光纖光柵制作技術(shù)綜述

1、光纖光柵制作技術(shù)綜述 相艷榮，孫偉民，苑立波 （哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院物理系， 150001） 摘要：1978年，等人首先發(fā)現(xiàn)攙鍺（Ge）光纖的折射率能夠在某些波長(zhǎng)的光照射下發(fā)生 周期性的永久性改變， 人們很快意識(shí)到可以利用這種特性在光纖中制作光纖光柵， 這成為光 纖光柵研究的起點(diǎn)。1989年，G.Meltz等人首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格諧振波 長(zhǎng)位于通信波段的光纖光柵， 從此推動(dòng)了光纖光柵的巨大發(fā)展。 目前光纖光柵在光纖通信和 光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)均引起了革命性的變化。 憑其諸多優(yōu)點(diǎn)， 使許多復(fù)雜的全光通信和傳感網(wǎng)絡(luò) 成為可能，也就越發(fā)顯示出它在信息領(lǐng)域的重要地位。近年來(lái)，各種新的光纖光柵

2、寫(xiě)入方法層出不窮，各種新型光纖光柵及其新的應(yīng)用領(lǐng)域 不斷涌現(xiàn)， 而且光纖光柵的制作技術(shù)與其應(yīng)用領(lǐng)域及特性有著密切的聯(lián)系。本文主要綜述了光纖光柵的制作技術(shù)及其一些特種光纖光柵制作方法的最新進(jìn)展。為了介紹各種光纖光柵制作方法的應(yīng)用領(lǐng)域，本文首先介紹了光纖光柵的光學(xué)特性， 光敏光纖的制備方法和所需光源等知識(shí)。 對(duì)于光纖光柵的制作技術(shù)， 分別說(shuō)明了短周期光纖 光柵（FBG）、長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG ）的各種寫(xiě)入方法，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。目前， 啁啾光纖光柵和切趾光纖光柵以其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注， 因此， 本文也對(duì)它們的特殊寫(xiě)入 方法進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：光纖光柵（FBG）長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG）制作

3、方法 光敏光纖一引言眾所周知， 反射鏡在任一光學(xué)系統(tǒng)中都占有重要地位， 那麼光纖光柵就相當(dāng)于一個(gè)直接 刻畫(huà)在光纖內(nèi)部的可精確控制反射率的反射鏡， 它的出現(xiàn)已極大地促進(jìn)了光纖通信和光纖傳 感的發(fā)展。 光纖光柵是利用光纖中的光敏特性制成的。 1978 年， 等人首先發(fā)現(xiàn)攙鍺 光纖的紫外光敏特性， 即光纖的折射率能夠在某些波長(zhǎng)的光照射下隨光強(qiáng)而永久性改變，人們很快意識(shí)到利用這種特性在光纖中制作光纖光柵，這成為光纖光柵研究的起點(diǎn)。1989年，G.Meltz 等人首次采用全息干涉法，在摻鍺石英光纖上研制出第一支布拉格諧振波長(zhǎng)位于通 信波段的光纖光柵，從此推動(dòng)了光纖光柵的大發(fā)展。進(jìn)入 90 年代后期，人們

4、將光纖至于高 壓氫氣中，使上述光致折變（光照引起的折射率的變化）上升至10-310-2，提高了光纖寫(xiě)入靈敏度。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，光纖光柵已成為目前最具有發(fā)展前途，最具有代 表性的光纖無(wú)源器件之一。 它具有與光纖通信系統(tǒng)易于連接、 插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)， 使之在光 纖激光器、 光纖放大器、 光纖濾波器、 光纖傳感器和高速光纖通信系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到了廣泛 的應(yīng)用。 光纖光柵的出現(xiàn)， 使許多復(fù)雜的全光通信和傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能， 極大地拓展了光纖 技術(shù)的應(yīng)用范圍， 從而為人們夢(mèng)寐以求進(jìn)入全光信息時(shí)代帶來(lái)了無(wú)限生機(jī)和希望。本文主要介紹光纖光柵制造技術(shù)的進(jìn)展。二光纖光柵的光學(xué)特性光敏光纖通過(guò)激光照射

5、， 光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化。 使其內(nèi)部折 射率呈周期性分布，經(jīng)退火處理后可長(zhǎng)期保存，并在500 C以下保持穩(wěn)定不變。如圖 1示。圖1 Bragg光柵結(jié)構(gòu)示意圖光纖光柵是一種參數(shù)周期性變化的波導(dǎo)，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過(guò)將一個(gè)光纖模式的功率部分或完全地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖模式中去來(lái)改 變?nèi)肷涔獾念l譜。在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模既可被耦合到反向傳輸模也可被耦 合到前向包層模中，這依賴(lài)于由光柵及不同傳輸常數(shù)決定的相位條件，即K= - -2 =2: /上（上為光柵周期）式中，上是由模式1耦合到模式2所需的光柵周期，、'-2分別為模式1

6、和模式2的傳輸常數(shù)。若要將正向傳播導(dǎo)波模式耦合到反向傳播導(dǎo)波模式，從前面給的相位匹配條件可得：2二 / = r ： 01 -（一幾）=2 ： 01（2）如圖2所示,K值較大，則 上很?。ㄉ蟅1m）,這種光柵為Bragg光柵（FBG）。它的基本特性就是一個(gè)反射式光學(xué)濾波器，反射峰值波長(zhǎng)稱(chēng)為Bragg波長(zhǎng)，滿(mǎn)足: B = 2neff上（neff為有效折射率）圖2 FBG的相位匹配條件若要將正向傳播導(dǎo)波模式耦合到正向傳播包層模式，包層模傳播常數(shù)用-C1表示。其中 n為模的階數(shù)，則根據(jù)相位匹配條件有:由于正向傳播導(dǎo)波模式和正向包層模式的傳播常數(shù)都為正，如圖3所示，K值較小，則上很大，一般為幾百微米，這

7、種光柵為長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）。它的基本特性是一個(gè)帶阻濾波器。一個(gè)給定周期的光柵可使基模與包層內(nèi)幾個(gè)不同階次模的耦合，造成傳輸譜在不同波長(zhǎng)處的損耗凹陷。»* （i）-P010晡）暗Poi弘一時(shí)圖3正向傳播導(dǎo)波模式耦合到 1階正向傳播包層模式的相位匹配條件.光纖光柵的制作1. 光敏光纖的制備光纖的光敏性是在光纖中形成Bragg光柵的關(guān)鍵。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(lèi)的光纖上不同程度的寫(xiě)入光柵。光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關(guān)， 如照射波長(zhǎng)、光纖類(lèi)型、摻雜濃度、光纖溫度、曝光功率及曝光時(shí)間等。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10-4數(shù)量

