249 nm120 mW,IO420片是目蔭僅用堀多.簡單具有満力的一種7* JO-4數1秒262 nm幾i-Sil止纖抽.制同時弓入也冊“1O 20 ns駆丁詼批帚生產

14、 30 mWJO520 ni可tr峙入任意周期的光Hf表1 各種主要寫入光柵方法的比較：22外寫入法相對于內寫入法，外寫入法的形式很多，方法也更為靈活，能夠制作各種特定波長的Bragg光柵。2.2.1外寫入全息法1989年UTRC的研究人員首次用紫外光全息法制成了高反射率的Bragg光柵，反射率可達76%。它是在選擇適當的波長后，使光纖芯徑在兩束干涉光的誘導下發生折射率的永 久性變化而形成的。光柵的周期由入射光的波長和兩光束之間的夾角決定，系統設置如圖1。術銀弧燈顯微物鏡光敏光纖拄面鏡反射鏡單色滬光柵PMTIrI冬為十機玻璃盒分束器UV光XY記錄儀圖1 UV光全息法寫入原理一小段去掉包層的光纖

15、在兩束相互垂直的誘導光的作用下，經側面曝光形成光柵。利用可調諧準分子泵浦染料激光器件為光源，波長為486nm50Onm ,經倍頻得到244nm的UV光，圖中水銀弧燈和高精度的單色儀用來觀察Bragg光柵的反射光譜。這種光柵的側面UV光曝光全息法反射效率高，方便靈活，可調整入射光束的夾角和全息圖條紋的間距來得到不 同波長的Bragg光柵。這種光柵穩定性好，但它對光源的相干性和光路的穩定性要求較高。222全息干涉計方法全息相干法是最早用于橫向寫人制作FBG的一種方法，圖2示出的是M-Z干涉計法工作裝置示意圖。人射紫外光經分光鏡分成兩束。經全反射后相交于光纖上，產生干涉場，形成正弦分布明暗相間的干涉

16、條紋；光纖經過一定時間照射，在纖芯內部引起和干涉條紋同樣分布的折射率變 化，從而在光纖上就寫人了正弦分布的體光柵。干涉條紋間距如式（1）。這種方法的最大優點在于突破了縱向駐波法對布喇格中心反射波長的限制，可以在最感興趣的波段內對之進行更充分的運用。它既行之有效，又操作簡單，所以受到普遍重視，也 得到了相當的運用。采用改變兩光束夾角或旋轉光纖放置位置的方法都可以方便的實現改變 反射中心波長之目的，或者將光纖以一定弧度放置于相干場，很容易得到帶有chirp的光纖光柵。這些都是全息相干法優點所在。尢卓分跆圖2干涉計寫光纖光柵方法Lc相干區域僅是很小的一部分，所以輸另外，輸出光的縱模特性決定了它的時

17、（如由溫度變化引起），都將增加輸出線這種方法亦存在很大的缺點，給制作帶來諸多問題。首先，全息相干對光源的空間相干 性和時間相干性都有很高的要求：空間相干性由激光器輸出光的橫模特性決定。如果激光器 處于多橫模振蕩，那么輸出光束就有較大的空間發散性，通過測定激光的近場圖和遠場圖可 知:輸出光斑是由一系列的尖峰所組成，每一尖峰的寬度約為微秒數量級，并且是無規劃分 布的，這就說明整個輸出光束的截面內并非全部相干, 出光束的多橫模現象將嚴重影響全息相干法的效果。 間相干性。如果是多縱模振蕩，或縱模存在嚴重漂移 寬，由可以看出，線寬增加大大縮短了相干長度，對全息相干法寫人效果也極為不利，增大了光路的調節難

