光纖光柵的發(fā)展現(xiàn)狀

文/吳朝龍

光纖光柵的發(fā)展現(xiàn)狀

文/吳朝龍

介紹光纖光柵的發(fā)展歷史光纖光柵的寫入方法及光纖光棚在光纖通信和光纖傳感器的應用。

光纖光柵；光纖能信；光纖傳感器；寫入方法

光纖光柵是近幾年發(fā)展最快的光纖無源器件之一。自從加拿大渥太華通信研究中心的首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應，并采用駐波寫入法制成世界上第一只光纖光柵，美國聯(lián)合技術研究中心的實現(xiàn)了光纖光柵的激光側(cè)面寫入技術，使光纖光柵的制作技術實現(xiàn)了突破性進展。隨著光纖光柵制造技術的不斷完善，其應用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領域都將由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性變化，光纖光柵技術是光纖技術中繼摻鉺光纖放大器技術之后的又一重大技術突破。

光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化的特性。比如用激光干涉條紋（全息照相）從側(cè)面輻照摻鍺光纖，就可使其成為光纖光柵。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖無源器件。這些器件具有反射帶寬范圍大附加損耗小、體積小，能與光纖很好的耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。

本文將對光纖光柵的寫入方法及光纖光柵在光纖通信和光纖傳感器方面的應用作簡單介紹。

一、光纖光柵的寫入方法簡介

人們對光纖光柵制作的研究已取得飛躍發(fā)展，目前光纖光柵的寫入分類方法很多，從使用的光源看，有激光和紫外光；從使用的方式看，有干涉型寫入和非干涉型寫入；有均勻周期光柵寫入和非均勻周期光柵寫入；另外還有內(nèi)部寫入和外部寫入之分，其中每一類又都幾乎包含多種具體的實現(xiàn)方法。比如均勻周期光柵的寫入方法包含縱向駐波干涉法、橫向全息曝光法、相位掩膜法、逐點寫入法、在線寫入法、直接寫入法、微透鏡陣列法、光纖刻槽拉伸法、聚焦二氧化碳激光器寫入法、聚焦離子束寫入法、電弧導致微彎法、洛埃鏡寫入法、莫爾條紋振幅模板寫入法等；非均勻周期光柵的寫入方法包含全息干涉法、相位掩膜法、兩次曝光法、光纖彎曲法、錐形光纖法、應力梯度法、移動平臺法、復合hp光柵法等。下面簡單介紹幾種重要的寫入技術。

1.橫向全息曝光寫入法

這種方法是將纖芯摻鍺濃度較高的一段紫外光敏光纖在兩束紫外光束交疊區(qū)域所形成的干涉場中曝光，引起纖芯折射率的周期性擾動，從而形成光柵。此法的優(yōu)點是可以隨意調(diào)節(jié)光柵波長（只需改變兩束相干光的夾角）以及僅要求簡單的光學元件，但對光源的相干性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。

2.相位掩膜寫入法

相位掩膜法是目前應用較多的一種方法。這種方法是將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置于裸光纖上，相位掩膜具有壓制零級，增強一級衍射的功能。紫外光經(jīng)過掩膜相位調(diào)制后衍射到光纖上形成干涉條紋，寫入周期為掩膜周期一半的光柵。此法不依賴于入射光波長，只與相位光柵的周期有關，因此對光源的相干性要求不高，從而簡化了光纖光柵的制造系統(tǒng)，但其缺點是制作掩膜復雜。

3.逐點寫入法

這是一種非相干寫入技術。它是利用聚焦光束在光纖上逐點曝光而形成光柵，每寫一個條紋，光柵移動一定距離，需用納米級的精密機構控制光纖運動位移。通過控制光纖的移動，可以方便的控制光柵的周期。但技術操作較難，一般用于制造長周期光柵。

4.在線寫入法

這是一種較新的成柵方法。它是在光纖拉制過程中在裸光纖上直接寫入光柵，通過對干涉系統(tǒng)中兩束干涉光夾角的調(diào)節(jié)，可在線自動寫入反射波長不同的一系列光纖光柵。此法制造工藝簡單，能連續(xù)大批量地制造光纖光柵，提高了光纖性能的穩(wěn)定性，但還需對所使用的準分子激光束截面進行改進才能滿足實用化的要求。

二、光纖光柵在光纖通信方面的應用

在光纖通信領域，由于光纖光柵的獨特性能，將影響到光源、光放大、光纖色散補償、光信號處理等各個方面，是下一代高速光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的關鍵器件之一。同時，光纖光柵也使各種全光器件的研制成為可能，如全光纖激光器、全光纖濾波器等，因而所謂的全光纖一維光子集成，即將各種全光纖器件集成在一條光纖里，形成諸多集成型光纖信息系統(tǒng)也將成為現(xiàn)實。它迫使人們不得不重新考慮光通信系統(tǒng)的每一個設計，將來光通信系統(tǒng)中如果沒有光纖光柵就如傳統(tǒng)光學系統(tǒng)中沒有鏡片一樣令人難以置信。光纖光柵幾乎可以運用到光纖通信的每一個領域，其主要應用有：

1.光纖激光器

它是利用光纖光柵的反射性，構成光纖激光器所需的諧振腔，實現(xiàn)光纖激光器。其與光纖光柵的兼容性、輸出穩(wěn)定性和光譜純度比半導體激光器好，且具有較高的光輸出功率、極窄的線寬和較寬的調(diào)諧范圍。

2.光纖放大器

在長中繼和高速光通信系統(tǒng)中，要求光放大器在較寬的帶寬內(nèi)有平坦的增益，而一般的光纖放大器都不能滿足，用閃耀光纖光柵做成特定的光譜損耗形式可以平衡光放大器的增益。

3.色散補償器

光纖的色散和損耗是影響光纖通信能力的兩個重要因素。光柵的出現(xiàn)使光纖損耗不再是光通信系統(tǒng)的主要問題，色散補償成為光纖通信中急需解決的問題。由于不同頻率分量在光纖中具有不同的傳輸速度，使得輸入脈沖在經(jīng)過光纖傳輸后發(fā)生展寬，產(chǎn)生色散，如經(jīng)過Chp光纖光柵反射后，由于不同頻率分量在光柵中的不同位置發(fā)生反射，使脈沖的高頻成分獲得比低頻成分大的時延，從而使脈沖被重新壓縮。

綜上所述，由于光纖光柵在通信、傳感及其它領域中的重要應用價值和廣泛的應用前景，近年來對光纖光柵的研究得到了十分迅速的發(fā)展，已成為全球性的一個技術熱點。

［1］靳偉，廖延彪，張志鵬。《導波光學傳感器：原理與技術》。北京：科學出版社，1998

［2］林均岫，彭偉，《光纖布喇格光柵及其應用》，光學技術，1999，25（2）：50-53

（作者簡介：延安大學物理與電子信息學院）

吳朝龍（1990—），男，漢族，陜西省商洛市人，本科生在讀，現(xiàn)就讀于延安大學物理與電子信息學院，物理學專業(yè)。