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，K.O.Hill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，各種新的光纖光柵寫

2、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)， 分別說明了短周期光纖光柵（ FBG ）、長(zhǎng)周期光纖光柵（ LPFG ）的各種寫入方法，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 ） 制作方法

3、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，K.O.Hill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，人們將光纖至

4、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10-3 10-2 ，提高了光纖寫入靈敏度。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)代帶來了無限生機(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)特性光敏光纖通過激光照射， 光纖的折射率將隨

5、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以下保持穩(wěn)定不變。如圖1 示。- 1 -纖芯Bragg 光柵輸入寬光譜透射光反射光圖 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，這依賴于由光柵及不同傳輸常數(shù)決定的相位條件，即K 12=2 /(為光柵周期 )(1)式中，是由模式1 耦合到模式2 所需的光柵周期，1

6、、2 分別為模式1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 /1201( 01) 201(2)如圖 2 所示， K 值較大，則很小 (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)稱為Bragg 波長(zhǎng)，滿足：B2neff（ neff 為有效折射率）(3)2 /01001圖 2FBG 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c1n 表示。其中 n為模的階數(shù)，則根據(jù)相位匹配條件有：2 /n(4)1201c1由于正向傳播導(dǎo)波模式和正向包層模式的傳播常

7、數(shù)都為正，如圖 3所示，K值較小，則 很大，一般為幾百微米，這種光柵為長(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。- 2 -2/( 2 )( 1)(1)00101c12 /01c1c1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三光纖光柵的制作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的光纖上不同程度的寫入光柵。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)、光纖類型、摻雜濃度、光纖溫度、曝光功率

8、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)量級(jí)便已經(jīng)飽和。為了滿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)在國際上寫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（

9、Er）。實(shí)驗(yàn)表明， B/Ge 共摻光纖和摻 Sn 光纖是未來最有希望的光敏光纖。(2)刷火用溫度高達(dá)1700的氫氧焰來回灼燒要寫入光柵的區(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。通過載氫處理的普通光纖的纖芯折射率變化幅度可從 10-5 提

10、高到 10-2。研究表明，在包層中摻雜TiO 2 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 光寫入。寫入的同時(shí)可通過加熱來獲得更高的光敏性，但加熱時(shí)間不應(yīng)超過數(shù)分鐘，加熱溫度也不宜過高以免引起氫氣、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 10.6mCO 2 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)

11、分子激光器、窄線寬準(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。典型的曝光光源為248nmKrF 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1 。3光纖光柵的制作方法31布拉格光纖光柵的制作1） 內(nèi)部寫入法- 3 -內(nèi)部寫入法又稱駐波法。 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)過分光器，由光電探測(cè)器1 監(jiān)測(cè) ,

12、而透射光則由光電探測(cè)器2 接收。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2,3,4 。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。單模氬離子激光光光電電探探測(cè)光纖光柵測(cè)器器1吸收材料2圖 1內(nèi)部寫入法制作光柵的實(shí)驗(yàn)裝置2） 全息干涉法全息干涉法又稱外側(cè)寫入法，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5 。

13、用兩束相干紫外光束在摻鍺光纖的側(cè)面相互干涉，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由UV / 2sin給出?？梢?，通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL(zhǎng)或兩相干光束之間的夾角， 可以改變光柵常數(shù)， 獲得所需的光纖光柵。 這種光柵制造方法采用多脈沖重復(fù)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)和溫度漂移的影響，并且不易制作具有復(fù)雜截面的光纖光柵。UV光分光鏡反射鏡反射鏡柱狀透鏡柱狀透鏡光源光譜分析儀圖 2橫向側(cè)面曝光法寫入光柵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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

14、在棱鏡的輸入面上通過折射而橫向展寬。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- 4 -線上。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用洛埃鏡干涉系統(tǒng)制作FBG 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（ dielectric ）的反射鏡組成，用以將 UV 光束的一半導(dǎo)入與反射鏡垂直的光纖中，之后與另一半光束產(chǎn)生干涉圖樣。寬帶光源光纖板反射鏡光譜分析儀UV 光柱狀透鏡圖 4用洛埃鏡干涉制作光柵的示意圖分波前干涉技術(shù)的一個(gè)重

