光纤光栅制作技术综述.pdf

光纤光栅制作技术综述 一引言一引言 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 10-310-2，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。二光纤光栅的光学特性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。反射光反射光输入宽光谱输入宽光谱 透射光透射光 纤芯纤芯 Bragg 光栅光栅 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 K21=2/(为光栅周期)(1)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：010101212)(/2 (2)如图 2 所示，K 值较大，则很小(m1),这种光栅为 Bragg 光栅(FBG)。它的基本特性-1-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：effBn2 （为有效折射率）(3)effn/200101 图 2 FBG 的相位匹配条件 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 表示。其中 n为模的阶数，则根据相位匹配条件有：nc1nc10121/2 (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。/2010)1(1c01)2(1c/2)1(101c 图 3 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 三光纤光栅的制作三光纤光栅的制作 1光敏光纤的制备 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 10-3以上，远高于普通光纤中的 10-5。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（107Pa）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-2-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幅度可从 10-5提高到 10-2。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。2光源光源 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10.6mCO2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。3光纤光栅的制作方法光纤光栅的制作方法 31 布拉格光纤光栅的制作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2,3,4。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。光电探测器光电探测器1单模氩离子激光单模氩离子激光光光 电电 探探 测测 器器 2 光纤光栅光纤光栅 吸收材料吸收材料 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5。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sin2/UV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。