光纤光栅制作技术综述

式中， 是由模式 1 耦合到模式 2 所需的光栅周期， 1 、 2 分别为模式 1 和模式 2 的传 输常数。 若要将正向传播导波模式耦合到反向传播导波模式， 从前面给的相位匹配条件可得：
2 / 1 2 01 ( 01 ) 2 01
(2)
如图 2 所示，K 值较大，则 很小( ＜ 1m ), 这种光栅为 Bragg 光栅(FBG)。它的基本特性 就是一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为 Bragg 波长，满足：
[6,7] [8]
-4-
线上。
UV 光 柱状透镜
棱镜 干涉图样
宽带光源
光纤
图3 用棱镜干涉制作光栅的示意图
光谱分析仪
用洛埃镜干涉系统制作 FBG 的实验装置如图 4 示。这个干涉系统由一个非传导性 （dielectric ）的反射镜组成，用以将 UV 光束的一半导入与反射镜垂直的光纤中，之后与另 一半光束产生干涉图样。
B 2ne f f
2 /
（ neff 为有效折射率）
(3)
Biblioteka Baidu 01
图 2
0
FBG 的相位匹配条件
01
若要将正向传播导波模式耦合到正向传播包层模式，包层模传播常数用 c1 表示。其中 n
n
为模的阶数，则根据相位匹配条件有：
2 / 1 2 01 cn1
2．光源
光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在 244nm 紫外光的锗吸收峰附近。因此除驻 波法用 488nm 可见光外，目前成栅的光源主要有：193nm/248nm 中紫外光，334nm 近紫外 光及 10.6 mCO2 激光。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。当前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频氩 离子激光器、倍频染料激光器等。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。典型的曝光光源为 248nmKrF 准分子激光、193nmArF 准分子激光和 244nm 倍频氩离子激光，均已被证明是光纤材料光折变效应敏感的光源[1]。
宽带光源 光纤 板
UV 光
光谱分析仪
图4
反射镜
柱状透镜
用洛埃镜干涉制作光栅的示意图
分波前干涉技术的一个重要优势在于仅使用一个光学器件， 这大大降低了系统对机械震 动的敏感度。但它的缺点是光栅长度和布拉格波长的调谐范围受到限制。 4） 相位掩模法 如图 5 示。相位掩模板（Phase Mask）是衍射光学元件，用以将入射光束一分为二+1 级和-1 级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相 应的光强作用下纤芯折射率受到调制。 相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅， 它 可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。 它具有抑制零级， 增强一级衍 射的功能。 Bragg 光栅写入周期为掩模周期 P M 一半的。 这种成栅方法不依赖于入射光波长， 只与相位掩模的周期有关。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， 其主要缺点是不同 Bragg 波长要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。用低 相干光源和相位掩模板来制作光纤光栅的这种方法非常重要， 并且相位掩模与扫描曝光技术 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，是目前写入光栅常用的一种方法。
一．引言
众所周知， 反射镜在任一光学系统中都占有重要地位， 那麽光纤光栅就相当于一个直接 刻画在光纤内部的可精确控制反射率的反射镜， 它的出现已极大地促进了光纤通信和光纤传 感的发展。光纤光栅是利用光纤中的光敏特性制成的。1978 年，K.O.Hill 等人首先发现搀锗 光纤的紫外光敏特性， 即光纤的折射率能够在某些波长的光照射下随光强而永久性改变， 人 们很快意识到利用这种特性在光纤中制作光纤光栅，这成为光纤光栅研究的起点。1989 年， G.Meltz 等人首次采用全息干涉法，在掺锗石英光纤上研制出第一支布拉格谐振波长位于通 信波段的光纤光栅，从此推动了光纤光栅的大发展。进入 90 年代后期，人们将光纤至于高 压氢气中，使上述光致折变（光照引起的折射率的变化）上升至 10-3 ～10-2 ，提高了光纤写 入灵敏度。 随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代 表性的光纤无源器件之一。它具有与光纤通信系统易于连接、插入损耗小等优点，使之在光 纤激光器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤传感器和高速光纤通信系统等领域中得到了广泛 的应用。光纤光栅的出现，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，极大地拓展了光纤 技术的应用范围， 从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限生机和希望。 本文主要 介绍光纤光栅制造技术的进展。
(4)
由于正向传播导波模式和正向包层模式的传播常数都为正，如图 3 所示，K 值较小，则 很 大，一般为几百微米，这种光栅为长周期光纤光栅（LPFG） 。它的基本特性是一个带阻滤波 器。 一个给定周期的光栅可使基模与包层内几个不同阶次模的耦合， 造成传输谱在不同波长 处的损耗凹陷。
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2 /
[9,10]
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UV 光 分光镜
[5]
反射镜
反射镜
柱状透镜 光源
图2

