光纤光栅的制作与应用

目录
摘要 (1)
引言 (2)
1.光纤光栅制作方法 (2)
1.1光纤光栅的特点 (2)
1.2光纤光栅的分类 (4)
1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性 (4)
1.2.2根据光纤光栅的成栅机理 (5)
1.3光栅光纤的制备 (6)
1.4成栅的紫外光源 (7)
1.5成栅方法 (8)
1.5.1短周期光纤光栅的制作 (8)
1.5.2长周期光纤光栅的制作 (10)
2光纤光栅的应用 (11)
2.1光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (13)
2.1.1有源器件 (13)
2.1.2无源器件 (13)
2.2可见光纤光栅的应用 (13)
2.2.1光源 (14)
2.2.2光纤放大器 (15)
2.2.3色散补偿器 (15)
2.2.4光分插复用器（OADM） (16)
2.2.5光终端复接器（OTM） (17)
2.2.6波长交换 (18)
3发展前景展望 (19)
参考文献 (21)
1
摘 要： 近年来，各种新的光纤光栅写入方法成出不穷，各种新型光纤光栅及其应用领域不断涌现，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栅制作方法的最新进展。

为了介绍各种光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（LFPG ）的各种写入方法，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，本文也对他们的特殊写入方法进行了阐述。

并比较了各自的优缺点。

目前，光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。

光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器（OTM ）、光交叉连接（OXC ）等关键部件提供解决方案。

本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用，并对其发展前景作出了展望。

关键词： 光纤光栅 成栅机理 光纤无源器件 全光通信
引言
分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各种方法的优、缺点进行了分析和讨论。

提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未来的发展趋势。

1.光纤光栅制作方法
1.1光纤光栅的特点
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，经过二十多年来的发展，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，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

现在一般采用高强度紫外光源通过Phase Mask所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光以在该光纤芯中产生折射率从而调制或
相位光栅，如图1-1所示。

图1-1光纤光栅传感系统的基本原理图
当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff产生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移B ，通过监测Bragg波长B 的变化情况，即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化状况。

光纤光栅波长漂移B与应变和温度变化的关系如下：
])()1[(T p B B ∆++∆-=∆Ληααελλl
=T S S T B t B ∆+∆λελ
其中，第一项代表光纤的应变效应，第二项表示温度对光纤的影响。

在波长B λ=1550 nm ，典型的应变敏感系数为16108.0--⨯=μεt S ;温度敏感系数为16100.6--⨯=C S T 。

所以，光纤光栅Bragg 波长的变化与应变或环境温度的变化呈线性变化关系，通过检测光纤光栅Bragg 波长，就可以测得应变或环境温度。

在工程应用中一般采用合适应用的方法，用环氧树脂胶进行封装，外加保护封装进行保护，从而形成光纤光栅光纤传感器。

由于光纤光栅（FBG ）只能对某个波长进行反射， 反射波长的变化需要通过光纤光栅解调仪来测量，一般需要对多个光纤光栅传感器进行测量，也就是说要进行波分复用，将多个光纤光栅（FBG ）的串接、 每个光纤光栅（FBG ）对于一个中心波长，在保证测量的动态范围内，各个光纤光栅（FBG)的波长之间不重叠，这样通过光纤光栅解调仪（FBG Interrogator ）实现对不同光纤光栅传感器的反射波长的测量， 从而转化成压力或应变的数据。

1.2光纤光栅的分类
根据不同法分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别。

1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性
光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：
①均匀周期光纤布喇格光栅：通常称为布喇格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。

折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。

此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。

②啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。

有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。

③闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。

④长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。

⑤相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。

它可以看作是两个光栅的不连续连接。

它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。

可以用来构造多通道滤波器件。

此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。

1.2.2根据光纤光栅的成栅机理
根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型。

①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层
耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度（200℃左右）下光栅会变弱或消失。

②ⅡA型光栅：成栅于高掺锗（15％mol）光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。

成栅机理于Ⅰ型不同。

其写入过程为：曝光开始不久，纤芯中形成Ⅰ型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成ⅡA型光栅，其温度稳定性优于Ⅰ型光栅，直到500℃附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。

③Ⅱ型光栅：由单个高能量光脉冲（大于0.5J/cm2）曝光形成。

其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合到包层中损耗掉。

成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。

有极高的温度稳定性，在800℃下放置24小时无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失。

1.3光栅光纤的制备
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人光栅。

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
104 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，目前光纤增敏方法主要有以下几种：
1）掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。

