双包层光纤光栅的研制

双包层光纤光栅的研制 杨江，2013/7/19 1 引言 双包层光纤光栅是全光纤激光器的关键器件，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制成的。所谓 光纤的光敏性是指（特定波长的）强激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发 生相应变化的特性，由此可产生周期性的调制，并可被稳定的保存下来，这种现象也称为光致 折射率变化效应。与其他器件相比，光纤光栅具有体积小、波长选择性好、频谱特性丰富、易 于与光纤系统连接、损耗小、便于使用和维护等优点。 双包层光纤自从 1988 年由 Sintzer 等提出以来，由于其出色的传输光的能力和包层抽运技术的 应用，在高功率光纤激光器方面表现出极大的优势。双包层光纤由于具有较大的芯径，可以有 效降低传输高功率激光在纤芯中引起的非线性效应， 成为了高功率光纤激光器发展的重要途径 之一。 在双包层光纤上刻写光栅， 则可以避免光纤激光器的端面熔接耦合， 大大降低插入损耗， 并易于与其他光纤器件连接。光纤光栅作为一种低损耗器件，具有非常好的波长选择特性，采 用光纤光栅做谐振腔大大简化了激光器的结构同时提高了激光器的信噪比和可靠性， 有利于获 得窄线宽、高光束质量的光纤激光器。 2 光纤光栅的基本理论 光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是折射率沿轴向变化的一段光纤，它具有选频特 性，即反射符合 Bragg 条件的光，其反射率和线宽由光栅的周期、长度、折射率改变量及调制 强度决定。 它的反射率可高可低， 最高可接近 100%，其反射带宽 （Full Width at Half Maximum， FWHM）的制造调节范围较大，目前的制造技术可实现 0.02-40nm 调节。FBG 是具有滤波功能 的全光纤器件， 各种传播的波长通过光栅几乎都没有插入损耗， 附加损耗也很小 （约 1dB 以下） ， 且通过的信号不变，只有那些满足 Bragg 条件的波长受到影响，进行相关叠加并被强烈反射， 该中心波长可在制作光纤光栅时根据需要确定。另外，光纤光栅还有体积小、部件微型化、与 其他光纤器件的兼容性好、不受环境尘埃影响等优异性能。 光纤光栅有着很好的频率选择特性，其反射率可达 100%，反射带宽可小于 0. 05 nm。基于光 纤光栅的这种特性，将其直接刻写在双包层光纤的纤芯上构成光纤激光器谐振腔，实现高质量 的激光输出。这种全光纤化的激光器结构更加简单紧凑，稳定性更高。 2.1 光纤光栅的基本特性 窄线宽光纤光栅的制备一直以来是研究的热点， 因为它不仅可以作为光纤通信系统当中理想的
sin 2 ，
式中，λ 为入射紫外光的波长，θ 为两束光夹角的 1/2。相干光束制作光栅的方法非常灵活，通 过调整反射镜可以得到不同夹角 θ，从而得到不同栅距周期 Λ。 全息干涉法虽然具有明显的优点如： （1）通过调节两束光的夹角，可以灵活调节光栅周期，进 而调节布拉格波长。 （2） 实验装置简单， 便于操作。 但同时也存在一些不能克服的缺点： 如 （1） 对光源的空间相干性和时间相干性要求很高。 （2）对周围的工作环境要求严格。由于此法需要
k 2 sinh 2 SLg 2 , k 2 2 , 2 2 2 sinh SLg S cosh SLg R 2 2 k sin QLg , k 2 2 , 2 2 2 k cos QL g
式中，Lg 是光纤光栅的长度，k 为耦合系数， S k 2 2 Q 2 k
0
12
， ，
2n
2 12

2n

B
，
λ 为光波波长，λB 为 Bragg 光栅的中心波长。光纤光栅的反射率与入射光波的波长有关，当光 波波长偏离光纤光栅的中心波长时，反射率下降，偏离程度越大，反射率降低越严重。 由两根中心波长相同的光纤 Bragg 光栅和一段增益光纤便构成高功率光纤激光器的谐振腔。 FBG1 为输入光栅， 对泵浦光高透， 对信号光高反。 FBG2 为输出光栅， 对泵浦光的反射率为 100%，