8、級(jí)便已經(jīng)飽和。為了滿(mǎn)足高速通信傳感的需要，提高光纖光敏性日益重要。目前光纖增敏方法主要有：（1）摻雜 現(xiàn)在硼/鍺（B/Ge）共摻光纖已成為現(xiàn)在國(guó)際上寫(xiě)入紫外光纖光柵的首選光纖。 B/Ge共摻光纖的紫外光敏性是目前發(fā)現(xiàn)的不用載氫處理的光纖中最高的，折射率可達(dá)10-3以上，遠(yuǎn)高于普通光纖中的10-5。B元素增加光敏性的機(jī)理尚不能定論，但有一點(diǎn)是可以確定的，即光纖中摻入B后當(dāng)紫外曝光時(shí)會(huì)釋放應(yīng)力，引起較大的調(diào)制折射率。此外，還可高摻雜Ge,可以摻入元素（鉭（Ta）、鈰（Ce）、錫（Sn）、鉺（Er）。實(shí)驗(yàn)表明，B/Ge共摻光 纖和摻Sn光纖是未來(lái)最有希望的光敏光纖。刷火 用溫度高達(dá)1700 C的氫氧

9、焰來(lái)回灼燒要寫(xiě)入光柵的區(qū)域。持續(xù)20分鐘，可使折射率增大10倍以上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是定位集中，可行性好。（3）載氫 普通光纖在高壓（107Pa）氫氣中放置一段時(shí)間后，氫分子逐漸擴(kuò)散到光纖的 包層和纖芯中，當(dāng)特定波長(zhǎng)的紫外光（一般是248nm或193nm）照射載氫光纖時(shí)，纖芯被照部 分中的氫分子立即與鍺發(fā)生反應(yīng)形成Ge-OH和Ge-H鍵，從而使該部分的折射率發(fā)生永久性的增加。通常在常溫下滲氫數(shù)百小時(shí)或數(shù)天。通過(guò)載氫處理的普通光纖的纖芯折射率變化幅度可從10-5提高到10-2。研究表明，在包層中摻雜TiO2可提高FBG的生長(zhǎng)效率。由于載氫的光敏性是暫時(shí)的，因而須在取出高壓艙后馬上進(jìn)行紫外UV光寫(xiě)入

10、。寫(xiě)入的同時(shí)可通過(guò)加熱來(lái)獲得更高的光敏性，但加熱時(shí)間不應(yīng)超過(guò)數(shù)分鐘，加熱溫度也不宜過(guò)高以免引起氫氣、氧氣反應(yīng)而造成外加損耗。2. 光源光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現(xiàn)在244nm紫外光的鍺吸收峰附近。因此除駐波法用488nm可見(jiàn)光外，目前成柵的光源主要有：193nm/248nm中紫外光，334nm近紫外光及10.6mCO2激光。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。當(dāng)前，主要的成柵光源有準(zhǔn)分子激光器、窄線(xiàn)寬準(zhǔn)分子激光器、倍頻氬離子激光器、倍頻染料激光器等。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，窄線(xiàn)寬準(zhǔn)分子激光器是目前用來(lái)制作光纖 光柵最為適宜的光源。典型的曝光光源為248n

11、mKrF準(zhǔn)分子激光、193nmArF準(zhǔn)分子激光和244nm倍頻氬離子激光，均已被證明是光纖材料光折變效應(yīng)敏感的光源。3. 光纖光柵的制作方法3. 1布拉格光纖光柵的制作1）內(nèi)部寫(xiě)入法內(nèi)部寫(xiě)入法又稱(chēng)駐波法。Hill早在1978年，用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置制作了歷史上第一個(gè)布拉格光纖光柵。將波長(zhǎng)488nm的單模氬離子激光從一個(gè)端面耦合輸入到鍺摻雜光纖中。 從光纖中返回的光經(jīng)過(guò)分光器，由光電探測(cè)器1監(jiān)測(cè)，而透射光則由光電探測(cè)器2接收。經(jīng)過(guò)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)的周期性變化，于是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵【2,3

12、,4。已測(cè)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，因此，其實(shí)用性受到限*制。光 電 探 測(cè) 器22) 全息干涉法全息干涉法又稱(chēng)外側(cè)寫(xiě)入法，如圖2示，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摻鍺光纖的側(cè)面相互干涉，禾U用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由上二，UV /2sinr給出?？梢?jiàn)，通過(guò)改變?nèi)肷涔獠ㄩL(zhǎng)或兩相干光束之間的夾角，法米用多脈沖重復(fù)曝光技術(shù)， 響，并且不易制作具有復(fù)雜截面的光纖光柵?？梢愿淖児鈻懦?shù)，光柵性質(zhì)可以精確控制,獲得

13、所需的光纖光柵。這種光柵制造方但是容易受機(jī)械震動(dòng)和溫度漂移的影光源光譜分析儀3) 分波前干涉法利用此技術(shù)制作FBG的干涉裝置可以用棱鏡6,7或者洛埃鏡8。如圖3示，使用棱鏡干 涉法制作FBG的示意圖。在這個(gè)裝置中，UV光束在棱鏡的輸入面上通過(guò)折射而橫向展寬。展寬的光束一分為二，一半光束在棱鏡表面上發(fā)生全內(nèi)反射，然后，與另一半光束在棱鏡的輸出面上產(chǎn)生干涉。放在此裝置之前的柱狀透鏡有助于沿著纖芯所形成的干涉圖樣在一條直線(xiàn)上。UV光柱狀透鏡棱鏡干涉圖樣寬帶光源光譜分析儀光纖圖3用棱鏡干涉制作光柵的示意圖丿 u v=1/ i用洛埃鏡干涉系統(tǒng)制作FBG(dielectric)的反射鏡組成，用以將 -半光

14、束產(chǎn)生干涉圖樣。的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 4示。這個(gè)干涉系統(tǒng)由一個(gè)非傳導(dǎo)性UV光束的一半導(dǎo)入與反射鏡垂直的光纖中，之后與另分波前干涉技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于僅使用一個(gè)光學(xué)器件，這大大降低了系統(tǒng)對(duì)機(jī)械震動(dòng)的敏感度。但它的缺點(diǎn)是光柵長(zhǎng)度和布拉格波長(zhǎng)的調(diào)諧范圍受到限制。4) 相位掩模法9,10如圖5示。相位掩模板(Phase Mask )是衍射光學(xué)元件，用以將入射光束一分為二+1級(jí)和-1級(jí)衍射光束，它們的光功率電平相等，兩束激光相干涉并形成明暗相間條紋，在相 應(yīng)的光強(qiáng)作用下纖芯折射率受到調(diào)制。相位掩模板是一個(gè)在石英襯底上刻制的相位光柵，它可以用全息曝光或電子束蝕刻結(jié)合反應(yīng)離子束蝕刻技術(shù)制作。它具有抑制零級(jí)，增強(qiáng)