18、度；其次，欲得到準確的布喇格中心反射波長，對光路的調整有著極高的精度要求，從d和入b容易得出：COST(si n)2AT假如采用入=240nm的紫外光，光纖折射率 n= 1.45，那么要得到 入b =1550nm的反射中心 波長，B為12. 97;如果光路調整使B偏差0. 01,可得到中心波長偏差入b =67. 27nm ,可見制作的FBG的中心波長已經遠離了1550nm。這說明了對光路調整B要求是極其苛刻的。全息相干法要有一定的曝光時間,這就要求在這一段曝光時間內光路保持良好的防振,以避免波長量級的擾動造成光路錯動, 臺上。全息相干法的光源大多為惡化相干效果，因此要將光路中的元件都置于一個防

19、震平 Ar十二倍頻和染料二倍頻激光器，并配以高質量的相干光路。一般來說，其裝置體積都很大。2.2.3外寫入單脈沖法所用的內寫入法和側面曝光全息法，要求寫入光有足夠高的能量密度，一般為幾百焦爾每平方厘米，曝光時間為數秒至幾分不等，而且對整個系統的穩定性要求極高，需要排除諸如氣流振動、溫度漂移、光源不穩定等因素的影響。對此，研究人員提出了利用準分子激光器制作光柵的單脈沖法。Ask-ins等人利用該方法，采用Kr+F準分子激光器作光源制作光柵， 所需能量密度小（1J/cm2）,曝光時間短（20ns），得到的光纖折射率為10-5，最高可達10-4，效率高，其性能見表1。同以往的方法相比，該方法一次性曝

20、光，可以免除外界的干擾，對于 制作大批量的光柵有重要的意義。Archambault等人利用該方法制作出了深度折射率調制的高反射率光柵，光柵折射率變化可達5X 10-4,反射率為65% , FWHM為6GHz，這是目前據文獻報道最窄的帶寬，其性能見表1。圖2是利用該方法制作光柵的系統結構示意圖。圖中柱面鏡可分別放置在 a, b位置將兩束光匯聚在光纖上。準分子激光束2.2.4外寫入掩模法主要指相位掩模法。相位掩模是個衍射元件，由計算機控制經刻蝕而成。入射的UV光經過圖3相位掩模法示意圖 掩模形成衍射，衍射光側面照射光纖， 是因光敏效應可在掩模后的不同位置形成不同周期的 光柵所致。圖3為用相位掩模制

21、作光柵的一種系統結構示意圖。相位掩模放在一個靠近光纖的精密光刻裝置中，掩模光柵的條紋與光纖軸正交，正入射的UV光經掩模后作相位調制，產生衍射；在入射光方向Talbot距離內形成不同的干涉條紋。在圖3所示系統中，Hill等人采用壓制零級衍射(約占入射能量的5%)的方法使入射光的正、 負級衍射光發生干涉，形成對比強烈的干涉條紋，對纖芯曝光形成光柵。實驗中用249nm的準分子激光器作光源，對AndrewD型光纖曝光，得到的光柵性能見表1。在該方法所示的基礎上，用單脈沖準分子激光器能夠作為高質量的光柵，反射率幾乎可達100%，見表1所示。用這種方法曝光時間大大縮短，保證了光源的時間和空間的相干性，提高

22、了效率，為以后在拉制光纖的同時大批量寫入光柵奠定了基礎。利用零級壓制法制作光柵也可用 Nd3 + :YLF激光器作光源，經四倍頻后輸出UV光，由掩模調制后的誘導光用較短的時間就能夠制成高質量的 Bragg反射光柵。該方法對于大批量地快速寫入光柵有十分重要的參考價 值。相位掩模技術的放大原理用相位掩模法制作的光纖光柵，其周期受掩模周期和光纖折射率的控制，與入射光的波長無關。對于已有固定周期的掩模，可用一個透鏡來改變寫入光柵的Bragg波長，其原理如圖4所示。由幾何關系可知，經過透鏡后的放大倍率可以表示為M=(f-p-q)/( f-p)式中，f,p, q分別為透鏡的焦距！透鏡與掩膜的距離，以及掩膜