-3-柱 状 透 镜柱 状 透 镜 柱 状 透 镜柱 状 透 镜反 射 镜反 射 镜反 射 镜反 射 镜 分 光 镜分 光 镜UV 光光 光 源光 源 光 谱 分 析 仪光 谱 分 析 仪 图 2 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6,7或者洛埃镜8。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。宽带光源宽带光源 光谱分析仪光谱分析仪 光纤光纤 干涉图样干涉图样 UV 光光 柱状透镜柱状透镜 棱镜棱镜 图 3 用棱镜干涉制作光栅的示意图 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。-4-光谱分析仪光谱分析仪 宽带光源宽带光源光纤光纤 反射镜反射镜板板 柱状透镜柱状透镜UV 光光 图 4 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9,10 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PM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。UV光光 PM h Phase Mask 光纤光纤0级光束级光束-1级级+1级级 图 5 Phase Mask 法制备光纤光栅示意图-5-5）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11。如图 6 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。预制卡盘预制卡盘 熔炉直径监测仪熔炉直径监测仪 包层坩埚包层坩埚 包层固化紫外灯包层固化紫外灯 光纤牵引盘光纤牵引盘 准分子激光器准分子激光器 导引光路干涉光束导引光路干涉光束 图 6 光纤拉丝塔下横向向侧面干涉曝光法光纤光栅在线制作装置示意图 美国海军实验室的Askins等人改进了上述在线光纤光栅制作方法12，如图 7 所示。在他们的干涉系统中，反射镜M3 和M4 程控可调，使得两束干涉光束的夹角连续可调，从而可在线自动地在一根光纤上写入反射波长不同的一系列光纤光栅。使用这种方法，制造工艺简单，使连续大批量生产的光纤光栅成为可能，提高了光栅性能的稳定。KrF准分子激光器准分子激光器 M2 M3 M4 M1 CL 光纤光纤 包层坩埚包层坩埚 图 7 反射波长可调的系列光纤光栅在线制作实验装置(图中反射镜 M3、M4 及拄状透镜 CL 程控可调)6）直接写入法 直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥除光纤的涂覆层而直接在纤芯上写入光纤光栅的方法。此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的光纤涂覆层有采用丙烯酸酯13或General E1ectric RTV615 硅胶14，通过加大紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤载氢等方法，可以有效提高光纤光栅的写入时间。在两硅平板间夹 150m厚的RTV615 硅胶用分光计分析了这种涂敷层的紫外光吸收特性，在 248nm波长处透过率达 92，有低的紫外光吸收率，因而可以用 244nm倍频激光器或 248nmKrF准分子激光器透过涂敷层写入光纤市喇格光栅。这种方法解决了以往传统方法中必须采用裸光纤的弊端，减少了对光纤光栅制作完后要立即进行涂覆的工艺复杂性，具有很好的应用前景。