15、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)一級(jí)衍射的功能。 Bragg 光柵寫入周期為掩模周期PM 一半的。這種成柵方法不依賴于入射光波長(zhǎng)，只與相位掩模的周期有關(guān)

16、。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)錢較貴。用低相干光源和相位掩模板來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程，是目前寫入光柵常用的一種方法。- 5 -UV 光Phase MaskPMh光纖-1級(jí)+1級(jí)0級(jí)光束圖 5 Phase Mask 法制備光纖光柵示意圖5）在線成柵南安普頓大學(xué)的 L Dong 等人采用脈沖單點(diǎn)激射的方法，首次實(shí)現(xiàn)了在光纖拉制過程中寫入光纖光柵的實(shí)驗(yàn) 11 。如圖

17、6 所示。它是光纖拉制過程中在裸光纖上直接寫入光柵，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。預(yù)制卡盤準(zhǔn)分子激光器熔爐直徑監(jiān)測(cè)儀包層坩堝包層固化紫外燈光纖牽引盤干涉光束導(dǎo)引光路圖 6光纖拉絲塔下橫向向側(cè)面干涉曝光法光纖光柵在線制作裝置示意圖美國海軍實(shí)驗(yàn)室的Askins 等人改進(jìn)了上述在線光纖光柵制作方法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)，從而可在線自動(dòng)地在一根光纖上寫入反射波長(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。- 6

18、 -M2光纖M3KrF 準(zhǔn)分子M1M4CL包層坩堝激光器圖 7 反射波長(zhǎng)可調(diào)的系列光纖光柵在線制作實(shí)驗(yàn)裝置(圖中反射鏡 M3 、 M4 及拄狀透鏡 CL 程控可調(diào) )6） 直接寫入法直接寫入法是指在制作光纖光柵時(shí)，無須剝除光纖的涂覆層而直接在纖芯上寫入光纖光柵的方法。 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 E1ectric RTV615 硅膠 14 ，通過加大紫外光強(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入時(shí)間。在兩硅平板間夾150m厚的 RTV615 硅膠用分光計(jì)分析了這種涂敷層的紫外光吸收

19、特性，在248nm 波長(zhǎng)處透過率達(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)分子激光器透過涂敷層寫入光纖市喇格光柵。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） 聚焦離子束寫入15 ，F(xiàn)IB 既可以利用聚焦離子束 (Focused Ion Beam：FIB) 可以寫入任意的光纖光柵結(jié)構(gòu)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?/p>

20、， 除去包層較厚的部分； 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始研磨， 但光纖研磨下來的物質(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。包層纖芯圖 8FIB 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aUV 曝光振幅掩摸板寫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，通過光學(xué)系統(tǒng)，將之投射到光纖上，纖芯折射率發(fā)

21、生相應(yīng)的變化而成柵的16 。寫入后對(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，掩模板的制作很方便，而且精確，- 7 -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)紫外光的相干性沒有要求。KrF 準(zhǔn)分子激光器光纖PCAM寬帶光源光譜儀圖 1振幅掩模法制作LPFG 的實(shí)驗(yàn)裝置b 離子注入10-2 的折射率變化。 利用這一特性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LPFG 17 。實(shí)驗(yàn)中所使

22、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+通過金屬掩模板注入到光纖上，加速能量為51MeV 。掩模周期為 170m，間距為 60 m，共 29 個(gè)周期。注入 20× 1015He2+ cm2 劑量后，在普通通信光纖中制作了在14l0nm 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，這一缺點(diǎn)可以通過選擇窄間距的掩模板，使離子只注入到纖芯中來解決。通過選擇短周期的掩模板，也可以制作FBG。離子掩模板光纖圖 2 離子注入法寫入LPFG 示意圖2） 電弧感生微彎法利用電弧

23、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100 m，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1 m，用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 8000C 以下性能沒有任何降質(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)

24、是光纖的機(jī)械特性有所下降。- 8 -光纖夾具電極位移光柵周期光纖圖3電弧感生微彎法制作LPFG3） 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，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