15、一級(jí)衍射的功能。Bragg光柵寫(xiě)入周期為掩模周期上PM 半的。這種成柵方法不依賴(lài)于入射光波長(zhǎng)， 只與相位掩模的周期有關(guān)。因此，對(duì)光源的相干性要求不高，簡(jiǎn)化了光纖光柵的制造系統(tǒng)， 其主要缺點(diǎn)是不同 Bragg波長(zhǎng)要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的價(jià)錢(qián)較貴。用低相干光源和相位掩模板來(lái)制作光纖光柵的這種方法非常重要，并且相位掩模與掃描曝光技術(shù)相結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)光柵耦合截面的控制，來(lái)制作特殊結(jié)構(gòu)的光柵。該方法大大簡(jiǎn)化了光纖光柵的制作過(guò)程，是目前寫(xiě)入光柵常用的一種方法。5）在線(xiàn)成柵南安普頓大學(xué)的L Dong等人采用脈沖單點(diǎn)激射的方法，首次實(shí)現(xiàn)了在光纖拉制過(guò)程中 寫(xiě)入光纖光柵的實(shí)驗(yàn)11。如圖6所示。它

16、是光纖拉制過(guò)程中在裸光纖上直接寫(xiě)入光柵，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。圖6光纖拉絲塔下橫向向側(cè)面干涉曝光法光纖光柵在線(xiàn)制作裝置示意圖美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的 Askins等人改進(jìn)了上述在線(xiàn)光纖光柵制作方法12，如圖7所示。在他們的干涉系統(tǒng)中，反射鏡 M3和M4程控可調(diào)，使得兩束干涉光束的夾角連續(xù)可調(diào)，從而 可在線(xiàn)自動(dòng)地在一根光纖上寫(xiě)入反射波長(zhǎng)不同的一系列光纖光柵。使用這種方法，制造工藝簡(jiǎn)單，使連續(xù)大批量生產(chǎn)的光纖光柵成為可能，提高了光柵性能的穩(wěn)定。M2光纖CLKrF準(zhǔn)分子激光器M3M4M1包層坩堝圖7反射波長(zhǎng)可調(diào)的系列光纖光柵在線(xiàn)制作實(shí)驗(yàn)裝置（圖中反射鏡M

17、3、M4及拄狀透鏡CL程控可調(diào)）6）直接寫(xiě)入法直接寫(xiě)入法是指在制作光纖光柵時(shí)，無(wú)須剝除光纖的涂覆層而直接在纖芯上寫(xiě)入光纖光 柵的方法。此法關(guān)鍵是采用對(duì)紫外光透明的材料作為光纖的涂覆層。目前報(bào)道的光纖涂覆層有采用丙烯酸酯13或General Electric RTV615硅膠14，通過(guò)加大紫外光強(qiáng)度、減小涂覆層 厚度以及對(duì)光纖載氫等方法，可以有效提高光纖光柵的寫(xiě)入時(shí)間。在兩硅平板間夾150卩m厚的RTV615硅膠用分光計(jì)分析了這種涂敷層的紫外光吸收特性，在248nm波長(zhǎng)處透過(guò)率達(dá)92%，有低的紫外光吸收率，因而可以用244nm倍頻激光器或248nmKrF準(zhǔn)分子激光器透過(guò)涂敷層寫(xiě)入光纖市喇格光柵。

18、這種方法解決了以往傳統(tǒng)方法中必須采用裸光纖的弊端， 減少了對(duì)光纖光柵制作完后要立即進(jìn)行涂覆的工藝復(fù)雜性，具有很好的應(yīng)用前景。7）聚焦離子束寫(xiě)入利用聚焦離子束（Focused Ion Beam: FIB）可以寫(xiě)入任意的光纖光柵結(jié)構(gòu)15, FIB既可以用研磨方式，也可以用沉積方式。 研磨光柵基本結(jié)構(gòu)如圖8所示，光柵研磨出的槽離纖芯只有幾m,研磨15 20個(gè)槽就可獲得高的反射率，槽數(shù)越多反射越大。其實(shí)驗(yàn)步驟是：第 一步，先剝?nèi)ネ糠髮樱グ鼘虞^厚的部分； 第二步，固定光纖以便刻蝕和放入真空室研磨， 光柵結(jié)構(gòu)要研磨得靠近纖芯。研磨方法簡(jiǎn)單但實(shí)現(xiàn)不易，常用的方法是用氫氟酸腐蝕掉部分包層后開(kāi)始研磨，但光纖

19、研磨下來(lái)的物質(zhì)充電沉積在研磨區(qū)，將會(huì)降低研磨效率， 并且由于材料的再沉積，槽的深寬比將被限制在一個(gè)較小的值。研磨時(shí)間取決于研磨材料和束電流。 這種方法的關(guān)鍵是要解決工藝難度，才有可能獲得廣泛的應(yīng)用。-U-LTLJ-LJ包層纖芯圖8 FIB研磨的光柵結(jié)構(gòu)3.2長(zhǎng)周期光纖光柵的制作1）振幅掩模法a UV曝光振幅掩摸板寫(xiě)入不采用衍射光束干涉條紋 “模制”折射率調(diào)制圖案的辦法，而是模板上 刻好該圖案，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，將之投射到光纖上，纖芯折射率發(fā)生相應(yīng)的變化而成柵的16寫(xiě)入后對(duì)其退火，以穩(wěn)定光學(xué)特性。振幅掩模板通常用于長(zhǎng)周期光纖光柵的寫(xiě)入。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。因?yàn)殚L(zhǎng)周期光纖光柵的周期一般為幾百微米，掩模

20、板的制作很方便，而且精確, 容易得到保證，所以用這種方法制作的光柵，其一致性和光譜特性比較好，而且對(duì)紫外光的 相干性沒(méi)有要求。圖1振幅掩模法制作LPFG的實(shí)驗(yàn)裝置b離子注入將高能量離子注入到各種石英玻璃中可以產(chǎn)生高達(dá)約10-2的折射率變化。利用這一特性可以用離子注入法在石英光纖中制作高性能的光纖光柵。將高能量He 2+注入到光纖中制作LPFG17。實(shí)驗(yàn)中所使用的方法是振幅掩模法，制作原理如圖2所示。經(jīng)加速后的高能量 He2+通過(guò)金屬掩模板注入到光纖上，加速能量為5. 1MeV。掩模周期為170卩m,間距為60卩m,共29個(gè)周期。注入20x 1015He2+/cm兮U量后，在普通通信光纖中制作了

21、在1410nm處約16dB大損耗峰的LPFG。離子注入法產(chǎn)生折射率變化的機(jī)理可能是玻璃結(jié)構(gòu)的致密化。它的缺點(diǎn) 是在包層中會(huì)感生很高的折射率變化。不過(guò)，這一缺點(diǎn)可以通過(guò)選擇窄間距的掩模板，使離子只注入到纖芯中來(lái)解決。通過(guò)選擇短周期的掩模板，也可以制作FBG。掩模板圖2離子注入法寫(xiě)入LPFG示意圖2）電弧感生微彎法利用電弧導(dǎo)致的永久微彎制造靈活剖面控制的LPFG 18，如圖所示。光纖去除護(hù)套后，用兩個(gè)相距5.5cm的夾具筆直固定，然后將一個(gè)夾具沿與光纖軸向正交的方向向下位移大約 100m，從而在光纖上產(chǎn)生一個(gè)橫向的應(yīng)力。電弧在某一點(diǎn)放電時(shí)，在剪切應(yīng)力的作用下 產(chǎn)生微彎，微彎的幅度典型值小于1m,用

