光纤光栅制作及应用
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光纤光栅制作及应用
1、光纤光栅 2、光纤光栅制作 3、光纤光栅的调谐 4、光纤光栅的应用
1光纤光栅
光纤技术是研究光导纤维的光学特性及其应 用的一门新兴学科，是当今和未来信息科学 的重要支柱。自从本世纪70年代初第一根实 用化光纤问世以来，光纤技术得到了迅猛的 发展。从信息领域的角度来考虑，光纤技术 主要涉及两个方面：光纤通信技术和光纤传 感技术。
B 2neff
2 /
01
0
01
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 和反射波长的反射镜，它的出现已极大地促进了光纤通信和光 纤传感的发展。
1光纤光栅
2光纤光栅制作
1 布拉格光纤光栅的制作
1） 内部写入法 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。
1光纤光栅
光纤光栅的光学特性
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
2光纤光栅制作
UV 光
柱状透镜
棱镜
宽带光源
光纤
干涉图样
光谱分析仪
2光纤光栅制作
4） 相位掩模法 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。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。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。
光纤光栅是一种新兴的光纤器件，是光纤技 术的新进展。它在光纤技术的两个方面(光纤 通信和光纤传感)均有重要应用。
1光纤光栅
所谓光纤光栅是指光纤纤芯中周期性的折射 率变化所形成的光栅效应，是利用石英光纤 的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤 上形成的光纤波导器件。
光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相 互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波， 从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合 到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的 模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。
2光纤光栅制作
PM h
UV 光
Phase Mask
光纤 -1 级
0 级光束
+1 级
2光纤光栅制作
5）在线成栅 南安普顿大学的L Dong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了在光纤拉制过 程中写入光纤光栅的实验。如图所示。它是光纤拉制过程中在裸光纤上直接写入光 栅，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。
2光纤光栅制作分光镜UV 光光源反射镜 柱状透镜
反射镜
柱状透镜
光谱分析仪
2光纤光栅制作
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线上。
2光纤光栅制作
单模氩离子激光
光
光
电
电
探
探
测
光纤光栅
测
器
器
1
吸收材料
2
2光纤光栅制作
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。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。
1光纤光栅
1978年，K.O.Hill等人首先发现掺锗(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。
预制卡盘
准分子激光器
熔炉
直径监测仪 包层坩埚
干涉 光束
包层固化紫外灯
光纤牵引盘
导引光路
2光纤光栅制作
6） 聚焦离子束写入 利用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)可以写入任意的光纤光栅结构[15]， FIB既可以用研磨方式，也可以用沉积方式。研磨光栅基本结构如图8所示，光栅 研磨出的槽离纤芯只有几nm，研磨15—20个槽就可获得高的反射率，槽数越多反 射越大。其实验步骤是：第一步，先剥去涂敷层，除去包层较厚的部分；第二步， 固定光纤以便刻蚀和放入真空室研磨，光栅结构要研磨得靠近纤芯。研磨方法简单 但实现不易，常用的方法是用氢氟酸腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来 的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，槽的深宽 比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键 是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。
K 1 2 2 /
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 ) 201
1光纤光栅
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：
1、光纤光栅 2、光纤光栅制作 3、光纤光栅的调谐 4、光纤光栅的应用
1光纤光栅
光纤技术是研究光导纤维的光学特性及其应 用的一门新兴学科，是当今和未来信息科学 的重要支柱。自从本世纪70年代初第一根实 用化光纤问世以来，光纤技术得到了迅猛的 发展。从信息领域的角度来考虑，光纤技术 主要涉及两个方面：光纤通信技术和光纤传 感技术。
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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 和反射波长的反射镜，它的出现已极大地促进了光纤通信和光 纤传感的发展。
1光纤光栅
2光纤光栅制作
1 布拉格光纤光栅的制作
1） 内部写入法 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。
1光纤光栅
光纤光栅的光学特性
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
2光纤光栅制作
UV 光
柱状透镜
棱镜
宽带光源
光纤
干涉图样
光谱分析仪
2光纤光栅制作
4） 相位掩模法 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。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。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。
光纤光栅是一种新兴的光纤器件，是光纤技 术的新进展。它在光纤技术的两个方面(光纤 通信和光纤传感)均有重要应用。
1光纤光栅
所谓光纤光栅是指光纤纤芯中周期性的折射 率变化所形成的光栅效应，是利用石英光纤 的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤 上形成的光纤波导器件。
光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相 互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波， 从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合 到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的 模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。
2光纤光栅制作
PM h
UV 光
Phase Mask
光纤 -1 级
0 级光束
+1 级
2光纤光栅制作
5）在线成栅 南安普顿大学的L Dong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了在光纤拉制过 程中写入光纤光栅的实验。如图所示。它是光纤拉制过程中在裸光纤上直接写入光 栅，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。
2光纤光栅制作分光镜UV 光光源反射镜 柱状透镜
反射镜
柱状透镜
光谱分析仪
2光纤光栅制作
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线上。
2光纤光栅制作
单模氩离子激光
光
光
电
电
探
探
测
光纤光栅
测
器
器
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吸收材料
2
2光纤光栅制作
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。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。
1光纤光栅
1978年，K.O.Hill等人首先发现掺锗(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。
预制卡盘
准分子激光器
熔炉
直径监测仪 包层坩埚
干涉 光束
包层固化紫外灯
光纤牵引盘
导引光路
2光纤光栅制作
6） 聚焦离子束写入 利用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)可以写入任意的光纤光栅结构[15]， FIB既可以用研磨方式，也可以用沉积方式。研磨光栅基本结构如图8所示，光栅 研磨出的槽离纤芯只有几nm，研磨15—20个槽就可获得高的反射率，槽数越多反 射越大。其实验步骤是：第一步，先剥去涂敷层，除去包层较厚的部分；第二步， 固定光纤以便刻蚀和放入真空室研磨，光栅结构要研磨得靠近纤芯。研磨方法简单 但实现不易，常用的方法是用氢氟酸腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来 的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，槽的深宽 比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键 是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。
K 1 2 2 /
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 ) 201
1光纤光栅
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：