25、產(chǎn)生纖芯內(nèi)殘余應(yīng)力釋放，來改變光纖的折射率。如圖4 示，把沒有裝護(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)，電弧繼續(xù)放電。 這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，在此過程中，光纖沒有應(yīng)變，從而確保其沒有物理形變22 。利用此技術(shù)，通過選擇恰當(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LPFG。光纖白光光源精確控制臺(tái)光譜分析儀電弧電動(dòng)控制圖 4利用弧光放電制作LPFG 示意圖b 利用聚焦 CO2 激光器采用 10.6m 自由空間波長(zhǎng)CO2 激光脈沖對(duì)光纖逐點(diǎn)曝光。光纖在制造過程中生了很高的殘余應(yīng)力，用聚焦CO2 激光脈沖輻射可

26、以釋放其中的應(yīng)力而形成LPFG 23 。如圖 5 示。使用 B 2O3 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 CO2 激光光束一致的、均衡的照射， polarization dependence 可以被抑制掉。- 9 -V 形槽的光纖應(yīng)力釋放區(qū)CO2 激光器光束沒有被加熱區(qū)柱狀透鏡光纖圖 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，使得光纖芯徑發(fā)生周期性變化，從而形成光柵?？捎镁芮懈?/p>

27、機(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 。寬帶光源光譜分析儀刻有H2 火焰圖 6熔融拉錐法制作LPFG 的示意圖5） 微透鏡陣列寫入這種方法的關(guān)鍵技術(shù)是采用一種微透鏡陣列，將一平行

28、的寬束準(zhǔn)分子激光聚焦成平行等間距的光條紋，投影到單模光纖上，其中相鄰微透鏡之間無間隙，其中心間距決定了寫入光柵的空間周期。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 180 1100nm 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 LPFG 28 ，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)的寫入效率比金屬掩模技

29、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-10-入射到微透鏡陣列上，透過微透鏡陣列，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，通過控制寫入的時(shí)間和照射到模板上光柵的寬度即寫入光柵的總長(zhǎng)度，可以用同一塊微透鏡模板寫入不同波長(zhǎng)、不同透射率的長(zhǎng)周期光

30、柵。準(zhǔn)分子激光 （248nm ）微透鏡陣列寬帶 LED光譜分析儀（ 1550nm ） 單模光纖圖 7 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(LP01 LP11 )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 )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

31、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)定性與光感生的光柵類似。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。壓力光纖護(hù)套溝槽板平板光纖圖 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)償線性雙折射現(xiàn)象31 。 FH （fiber hoder ）、 FT（

32、 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。-11-壓力光譜分析儀900 光纖旋轉(zhuǎn)器GPFTSMFPFPFH寬帶光源xyz圖 9采用補(bǔ)償措施制作LPFG 的示意圖7）腐蝕刻槽法32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)

33、-點(diǎn)寫入技術(shù)，而且不需要額外的費(fèi)用就可寫入任意形式的LPFG33 。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 10 所示， UV 光束通過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 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，光圈的改變是靠移動(dòng)平臺(tái)的位置來觸發(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)限制可通過平移光纖來克服。 實(shí)驗(yàn)表明，制作出長(zhǎng)為 11mm，周期為 500 m 的 LPFG ，經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)值與模擬值吻合，從而說明了這個(gè)簡(jiǎn)易方法的準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)平臺(tái)的光圈UV 光束顯微鏡望遠(yuǎn)鏡物鏡電動(dòng)光纖拉伸器應(yīng)變儀光纖圖

34、 10制作 LPFG 的實(shí)驗(yàn)裝置圖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-12-制備的光柵有強(qiáng)的抗溫度干擾性。33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，如線性變化、按平方率變化、隨機(jī)變化等等； 還有一類啁啾光纖光柵，其周期保持恒定，而有效折射率的大小隨其長(zhǎng)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。基于啁啾光柵在色散補(bǔ)償系統(tǒng)中所表現(xiàn)出來的巨大潛力，所以各種專門寫入啁啾光柵的方法紛紛出現(xiàn)。分述如下：

35、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)致折射率變化量過大，易引起光柵色散曲線的振蕩。248nm KrF或UV 光193nm ArF模板相位掩模板光纖光纖（ a）b)

36、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M 1，兩束光經(jīng)全反射鏡M 2 和 M 3 反射，通過兩柱狀透鏡F1 和 F2 聚焦后干涉。由于兩柱狀透鏡的焦距不同，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