23、與光纖軸間的距離。其中當透鏡為正 透鏡時，f為正；當為負透鏡時，f為負。實驗證明，用正透鏡可以減小所建光柵的Bragg波長，減少的大小與 p, q值有關。位相光柵衍射寫人法是現在最有前途、使用最廣的一種方法。目前，能夠見到的位相光柵衍射相干法大致可分為四類，分別示于圖S (a), (b), (c), (d)。從對光柵的要求來看，(a), (b)為一類，(c), (d)各為一類。它們的使用方法各不相同，對位相光柵的工藝要求也有高低之別， 但都是為了使位相光柵的衍射光相交而產生高質量的干涉場，以便有效地實現FBG的制作。在(a), (b)中，要求人射光垂直人射位相光柵，根據光柵方程d(sisin

24、：)二 m 可得，人射角0 =0o時，有dsin 0 =m入，d為位相光柵柵距，$為衍射角。顯然，士 1級衍 射光發生相干，則條紋間距為_ _A_ d_ 2sin 2A/42可見正入射并利用正負一級衍射光產生相干時，所得條紋間距總等于位相光柵距的一半,與人射光波長無關，這一點正是該方程的優點所在。位相光厠垂賣人射垂直移動可移動位相光擁垂直人射 14相光搠斜入射圖(c)是斜入射利用0級和一 1級衍射光產生相干的示意圖，這種情況較正人射要復雜一些， 由光柵方程(8)可得sin_j + sintf = 2sin(匚】J 勺(W)所以得到兩衍射光產生的干涉場條紋間距為：Af =2$in=d cos(6

25、圖10 (a)熔融拉錐方法制作長周期光纖光柵示意圖和(b)傳輸光譜335熔融拉錐法還有一種是利用制作耦合器的熔融拉錐工藝來制作長周期光纖光柵。如圖10(a)所示，在用高功率激光、電弧或火焰對光纖進行局部加熱的同時，對光纖施加一定的應力， 使得光纖芯徑發生周期性變化，從而形成光柵。圖10(b)是用這種方法制作的長周期光纖光柵的傳輸譜。這種方法制作的控制難度較大， 所以有人在制作前先在光纖上刻槽然后再加熱來實現 更精確的波長和帶寬控制。3.3.6高頻C02激光脈沖寫入法圖11為光柵制作系統結構圖，將普通光纖的涂覆層剝掉50mm左右，水平放置在 CO2激光器聚焦透鏡的焦平面上，由于光纖在CO2激光加

26、熱過程中可能產生物理延長，因此，需要懸掛輕物使其保持恒定的軸向應力，從而始終處于水平狀態。使用寬帶光源做輸入，光譜儀用來監測光柵譜線的變化。關鍵設備是高頻CO2激光器，全功率為10W，制作光柵時使用的工作頻率為 5kHz，由于單脈沖激光能量固定，對光柵的加熱是激光釋放時間內多脈 沖的累積效應，可以通過改變激光脈沖的釋放時間來控制激光的能量。圖11高頻C02激光脈沖寫入系統激光頭的掃描振鏡可以完成二維掃描，激光束通過焦距為100mm的透鏡聚焦，產生 50Lm左右的光斑。在制作過程中，預先在計算機中繪制光柵圖樣，之后由計算機根據此圖樣控制激光器的二維掃描振鏡，先使激光脈沖沿光纖橫向掃描，再按光柵圖

27、樣要求沿光纖軸向移動， 依次逐點掃描。由于激光束在光纖某點上一次曝光難以達到制作要求，所以要依照上述流程反復掃描，直到制作出滿意的光柵 1實際制作中選用的是康寧 SMF228光纖，選取的光柵周 期為600,周期數為60，光柵中央的間隔為 300,光柵總的長度為35。7mm，制作的PSLPG 譜圖如圖12所示。在波長為 15201570nm和16101670nm范圍內分別呈現出相移光柵的 圖樣，相移波段的通帶中心波長分別為1546nm和1640nm。nn圖12光纖光柵譜圖3.2非周期性光纖光柵的制作方法非周期性光纖光柵又稱為啁啾光柵(chirpedgratings)，其反射帶寬比均勻周期的Bra