-6-7）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m，研磨 1520 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。纤芯纤芯 包层包层 图 8 FIB 研磨的光栅结构 3.2 长周期光纤光栅的制作长周期光纤光栅的制作 1）振幅掩模法 a UV 曝光 振幅掩摸板写入不采用衍射光束干涉条纹“模制”折射率调制图案的办法，而是模板上刻好该图案，通过光学系统，将之投射到光纤上，纤芯折射率发生相应的变化而成栅的16。写入后对其退火，以稳定光学特性。振幅掩模板通常用于长周期光纤光栅的写入。实验装置如图 1 所示。因为长周期光纤光栅的周期一般为几百微米，掩模板的制作很方便而且精确，容易得到保证，所以用这种方法制作的光栅，其一致性和光谱特性比较好，而且对紫外光的相干性没有要求。KrF准分子激光器准分子激光器 AM 宽带光源宽带光源 光谱仪光谱仪 光纤光纤 PC 图 1 振幅掩模法制作 LPFG 的实验装置 b 离子注入 将高能量离子注入到各种石英玻璃中可以产生高达约 10-2的折射率变化。利用这一特性可以用离子注入法在石英光纤中制作高性能的光纤光栅。将高能量He 2+注入到光纤中制作LPFG17。实验中所使用的方法是振幅掩模法，制作原理如图 2 所示。经加速后的高能量He2+通过金属掩模板注入到光纤上，加速能量为 51MeV。掩模周期为 170m，间距为 60m，共 29 个周期。注入 201015He2+cm2剂量后，在普通通信光纤中制作了在 14l0nm处约 16dB大损耗峰的LPFG。离子注入法产生折射率变化的机理可能是玻璃结构的致密化。它的缺点是在包层中会感生很高的折射率变化。不过，这一缺点可以通过选择窄间距的掩模板，使离子只注入到纤芯中来解决。通过选择短周期的掩模板，也可以制作FBG。-7-离子掩模板离子掩模板 光纤光纤 图 2 离子注入法写入 LPFG 示意图 2）电弧感生微弯法 利用电弧导致的永久微弯制造灵活剖面控制的LPFG18，如图所示。光纤去除护套后，用两个相距 5.5cm的夹具笔直固定，然后将一个夹具沿与光纤轴向正交的方向向下位移大约100m，从而在光纤上产生一个横向的应力。电弧在某一点放电时，在剪切应力的作用下产生微弯，微弯的幅度典型值小于 1m，用这种方法制作的光栅谐振波长只与光栅周期有关，而与耦合强度无关，所以光栅的中心波长、反射率等特性易于控制。此外，所形成的光栅具有低的插人损耗(小于 0.2dB)和高的热稳定性,在 8000C以下性能没有任何降质。微弯构造LPFG的另一优点是不需要特殊的光纤(如掺杂、载氢以提高光敏性),其缺点是光纤的机械特性有所下降。光纤夹具光纤夹具 光栅周期光栅周期 电极电极光纤位移光纤位移 图 3 电弧感生微弯法制作 LPFG 3）残余应力释放 在芯径是纯二氧化硅、包层内掺氟的光纤中被拉伸时由于光弹效应在高粘度的芯径区引入了残余应力，折射率会降低。当用火焰、电弧或高功率激光退火时，可以很容易地将芯径内残余的应力释放掉，纤芯的折射率又可以恢复到原来的水平。如果对有残余应力的光纤进行逐点周期性退火，就可以在纤芯内形成周期性折射率变化，从而形成光栅19,20,21。此项技术方法比较简单，而且这种长周期光纤光栅具有较好的温度特性，特别是高温稳定性较好，可以用来做高温下的温度传感器20。a 利用弧光放电 此法利用熔接机的电弧而产生纤芯内残余应力释放，来改变光纤的折射率。如图 4 示，把没有装护套的光纤放在熔接机的两个电极之间，光纤靠一个与控制马达相连的移动平台拉动。当使用电弧在选定的电流和持续时间之后，光纤沿纵向移动，电弧继续放电。这个过程重复进行，在此过程中，光纤没有应变，从而确保其没有物理形变22。利用此技术，通过-8-选择恰当的电弧电流和持续时间，就可制造出所需耦合强度的LPFG。