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。

1.4成栅的紫外光源
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。

目前，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。

如图1-2所示。

图1-2 紫外光透过振幅掩模板制作光栅示意图
1.5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，目前主要的成栅有下列几种。

1.5.1短周期光纤光栅的制作
短周期光纤光栅(FBG，也叫反射或布喇格光栅):光栅周期一般为零点几个微米，耦合发生在正向与反向传输的模式之间，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去，如图1-3所示。

图1-3短周期光纤光栅(m为衍射级数)
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错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的人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，现在很少被采用。

示。

用准分子激光干涉的方法，Melt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，目前这种方法使用不多。

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8226J·cm2 近年来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：将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于探光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。

紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。

这种成栅方法不依赖于人射光波长，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，为使KrF准分子激光光束相位以知间。

这样得到的相位掩膜版可使准分子激光光束通过掩膜后，零级光束小子衍射光的5％，人射光束转向+1和-1级衍射，每级衍射光光强的典型值比总衍射光的35％还多。

用低相干光源和相位掩膜版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，是目前写入光栅极有前途的一种方法。

1.5.2长周期光纤光栅的制作
长周期光纤光栅(LPG，也叫传输光栅):光栅周期在100Lm以上，耦合发生在同向传输的模式之间，它的特性是将导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉而让其他频段的光通过，如图1-4所示。

因为长周期光纤光栅的出现较晚，其理论分析及实际应用还有待于进一步的发展。

图1-4长周期光纤光栅
a）掩膜法：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为振幅掩膜，激光器照射数min后，可制成周期60μm～1mm范围内变化的光栅，这种方法对紫外光的相干性没有要求。

b）逐点写人法：此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，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。

目前，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。

2光纤光栅的应用
随着信息业务量快速增长，语音、数据和图像等业务综合在一起
传输，从而对通信带宽容量提出了更高要求。

由于无线电频谱和电缆带宽非常有限，其极限速率只有20Gb/s左右，即所谓的“电子瓶颈”。

尽管人们引入了光通信，光作为信息传输的载体带宽达30THz以上，但是由于量子效应导致光纤线路中各种复用/解复用和光电/电光转换器件处理电信号时仍存在着速率“瓶颈”，限制了信息的传输速率。

进入20世纪90年代，以时分复用（TDM）为基础的电传送网难以适应需要，这使得人们再次意识到要突破电信号处理速率“瓶颈”就必须引入光信号处理方法，包括光信号的直接处理（即避免光电和电光转换，需要电信号时除外）及交叉连接等，这就导致以光波分复用（WDM）为基础的全光通信网（AON）成为人们研究的热点。

全光通信是解决“电子瓶颈”最根本的途径，全光网通信可以极大地提高节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通信的要求。

全光通信网也是目前国际上发展最快的领域，全光通信意味着在通信过程的各个环节都用光波来完成，中间无需任何光－电－光变换。

全光通信的发展完全取决于网络中光放大、光补偿、光交换以及光处理等关键技术的发展。

光纤光栅的出现使许多复杂的全光网通信成为可能。

光纤光栅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。

利用光纤光栅这一特性可构成许多性能独特的光电子器件。

研究表明光纤光栅以及基于光纤光栅的器件已经能够解决全光通信系统中许多关键技术。

2.1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：
2.1.1有源器件
有源光栅光纤器件有：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）；
2.1.2无源器件
无源光栅光纤器件有：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。

2.2可见光纤光栅的应用
可见光纤光栅的应用渗透在光纤通信系统的每个角落，有关专家
预言：光纤光栅技术和器件将为正在研究和发展的WDM系统带来一场革命。

下面就一些比较典型的应用做以分析。

2.2.1光源
光纤光栅激光器产生的光信号更符合全光通信系统对光源的要求。

而半导体激光器的波长较难符合ITU-T建议的WDM波长标准要求，相反利用光纤光栅做成的激光器则能非常准确地控制波长，且制作成本低。

光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源，它是利用均匀光纤光栅来选择出射光的波长。

外腔光纤激光器一般有两种结构：一种是分布布拉格反射（DBR）光纤光栅激光器，利用一段稀土掺铒光纤（EDF）和一对均匀光纤光栅（Bragg波长相同）构成谐振腔；另一种是分布反馈（DFB）光纤光栅激光器，其结构如图2-1利用直接在稀土掺杂光纤（如EDF）写入的均匀光栅构成谐振腔。