22、這種方法制作的光柵諧振波長(zhǎng)只與光柵周期有關(guān)，而與耦合強(qiáng)度無(wú)關(guān)，所以光柵的中心波長(zhǎng)、反射率等特性易于控制。此外，所形成的光 柵具有低的插人損耗（小于0.2dB）和高的熱穩(wěn)定性，在800°c以下性能沒(méi)有任何降質(zhì)。微彎 構(gòu)造LPFG的另一優(yōu)點(diǎn)是不需要特殊的光纖（如摻雜、載氫以提高光敏性）,其缺點(diǎn)是光纖的機(jī) 械特性有所下降。3）殘余應(yīng)力釋放在芯徑是純二氧化硅、包層內(nèi)摻氟的光纖中，被拉伸時(shí)由于光彈效應(yīng)在高粘度的芯徑區(qū) 引入了殘余應(yīng)力，折射率會(huì)降低。當(dāng)用火焰、電弧或高功率激光退火時(shí)，可以很容易地將芯徑內(nèi)殘余的應(yīng)力釋放掉，纖芯的折射率又可以恢復(fù)到原來(lái)的水平。如果對(duì)有殘余應(yīng)力的光纖進(jìn)行逐點(diǎn)周期性退火

23、，就可以在纖芯內(nèi)形成周期性折射率變化，從而形成光柵19,20,21。此項(xiàng)技術(shù)方法比較簡(jiǎn)單，而且這種長(zhǎng)周期光纖光柵具有較好的溫度特性，特別是高溫穩(wěn)定性較好，可以用來(lái)做高溫下的溫度傳感器20。a利用弧光放電此法利用熔接機(jī)的電弧而產(chǎn)生纖芯內(nèi)殘余應(yīng)力釋放，來(lái)改變光纖的折射率。如圖4示,把沒(méi)有裝護(hù)套的光纖放在熔接機(jī)的兩個(gè)電極之間，光纖靠一個(gè)與控制馬達(dá)相連的移動(dòng)平臺(tái)拉電弧繼續(xù)放電。 這個(gè)過(guò)程22。利用此技術(shù)，通過(guò)LPFG。動(dòng)。當(dāng)使用電弧在選定的電流和持續(xù)時(shí)間之后，光纖沿縱向移動(dòng)， 重復(fù)進(jìn)行，在此過(guò)程中，光纖沒(méi)有應(yīng)變，從而確保其沒(méi)有物理形變 選擇恰當(dāng)?shù)碾娀‰娏骱统掷m(xù)時(shí)間，就可制造出所需耦合強(qiáng)度的b利用聚焦C

24、02激光器采用10.6 "m自由空間波長(zhǎng) CO2激光脈沖對(duì)光纖逐點(diǎn)曝光。光纖在制造過(guò)程中生了很高的殘余應(yīng)力，用聚焦CO2激光脈沖輻射可以釋放其中的應(yīng)力而形成LPFG23。如圖5示。使用B2O3作為摻雜物可以增加粘性差異，并可控制LPFG的溫度敏感性。這種方法不需要光纖的物理變形，通過(guò)CO2激光光束一致的、均衡的照射，polarization dependenee可以被抑制掉。應(yīng)力釋放區(qū)C02激光器光束圖5采用CO2激光器制作LPFG的示意圖4）熔融拉錐法利用制作耦合器的熔融拉錐工藝來(lái)制作長(zhǎng)周期光纖光柵24,25。在用高功率激光、電弧或火焰對(duì)光纖進(jìn)行局部加熱的同時(shí)，對(duì)光纖施加一定的應(yīng)力

25、，使得光纖芯徑發(fā)生周期性變化， 從而形成光柵?？捎镁芮懈顧C(jī)在光纖表面上刻周期性的v型槽，v型槽的周期數(shù)和間距決定所需濾波器的共振波長(zhǎng)和帶寬等。v型槽的深度及形狀將影響光纖光柵的折射率分布輪廓，從而決定 光柵的效率。如圖6所示，把刻好周期性v型槽的光纖置于光纖拉錐機(jī)上，光纖一端與光源連接，另一端連接光學(xué)光譜分析儀（OSA ）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用氫氣火焰對(duì)光纖V型槽區(qū)域進(jìn)行拉伸退火，由于受熔融玻璃表面應(yīng)力影響被刻v型槽一邊光纖纖芯的不平衡等因素，而使得纖芯產(chǎn)生周期性畸變，導(dǎo)致纖芯折射率的周期性變化26。5）微透鏡陣列寫(xiě)入這種方法的關(guān)鍵技術(shù)是采用一種微透鏡陣列，將一平行的寬束準(zhǔn)分子激光聚焦成平行等間距的光

26、條紋，投影到單模光纖上， 其中相鄰微透鏡之間無(wú)間隙，其中心間距決定了寫(xiě)入光柵的空間周期。用熔融石英光纖構(gòu)成微透鏡陣列的方法來(lái)制作lpfg27。由于這種材料的損壞閾值與光纖相似，且不會(huì)阻擋激光，同時(shí)它又可以將激光束聚焦成周期性的圖形，因此是一種很有吸引力的方法。采用在180110Onm波長(zhǎng)都具有低衰減的低成本UV級(jí)熔融石英光纖構(gòu)成微透鏡陣列制作LPFG28，經(jīng)50s的曝光后就產(chǎn)生了 11.7dB衰減的LPFG，而在同樣條件下用金屬掩模 板經(jīng)200s的曝光后才產(chǎn)生10.9dB衰減的LPFG。這種技術(shù)的寫(xiě)入效率比金屬掩模技術(shù)提高 了 4倍。但微透鏡陣列的缺點(diǎn)在于陣列和光纖之間的間隔需要精確控制，以及

27、大功率的紫外光束很容易損壞微透鏡陣列。新研制成功的平凸微透鏡陣列改進(jìn)了微透鏡陣列技術(shù)，進(jìn)一步提高了制作效率29。如圖7示，采用石英玻璃制備的柱形微透鏡模板的截面圖，當(dāng)一寬束準(zhǔn)分子激光垂直入射到微透鏡陣列上， 透過(guò)微透鏡陣列，在其焦平面上形成一系列等間距的聚焦條紋，條紋處強(qiáng)度比入射光強(qiáng)度高出三個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)表明，隨著寫(xiě)入時(shí)間的延長(zhǎng)，長(zhǎng)周期光柵的深度也不斷增大，特征波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。因此，通過(guò)控制寫(xiě)入的時(shí)間和照射到模板上光柵的寬度即寫(xiě)入光柵的總長(zhǎng)度， 可以用同一塊微透鏡模板寫(xiě)入不同波長(zhǎng)、不同透射率的長(zhǎng)周期光柵。準(zhǔn)分子激光（248nm）寬帶LED (1550nm)單模光纖L微透鏡陣列光譜分析儀圖7

