光纤光栅制作技术综述

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1、光纤光栅制作技术综述一．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

2、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-3-2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10～10，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

3、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。纤芯Bragg光栅输入宽光谱透射光反射光图1Bragg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

4、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K＝=2/(为光栅周期)(1)12式中，是由模式1耦合到模式2所需的光栅周期，、分别为模式1和模式2的传12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：2/()2(2)12010101如图2所示，K值较大，则很小(＜1m),这种光栅为Bragg光栅(FBG)。它的基本特性-1

5、-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：2n（n为有效折射率）(3)Beffeff2/01001图2FBG的相位匹配条件n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nc1为模的阶数，则根据相位匹配条件有：n2/(4)1201c1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

6、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。2/)1()2()1(2/010c1c10101c1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-4理，直接用紫外光照射光

7、纤，折射率增加仅为10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。-3B/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以-5上，远高于普通光纤中的10。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）、

8、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。7(3)载氢普通光纤在高压（10Pa）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