图2-1光纤光栅激光器结构原理图
光纤激光器作为光纤通信系统中一种很有前途的光源，其优点主要体现在：激光出射波长线宽极窄、可调谐；具有波导式光纤结构，与标准通信光纤兼容性好；高频调制下频率啁啾效应小；抗电磁干扰；温度膨胀系数（Coefficient of the thermal expansion）较半导体激光器小、成本低等。

2.2.2光纤放大器
影响光纤通信向长距离和高速率方向发展的两个主要因素是损耗和色散，其中的损耗问题自从掺铒光纤放大器（EDFA）产生后已得到解决。

然而掺铒光纤放大器具有增益不平坦性。

利用闪耀光纤光栅的透射谱特性可以抑制光纤放大器的增益峰，从而使引入闪耀光纤光栅后的光纤放大器增益谱平坦化。

如图2-2所示。

图2-2闪耀光纤光栅折射率分布原理图
2.2.3色散补偿器
光纤损耗、色散和非线性是影响光纤传输能力的三个最主要因素。

掺铒光纤放大器的研制成功基本解决了损耗的问题。

随着全光通信速
率的提高，色散和非线性对系统传输能力的影响变得愈发显著。

经过近年来的研究，光纤光栅色散补偿器已经基本解决了光纤传输系统中的色散问题。

光纤光栅被偿色散的原理是：在啁啾（Chirp）光纤光栅不同反射点有不同的反射波长，我们让红移分量在光栅前端反射，而让蓝移分量在光栅末端反射，即蓝移分量比红移分量多走2L的距离。

由于色散在光脉冲中红蓝移分量之间产生的距离差，经过光栅后，滞后的红移分量便会赶上蓝移分量，这样就消除了色散效应。

目前光纤光栅作为色散补偿已经达到实用阶段。

如图2-3所示。

图2-3啁啾光纤光栅色散补偿原理图
2.2.4光分插复用器（OADM）
光分插复用器实际是合波器与分波器的组合。

光分插复用器作为全光网中的重要器件，其功能是从分波器中有选择的取下几路通过本地的光信号，其余路波长直通合波器，另外可以有几路本地波长信号输入，与直通的信号复合在一起输出（Add）。

也就是说OADM在光
域内实现了传统的SDH设备中电的分插复用器在时域中的功能。

如图2-4所示。

图2-4光纤光栅型波分复用器原理图
2.2.5光终端复接器（OTM）
光终端复接器（OTM）的作用是将终端用户光波长复用进系统中，或在终端从系统中解出用户需要的波长。

光终端复接器是基于WDM全光网系统中不可缺少的设备。

其核心部件就是复用/解复用器（分波/合波器）。

它可以实现在一根光纤中传输多个波长的信道，并在终端将不同的波长分别解出。

由于全光网系统中波长之间的间隔很小，因此对复用/解复用设备提出了很高的要求。

由于均匀光纤光栅具有良好的滤波性能，并且有较窄的带宽。

利用一组均匀光纤光栅的透射可以进行合波；利用其反射可以进行分波，因此采用均匀光纤光栅可制成复用/解复用器。

光纤光栅的中心波长分别为λ1，λ2，…，λn。

复用信号（λ1，λ2，…，λn）经过解复用器后，各个波长分别从不同的端口输出，实现了光的解复用。

如图2-5所示。

图2-5光纤光栅型波分复用器原理图
2.2.6波长交换
全光网络为克服“电子瓶颈”，网络路由方式也将采用波长路由方式，由于通信波长资源的有限性，使得全光波长变换技术在全光通信网系统中成为不可缺少的关键技术之一。

波长变换技术是把光信号从一个波长转换为另一个波长的一种手段，它可以实现波长重用、波长路由、波长选择开关和全光交换等功能。

目前为止，已经报道了多种结构和机制的波长转换器，这些波长转换器都各有特点和欠缺。

如图2-6所示。

图2-6基于光纤光栅的波长转换器
3发展前景展望
目前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。

光纤光栅是目前也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目前国内外的差距还不算太大，我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。

为了刻写出应用于各种场合的光栅，相继提出了各种技术。

为了克服曝光时间长，对干涉计要求高，提出一种仅用20ns的单脉冲刻写的方法，随后又发展成为在光纤拉制时就进行刻写光栅的方法。

另一个坚固、稳定、易于准直和重复性好的技术是用相位掩膜照射来代替全息曝光。

紫外光透过掩膜直接照射到光敏光纤上，则相位光栅掩膜的一级衍射光束在光纤芯形成布喇格光栅。

为了改善光纤的光敏。