28、采用微透鏡制作LPFG的示意圖6）機(jī)械感生法30機(jī)械感生原理早在1980年就在雙折射光纖的偏振模式和光纖兩種模式（LP。！ LPii ）的耦合中得到應(yīng)用。如圖 8所示，當(dāng)光纖位于溝槽板（溝槽周期為上）和平板之間時(shí)，如果對(duì)溝 槽板施加壓力，則光纖受到溝槽板傳遞的力。由于溝槽板上的溝槽是周期性的，經(jīng)光彈效應(yīng)，在光纖上引起周期的折射率調(diào)制。通過(guò)改變光纖與凹槽之間的角度可以調(diào)節(jié)光柵的周期和損 耗峰的位置。通過(guò)調(diào)節(jié)壓力的大小可以控制光柵的損耗峰的深度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不去除光纖的護(hù)套時(shí)光柵的插人損耗小，而去除護(hù)套時(shí)光柵的插人損耗大，原因可能是護(hù)套減少光纖的微彎。 用這種方法制作的光柵， 其透射譜的溫度穩(wěn)定性與光

29、感生的光柵類(lèi)似。這種LPFG的另一個(gè)特點(diǎn)是可擦除，即當(dāng)壓力去除后，光纖的傳輸可恢復(fù)到它的最初波段。因而，使用同樣的溝槽板和光纖可得到寬范圍的濾波功能。圖8機(jī)械感生法制作LPFG的示意圖然而，對(duì)于機(jī)械感生的LPFG，由于外部壓力所致的線(xiàn)性雙折射而表現(xiàn)出偏振模式色散，這是我們不愿看到的。因此，采用如圖9示的裝置，可以在兩個(gè)LPFG之間加一個(gè)900光纖旋轉(zhuǎn)器，這樣就可以補(bǔ)償線(xiàn)性雙折射現(xiàn)象31。FH （fiber hoder ）、FT （ fiber twister ）、SMFP（single mode fiber polarizer ）分別代表光纖控制器、光纖扭轉(zhuǎn)器、單模光纖偏振器。7）腐蝕刻槽法3

30、2光纖剝離涂覆層，表面經(jīng)處理，平直固定，沿軸向等間距均勻噴涂一定寬度的金屬薄層， 然后將光纖置于氫氟酸中，氫氟酸對(duì)光纖材料的腐蝕特性使未涂覆金屬層的光纖表面被刻 蝕，形成周向?qū)ΨQ(chēng)的軸向周期性結(jié)構(gòu)，使其光學(xué)特性發(fā)生軸向的周期性調(diào)制，形成長(zhǎng)周期光纖光柵。為使之刻蝕均勻，氫氟酸中應(yīng)加入緩蝕劑。8）掃描法這種方法延伸了點(diǎn)-點(diǎn)寫(xiě)入技術(shù)，而且不需要額外的費(fèi)用就可寫(xiě)入任意形式的lpfg33。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示，UV光束通過(guò)顯微鏡物鏡照射到光纖上，顯微鏡物鏡的作用是使光 束聚焦后尺寸小于 30卩m。微控移動(dòng)平臺(tái)使 UV光束沿著光纖方向進(jìn)行掃描，此時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制的光圈便使光纖周期性的曝光。在這里，光圈的改變

31、是靠移動(dòng)平臺(tái)的位置來(lái)觸發(fā)的。 光柵的最大長(zhǎng)度由移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的總長(zhǎng)度決定，這個(gè)限制可通過(guò)平移光纖來(lái)克服。實(shí)驗(yàn)表明，制作出長(zhǎng)為11mm，周期為500卩m的LPFG，經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)值與模擬值吻合，從而說(shuō)明了 這個(gè)簡(jiǎn)易方法的準(zhǔn)確性。9）熱擴(kuò)散法制備光柵的光纖纖芯為摻氮硅玻璃，包層純硅。利用氮的熱擴(kuò)散型，通過(guò)加熱，使光纖纖芯模式點(diǎn)處產(chǎn)生徑向梯度的變化。逐次的加熱可以形成光柵的軸向周期性調(diào)制。這種方法制備的光柵有強(qiáng)的抗溫度干擾性。3. 3啁啾光纖光柵的制作啁啾光纖光柵的周期是隨其長(zhǎng)度變化的，變化形式較多，如線(xiàn)性變化、按平方率變化、 隨機(jī)變化等等；還有一類(lèi)啁啾光纖光柵，其周期保持恒定，而有效折射率的大小隨其長(zhǎng)

32、度有 一定的變化。在用不同的方法實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償系統(tǒng)中，啁啾光纖光柵是最有前途的方法?；谶惫鈻旁谏⒀a(bǔ)償系統(tǒng)中所表現(xiàn)出來(lái)的巨大潛力，所以各種專(zhuān)門(mén)寫(xiě)入啁啾光柵的方法紛紛出現(xiàn)。分述如下：1）二次曝光法如圖1（ a）所示，在第一次曝光中，將一個(gè)不透明的模板放在光纖與光源之間，讓其 以恒定速度平移，模板運(yùn)動(dòng)增加了部分光纖的曝光時(shí)間，線(xiàn)性地改變了光纖所接受的輻射量，從而在光纖上形成了一個(gè)漸變的有效折射率梯度。如圖1（ b）所示，第二次曝光利用相位掩模板在第一次曝光的光纖段寫(xiě)入均勻周期光柵。由于第一次曝光導(dǎo)致光纖有效折射率變 化，最終所得的光柵是一個(gè)線(xiàn)性啁啾光纖光柵。這種二次曝光法34的優(yōu)點(diǎn)是利用了制作均

33、勻光柵的曝光光路，使制作方法大大簡(jiǎn)化，缺點(diǎn)是兩次曝光導(dǎo)致折射率變化量過(guò)大，易引起光柵色散曲線(xiàn)的振蕩。模板248nm KrF或193nm ArFUV光VII相位掩模板光纖光纖（a）b）圖1二次曝光法制作啁啾光纖光柵原理圖2）全息干涉法這種制作啁啾光柵的基本原理是通過(guò)在雙光束全息光路系統(tǒng)中加入焦距不等的柱狀透 鏡，使兩束光的干涉角度沿著光纖軸向發(fā)生連續(xù)變化，從而造成光纖的纖芯折射率發(fā)生周期性漸變，形成啁啾光纖光柵。氬離子激光器產(chǎn)生的激光倍頻后（波長(zhǎng)244nm，輸出功率為 80-100 mW），經(jīng)分光器M1,兩束光經(jīng)全反射鏡 M2和M3反射，通過(guò)兩柱狀透鏡 F1和F2聚焦后干涉。由于兩柱狀 透鏡的焦

34、距不同，兩束光的干涉角度不同，則在空間形成具有啁啾性質(zhì)的干涉條紋，其間距是空間位置的函數(shù)。經(jīng)第三個(gè)柱狀透鏡F3,將之會(huì)聚后，在光纖上刻制出強(qiáng)度較大的啁啾光柵。據(jù)此方案能產(chǎn)生帶寬為 44nm,反射率為90%的啁啾光柵35。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò) 調(diào)節(jié)透鏡的位置來(lái)改變啁啾量的大小，從而可獲得任意帶寬的啁啾光柵。但由于光的干涉條件比較苛刻，所以柱狀透鏡的相對(duì)位置和角度必須精確控制，任意微小的外部擾動(dòng)都可能破壞光的干涉條件，故此方法的重復(fù)性較差。M2圖2全息干涉法制作啁啾光纖光柵原理圖，如圖3所示，形成光柵3) 彎曲法 此方法最早是由Sugden36等人于1994年提出的。利用制作均勻周期光柵的曝光光路

