光纤光栅的制作与发展

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1、光纤光栅的制作与发展光纤光栅的制作与发展1.1 光纤材料的光敏性光纤材料的光敏性 光纤光栅的光敏性是指物质的物理或者化学性质在外部光的作用下发生暂时或永久性 改变的材料属性。对光纤材料的光敏性而言，则是指折射率、吸收谱、内部应力、密度和 非线性极化率等多方面的特性发生永久性改变。 石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个硅原子通过形成共价键与四个氧原子相 连。虽然 Ge 原子与 Si 原子同为四价元素，可以代替 Si 原子在石英玻璃四面体结构中的位 置，但是 Ge 的掺入仍将对石英玻璃的分子结构产生干扰并不可避免的形成缺陷中心。由 于纯石英玻璃的吸收带位于 160nm 处，对波长在 190nm

2、 以上一直到红外区的光具有大于 90%的透过率。这些波长的光不会对石英材料的性质产生任何形式的影响，因此，光纤的 光敏性与掺杂有关。 一般认为掺锗石英光纤材料的光敏现象源于缺陷中心。起初，曾认为光敏性仅能从掺 锗光纤中出现，光栅不能从纯硅纤芯生长，OH 基对光纤的光敏性不是必要的。但是后来 实验表明，光敏性存在于众多种类的光纤。比如，基于硅基光纤的掺铕光纤，掺铈光纤， 掺饵锗光纤，以及掺氟浩盐光纤的掺锶饵光纤等。 然而从实用的观点来看，最引人注意的光敏光纤就是广泛应用于通信产业和光传感领 域的纤芯掺锗光纤。在光纤材料中掺锗以后将产生位于 180nm，195nm，213nm，240nm，281n

3、m，325nm，517nm 等多个附加的吸收带，其中 240nm 和 195nm 为强吸收带。240nm 吸收带的宽度约为 30nm，325nm 吸收带的强度仅为 240nm 吸收带的 1/1000。通常，对光纤材料光敏性研究主要集中在 240nm 和 193nm 的紫 外光波段上。 1.2 光纤材料的增敏技术光纤材料的增敏技术 自光敏性的发现和第一次证实锗硅光纤中的光栅以来，增加光纤中的光敏性就成为了 一个重要的考虑因素。标准单模通讯光纤中掺有 3%的锗，典型的光致折射率变化为310-5。由于光纤材料的光敏性与光纤的掺杂浓度基本上成正比关系，因此提高光纤材 料感光性最直接的方法就是提高光纤芯

4、区的锗掺杂浓度。一般地，增加掺锗浓度可导致510-4的光致折射率变化。但是用这种方法提高光纤材料的光敏性有一个很大的不利因 素，即增加光纤芯区含锗量将增大光纤芯区和包层折射率之差。为保证光纤只能进行单模 传输，必须减少光纤的芯径。当芯区的锗含量很高时，光纤的芯径将要非常小，这将影响 光敏光纤与普通单模光纤的匹配性能。 因此，寻求更为有效的光纤材料增敏方法具有非常重要的意义。提高光纤材料紫外感 光特性的方法可以从以下几个方面考虑： （1）增加光纤材料中的缺陷浓度。 （2）在光纤材料中掺入具有较大紫外吸收系数的杂质。 （3）在光纤的芯区或包层中掺入适当杂质，尽可能增大二者之间的热特性失配度。 目前

5、，已经有多种有效的光纤材料增敏方案在实验室应用。这些方案主要分为三种， 即载氢技术、光纤还原法和多种掺杂。 1.2.1 载氢增敏技术载氢增敏技术 1993 年，AT光纤经过一定时间照射，在纤芯内部引起和干涉条纹同样分布的折射率 变化，从而在光纤上就写人了正弦分布的体光栅。干涉条纹间距如式(1)。这种方法的最大优点在于突破了纵向驻波法对布喇格中心反射波长的限制，可以在最 感兴趣的波段内对之进行更充分的运用。它既行之有效，又操作简单，所以受到普遍重视， 也得到了相当的运用。采用改变两光束夹角或旋转光纤放置位置的方法都可以方便的实现 改变反射中心波长之目的，或者将光纤以一定弧度放置于相干场，很容易得

