【光电通信】光纤光栅原理及刻写方法浅谈

来源:今日光电发布时间:2023-07-053247浏览

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----与智者为伍为创新赋能----光纤光栅在光纤通信系统中的应用光纤光栅作为一种新型光器件，主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能，应用广泛，可构成的有源和无源光纤器件分别是：

有源器件：光纤激光器（光栅窄带反射器用于DFB等结构，波长可调谐等）；半导体激光器（光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源）；EDFA光纤放大器（光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射）；Ramam光纤放大器（布喇格光栅谐振腔）；

无源器件：滤波器（窄带、宽带及带阻；反射式和透射式）；WDM波分复用器（波导光栅阵列、光栅/滤波组合）；OADM上下路分插复用器（光栅选路）；色散补偿器（线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿，抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿）；波长变换器 OTDM延时器 OCDMA编码器光纤光栅编码器。

光纤光栅使用原理

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感。光纤光栅主要的制作方法是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Bragg光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅。

光纤光栅的制作

制作布拉格光纤光栅（FBG）的方法很多，比如驻波法、光刻法、物理压制法等等。下列介绍几种制作方法。

内部写入法

内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到锗掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，很少被采用。

光纤光栅的单脉冲写入

由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J·cm－2，又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。英国南安普敦大学的 Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。由于光栅成栅时间短，因此环境因素对成栅的影响降到了最低限度。此外，此法可以在光纤制作过程中实现，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。这种成栅方法对光源的要求不高，但由于这种方式想要制作高反光纤光栅需要重掺锗，对很多应用的光纤光栅都无法或很难写制，所以特别适用于传感光纤光栅（反射率要求低）的低成本、大批量生产。

相位掩模法

将用全息干涉法（或电子束法）制作好的玻璃相位掩模板置于光纤前，然后以指定工作波长的激光（一般为准分子激光或飞秒激光）通过相位掩模板，依靠相位掩膜板具有的压制零级，增强一级衍射的功能。使得激光经过相位掩模板后后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜板周期一半的光纤光栅。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位光栅（相位掩模板）的周期有关，因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统。这种方法的缺点是相位掩模板的制作工艺复杂，且价格高昂，并且无法制作紫外波段的光纤光栅。用低相干光源和相位掩膜板来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是2015年后国际上主流的用于制作光纤光栅的方法，也是截止至目前唯一商用化的大批量光纤光栅制备方法。

使用紫外激光配合相位掩模版的方法是所有方法中效率最高、最稳定、最经济的一种方式。其基本原理如下。

图一光纤光栅刻写示意图从激光器出来的紫外光经过光路的反射镜后，进入到柱透镜中。柱透镜的作用是把激光在垂直方向压缩成一条线，以此来提高光的能量密度。聚焦的激光线进入纤芯之前，经过相位掩模版，掩模版一般设计为正负一级衍射，激光经过相位掩模版后分成两束，并且在相位掩模版附近形成干涉条纹。在干涉条纹区域放置光纤，这些干涉条纹直接作用在光纤纤芯上，对纤芯的折射率形成周期性的调制，以此来形成光栅。激光经过相位掩模版后的刻写原理如下所示:

图二激光经过相位掩模版后的刻写原理
利用以上原理刻写的均匀光纤光栅谱线如下所示：

图三均匀光栅谱线

从图三的谱线可以看出，均匀光栅反射峰的两侧存有大量的杂峰，在此称为旁瓣。这些旁瓣的存在有时会对解调仪造成困扰，即很难判断反射峰的精确漂移位置。为此，发展出光栅切趾技术，即在刻写过程中，在栅区的两端减少曝光强度，使曝光能量中间强，两边弱。如此相当于在原有的谱线上增加一个调制函数，以去除主峰两边的旁瓣。如图四所示。

图四切趾光栅示意图

光纤光栅飞秒激光制备法

近年来，光纤光栅飞秒激光制备方法越来越引起人们的广泛兴趣。如图1所示，飞秒激光利用逐点法、逐线法、逐面法、螺旋线法在几乎所有类型的光纤中制备光纤光栅。如图2所示，该方法可以制备不同类型的光纤光栅，例如标准光栅、啁啾光栅、倾斜光栅、切趾光栅、少模光栅、相移光栅、蓝宝石光栅、中红外光栅、大芯径双包层光栅等。

图1 光纤光栅飞秒激光制备技术：（a）制备装置示意；（b）光纤光栅样品显微图

图2 飞秒激光制备的不同类型光纤光栅的反射谱/透射谱

该方法不需光纤具有光敏性和载氢处理，因此，飞秒激光制备的光纤光栅长期稳定性好，耐高温性能完全取决于光纤材料自生的耐高温特性。例如，蓝宝石光纤光栅可以实现1800 ℃超高温实时原位测量。光纤光栅飞秒激光制备法不需要掩膜板，光栅周期可以随意改变，可以制备包括均匀光栅、啁啾光栅、相移光栅、倾斜光栅等几乎所有类型的光纤光栅。

此外，飞秒激光可以透过涂敷层直接在光纤纤芯中制备光栅，因此，制备的光纤光栅保留了光纤原有的机械强度。

未来展望

光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。来源：激光之窗