28、gg光柵寬很多，可用于光通信中超高速率色散補償、超短脈沖壓縮或光柵傳感器中。啁啾光柵的制作方法常見的有以下幾種：1) 兩次曝光法。這種方法可采用較簡單的制作均勻光纖光柵的曝光光路。第一次曝光在光纖上并不形成光柵，而是僅形成一個漸變的折射率梯度，第二次曝光過程則是在第一次曝光區域上繼續寫入周期均勻的光柵，兩次效應迭加便構成了一個Chir光柵。這種方法的優點是利用了制作均勻光柵的曝光光路，使得制作方法大大簡化。2) 光纖彎曲法。這是在均勻光柵中引入光纖的機械變形，形成Chirp光柵的一種方法。由于光纖的彎曲角度漸變，造成光柵的周期漸變。這種方法引入的Chirp量不能過大，否則柵齒傾斜，會引起導模耦

29、合成包層模而造成附加損耗。3) 錐形光纖法。這是利用錐形光纖形成Chir光柵的一種方法。可在錐形光纖兩端施加應力發生形變，然后寫入均勻周期的光柵，應力釋放后，由于錐體各部分的伸長形變不同， 造成光柵周期的軸向發生均勻變化，形成Chirp光柵。也可先在錐形光纖上寫入均勻光柵，然后再施加應力得到相同的效果。4) 應力梯度法。與錐形光纖法原理相同，只是應力大小是通過將光纖粘在底座上的膠含 量來調節。其優點是可以分別調節中心波長和光柵的帶寬這對于制作高性能的色散補償器具有重要的意義。5) 復合Chirp光柵法。將一列不同周期的均勻光柵順序寫在光纖上，它最大限度地應用 了制作均勻光纖光柵的工藝簡單性，具

30、有很大的靈活性。6) Chirp光柵的全息干涉法。這種制作Chirp光柵的基本原理是通過在雙光束全息光路系統中加入柱面鏡，使兩束光的干涉角度沿著光纖軸向發生連續變化，從而造成光纖的纖芯折射率發生周期性漸變，形成Chirp光纖光柵。此外，用相位母板法也可制作啁啾光柵，曝光時使光纖與相位母板之間成一傾斜角，從而使光纖光柵的周期沿光纖 z軸方向變化，形成啁啾光柵。也可以在制作母板時使其周期不均勻， 用這樣的母板也可制作啁啾光柵。近年來，國內外還報道了一些新的光纖光柵制作方法：直接寫入法，在線成柵法，光纖刻槽拉伸法，微透鏡陣列法，用聚焦二氧化碳激光器寫入長周 期光纖光柵法，移動平臺法，用聚焦離子束寫入

31、光纖光柵等。3.3幾種特殊光纖光柵的制作1978年開始研究FBG，當時制作用縱向駐波寫人法。這種方法，柵距不能變，寫人效 率很低，折射率調制深度小，FBG特性不好，因此使 FBG得不到重視，并使這一技術發展很慢。自從1989年開始用側向全息寫人法后，FBG技術得到很大發展。人們提出并實驗了許多光柵的制作方法，都制出了滿足要求的FBG。用紫外光制作FBG的原理如圖13所示。圖13用紫外光束制作FBG光柵兩束相干紫外光產生干涉場，形成正弦分布明暗相間的干涉條紋，光纖置于干涉場中。經過一定時間的照射，在纖芯內引起和干涉條紋同樣分布的折射率變化，光纖芯上就寫上了正弦分布的體光柵。干涉條紋的間距為：d