37、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)是可通過調(diào)節(jié)透鏡的位置來改變啁啾量的大小，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。-13-UV 光M 1M2M3F1F2F 3光纖圖 2全息干涉法制作啁啾光纖光柵原理圖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，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0 的干涉條紋場(chǎng)中，光纖和干涉條紋法線方向所成角度為

38、(z) ，如圖3 所示，形成光柵的周期為：( z)0 cos ( z)（ 1 ）可見光柵的周期沿 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，也不能引入過大的啁啾，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。0光強(qiáng)分布光纖( z)z圖

39、 3通過彎曲法制作啁啾光纖光柵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，透過掩模板的l 級(jí)衍射光在光纖纖芯-14-發(fā)生干涉，那么光柵的周期可以表示為：1( x)PM 1 x1222（ 2）2f dPM其中f 為透鏡的焦距，d 為透鏡與掩模板間的距離，為光纖與掩模扳的夾角，PM 為掩模扳的周期。傾斜法寫入 37 簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，易于批量生產(chǎn)。通過控制透鏡的焦距及透鏡與模板之間的距離可控制所成光柵的啁啾量。但此

40、法要求光源具有很好的相干性。相位掩模板x紫外激光器光纖透鏡 1透鏡 2圖 4 光纖傾斜法寫入啁啾光纖光柵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 f1 和 f2，它們之間距離為 l 1，會(huì)聚柱透鏡與掩模板的距離是l 2, 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，通過相位掩模板照射到光纖上。因此，寫入的光纖光柵的波長(zhǎng)為：B2neffneffPM（ 3）neffk(l1 , f1 , f 2 ) zc PM式中 neff 和 PM 分別為光纖的有效折射率和相位掩模板的周期。k(l1 , f1 , f 2 ) 和 cPM 為常數(shù), 即 B 與

41、 z 的關(guān)系呈線性。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 的改變是通過調(diào)節(jié)光纖與掩膜板之間的距離z 來實(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)化了光柵的寫入過程， 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， 寫入光柵的啁啾量也可以控制，并且可以寫入長(zhǎng)距離的光柵。發(fā)散柱透鏡相位掩模板準(zhǔn)分子激光會(huì)聚柱透鏡光纖移動(dòng)支架圖 5移動(dòng)平臺(tái)法寫入啁啾光纖光柵-15-6） 錐型光纖縱向應(yīng)力法39 。錐形光纖的獲得是將光纖置于氫氟酸( HF)這是一種在錐形光纖上寫入光柵的方法中然后勻速提起， 由

42、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)力使之發(fā)生形變，再在該錐體部分寫入均勻的光柵， 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：其一是在無張力下，寫入均勻光柵，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。光強(qiáng)分布包層纖芯圖 6 錐形光纖縱向應(yīng)力法寫入啁啾光纖光柵7） 錐型纖芯法將光敏光纖的纖芯作成錐

43、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：B (z)B(0) 1neff (z)（ 4）neff (0)式 中 ，B (0)和 neff(0) 是B(0) 2neff (0) 式 中 開 始 的 布 拉 格 波 長(zhǎng) 和 有 效 折 射 率 ，neff ( z)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 L T 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

44、波長(zhǎng)1546nm 處的調(diào)諧范圍是4nm40 。L T包層纖芯z夾具光柵圖 7 熔融光纖拉伸結(jié)構(gòu)示意圖8） 應(yīng)力梯度法41 。既能調(diào)諧光纖光柵的啁啾又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)光纖光柵斜著粘在用兩個(gè)點(diǎn)支撐的橫梁-16-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把橫梁彎成不同的曲率半徑來改變。通過調(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11.32nm。這個(gè)簡(jiǎn)單的裝置可用于非線性傳輸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償和智能結(jié)

45、構(gòu)中的彎曲傳感器等。螺絲寬帶光源光柵光譜分析儀3dB 耦合器聚合物橫梁鋁制框架圖 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)好曲線的一塊20cm9cm1mm 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， FBG 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。通過此種方法，目前已研制出具有1200ps/nm 色散的線性啁啾布拉格光纖光柵和125ps/nm/nm 色散溢出的非線性啁啾布拉格光纖光柵。光纖BFBGFAFyy=f(x)x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)與溫度有線性關(guān)系為：B2neff02 0（ 5）T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與溫度有線性關(guān)系， 所以在光纖光柵區(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