35、, 只是使光纖機(jī)械變形便可制作啁啾光柵。把預(yù)先彎好的光纖放在兩束干涉光所形成的周期為 上o的干涉條紋場(chǎng)中，光纖和干涉條紋法線(xiàn)方向所成角度為 的周期為:上(z)二：.0 cos (z)( 1)可見(jiàn)光柵的周期沿 z方向是變化的，即形成了啁啾光纖光柵。只要(Z)足夠小，光柵的輻射模損失可以忽略。由于光纖和光的干涉條紋呈一定的角度，故用該法制備的光柵具有一定的閃耀性，導(dǎo)致了輻射損耗的增加。為了減少輻射損耗，使用含光敏包層的特種光纖，這樣 可大大抑制其輻射損耗。此方法的優(yōu)點(diǎn)是所用光學(xué)器件少，產(chǎn)生誤差的因素少，而且利用同一周期的相位掩模板， 可制成不同啁啾的光柵。 缺點(diǎn)是彎曲角度較難控制和保持，也不能引入

36、過(guò)大的啁啾，否則會(huì)形成柵齒傾斜，引起導(dǎo)模耦合成包層模而形成附加損耗。4) 光纖傾斜法如圖4所示，將紫外光源置于凸透鏡 1的焦點(diǎn)位置，經(jīng)凸透鏡1的作用使紫外光平行出 射至凸透鏡2上。光束經(jīng)凸透鏡2的折射作用以不同的角度入射到相位掩模板上。光纖與相位掩模扳間有一夾角。相位掩模板抑制零級(jí)衍射光，透過(guò)掩模板的-I級(jí)衍射光在光纖纖芯發(fā)生干涉，那么光柵的周期可以表示為:上（X）=1 t1 9f.2、1 -X1-f -d-1A PM J1JPM2(2)其中f為透鏡的焦距，d為透鏡與掩模板間的距離，r為光纖與掩模扳的夾角，上PM為掩模扳的周期。傾斜法寫(xiě)入37 簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，易于批量生產(chǎn)。通過(guò)控制透鏡的焦距及

37、透鏡 與模板之間的距離可控制所成光柵的啁啾量。但此法要求光源具有很好的相干性。紫外 激光器相位掩模板圖4光纖傾斜法寫(xiě)入啁啾光纖光柵5）移動(dòng)平臺(tái)法實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，會(huì)聚柱透鏡與發(fā)散柱透鏡組成透鏡系統(tǒng)，焦距分別為fi和f2,它們之間距離為li，會(huì)聚柱透鏡與掩模板的距離是12，KrF準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的平行光經(jīng)透鏡系統(tǒng)后展寬，通過(guò)相位掩模板照射到光纖上。因此，寫(xiě)入的光纖光柵的波長(zhǎng)為：(3)= 2neff 人neff Apmneff - k(l1 , f1 , f2)Z +dpM式中neff和上pm分別為光纖的有效折射率和相位掩模板的周期。k（li , fi , f2）和C'l pm為常數(shù),即

38、b與Z的關(guān)系呈線(xiàn)性。固定發(fā)散透鏡和光纖的裝置是可以移動(dòng)的。因此，波長(zhǎng)'b的改變是通過(guò)調(diào)節(jié)光纖與掩膜板之間的距離Z來(lái)實(shí)現(xiàn)的。據(jù)此，可制作任意波長(zhǎng)的啁啾光柵。實(shí)驗(yàn)表明可以制作波長(zhǎng)寫(xiě)入范圍達(dá)30nm的啁啾光柵38。這種方法利用相位掩模技術(shù)，不但簡(jiǎn)化了光柵的寫(xiě)入過(guò)程，而且易生產(chǎn)高質(zhì)量的光柵。光柵波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單，寫(xiě)入光柵的啁啾量也可以控制，并且可以寫(xiě)入長(zhǎng)距離的光柵。6) 錐型光纖縱向應(yīng)力法這是一種在錐形光纖上寫(xiě)入光柵的方法39。錐形光纖的獲得是將光纖置于氫氟酸(HF)中然后勻速提起，由于光纖各部分在溶液的時(shí)間不同，故各部分的腐蝕程度也不同，從而形成一段錐形光纖，如圖6所示。在錐體兩端施加應(yīng)力

39、使之發(fā)生形變，再在該錐體部分寫(xiě)入均勻的光柵，最后釋放應(yīng)力，錐體各部分的直徑不同，在應(yīng)力作用下形變也不同，因而釋放應(yīng) 力后收縮的比例也就不一樣。這樣就造成了光柵周期沿軸向變化，從而形成了啁啾光柵。 有兩種獲得啁啾光柵的方法：其一是在無(wú)張力下，寫(xiě)入均勻光柵，然后在使用時(shí)施加張力；其二是在光纖受到張力的情況下寫(xiě)入均勻光柵，張力去掉后獲得啁啾光柵。當(dāng)所施張力相同時(shí)，第二種情況下總的啁啾量更大。圖6錐形光纖縱向應(yīng)力法寫(xiě)入啁啾光纖光柵7) 錐型纖芯法將光敏光纖的纖芯作成錐型，則錐型纖芯會(huì)影響導(dǎo)模的有效折射率，即neff是隨光纖的長(zhǎng)度變化的。給這種光敏光纖刻上等周期的光柵后，光纖有效折射率的變化引起光柵的有

40、效折射率隨長(zhǎng)度變化，從而形成啁啾光柵。在施加應(yīng)力之前，光柵的布拉格波長(zhǎng)為：1fneff (0)(4)式中，b(0)和n eff(0)是 B(0) = 2上neff (0)式中開(kāi)始的布拉格波長(zhǎng)和有效折射率，neff(Z)二neff(Z)-neff (0)。錐型纖芯光敏光纖的制作可采用加熱拉伸法。當(dāng)用外力拉動(dòng)夾具使Lt變化時(shí)，光纖的啁啾可調(diào)。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)2cm長(zhǎng)的光柵在中心波長(zhǎng)1546nm處的調(diào)諧范圍是 二4nm40。圖7熔融光纖拉伸結(jié)構(gòu)示意圖8) 應(yīng)力梯度法a有一種新的簡(jiǎn)單的方法在光纖光柵上產(chǎn)生應(yīng)力梯度41。既能調(diào)諧光纖光柵的啁啾又能保證反射波譜中心波長(zhǎng)不變。如圖8所示，把一個(gè)光纖光柵斜著粘在