白光光源白光光源光谱分析仪光谱分析仪光纤光纤 电弧电弧 电动控制电动控制 精确控制台精确控制台 图 4 利用弧光放电制作 LPFG 示意图 b 利用聚焦CO2激光器 采用 10.6m自由空间波长CO2激光脉冲对光纤逐点曝光。光纤在制造过程中生了很高的残余应力，用聚焦CO2激光脉冲辐射可以释放其中的应力而形成LPFG23。如图 5 示。使用B2O3作为掺杂物可以增加粘性差异，并可控制LPFG的温度敏感性。这种方法不需要光纤的物理变形，通过CO2激光光束一致的、均衡的照射，polarization dependence可以被抑制掉。应力释放区应力释放区 没有被加热区没有被加热区 CO2激光器光束激光器光束 柱状透镜柱状透镜 光纤光纤 图 5 采用CO2激光器制作LPFG的示意图 4）熔融拉锥法 器的熔融拉锥工艺来制作长周期光纤光栅24,25。在用高功率激光、电弧或火焰对光纤进行局部加热的同时，对光纤施加一定的应力，使得光纤芯径发生周期性变化，机在光纤表面上刻周期性的v型槽，v型槽的周期数和间距决定所需滤波器的 利用制作耦合从而形成光栅。可用精密切割共振波长和带宽等。v型槽的深度及形状将影响光纤光栅的折射率分布轮廓，从而决定光栅的效率。如图 6 所示，把刻好周期性v型槽的光纤置于光纤拉锥机上，光纤一端与光源连接，另一端连接光学光谱分析仪（OSA）进行监测，用氢气火焰对光纤V型槽区域进行拉伸退火，由于受熔融玻璃表面应力影响被刻v型槽一边光纤纤芯的不平衡等因素，而使得纤芯产生周期性畸变，导致纤芯折射率的周期性变化26。-9-宽带光源宽带光源 光谱分析仪光谱分析仪 刻有刻有V形槽的光纤形槽的光纤H2火焰火焰 图 6 熔融拉锥法制作 LPFG 的示意图 5）微透镜阵列写入 这种方法的关键技术是采用一种微透镜阵列，将一平行的宽束准分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投影到单模光纤上，其中相邻微透镜之间无间隙，其中心间距决定了写入光栅的空间周期。用熔融石英光纤构成微透镜阵列的方法来制作LPFG27。由于这种材料的损坏阈值与光纤相似，且不会阻挡激光，同时它又可以将激光束聚焦成周期性的图形，因此是一种很有吸引力的方法。采用在 1801100nm波长都具有低衰减的低成本UV级熔融石英光纤构成微透镜阵列制作LPFG28，经 50s的曝光后就产生了 11.7dB衰减的LPFG，而在同样条件下用金属掩模板经200s的曝光后才产生 10.9dB衰减的LPFG。这种技术的写入效率比金属掩模技术提高了 4 倍。但微透镜阵列的缺点在于阵列和光纤之间的间隔需要精确控制，以及大功率的紫外光束很容易损坏微透镜阵列。新研制成功的平凸微透镜阵列改进了微透镜阵列技术，进一步提高了制作效率29。如图 7 示，采用石英玻璃制备的柱形微透镜模板的截面图，当一宽束准分子激光垂直入射到微透镜阵列上，透过微透镜阵列，在其焦平面上形成一系列等间距的聚焦条纹，条纹处强度比入射光强度高出三个数量级，实验表明，随着写入时间的延长，长周期光栅的深度也不断增大，特征波长向长波方向移动。因此，通过控制写入的时间和照射到模板上光栅的宽度即写入光栅的总长度，可以用同一块微透镜模板写入不同波长、不同透射率的长周期光栅。宽带宽带 LED（1550nm）光谱分析仪光谱分析仪 单模光纤单模光纤 准分子激光（准分子激光（248nm）微透镜阵列微透镜阵列 图 7 采用微透镜制作 LPFG 的示意图 6）机械感生法30 机械感生原理早在 1980 年就在双折射光纤的偏振模式和光纤两种模式(LP01 LP11)的耦合中得到应用。如图 8 所示，当光纤位于沟槽板(沟槽周期为)和平板之间时，如果对沟槽板施加压力，则光纤受到沟槽板传递的力。由于沟槽板上的沟槽是周期性的，经光弹效应，在光纤上引起周期的折射率调制。