对信号光实现部分耦合输出，以保证激光输出。泵浦光经 FBG1 进入光纤，在增益光纤中形成 粒子数反转，产生受激发射光。再经 FBG1 和 FBG2 共同构成的谐振腔选频，得到所需波长激 光输出。 对于高功率光纤光栅型光纤激光器，FBG2 起到选择激光波长和输出耦合器的作用，产生的激 光中心波长由 FBG 2 反射谱所决定，输出激光的线宽取决于 FBG2 反射谱的带宽。因此，通过 选择 FBG2 的中心波长和控制其反射峰的带宽，可以实现光波选频，并能够获得窄线宽的激光 输出。 2.3 光纤光栅的应用领域 光纤光栅作为一种简洁、低成本的器件，在光通信领域有着极其广泛的应用。它可以用来制作 各种滤波器，包括透射滤波器（长周期光纤光栅）和反射滤波器（布拉格光纤光栅） ；可以用 来代替色散补偿光纤进行色散补偿；如果制作成倾斜光栅，则可以作为性能优良的偏振选择器 件；它也是全光纤激光器当中的核心器件；还可以用来制作拉曼激光器和放大器。 光纤布拉格光栅是全光纤激光器当中的核心器件，因为它具有良好的选频特性，可靠性好，并 且可以制作成各种不同反射率。这种全光纤激光器被认为是理想的光纤通信系统的光源。随着 光纤光栅刻写工艺的成熟，不仅可以在无源的各种不同芯径的光纤当中写入光栅，而且可以在 有源的各种掺稀土元素的非光敏光纤当中写入光栅。尤其是脉冲激光（紫外纳秒脉冲，飞秒脉 冲）的应用，使光纤激光器专用的光栅的制备变得越来越简单。目前，已经有报道使用点对点 刻写技术制作窄线宽光纤光栅，并且成功实现高功率窄线宽激光输出。以上一系列手段成功地 克服了参杂光纤光敏性较差的的缺点，为全光纤激光器的发展创造了条件。 3 双包层光纤光栅的制备方法 3.1 全息干涉法 全息干涉法是利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 光栅。栅距周期由两束光的夹角决定：
滤波器和反射器，也可以作为双包层光纤激光器当中的核心器件。使用准分子激光器，研究人 员已经获得了半高全宽仅为 0.1nm 的光纤光栅，但是其最高反射率仅为 2%。后来，J. Albert 等人使用高强度的准分子脉冲激光在磷酸盐玻璃当中刻写了中心波长反射率高达 99%， 半高全 宽仅为 0.14nm 的光纤布拉格光栅。随着，飞秒激光的普及，人们利用飞秒激光和物质相互作 用过程中多光子电离和雪崩电离等机制，能够在局部范围内引起 10-5 到 10-2 的折射率调制，甚 至在非光敏性的玻璃当中也能达到这个高的折射率调制深度。使用飞秒激光刻写的光纤光栅， 相比于准分子激光刻写的光纤光栅，具有更好的高温稳定性。也有使用 400nm 的飞秒激光直 接在掺镱的双包层光纤中刻写光栅的，其最高反射>-40dB。研究人员报道了在保偏光纤中刻写 光纤布拉格光栅的研究进展。但是，如何获得更窄线宽的光纤光栅始终是个难题。后来发展起 来的使用飞秒激光进行点对点的光栅刻ห้องสมุดไป่ตู้的方法，在制备窄线宽光纤光栅的时候，较之前几种 方法有更好的表现。使用这种方法，已经成功地在掺镱双包层光纤当中刻写了线宽分别为 54 pm 和 100 pm 的光纤光栅。点对点的刻写方法有一个缺陷很难克服，就是空气轴承的微震动， 这样会导致取样光栅的形成，进而形成多峰的反射谱。 2.2 光纤光栅的工作原理 周期为 λ 的光纤布拉格光栅，当入射光波长满足布拉格条件时，部分正向传输的光波被耦合成 反向传输的光波，并沿原光路返回，在弱耦合条件下，光纤光栅的反射率可表示为