41、用兩個(gè)點(diǎn)支撐的橫梁的側(cè)面。光纖光柵的中心位于橫梁的中心，因此，當(dāng)橫梁彎曲時(shí)，反射波譜的中心波長(zhǎng)才不會(huì)改變。光纖光柵的啁啾程度可通過(guò)把橫梁彎成不同的曲率半徑來(lái)改變。通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲使橫梁的中心向下，從而改變橫梁的曲率半徑。 使用此技術(shù)，光纖光柵的帶寬可展寬為11.32 nm。這個(gè)簡(jiǎn)單的裝置可用于非線(xiàn)性傳輸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償和智能結(jié)構(gòu)中的彎曲傳感器等。寬帶光源光譜分析儀螺絲一3dB耦合器鋁制框架聚合物橫梁圖8實(shí)驗(yàn)裝置圖b 一種使用等周期的相位掩模板制作啁啾布拉格光纖光柵的方法42。啁啾率和時(shí)延很容易調(diào)諧。首先，使用一塊等周期的模板寫(xiě)入光纖光柵，然后，將布拉格光纖光柵粘在事先設(shè)計(jì)好曲線(xiàn)的一塊20cm 9

42、cm 1mm的塑料板上。之后，在板的兩邊施加力 F,板沿力的方向 產(chǎn)生線(xiàn)性應(yīng)變，很明顯，沿著光纖軸向靠近板的邊緣A區(qū)的FBG部分比靠近B區(qū)的所受的應(yīng)變大。在 A、B區(qū)之間，F(xiàn)BG不同部分的周期因不同軸向應(yīng)變而改變。因此，這個(gè)普通 的FBG產(chǎn)生了啁啾。通過(guò)此種方法，目前已研制出具有1200ps/nm色散的線(xiàn)性啁啾布拉格光纖光柵和125ps/nm/nm色散溢出的非線(xiàn)性啁啾布拉格光纖光柵。圖9制作啁啾光纖光柵的示意圖9）溫度梯度法由于光柵的布拉格反射波長(zhǎng)與溫度有線(xiàn)性關(guān)系為:(5)式中 T是溫度的變化量，:-是光纖的膨脹系數(shù)（約10-6），是熱光系數(shù)（約10-5）。由于 B與溫度有線(xiàn)性關(guān)系，所以在光纖

43、光柵區(qū)域內(nèi)建立起溫度梯度，則不同光柵區(qū)域內(nèi)因溫度不同而具有不同的布拉格波長(zhǎng)，導(dǎo)致光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)沿軸向呈非線(xiàn)性分布，這樣便產(chǎn)生了啁啾現(xiàn)象。溫度梯度法43可以利用均勻周期光柵制作較長(zhǎng)的啁啾光柵，但是對(duì)制作裝置精 度要求較高。10）PZT分段非線(xiàn)性加電壓成柵法44如圖10所示為PZT拉伸器，它利用逆壓電效應(yīng)， 在d31方向上進(jìn)行壓縮，在d33方向 上拉伸。PZT是由N段（N > 20）組成，當(dāng)在PZT的每個(gè)薄片分別加以電壓 （從V1到V21）,且電壓控制方式呈線(xiàn)性增加時(shí)，類(lèi)似地可得到近似性的群時(shí)延響應(yīng)，如圖11中的直線(xiàn)1所示，即可制成近似線(xiàn)性啁啾光纖光柵。對(duì)于均勻光柵而言，可采用曲線(xiàn)3的

44、加壓方式，使其變成非線(xiàn)性啁啾光纖光柵， 此時(shí)電壓幅度較大， 按曲線(xiàn)2所示非線(xiàn)性關(guān)系，它可以一次拉制 成近似的非線(xiàn)性啁啾光纖光柵。Vi圖10 PZT非線(xiàn)性啁啾光柵拉伸器11）擦除法利用低能量脈沖寫(xiě)入的光柵可被藍(lán)綠光擦除的性質(zhì),先寫(xiě)入均勻光柵，再用藍(lán)光或綠光對(duì)需要擦除的地方進(jìn)行擦除而得到所要求的啁啾光柵。它最大限度地應(yīng)用了制作均勻光纖光柵12）復(fù)合啁啾光柵法 將一列不同周期的均勻光柵按順序?qū)懺诠饫w上,的工藝，很簡(jiǎn)單，具有很大的靈活性。3. 4 切趾光纖光柵的制作光纖光柵的光學(xué)切趾是指：在光柵中光感折射率調(diào)制的振幅沿著光柵長(zhǎng)度有一個(gè)鐘形函數(shù)的形狀變化。人們發(fā)現(xiàn)光學(xué)切趾能避免光柵的短波損耗和有效抑制布

45、拉格光纖光柵反射譜，并能減少啁啾光纖光柵時(shí)延特性的振蕩，因此對(duì)切趾光纖光柵的研究具有十分重要的意義。制作方法如下：1）切趾相位掩模板利用切趾相位掩模板45 是最傳統(tǒng)最簡(jiǎn)單的切趾光纖光柵的制造方法。用聚焦離子束和 濕法刻蝕技術(shù)可得到板槽尺寸不均勻的相位掩模板，如圖1所示，通過(guò)激光照射此掩模板,一級(jí)衍射光的強(qiáng)度將沿光纖呈現(xiàn)鐘形函數(shù)分布，從而改變條紋反差和光致折射率調(diào)制的大 小。2）掃描法使用均勻相位掩模板制作較長(zhǎng)光柵時(shí)，光源光斑很小，不足以對(duì)整個(gè)掩模板曝光，一 般需要移動(dòng)光纖和掩模板或者移動(dòng)掃描光束來(lái)解決。如果同時(shí)改變沿光柵方向的曝光時(shí)間， 就可以在光纖中寫(xiě)入任意的光柵周期、啁啾和切趾函數(shù)46,4

46、7。圖2所示實(shí)驗(yàn)裝置與一般的掃描技術(shù)不同的是光纖安裝在計(jì)算機(jī)控制的具有反饋回路的壓電轉(zhuǎn)換器載物臺(tái)上，并可相對(duì)于相位掩模板緩慢移動(dòng)，在寫(xiě)入光束掃描時(shí)， 可以耦合相移到光柵中。 通過(guò)光纖以適當(dāng)?shù)暮慵铀俣纫苿?dòng)，可以形成不同包絡(luò)切趾的線(xiàn)性啁啾光柵。但這種方法與上一種寫(xiě)入方法，沿光纖光柵軸向的平均折射率變化不是一個(gè)常數(shù)。由于光纖光柵的自致啁啾，這樣的切趾光纖光柵對(duì)較短波長(zhǎng)的旁瓣抑制效果有限。紫外光束圖2掃描法制作切趾光纖光柵3) 紫外脈沖相干寫(xiě)入法利用UV光相干寫(xiě)入切趾光纖光柵，平均折射率的變化沿切趾光柵方向是均勻的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3示，反射鏡M可沿z軸方向移動(dòng)掃描相位掩模板，掃描長(zhǎng)度為相位掩膜的長(zhǎng)度，光