通过改变光纤与凹槽之间的角度可以调节光栅的周期和损耗峰的位置。通过调节压力的大小可以控制光栅的损耗峰的深度。实验发现不去除光纤的护套时光栅的插人损耗小，而去除护套时光栅的插人损耗大，原因可能是护套减少光纤的微弯。用这种方法制作的光栅，其透射谱的温度稳定性与光感生的光栅类似。这种LPFG的另一个-10-特点是可擦除，即当压力去除后，光纤的传输可恢复到它的最初波段。因而，使用同样的沟槽板和光纤可得到宽范围的滤波功能。平板平板 沟槽板沟槽板 压力压力 光纤护套光纤护套 光纤光纤 图 8 机械感生法制作 LPFG 的示意图 然而，对于机械感生的LPFG，由于外部压力所致的线性双折射而表现出偏振模式色散，这是我们不愿看到的。因此，采用如图 9 示的装置，可以在两个LPFG之间加一个 900光纤旋转器，这样就可以补偿线性双折射现象31。FH（fiber hoder）、FT（fiber twister）、SMFP（single mode fiber polarizer）分别代表光纤控制器、光纤扭转器、单模光纤偏振器。光谱分析仪光谱分析仪宽带光源宽带光源 压力压力900光纤旋转器光纤旋转器 FPGPFTFHSMFPzx y 图 9 采用补偿措施制作 LPFG 的示意图 7）腐蚀刻槽法32 光纤剥离涂覆层，表面经处理，平直固定，沿轴向等间距均匀喷涂一定宽度的金属薄层，然后将光纤置于氢氟酸中，氢氟酸对光纤材料的腐蚀特性使未涂覆金属层的光纤表面被刻蚀，形成周向对称的轴向周期性结构，使其光学特性发生轴向的周期性调制，形成长周期光纤光栅。为使之刻蚀均匀，氢氟酸中应加入缓蚀剂。8）扫描法 这种方法延伸了点-点写入技术，而且不需要额外的费用就可写入任意形式的LPFG33。实验装置如图 10 所示，UV光束通过显微镜物镜照射到光纤上，显微镜物镜的作用是使光束聚焦后尺寸小于 30m。微控移动平台使UV光束沿着光纤方向进行扫描，此时，由计算机控制的光圈便使光纤周期性的曝光。在这里，光圈的改变是靠移动平台的位置来触发的。光-11-栅的最大长度由移动平台移动的总长度决定，这个限制可通过平移光纤来克服。实验表明，制作出长为 11mm，周期为 500m的LPFG，经测试，实验值与模拟值吻合，从而说明了这个简易方法的准确性。UV 光束光束 计算机控制计算机控制 的光圈的光圈 望远镜望远镜移动平台显微镜物镜移动平台显微镜物镜 光纤应变仪光纤应变仪 电动光纤电动光纤 拉伸器拉伸器 图 10 制作 LPFG 的实验装置图 9）热扩散法 制备光栅的光纤纤芯为掺氮硅玻璃，包层纯硅。利用氮的热扩散型，通过加热，使光纤纤芯模式点处产生径向梯度的变化。逐次的加热可以形成光栅的轴向周期性调制。这种方法制备的光栅有强的抗温度干扰性。33 啁啾光纤光栅的制作 啁啾光纤光栅的制作 啁啾光纤光栅的周期是随其长度变化的，变化形式较多，如线性变化、按平方率变化、随机变化等等；还有一类啁啾光纤光栅，其周期保持恒定，而有效折射率的大小随其长度有一定的变化。在用不同的方法实现色散补偿系统中，啁啾光纤光栅是最有前途的方法。基于啁啾光栅在色散补偿系统中所表现出来的巨大潜力，所以各种专门写入啁啾光栅的方法纷纷出现。分述如下：1）二次曝光法 如图 1（a）所示，在第一次曝光中，将一个不透明的模板放在光纤与光源之间，让其以恒定速度平移，模板运动增加了部分光纤的曝光时间，线性地改变了光纤所接受的辐射量，从而在光纤上形成了一个渐变的有效折射率梯度。如图 1（b）所示，第二次曝光利用相位掩模板在第一次曝光的光纤段写入均匀周期光栅。由于第一次曝光导致光纤有效折射率变化，最终所得的光栅是一个线性啁啾光纤光栅。这种二次曝光法34的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使制作方法大大简化，缺点是两次曝光导致折射率变化量过大，易引起光栅色散曲线的振荡。