6、到带有 chirp 的光纤光栅。这些都是全息相干法优点所在。 图 2 干涉计写光纤光栅方法这种方法亦存在很大的缺点，给制作带来诸多问题。首先，全息相干对光源的空间相 干性和时间相干性都有很高的要求:空间相干性由激光器输出光的横模特性决定。如果激光 器处于多横模振荡，那么输出光束就有较大的空间发散性，通过测定激光的近场图和远场 图可知:输出光斑是由一系列的尖峰所组成，每一尖峰的宽度约为微秒数量级，并且是无规 划分布的，这就说明整个输出光束的截面内并非全部相干，相干区域仅是很小的一部分， 所以输出光束的多横模现象将严重影响全息相干法的效果。另外，输出光的纵模特性决定 了它的时间相干性。如果是多纵模

7、振荡，或纵模存在严重漂移(如由温度变化引起)，都将 增加输出线宽，由2/cL可以看出，线宽增加大大缩短了相干长度，对全息相干法写人效果也极为不利，增大了光 路的调节难度；其次，欲得到准确的布喇格中心反射波长，对光路的调整有着极高的精度 要求，从 d 和 B容易得出：2cos (sin )Bn 假如采用 = 240nm 的紫外光，光纤折射率 n= 1. 45，那么要得到 B =1550nm 的反射中 心波长， 为 12. 97o；如果光路调整使 偏差 0. 01o，可得到中心波长偏差 B =67. 27nm ，可见制作的 FBG 的中心波长已经远离了 1550nm。这说明了对光路调整 要求是 极

8、其苛刻的。 全息相干法要有一定的曝光时间，这就要求在这一段曝光时间内光路保持良好的防振，以 避免波长量级的扰动造成光路错动，恶化相干效果，因此要将光路中的元件都置于一个防 震平台上。全息相干法的光源大多为 Ar十二倍频和染料二倍频激光器，并配以高质量的相干光路。一般来说，其装置体积都很大。2.2.3 外写入单脉冲法外写入单脉冲法 所用的内写入法和侧面曝光全息法，要求写入光有足够高的能量密度，一般为几百焦 尔每平方厘米，曝光时间为数秒至几分不等，而且对整个系统的稳定性要求极高，需要排 除诸如气流振动、温度漂移、光源不稳定等因素的影响。对此，研究人员提出了利用准分 子激光器制作光栅的单脉冲法。As

9、k-ins 等人利用该方法，采用 Kr+F 准分子激光器作光源 制作光栅，所需能量密度小(1J/cm2)，曝光时间短(20ns)，得到的光纤折射率为 10-5，最高可达 10-4，效率高，其性能见表 1。同以往的方法相比，该方法一次性曝光，可以免除外 界的干扰，对于制作大批量的光栅有重要的意义。Archambault 等人利用该方法制作出了深 度折射率调制的高反射率光栅，光栅折射率变化可达 510-4，反射率为 65%，FWHM 为 6GHz，这是目前据文献报道最窄的带宽，其性能见表 1。图 2 是利用该方法制作光栅的系 统结构示意图。图中柱面镜可分别放置在 a，b 位置将两束光汇聚在光纤上。

10、图 2 单脉冲写入法装置 2.2.4 外写入掩模法外写入掩模法 主要指相位掩模法。相位掩模是个衍射元件，由计算机控制经刻蚀而成。入射的 UV 光经 过图 3 相位掩模法示意图 掩模形成衍射，衍射光侧面照射光纤，是因光敏效应可在掩模后的不同位置形成不同周期 的光栅所致。图 3 为用相位掩模制作光栅的一种系统结构示意图。 相位掩模放在一个靠近光纤的精密光刻装置中，掩模光栅的条纹与光纤轴正交，正入 射的 UV 光经掩模后作相位调制，产生衍射;在入射光方向 Talbot 距离内形成不同的干涉条 纹。在图 3 所示系统中，Hill 等人采用压制零级衍射(约占入射能量的 5%)的方法使入射光 的正、负级衍

11、射光发生干涉，形成对比强烈的干涉条纹，对纤芯曝光形成光栅。实验中用 249nm 的准分子激光器作光源，对 AndrewD 型光纤曝光，得到的光栅性能见表 1。在该方 法所示的基础上，用单脉冲准分子激光器能够作为高质量的光栅，反射率几乎可达 100%，见表 1 所示。用这种方法曝光时间大大缩短，保证了光源的时间和空间的相干性， 提高了效率，为以后在拉制光纤的同时大批量写入光栅奠定了基础。利用零级压制法制作 光栅也可用 Nd3+:YLF 激光器作光源，经四倍频后输出 UV 光，由掩模调制后的诱导光用 较短的时间就能够制成高质量的 Bragg 反射光栅。该方法对于大批量地快速写入光栅有十 分重要的参