中，在“光致电离”和“雪崩电离”这两种类型的非线性激发机制扮演了一个重要的角色。在 透明电介质材料中，边界价电子产生电离所需的能量大于激光光子的能量。由于材料内均存在 一定浓度的掺杂，这些杂质为雪崩电离提供了种子电子。这些种子电子在激光脉冲形成的电场 中来回摆动，从整个光学周期来看，自由电子并没有得到能量。然而，通过和价电子、晶格的 碰撞，自由电子速度相位发生变化，这就是焦耳加热过程, 即反韧致辐射。通过这种方式，自由电子能够得到超过边界价电子产生电离所需能量的动能。 在下一次与价电子的碰撞中，将会形成两个自由电子。这个过程不断重复就被称为雪崩电离。 当形成的自由电子浓度达到一个临界点时，透明材料就被破坏了。超短脉冲激光与物质相互作 用时所形成的场强非常高，透明材料中的价电子通过吸收多个光子直接发生电离。一个价电子 同时吸收多个光子的能量高于电离边界价电子所需的能量，从价带被提升到导带，这个过程被 称作多光子电离。如果足够的激光能量通过这些非线性吸 收机制沉积到材料中，材料就会产生永久性损伤。 下图为飞秒激光微加工制作双包层光纤光栅的实验示意图， 红外飞秒激光由一个显微物镜聚焦 在光纤纤芯上，光纤被固定在一个高精度的二维移动平台上，该平台在计算机控制下由步进电 机驱使着作精确移动。当平台以一个恒定的速度沿着光纤轴移动时，改变光纤与光束焦点接触 部位，每个脉冲在光纤纤芯产生一个光栅沟痕，通过调节平台移动速度可以制作出不同光栅周 期的光纤光栅。
飞秒激光微加工制作的光纤光栅具有极高的热稳定性，2005 年 Martinez 等对飞秒激光微加工 制作的光纤光栅的热稳定性进行了实验研究。 他们将所得的光纤光栅分别在 500⁰C， 700⁰C， 1000 ⁰C 条件下高温退火 24 小时，用分辨率为 5pm 的光谱仪每隔 30 分钟观测一次光栅的反射谱， 发现在温度高达 1000⁰C 的情况下，这类光栅还具有很高的稳定性。实验中同时还采用了紫外 光刻写的光纤光栅在以上相同的条件下退火作为对照，得到在 500⁰C 时反射率有较大的下降， 而在 700⁰C 时光栅几乎被擦除。 通过这个实验充分说明了利用飞秒激光微加工得到的光纤光栅
一定的曝光时间，这要求在曝光时间内光路保持良好的防震。 （3）要得到准确的布拉格中心反 射波长，对光路的调整有着极高的精度要求。θ 稍有偏离，中心波长就会有很大的偏离。 3.2 相位掩模板法 相位掩模板是用光刻蚀技术，在硅质玻璃上刻出的表面凹凸不平的矩形周期性的条纹。它具有 抑制 0 级衍射，凸显±1 级衍射的作用，一般要求零级衍射光为或< 5%，±1 级衍射光为 40%左 右。 紫外激光准直后垂直照射掩模板而产生衍射，在每一段掩模板下，0 级衍射光受到抑制，±1 级 衍射光相互干涉，在近场形成明暗相间的干涉条纹状光强分布，干涉条纹的周期相同，为掩模 板周期的一半。这样的干涉条纹照射到光敏光纤上，就制作出周期与干涉条纹周期相同的布拉 格光栅。 相位掩模法的优点： （1）光栅周期由掩模板的结构决定，与光源的波长无关。 （2）曝光入射角 与光栅周期无关， 对实验装置的精度要求较全息干涉法有所降低。 （3） 对光源相干性要求降低， 可以使用相干性不好的准分子激光器。 （4）可以使用小光速扫描的方法实现长光栅的制作。但 该法同时也存在一些不可克服的缺点： （1）每块模板只能制作固定周期的光纤光栅。 （2）对模 板的制作要求较高，造价相对较高。 上述两种方法均采用紫外光作为光源，存在一定的危险性。另外需要光敏光纤，光纤增敏、相 位模板的制作等准备过程耗时长，光栅的刻写需要较长的制作周期。特别是此类光栅的存在依 赖于光纤内部的点缺陷，高温状态下，这种点缺陷将会被削弱，光栅的反射效果降低。在 A. Martinez 等人的实验中，紫外光刻写的光栅在 500⁰C 时反射率有较大的下降，而在 700⁰C 时几 乎被擦除。因此这类光栅在大功率场合的应用受到了限制。 3.3 飞秒激光加工法 采用飞秒激光光源在双包层光纤内刻写光纤光栅引起了人们极大的研究兴趣。 该法不需要光敏 光纤，在普通光纤内也能制作出性能较好的光纤光栅。主要是因为飞秒激光微加工方法与其它 传统方法的物理机制不同，传统方法是基于光纤的光敏性，而飞秒激光微加工方法是由非线性 吸收和多光子电离引起的，形成的光栅折射率调制大，热稳定性高。光纤激光器的增益介质一 般都是掺稀土离子的光纤，而这些光纤一般采用的都是具有较低光敏特性的铝硅酸盐玻璃，这 对传统光纤光栅的制作方法有一定的限制。因此，飞秒激光微加工方法更适合于制作双包层光 纤光栅。 飞秒激光微加工制作光纤光栅的主要作用机制是非线性吸收和多光子电离。 在非线性吸收过程