32、V/(2sin )(1)式中入為照射光波長，20為兩光束的夾角。在光纖纖芯上光柵周期上和干涉條紋間距d完全一樣。顯然，可以通過調節角度。而得到任意的光柵周期上，從而得到不同的入b。旋轉光纖使其和干涉條紋成一定角度，便得到閃爍光柵，實現符合要求的相干光場。根據光纖光柵的波矢方向、空間周期分布、及周期大小，可分為四種基本類型，即光纖 Bragg光柵、閃耀光纖光柵、啁啾光纖光柵和長周期光纖光柵。若進一步對光柵的折射率分 布及其調制深度進行調制，在四種光柵類型的基礎上可以分為多種衍射光纖光柵類型，即超結構光纖光柵、多重寫入光纖光柵、相移光纖光柵、Moire光纖光柵和變跡光纖光柵等。3.3.1光纖Bra

33、gg光柵光纖Bragg光柵是最早發展起來的光纖光柵，也是應用最廣泛的光纖光柵。光纖Bragg光柵的折射率呈固定的周期性調制分布，即調制深度與光柵周期均為常數，光柵波矢方向與光纖軸線方向相一致，參見圖3.23。當光經過光纖Bragg光柵時，對滿足 Bragg相位匹配條件的光產生很強的反射；對不滿足Bragg條件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射 回來。該類光纖光柵在通信和傳感領域均有廣泛的應用。在光纖Bragg光柵中，折射率的縱向剖面可表示為2nn（z）二 n=n cos（ z）A式中rt 光纖纖芯的平均折射率； n 導致折射率擾動的數量（典型值為10：10”）；z沿光軸的縱向距離在相

34、位掩模法中，光纖Bragg光柵可在相位掩模在近場形成均勻分布的紫外干涉條紋制作，參見圖3.24。目前，作為商品用的光纖 Bragg光柵，其典型的技術數據如下：（1）中心波長：980rm， 1020rm， 1550rm。（2）波長準確度：0.2 rm。（3）反射率：099%。（4）帶寬：0.10.2_10%rm。（5）插入損耗：0.1dB。但有時光纖Bragg光柵需要有較長的光柵長度（典型的可達幾十厘米） 。1994年，J.Martir等人將相位掩模和光敏光纖固定在一起，在垂直入射的固定寫入光束下， 通過平移相位掩模和光敏光纖，寫入了 15厘米長的光柵，反射率為98.5%，帶寬為0,43rm。H

35、.N.Rourke等人則卻使光纖和相位掩模固定在一起不動參見圖3.25,將垂直入射光沿相位掩模平移，寫入了長達50cm的光柵，反射率為 70%，帶寬僅為0.029rm。3.3.2平面波導陣列布喇格光柵利用空間頻率不同的雙光束干涉圖樣以一定的夾角先后兩次或兩對雙光束同時輻照體 塊光敏感材料，在其中產生兩種周期性折射率分布，兩種分布的排列方向相互垂直。這種結構可以作為平面波導陣列布喇格光柵，其中與低、高空間頻率的干涉圖樣對應的結構分別作為平面波導陣列和布喇格光柵，每個波導上都有布喇格光柵。在低頻干涉圖樣寫入平面波導陣列的基礎上，利用高頻干涉圖樣以不同角度多次曝光可以在波導中寫入多重布喇格光柵， 從

36、而形成平面波導陣列多重布喇格光柵。其典型結構與制作方法如圖14所示，(a)(b)圖14平面波導陣列布拉格結構及光輻射制作方法其中圖14(a)為制作平面波導陣列的示意圖，圖14(b)為在平面波導陣列中通過透射全息和鄰面照射法制作布喇格光柵的示意圖，根據需要也可以通過反射全息法制作相應的布喇格光 柵。這種新的平面波導陣列布喇格光柵結構，可以通過全息光輻照方法在光敏感材料中形成這種結構。這種結構在波導平面內具有很好的導波衍射行為，其衍射光具備布喇格衍射的基本特性。根據全息存儲的角度復用特性，還可以在這種平面波導陣列中制作衍射不同波長的多重布喇格光柵，因此有可能用于波分復用系統。在LiNbO 3晶體中