-12-248nm KrF或或 193nm ArF模板模板 光纤光纤 UV 光光 相位掩模板相位掩模板 光纤光纤 （a）b)图 1 二次曝光法制作啁啾光纤光栅原理图 2）全息干涉法 这种制作啁啾光栅的基本原理是通过在双光束全息光路系统中加入焦距不等的柱状透镜，使两束光的干涉角度沿着光纤轴向发生连续变化，从而造成光纤的纤芯折射率发生周期性渐变，形成啁啾光纤光栅。氩离子激光器产生的激光倍频后(波长 244nm，输出功率为 80-100 mW)，经分光器M1，两束光经全反射镜M2和M3反射，通过两柱状透镜F1和F2聚焦后干涉。由于两柱状透镜的焦距不同，两束光的干涉角度不同，则在空间形成具有啁啾性质的干涉条纹，其间距是空间位置的函数。经第三个柱状透镜F3，将之会聚后，在光纤上刻制出强度较大的啁啾光栅。据此方案能产生带宽为 44nm，反射率为 90的啁啾光栅35。该方法的优点是可通过调节透镜的位置来改变啁啾量的大小，从而可获得任意带宽的啁啾光栅。但由于光的干涉条件比较苛刻，所以柱状透镜的相对位置和角度必须精确控制，任意微小的外部扰动都可能破坏光的干涉条件，故此方法的重复性较差。M1 M2 M3F1 F2 F3 光纤光纤UV 光光 图 2 全息干涉法制作啁啾光纤光栅原理图 3）弯曲法 此方法最早是由Sugden36等人于 1994 年提出的。利用制作均匀周期光栅的曝光光路，只是使光纤机械变形便可制作啁啾光栅。把预先弯好的光纤放在两束干涉光所形成的周期为的干涉条纹场中，光纤和干涉条纹法线方向所成角度为0(z)，如图 3 所示，形成光栅的周期为：)(cos)(0zz （1）-13-可见光栅的周期沿 z 方向是变化的，即形成了啁啾光纤光栅。只要(z)足够小，光栅的辐射模损失可以忽略。由于光纤和光的干涉条纹呈一定的角度，故用该法制备的光栅具有一定的闪耀性，导致了辐射损耗的增加。为了减少辐射损耗，使用含光敏包层的特种光纤，这样可大大抑制其辐射损耗。此方法的优点是所用光学器件少，产生误差的因素少，而且利用同一周期的相位掩模板，可制成不同啁啾的光栅。缺点是弯曲角度较难控制和保持，也不能引入过大的啁啾，否则会形成栅齿倾斜，引起导模耦合成包层模而形成附加损耗。0光强分布光强分布z)(z光纤光纤 图 3 通过弯曲法制作啁啾光纤光栅 4）光纤倾斜法 如图 4 所示，将紫外光源置于凸透镜 1 的焦点位置，经凸透镜 1 的作用使紫外光平行出射至凸透镜 2 上。光束经凸透镜 2 的折射作用以不同的角度入射到相位掩模板上。光纤与相位掩模扳间有一夹角。相位掩模板抑制零级衍射光，透过掩模板的l 级衍射光在光纤纤芯发生干涉，那么光栅的周期可以表示为：2122112)(PMPMdfxx （2）其中 f为透镜的焦距，d为透镜与掩模板间的距离，为光纤与掩模扳的夹角，PM掩模扳的周期。倾斜法写入为37简便，实用性强，易于批量生产。通过控制透镜的焦距及透镜与模板之间的距离可控制所成光栅的啁啾量。但此法要求光源具有很好的相干性。紫外紫外 激光器激光器 x 透镜透镜 1透镜透镜 2相位掩模板相位掩模板 光纤光纤 图 4 光纤倾斜法写入啁啾光纤光栅 5）移动平台法 实验装置如图 5 所示，会聚柱透镜与发散柱透镜组成透镜系统,焦距分别为f1和f2，它们之间距离为l1，会聚柱透镜与掩模板的距离是l2,KrF准分子激光器产生的平行光经透镜-14-系统后展宽，通过相位掩模板照射到光纤上。因此，写入的光纤光栅的波长为：PMeffPMeffeffBczfflknnn),(2211 （3）式中neff和别为光纤的有效折射率和相位掩模板的周期。kc即BPM分和为常数,),211fflPM与 的关系呈线性。固定发散透镜和光纤的装置是可以移动的。因此，波长Bz的改变是通过调节光纤与掩膜板之间的距离z来实现的。