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(yīng)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(wú)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(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一只光纖光柵，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的實(shí)現(xiàn)了光纖光柵的激光側(cè)面寫入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器技術(shù)之后的又一重大技術(shù)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(guò)摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)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(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(dú)特的光纖無(wú)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(duì)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(yīng)用作簡(jiǎn)單介紹。

一、光纖光柵的寫入方法簡(jiǎn)介

人們對(duì)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(shí)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(diǎn)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(dǎo)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(yīng)力梯度法、移動(dòng)平臺(tái)法、復(fù)合hp光柵法等。下面簡(jiǎn)單介紹幾種重要的寫入技術(shù)。

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(chǎng)中曝光，引起纖芯折射率的周期性擾動(dòng)，從而形成光柵。此法的優(yōu)點(diǎn)是可以隨意調(diào)節(jié)光柵波長(zhǎng)（只需改變兩束相干光的夾角）以及僅要求簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，但對(duì)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(yīng)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(jí)，增強(qiáng)一級(jí)衍射的功能。紫外光經(jīng)過(guò)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(zhǎng)，只與相位光柵的周期有關(guān)，因此對(duì)光源的相干性要求不高，從而簡(jiǎn)化了光纖光柵的制造系統(tǒng)，但其缺點(diǎn)是制作掩膜復(fù)雜。

3.逐點(diǎn)寫入法

這是一種非相干寫入技術(shù)。它是利用聚焦光束在光纖上逐點(diǎn)曝光而形成光柵，每寫一個(gè)條紋，光柵移動(dòng)一定距離，需用納米級(jí)的精密機(jī)構(gòu)控制光纖運(yùn)動(dòng)位移。通過(guò)控制光纖的移動(dòng)，可以方便的控制光柵的周期。但技術(shù)操作較難，一般用于制造長(zhǎng)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(guò)程中在裸光纖上直接寫入光柵，通過(guò)對(duì)干涉系統(tǒng)中兩束干涉光夾角的調(diào)節(jié)，可在線自動(dòng)寫入反射波長(zhǎng)不同的一系列光纖光柵。此法制造工藝簡(jiǎn)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(duì)所使用的準(zhǔn)分子激光束截面進(jìn)行改進(jìn)才能滿足實(shí)用化的要求。

二、光纖光柵在光纖通信方面的應(yīng)用

在光纖通信領(lǐng)域，由于光纖光柵的獨(dú)特性能，將影響到光源、光放大、光纖色散補(bǔ)償、光信號(hào)處理等各個(gè)方面，是下一代高速光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵器件之一。同時(shí)，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(shí)。它迫使人們不得不重新考慮光通信系統(tǒng)的每一個(gè)設(shè)計(jì)，將來(lái)光通信系統(tǒng)中如果沒(méi)有光纖光柵就如傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中沒(méi)有鏡片一樣令人難以置信。光纖光柵幾乎可以運(yùn)用到光纖通信的每一個(gè)領(lǐng)域，其主要應(yīng)用有：

1.光纖激光器

它是利用光纖光柵的反射性，構(gòu)成光纖激光器所需的諧振腔，實(shí)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(dǎo)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(zhǎng)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(bǔ)償器

光纖的色散和損耗是影響光纖通信能力的兩個(gè)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(wèn)題，色散補(bǔ)償成為光纖通信中急需解決的問(wèn)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(guò)光纖傳輸后發(fā)生展寬，產(chǎn)生色散，如經(jīng)過(guò)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(shí)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(lǐng)域中的重要應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，近年來(lái)對(duì)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(gè)技術(shù)熱點(diǎn)。

［1］靳偉，廖延彪，張志鵬。《導(dǎo)波光學(xué)傳感器：原理與技術(shù)》。北京：科學(xué)出版社，1998

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

（作者簡(jiǎn)介：延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)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(xué)物理與電子信息學(xué)院，物理學(xué)專業(yè)。