光纤布拉格光栅

光纤光栅的发展历史

在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性，通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。通过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。

1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅——布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高——掺锗量高，纤芯细。其次，该光纤的周期取决于氩离子激的光波长，且反射波的波长范围很窄，因此其实用性受到限制。

1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅的全息法制作光光栅技术。与驻波法相比，全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅，推动了光纤光栅制作技术的发展。全息法对光源的相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。

1993年，Hill等使用相位掩膜法来制作光栅，即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤。由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无关，所以对光源的相干性的要求大大降低。该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低，对周围环境也要求较低，这使得光栅的批量生产成为可能，极大地推动了光纤光栅在通信领域的应用。

自1978年首个光纤光栅问世以来，光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展，这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅，比如啁啾光纤光栅，高斯变迹光栅升余弦变迹光栅，相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。1995年，光纤光栅实现了商品化。1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。

光栅光纤的应用

光想光上具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可以用于全光波长路由和光交换等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。

光纤光栅用作激光器。光栅具有窄带滤波的功能，这可以使其实现稳定的高功率的线性腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点。

光纤光栅用作干涉仪。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用，可以构成干涉仪。其中比较常见的有法布利波罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。

光栅光纤用作放大器。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上，但掺饵光纤放大器具有增益不平坦性，这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，影响了信息的传输质量。可以使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。把光栅写入掺饵光纤中，可以使增益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。

光栅光纤用于色散补偿。在阻带附近，普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm−1耦合系数为50cm−1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大，也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需要更复杂的设计，同时还须要增加一个光环行器或耦合器，这会增加系统的插入损耗。如果增加普通光栅的写入长度或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。

光纤光栅用作滤波器。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过90%，选取适当的参数甚

至可以接近100%，而在阻带边缘反射率会急剧减小。这样的频率相关性决定了光纤光栅的滤波特性。将普通光栅放入干涉仪结构或使用莫尔光栅均可构造滤波器。通过将光栅级联可以获得更高的反射率。

光纤光栅用作波分复用器。光纤通信中的波分复用/解复用对器件要求较高，一般要求在通信频带内的滤波带宽窄、体积小及回波损耗小等，而布拉格光纤光栅正好满足这些条件。在信道间隔为25GHz时密集波分复用也能够很好的实现。光纤光栅还能够提高波分复用系统的性能，在基于分插复用（Optical Add and Drop Multiplexing，OADM）的波分复用系统中加入光栅可以减小串扰的影响。

有源光纤光栅耦合器传输及开关特性研究

光纤光栅的分类

现根据光纤光栅的常用名特征来对光纤光栅进行分类。一种光纤光栅的名字通常需要包括其耦合方向、折射率函数分布特点和光纤种类，才可以直接明确的看出其简要光谱特性。1按耦合方向分类

根据光纤光栅的耦合方向，可将光纤光栅分为FBG和LPFG。这两种类型的光纤光栅因其耦合方向不同，因而具有截然不同的耦合机理及分析方法，并决定了光纤光栅最基本的光谱特性。由于这两种光纤光栅的周期有着明显差别，因而也有人称这种分类方法为根据光栅周期的长短分类。

1.1光纤Bragg光栅

FBG的耦合机理是纤芯基膜向反向传输的纤芯基膜，包层模或辐射膜耦合，是个反射型的光纤光栅。FBG栅格周期一般为几百nm，谐振峰带宽为0.5nm左右。这类光纤光栅是最早发展起来的，写制方法以及成栅机理都已经很成熟稳定，目前在实际的应用方面最为广泛。

1.2长周期光纤光栅

LPFG的耦合机理是纤芯基膜向同向传输的包层模或辐射膜耦合，是个消耗型光纤光栅。LPFG栅格周期一般为几百μm。与FBG相比，LPFG的谐振峰带宽要大得多，约为几十nm。

2.按折射率函数分布特征分类

光纤光栅是对光纤中传导膜有效折射率进行周期性空间调制的器件，其折射率分布可表示为：

δn eff(z)=δn eff(z){1+νcos(2π

Λ(z)

z+ϕ(z))}

其中，z为沿光纤轴向的坐标，δn eff是一个光栅周期内空间平均“dc”折射率改变，Λ是光栅周期，ν是折射率改变的条纹可见度，一般取1，ϕ(z)表示光纤光栅的啁啾。根据光栅的折射率函数的分布特点来进行分类命名，典型的有以下几种：

2.1均匀光纤光栅

均匀光纤光栅的折射率函数为一理想的正弦或余弦函数。如图。其栅格周期Λ(z)，折射率调制函数δn eff(z)和相位函数ϕ(z)均为常数，是最早出现也是应用最普遍的光纤光栅。

2.2倾斜光纤光栅

倾斜光纤光栅（Titled fiber grating ,TFG）也称为闪耀光线光栅的折射率沿光纤轴向的分布为：

δn eff(z)=δn eff(z){1+νcos(2π

Λ0

z cosθ)}

其中θ为光栅条纹与光纤轴的夹角。

图为一个夹角为1°的TFG的折射率分布图，可以看出它的折射率函数分布为一个倾斜的