据此，可制作任意波长的啁啾光栅。实验表明可以制作波长写入范围达 30nm的啁啾光栅38。这种方法利用相位掩模技术，不但简化了光栅的写入过程，而且易生产高质量的光栅。光栅波长的调节非常简单，写入光栅的啁啾量也可以控制，并且可以写入长距离的光栅。准分子准分子 激光激光 会聚柱透镜发散柱透镜相位掩模板光纤会聚柱透镜发散柱透镜相位掩模板光纤 移动支架移动支架 图 5 移动平台法写入啁啾光纤光栅 6）锥型光纤纵向应力法 这是一种在锥形光纤上写入光栅的方法39。锥形光纤的获得是将光纤置于氢氟酸(HF)中然后匀速提起，由于光纤各部分在溶液的时间不同，故各部分的腐蚀程度也不同，从而形成一段锥形光纤，如图 6 所示。在锥体两端施加应力使之发生形变，再在该锥体部分写入均匀的光栅，最后释放应力，锥体各部分的直径不同，在应力作用下形变也不同，因而释放应力后收缩的比例也就不一样。这样就造成了光栅周期沿轴向变化，从而形成了啁啾光栅。有两种获得啁啾光栅的方法：其一是在无张力下，写入均匀光栅，然后在使用时施加张力;其二是在光纤受到张力的情况下写入均匀光栅，张力去掉后获得啁啾光栅。当所施张力相同时，第二种情况下总的啁啾量更大。包层包层 纤芯纤芯 光强分布光强分布 图 6 锥形光纤纵向应力法写入啁啾光纤光栅 7）锥型纤芯法 将光敏光纤的纤芯作成锥型，则锥型纤芯会影响导模的有效折射率，即 neff 是随光纤的长度变化的。给这种光敏光纤刻上等周期的光栅后，光纤有效折射率的变化引起光栅的有效折射率随长度变化，从而形成啁啾光栅。在施加应力之前，光栅的布拉格波长为：-15-)0()(1)0()(effeffBBnznz （4）式中，)0(B和neff(0)是)0(2)0(effBn式中开始的布拉格波长和有效折射率，)0()(effeffnzzn)effn。锥型纤芯光敏光纤的制作可采用加热拉伸法。当用外力拉动夹具使LT变化时，光纤的啁啾可调。实验表明，一个 2cm长的光栅在中心波长 1546nm处的调谐范围是4nm40。z 包层包层 纤芯纤芯 LT夹具夹具 光栅光栅 图 7 熔融光纤拉伸结构示意图 8）应力梯度法 a 有一种新的简单的方法在光纤光栅上产生应力梯度41。既能调谐光纤光栅的啁啾又能保证反射波谱中心波长不变。如图 8 所示，把一个光纤光栅斜着粘在用两个点支撑的横梁的侧面。光纤光栅的中心位于横梁的中心，因此，当横梁弯曲时，反射波谱的中心波长才不会改变。光纤光栅的啁啾程度可通过把横梁弯成不同的曲率半径来改变。通过调节螺丝使横梁的中心向下，从而改变横梁的曲率半径。使用此技术，光纤光栅的带宽可展宽为 11.32nm。这个简单的装置可用于非线性传输系统的动态色散补偿和智能结构中的弯曲传感器等。螺丝螺丝 光栅光栅聚合物横梁聚合物横梁 铝制框架铝制框架 光谱分析仪光谱分析仪 宽带光源宽带光源 3dB 耦合器耦合器 图 8 实验装置图 b一种使用等周期的相位掩模板制作啁啾布拉格光纤光栅的方法42。啁啾率和时延很容易调谐。首先，使用一块等周期的模板写入光纤光栅，然后，将布拉格光纤光栅粘在事先设计好曲线的一块 20cm9cm1mm的塑料板上。之后，在板的两边施加力F，板沿力的方向产生线性应变，很明显，沿着光纤轴向靠近板的边缘A区的FBG部分比靠近B区的所受的应变大。在A、B区之间，FBG不同部分的周期因不同轴向应变而改变。因此，这个普通的FBG产生了啁啾。通过此种方法，目前已研制出具有 1200ps/nm色散的线性啁啾布拉格光纤光栅和 125ps/nm/nm色散溢出的非线性啁啾布拉格光纤光栅。-16-xy F F ABFBGy=f(x)光纤光纤 图 9 制作啁啾光纤光栅的示意图 9）温度梯度法 由于光栅的布拉格反射波长与温度有线性关系为：0022effBnT （5）式中T是温度的变化量，是光纤的膨胀系数(约 10-6)，是热光系数(约 10-5)。