12、考价值。相位掩模技术的放大原理 用相位掩模法制作的光纤光栅，其周期受掩模周期和光纤折射率的控制，与入射光的波长 无关。对于已有固定周期的掩模，可用一个透镜来改变写入光栅的 Bragg 波长，其原理如 图 4 所示。由几何关系可知，经过透镜后的放大倍率可以表示为 M=（f-p-q）（f-p）式 中，f，p，q 分别为透镜的焦距!透镜与掩膜的距离，以及掩膜与光纤轴间的距离。其中当 透镜为正透镜时，f 为正;当为负透镜时，f 为负。实验证明，用正透镜可以减小所建光栅的 Bragg 波长，减少的大小与 p，q 值有关。 位相光栅衍射写人法是现在最有前途、使用最广的一种方法。目前，能够见到的位相 光栅衍

13、射相干法大致可分为四类，分别示于图 S (a), (b), (c), (d)。从对光栅的要求来看，(a), (b)为一类，(c), (d)各为一类。它们的使用方法各不相同，对位相光栅的工艺要求也有高低 之别，但都是为了使位相光栅的衍射光相交而产生高质量的干涉场，以便有效地实现 FBG 的制作。 在(a), (b)中，要求人射光垂直人射位相光栅，根据光栅方程(sinsin )dm可得，人射角 =0o时，有 dsin=m，d 为位相光栅栅距， 为衍射角。显然，士 1 级 衍射光发生相干，则条纹间距为可见正入射并利用正负一级衍射光产生相干时，所得条纹间距总等于位相光栅距的一半， 而与人射光波长无关，

14、这一点正是该方程的优点所在。 图(c)是斜入射利用 0 级和一 1 级衍射光产生相干的示意图，这种情况较正人射要复杂一些， 由光栅方程(8)可得: 所以得到两衍射光产生的干涉场条纹间距为：从图 6 中可以看出，当光纤与位相光栅出射面紧贴时，经与干涉条纹有夹角1 22所以有光纤光栅栅距为：从上面的分析可以看出，在位相光栅近场干涉场中，士 1 级衍射光相干条纹间距为 d /2， 而 0 级和 1 级衍射光相干条纹间距为 d，更高级衍射光相干条纹间距又不相同，这样在光 纤上就会存在多组条纹不同间距的条纹，显然对于制出高质量的 FBG 是极不利的。因此， 必须对位相光栅参数提出特殊要求，才可能避免其近

15、场中多套相干条纹的混杂。为消除光 的影响，必须对位相光栅的刻蚀深度有严格要求。 图 4 中 d 是在位相光栅法上的改进方法，紫外光首先经位相光栅，产生士 1 级，这二光束 在矩形棱镜内部反射而在底面产生干涉场，在光纤内写出光栅。这个技术对位相光栅产生 的 0 级消除不是十分苛刻，因为空间滤波将其消除。这方法很稳定，允许较快地改变，是 非接触式，设备亦较小型。2.2.5 分波面干涉法分波面干涉法 采用分波面干涉法可以实现 FGB 的制作，相比之下，它较全息相干法结构上更为简单，可(a)(b) 采用更少或更灵活的光学元件。图 4 中示出了三个棱镜分波面法。图中，(a)是一端为斜面 的长方棱镜；(b

16、)是直角三角棱镜；(c)是等腰三角棱镜。 (c) 图(a), (b)中紫外光束从斜面人射，调节光束位置，使 1/2 光束从棱镜反射，在底面和另 1/2 光束形成干涉场。光纤紧贴底面，进行曝光，从而将光栅写人光纤纤芯上。这种方法制 得的光栅距为22 12sin (sincos )anaa a 为晶体人射斜面与水平面的夹角，n1为对应人射波长的晶体的照射率。由此可见，只需 控制人射斜面的倾角，就可以得到所需的光栅周期。等腰三角棱镜法在(c)图中紫外光束从 棱镜人射，干涉场在棱镜底面产生，光纤置于底面附近，得到的光栅栅距为式中， 为棱镜的下角。 计算发现，在 B =1550nm 时，a=24. 5o,若 a 角有 0. 1 的偏差，偏约 2nm，对应 B偏 差约 6nm。可见这种方法较前面的 M-Z 干涉法，对角度调整的要求较低，同时光路亦简单。分波面法:虽然两光束光程很小，从相干性要求看，对光束的空间相干性亦有较高的