47、纖置于相位掩模板處。相位掩模板充當(dāng)分束器，將入射UV光分成士 1級(jí)衍射光，衍射光 束在鏡M M2上反射，在 MM2之間放置柱透鏡，使光束在纖芯聚焦。當(dāng)UV光從掩模板右端入射時(shí)，干涉圖形就會(huì)在光纖左端產(chǎn)生干涉，反之亦然。當(dāng)UV光束入射到相位掩模板的中心時(shí)，兩反向傳播的光束的光程差為0;當(dāng)紫外光向掩模板邊緣移動(dòng)時(shí)光程差會(huì)線(xiàn)性增加，假設(shè)脈沖是高斯脈沖，兩脈沖沿光柵方向進(jìn)行卷積，就產(chǎn)生高斯切趾函數(shù)，而且平均折射率的變化沿切趾光柵方向是均勻的。用一個(gè)微位移控制器控制反射鏡Mi的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可用同一相位掩模板寫(xiě)入任意波長(zhǎng)的切趾或切趾啁啾布拉格光柵48。4) 多次曝光法a這種寫(xiě)入方法的激光束形狀如圖4所示，設(shè)計(jì)

48、的基本思想是通過(guò)相位掩模板產(chǎn)生的-1級(jí)衍射光束來(lái)提高 FBG兩端的平均折射率。在實(shí)驗(yàn)中使用 Lamda Physik Compex 205激 光器。在距離光束中心15mm的區(qū)域內(nèi)，垂直方向上激光光束的形式近似為平面波，而在水平方向上分布近似為高斯形的。首先，利用平面波照射模板制作一個(gè)最大反射率達(dá)99.5%的光柵。然后，利用高斯光束重復(fù)上一過(guò)程。具體做法是先將掩模板放到距光纖25mm的地方用12mm寬的光束曝光，然后將掩模板放到距光纖 17mm的地方用6mm寬的光束曝光。 光圈放在激光光束的前方用來(lái)控制曝光長(zhǎng)度。使用的光敏光纖數(shù)值孔徑為0.12，光纖的曝光長(zhǎng)度為12mm。實(shí)驗(yàn)證明，使用這種多次曝

49、光法49制成的光柵的平均折射率幾乎保持不變圖4多次曝光法制作升高斯型切趾光纖光柵的示意圖b 一種新的使用二次曝光法制作切趾FBG50，僅通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)參數(shù)和紫外脈沖數(shù)量，不同切趾形式的FBG就可以獲得，而且，F(xiàn)BG的長(zhǎng)度可通過(guò)改變狹縫的長(zhǎng)度而改變?？傊?， 邊模被大大的抑制掉。此種方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單靈活、重復(fù)性強(qiáng)、低成本、而且適合大規(guī)模生產(chǎn)。特別的，此法非常適合短長(zhǎng)度光柵的制作。因?yàn)楣鈻篷詈蠌?qiáng)度是 FBG折射率調(diào)制的函數(shù)，各種各樣的切趾耦合強(qiáng)度可通過(guò)減少在光 柵兩端UV的曝光量至零來(lái)獲得。因此可制得各式的切趾FBG如圖5所示，狹縫固定在一個(gè)機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)時(shí)，狹縫與之同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)狹縫與UV

50、垂直時(shí)，光通過(guò)狹縫的實(shí)際寬度達(dá)到最大值，即狹縫的寬度，在其它形式下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，光纖上有效曝光長(zhǎng)度表示如下：L=aco s（）-bsin（:）a是狹縫寬度，b是狹縫的厚度，是旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度改變時(shí)，就會(huì)達(dá)到相應(yīng) 的脈沖數(shù)量。因此，折射率調(diào)制在光柵中部達(dá)到最大。脈沖的數(shù)量與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系決定了 FBG的切趾形式。實(shí)驗(yàn)使用Tuilaser Bragg Star-200準(zhǔn)分子激光器（248nm），脈沖強(qiáng)度7.4mJ,光敏光纖 PS-RMS-50。實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)階段：第一階段，旋轉(zhuǎn)臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，紫外脈沖的 數(shù)量少于1000時(shí)，折射率調(diào)制與脈沖數(shù)量成線(xiàn)性關(guān)系。在長(zhǎng)波段切趾邊模

51、被抑制掉，然而在短波段存在很強(qiáng)的邊模。第二階段，是用papery sheet代替狹縫1，并移走掩模板，使旋轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)目成一定的關(guān)系。此時(shí)，F(xiàn)BG的平均折射率相等，短波段的邊模被抑制掉。實(shí)驗(yàn)表明，5mm長(zhǎng)的FBG有99.5%的最大反射率，邊模抑制率大于25dB。光纖L/相位掩模板旋轉(zhuǎn)臺(tái)n透鏡狹縫2準(zhǔn)分子激光器狹縫1循環(huán)器寬帶光源光譜分析儀圖5二次曝光法制作切趾光纖光柵的實(shí)驗(yàn)裝置圖結(jié)束語(yǔ)：基于光纖光柵的一系列優(yōu)點(diǎn)，使之已成為光纖通信系統(tǒng)重要的無(wú)源器件和傳感系統(tǒng)的傳 感元件。利用光纖光柵可以實(shí)現(xiàn)將各種光器件集成在一根光纖中，如光濾波器，激光器，放大器，調(diào)制器等，這就是所謂的一維光子集成。通過(guò)集成化

52、，可以將目前光器件高昂的成本大大降低而可靠性大大提高，從而使光器件的應(yīng)用更為普遍。目前，光纖光柵已達(dá)到實(shí)用化水平并開(kāi)始應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域中，但性能和應(yīng)用都受到一定的限制。影響性能和應(yīng)用的原因主要是高性能、高可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定的光纖光柵制備技術(shù)尚需完善。因此，尋求最佳的光纖光柵制作方法無(wú)疑具有重要的意義。參考文獻(xiàn)：12 Hill K O.Fujii Y ,Johnson D C and Kawasaki B S . 3 Kawasaki B S,Hill K 0 , Johnson D C and Fujii Y.Opt . Lett, 1978; 3: 66-684 Hill K O,K

53、awasaki B S.Johnson D C and Fujii Y . Fiber optics.Advances in reasearrch and development p . 211 240, New York : Plenum, 693,1979 Meltz G , Morey M M and Glenm W H . Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method. Opt. Lett, 1989;14 : 823-825678 A. Otho nos and X.

54、Lee, Rev. Sci.I nstrum.66,3112 (1995)910 D. Z. Anderdon, V .Mizrahi, T.Erdogan, and A. E. White, Proceedings of the Conference on Optical Fiber Communication, OFC '3,Technical Digest, p.68,Postdeadline Paper PD16(1993).11 Dong L, Archambanit J L. Reckie L, russell P St J and Paync D N. Single pu

55、lse Bragg gratings writte n during fiber drawi ng. Eleetr Lett 1993:29(17)1577-157812 Askins C G,Putnam M A,Williams G M and Friebele E J.Stepped-wavelengh optical-fiber Bragg grating arraya fabricated in line on a draw tower. Opt.Lett,1994;19(2):147-14913 Rolando P.Espindola, Robert M . Atkins,et al.Fiber Bragg written through a fiber coati ng.OFC'97 PD4,199714 Lu Chao,Laureenee Reekie. Gr