由于B与温度有线性关系，所以在光纤光栅区域内建立起温度梯度，则不同光栅区域内因温度不同而具有不同的布拉格波长，导致光纤光栅的布拉格波长沿轴向呈非线性分布，这样便产生了啁啾现象。温度梯度法43可以利用均匀周期光栅制作较长的啁啾光栅，但是对制作装置精度要求较高。10）PZT分段非线性加电压成栅法44 如图 10 所示为PZT拉伸器，它利用逆压电效应，在 d31方向上进行压缩，在 d33 方向上拉伸。PZT是由N段(N 20)组成，当在PZT的每个薄片分别加以电压(从V1 到V21),且电压控制方式呈线性增加时，类似地可得到近似性的群时延响应，如图 11 中的直线 1 所示，即可制成近似线性啁啾光纤光栅。对于均匀光栅而言，可采用曲线 3 的加压方式，使其变成非线性啁啾光纤光栅，此时电压幅度较大，按曲线 2 所示非线性关系，它可以一次拉制成近似的非线性啁啾光纤光栅。45mm V1 V21 光纤光纤 时间延迟时间延迟/ps电压电压/V 时间延迟时间延迟/psPZT 长度方向长度方向/cm 1 3 2 图 10 PZT 非线性啁啾光栅拉伸器 图 11 不同情况下的(非)线性啁啾 11）擦除法 利用低能量脉冲写入的光栅可被蓝绿光擦除的性质，先写入均匀光栅，再用蓝光或绿光对需要擦除的地方进行擦除而得到所要求的啁啾光栅。12）复合啁啾光栅法 将一列不同周期的均匀光栅按顺序写在光纤上，它最大限度地应用了制作均匀光纤光栅的工艺，很简单，具有很大的灵活性。34 切趾光纤光栅的制作 切趾光纤光栅的制作 光纤光栅的光学切趾是指：在光栅中光感折射率调制的振幅沿着光栅长度有一个钟形函-17-数的形状变化。人们发现光学切趾能避免光栅的短波损耗和有效抑制布拉格光纤光栅反射谱，并能减少啁啾光纤光栅时延特性的振荡，因此对切趾光纤光栅的研究具有十分重要的意义。制作方法如下：1)切趾相位掩模板 利用切趾相位掩模板45是最传统最简单的切趾光纤光栅的制造方法。用聚焦离子束和湿法刻蚀技术可得到板槽尺寸不均匀的相位掩模板，如图 1 所示，通过激光照射此掩模板，一级衍射光的强度将沿光纤呈现钟形函数分布，从而改变条纹反差和光致折射率调制的大小。图 1 切趾相位掩模板 2)扫描法 使用均匀相位掩模板制作较长光栅时，光源光斑很小，不足以对整个掩模板曝光，一般需要移动光纤和掩模板或者移动扫描光束来解决。如果同时改变沿光栅方向的曝光时间，就可以在光纤中写入任意的光栅周期、啁啾和切趾函数46,47。图 2 所示实验装置与一般的扫描技术不同的是光纤安装在计算机控制的具有反馈回路的压电转换器载物台上，并可相对于相位掩模板缓慢移动，在写入光束扫描时，可以耦合相移到光栅中。通过光纤以适当的恒加速度移动，可以形成不同包络切趾的线性啁啾光栅。但这种方法与上一种写入方法，沿光纤光栅轴向的平均折射率变化不是一个常数。由于光纤光栅的自致啁啾，这样的切趾光纤光栅对较短波长的旁瓣抑制效果有限。紫外光束紫外光束 扫描镜扫描镜v 相位掩模板相位掩模板 光纤光纤 载物台载物台 v1 图 2 扫描法制作切趾光纤光栅 3)紫外脉冲相干写入法 利用UV光相干写入切趾光纤光栅，平均折射率的变化沿切趾光栅方向是均匀的。实验装置如图 3 示，反射镜M可沿z轴方向移动扫描相位掩模板，扫描长度为相位掩膜的长度，光纤置于相位掩模板处。相位掩模板充当分束器，将入射UV光分成士 1 级衍射光，衍射光束在镜M1，M2上反射，在M1、M2之间放置柱透镜，使光束在纤芯聚焦。当UV光从掩模板右端入射时，干涉图形就会在光纤左端产生干涉，反之亦然。当UV光束入射到相位掩模板的中心时，两反向传播的光束的光程差为 0；当紫外光向掩模板边缘移动时光程差会线性增加，假设脉冲是高斯脉冲，两脉冲沿光栅方向进行卷积，就产生高斯切趾函数，而且平均折射率的变化沿切趾光栅