光纤光栅

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。

简介

1993年hill等人提出了位相 掩模 技术，它主要是利用紫外光透过 相位 掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入 光栅 ，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种 光纤 增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-20这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界 单射 光子 和 纤芯 内锗离子相互作用引起的 折射率 永久性变化），在纤芯内形成空间 相位 光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。

主要特点

光纤 光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、 极化 不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、 带宽 范围大、附加损耗小、器件微型化、 耦合 性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。

1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用 驻波 写入法制成第一只光纤光栅，经过三十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着 光纤 光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种 光栅 相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

主要分类

随着光纤光栅应用范围的日益扩大，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(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和 抽样 光纤光栅等。

均匀光纤光栅

均匀光纤Bragg光栅 折射率 变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在 传感器 领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作 温度传感器 、应变传感器等传感器；在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作 带通滤波器 、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。

均匀长周期光纤光栅

均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内 单射 光前向传播芯内导模 耦合 到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、 折射率 传感器等传感器；在光通信领域，长周期 光纤 光栅可用于制作掺饵光纤 放大器 、增益平坦器、模式 反激式变压器 、带阻 滤波器 等器件。

切趾光纤光栅

对于一定长度的均匀光纤Bragg 光栅 ，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾所谓切趾，就是用一些特定的函数对光纤光栅的 折射率 调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。

相移光纤光栅

相移 光纤 光栅是由多段m（M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成。相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作 带通滤波器 。

抽样 光纤光栅

取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状 滤波器 之外，取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件

可同时分或插多路信道间隔相同的信号。

chirped光纤光栅

所谓chirped 光纤 光栅，是指光纤的 纤芯 折射率 变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在chirped光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以chirped光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射 带宽 内具有渐变的群 时延 ，群时延曲线的 斜率 即光纤光栅的色散值。所以，可以利用chirped光纤光栅作为色散 伸缩节 。

制作方法

制备

采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入 光栅 。所谓 光纤 中的光折变是指 激光 通过光敏光纤时，光纤的 折射率 将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现 周期性 分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为（10的负4次方）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，光纤增敏方法主要有以下几种：

1）掺入光敏性杂质，如：锗、锡、硼等。

2）多种掺杂（主要是B/Ge共接）。

3）高压低温 氢气 扩散处理。

4）剧火。

成栅光源

光纤 的光致 折射率 变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除 驻波 法用488nm 可见光 外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间 相干性 特别重要。主要的成栅光源有准分子 激光器 、窄线宽准分子激光器、倍频Ar 离子激光器、倍频 染料 激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和 244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的 光纤 上写人 光栅 并实现光纤光栅在线制作。

成栅方法

光纤光栅制作方法中的 驻波 法及光纤表面损伤 刻蚀 法，成栅条件苛刻，成品率低，使用受到限制。主要的成栅有下列几种。

1）短周期光纤光栅的制作

a）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 单射 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。用准分子 激光 干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由 ∧=λuv/（2sinθ）给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变 光栅 常数 ，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高 反射率 的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度 漂移 的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，这种方法使用不多。

b） 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，此法可以在光纤技制过程中实现，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，特别适用于光纤光栅的低成本、大批量生产。

c） 相位 掩膜法 将用全息干涉法制作好的玻璃相位掩模板置于 光纤 前，然后以248nm的紫外光通过相位掩模板，依靠相位掩膜板具有的压制零级，增强一级 衍射 的功能。使得紫外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Bragg 光栅 。这种成栅方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，简化了光纤光栅 的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂，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 光罩 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，是目前国际上主流的用于制作光纤光栅的方法，也是目前唯一商用化的大批量光纤光栅制备方法。

d）飞秒逐点写入法 使用飞秒 激光器 作为光源，然后利用精密机械控制激光器运动位移，逐点写入 光栅 ，通过控制激光器的移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高 反射率 光纤光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，由于现有技术条件限制，目前此方法只能刻写长度较短的光纤光栅，且很难刻写高反。所以此方法目前主要用于刻写一些需要在高温、高辐射等特殊条件下使用的传感光栅。

2）长周期光纤光栅的制作

a）金属掩膜法 金属掩膜法是目前制做长周期光纤光栅最常用的一种方法。实验中采用的 光纤 为光敏光纤，PC为偏振控制器，AM为金属振幅掩膜，使用CO2激光器照射数min后，可制成周期 60μm～1mm范围内变化的 光栅 ，这种方法对激光器与掩模板的要求极低。

b）逐点写入法 此方法是利用精密机械控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的 耦合 截面可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高 反射率 光纤光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移 移动技术 。由于各种精密 移动平台 的研制，这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。

应用范围

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（ 波导股份 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 主轴编码器 光纤光栅编码器。

传感器中

光纤 光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于 光纤光栅传感器 具有抗 电磁干扰 、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的 兼容性 等优点，所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对 应力 应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg

光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。 光纤 光栅传感器现已占以光纤为主的材料的44.2 %。 光纤光栅传感器 已被用于各个方面，例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、 地球 技术、铁路、油或气库的监测。 传感器 的一个发展方向就是多点、分布式传感器，它们主要是利用WDM, TDM, SDM, CDMA的组合。

滤波器中

光纤滤波器是光纤通信中的一个重要的无源器件，光纤光栅的出现真正实现了全光纤型滤波器。光纤光栅滤波器成本低、与光纤兼容、易于集成等优点是光纤通信系统中理想的器件。随着光纤光栅制作技术的成熟和各种波长调节手段的丰富，可以实现从1520~1560nm全 波段 单通道和多通道的宽带、高 反射率 的带阻滤波器和窄带、低损耗的 带通滤波器 ，另外应用于增益平坦的光纤光栅滤波器得到了人们的广泛的关注。除此之外光纤光栅还用于sdh系统的色散补偿以及wdm系统的分插复用。

色散补偿

对于普通 单模 G.652 光纤 ，在1550nm处色散值为正，光脉冲在其中传输时，短波长的光（“兰光”）较长波长的光（“红光”）传播得快。这样经过一定距离得传输后，脉冲就被展宽了，形成光纤材料的色散。若使 光栅 周期大的一端在前，使长波长的光在光栅前端反射，而 短波 长的光在光栅末端反射，因此短波长的光比长波长的光 多走了2L距离(L为光栅长度)，这样便在长、短波长光之间产生了 时延 差，从而形成了光栅的色散。当光脉冲通过光栅后，短波长的光的时延比长波长的光的时延长，正好起到了色散均衡作用，从而实现了色散补偿。

研制成功

1978年， 加拿大 通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从掺锗 光纤 中观察到了 光子 诱导 光栅 。Hill的早期光纤是采用488nm 可见光 波长的 离子 激光器 ，通过增加或延长注入光 纤芯 中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生 折射率 调制或 相位 光栅。1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信 波段 的光纤光栅研制成功。

发展前景

全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。

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。对 光纤 光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从 波分复用 系统的合波/分波、光纤 放大器 的增益平坦、色散补偿，到全光网络上下路、波长 路由 、光交换等，光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。在光纤光栅研究成果转化方面国内外的差距还不算太大，中国应集中力量发展民族光电子产业，使光纤光栅研究成果尽早产业化，为国家经济服务。