柱状透镜 光谱分析仪
横向侧面曝光法写入光栅实验系统
3） 分波前干涉法 利用此技术制作 FBG 的干涉装置可以用棱镜 或者洛埃镜 。如图 3 示，使用棱镜干 涉法制作 FBG 的示意图。在这个装置中，UV 光束在棱镜的输入面上通过折射而横向展宽。 展宽的光束一分为二，一半光束在棱镜表面上发生全内反射，然后，与另一半光束在棱镜的 输出面上产生干涉。 放在此装置之前的柱状透镜有助于沿着纤芯所形成的干涉图样在一条直
3．光纤光栅的制作方法
3． 1 布拉格光纤光栅的制作
1） 内部写入法
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内部写入法又称驻波法。Hill 早在 1978 年，用图 1 所示的实验装置制作了历史上第一 个布拉格光纤光栅。 将波长 488nm 的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。 从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器 1 监测, 而透射光则由光电探测器 2 接收。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性变化， 于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光 栅 。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，因此，其实用性受到限 制。
单模氩离子激光 光 电 探 测 器 1 光 电 探 测 器 2
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光纤光栅 吸收材料
图1
内部写入法制作光栅的实验装置
2） 全息干涉法 全息干涉法又称外侧写入法，如图 2 示，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掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光 纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由 UV / 2 sin 给出。可见，通过改变入射光 波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方 法采用多脉冲重复曝光技术， 光栅性质可以精确控制， 但是容易受机械震动和温度漂移的影 响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。
01
图3
0
c(12)
1) c(1
(1) 01 01 c1 2 /
正向传播导波模式耦合到 1 阶正向传播包层模式的相位匹配条件
三．光纤光栅的制作
1 ．光敏光纤的制备
光纤的光敏性是在光纤中形成 Bragg 光栅的关键。 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。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、掺杂浓度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等。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 10-4 数量级便已经饱和。为了满足高速通信 传感的需要，提高光纤光敏性日益重要。 目前光纤增敏方法主要有： (1)掺杂 现在硼/锗 （B/Ge） 共掺光纤已成为现在国际上写入紫外光纤光栅的首选光纤。 B/Ge 共掺光纤的紫外光敏性是目前发现的不用载氢处理的光纤中最高的，折射率可达 10
光纤光栅制作技术综述
相艳荣，孙伟民，苑立波 （哈尔滨工程大学理学院物理系，150001）
摘要： 1978 年， K.O.Hill 等人首先发现搀锗(Ge)光纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生 周期性的永久性改变， 人们很快意识到可以利用这种特性在光纤中制作光纤光栅， 这成为光 纤光栅研究的起点。1989 年，G.Meltz 等人首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格谐振波 长位于通信波段的光纤光栅， 从此推动了光纤光栅的巨大发展。 目前光纤光栅在光纤通信和 光纤传感领域内均引起了革命性的变化。 凭其诸多优点， 使许多复杂的全光通信和传感网络 成为可能，也就越发显示出它在信息领域的重要地位。 近年来，各种新的光纤光栅写入方法层出不穷，各种新型光纤光栅及其新的应用领域 不断涌现， 而且光纤光栅的制作技术与其应用领域及特性有着密切的联系。 本文主要综述了 光纤光栅的制作技术及其一些特种光纤光栅制作方法的最新进展。 为了介绍各种光纤光栅制作方法的应用领域，本文首先介绍了光纤光栅的光学特性， 光敏光纤的制备方法和所需光源等知识。 对于光纤光栅的制作技术， 分别说明了短周期光纤 光栅（FBG） 、长周期光纤光栅（ LPFG）的各种写入方法，并比较了各自的优缺点。目前， 啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅以其独到的优势而备受关注， 因此， 本文也对它们的特殊写入 方法进行了阐述。 关键词：光纤光栅（FBG）长周期光纤光栅（LPG） 制作方法 光敏光纤
二．光纤光栅的光学特性
光敏光纤通过激光照射， 光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。 使其内部折 射率呈周期性分布，经退火处理后可长期保存，并在 500℃以下保持稳定不变。如图 1 示。
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纤芯 输入宽光谱
Bragg 光栅 透射光

反射光
图 1
Bragg 光栅结构示意图
光纤光栅是一种参数周期性变化的波导， 其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间 的耦合， 并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改 变入射光的频谱。 在一根单模光纤中， 纤芯中的入射基模既可被耦合到反向传输模也可被耦 合到前向包层模中，这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即 K＝ 1 2 =2 / ( 为光栅周期) (1)
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以上，远高于普通光纤中的 10 。B 元素增加光敏性的机理尚不能定论，但有一点是可以确 定的，即光纤中掺入 B 后当紫外曝光时会释放应力，引起较大的调制折射率。此外，还可 高掺杂 Ge，可以掺入元素（钽(Ta)、铈（Ce） 、锡（Sn） 、铒（ Er） 。实验表明，B/Ge 共掺光 纤和掺 Sn 光纤是未来最有希望的光敏光纤。 (2)刷火 用温度高达 1700℃的氢氧焰来回灼烧要写入光栅的区域。 持续 20 分钟， 可使 折射率增大 10 倍以上。这种方法的优点是定位集中，可行性好。 (3)载氢 普通光纤在高压（107 Pa）氢气中放置一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤的 包层和纤芯中， 当特定波长的紫外光(一般是 248nm 或 193nm) 照射载氢光纤时， 纤芯被照部 分中的氢分子立即与锗发生反应形成 Ge-OH 和 Ge-H 键，从而使该部分的折射率发生永久 性的增加。 通常在常温下渗氢数百小时或数天。 通过载氢处理的普通光纤的纤芯折射率变化 -5 -2 幅度可从 10 提高到 10 。研究表明，在包层中掺杂 TiO2 可提高 FBG 的生长效率。 由于载氢的光敏性是暂时的， 因而须在取出高压舱后马上进行紫外 UV 光写入。 写入的 同时可通过加热来获得更高的光敏性， 但加热时间不应超过数分钟， 加热温度也不宜过高以 免引起氢气、氧气反应而造成外加损耗。