37、利用雙光束干涉圖樣寫入的陣列波導密度可達70mm-1，如果每個波導中都寫入多重布喇格光柵，則在一塊不大的光敏感材料中就可以形成大量的光學窄帶濾波器。因此以平面波導陣列分層并在其中形成多重布喇格光柵結構，有可能用于制作UDWDM系統中的MUX/DEMUX 等器件。進一步提高激光功率密度或改變激光波長，該方法也能被用于在玻璃、聚合物等其他體塊光敏材料中制作出類似器件。這種類型的光柵具有很好的應用前景。利用光纖光攝可以制作的部分功能性器件：國外這方面的研究工作已經展開并取得了許多成果，制造了一些光纖光柵器件，我國一些科技人員也開始了這方面的研究工作。(1) 窄帶帶阻濾波器圖1示出的窄帶帶阻濾波器帶寬

38、為0. 43nm，反射率為98.5,多個不同波長的這種光纖光柵串聯，可用于波分復用器，反射分離不同的波長，它比傳統的光柵及棱鏡波分復用器優異的多，無論是分辨率和體積尺寸，它們都是與之無法相比的。(2) 寬帶帶阻濾波器圖2示出的帶阻濾波器帶寬達12nm,反射率達99%，它可用于激光放大器泵浦光反射鏡，提高泵浦效率，又可降低輸出光中泵浦光對信號光的干擾，其干擾可降低30dB。(3) 梳狀帶阻濾波器所制出的濾波器約有 5個不同反射波長，各波長間距為0.13nm,反射率為30-95%，每個反射峰帶寬約為0. 05nm，如圖3所示。它也可用于波分復用器，反射分離不同的波長。(4) 窄帶帶通濾波器如圖4示

39、出的濾波器，其反射率大于99%，反射帶寬約0.2nm，其中的窄帶帶通寬度100MHz。(5) 色散補償起器它能夠對標準通信光纖中 1549nm波長的光色散 20ps/nm km有-19ps/nm km的補償。用 這一簡單的光柵器件就能對光纖色散幾乎是完全地補償，意義是很大的。特性如圖5所示。(6) 偏振模式轉換器其性能已達到轉換效率 89%，見圖6。(7) 光纖激光器早期我們做過這方面的工作理論上對摻餌光纖激光器的諧振腔作了設計，實驗上采用半外 腔式F-P諧振腔，輸出幾百微瓦波長1536nm的激光。光纖兩端面拋光、鍍膜在工藝上是非常困難的，故只是原理性的研究，未能實用化。如采用光纖光柵技術則很

40、容易實現光纖 激光器，有可能取代二極管激光器作為信號源。與二極管激光器相比，光纖激光器具有較 高的光輸出功率、較低的相對強度噪聲（RIN ），極窄的線寬以及較寬的調諧范圍。光纖激光器的單模輸出可達 10mW以上，其RIN為發射噪音極限。光纖激光器的線寬可做到小于 2. 5kHz，顯然優于線寬10MHz的分布反饋（DFB）激光器。WDM傳輸系統一個很重要的參 量就是可調諧性，光纖激光器不但很容易實現調諧，而且調諧范圍（5Onm）遠大于半導體激光器（12nm ）。333側面拋光型布喇格光柵這種布喇格光柵如下圖 15所示。制備的主要技術包括：a在石英襯底塊上開一曲率半徑適當的凹形槽，將階躍型折射率單模光纖嵌入并粘合；b將襯底連同光纖一起拋光，拋光到離纖芯2卩m處。一般通過測量光纖側面橢圓形的長軸和短軸，可以大致估計研磨的深度；c. 將光刻膠（如 AZ1350）涂覆在拋光的光纖表面，厚度約 70nm,再置于單色激光雙