光纖光柵

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更新時間: 2013-12-04

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光纖光柵是利用光纖材料的光敏性,通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯,在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化,從而形成永久性空間的相位光柵,其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經過光纖光柵時,滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射,其餘的波長透過光纖光柵繼續傳輸。

(圖)光纖光柵光纖光柵
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性,通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯,在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化,從而形成永久性空間的相位光柵,其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經過光纖光柵時,滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射,其餘的波長透過光纖光柵繼續傳輸。
光纖光柵 -研製成功

1978年,加拿大通信研究中心的K.O.Hill及其合作者首次從接錯光纖中觀察到了光子誘導光柵。Hill的早期光纖是採用488nm可見光波長的氛離子激光器,通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵。後來Meltz等人利用高強度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進行側面橫向曝光在該光纖芯中產生折射率調製或相位光柵。1989年,第一支布拉格諾振波長位於通信波段的光纖光柵研製成功。

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光纖光柵 -主要特點
(圖)光纖光柵光纖光柵

光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、易於與光纖系統連接、便於使用和維護、帶寬範圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性,而且光纖光柵製作工藝比較成熟,易於形成規模生產,成本低,因此它具有良好的實用性,其優越性是其他許多器件無法替代的。這使得光纖光柵以及基於光纖光柵的器件成為全光網中理想的關鍵器件。

1978年K.O.Hill等人首先在摻鍺光纖中採用駐波寫入法製成第一隻光纖光柵,經過二十多年來的發展,在光纖通信、光纖感測等領域均有廣闊的應用前景。隨著光纖光柵製造技術的不斷完善,光纖光敏性逐漸提高;各種特種光柵相繼問世,光纖光柵某些應用已達到商用化程度。應用成果日益增多,使得光纖光柵成為最有發展前途、最具代表性和發展最為迅速的光纖無源器件之一。

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光纖光柵 -基本分類
(圖)光纖光柵光纖光柵

根據不同法分類標準,可以把光纖光柵分成不同的類別:

(1)光纖光柵按其空間周期和折射率係數分佈特性可分為:

①均勻周期光纖布喇格光柵:通常稱為布喇格光柵(Fiber Bragg Grating,簡稱FBG),是最早發展起來的一種光柵,也是應用最廣的一種光柵。折射率調製深度和柵格周期均為常數,光柵波矢方向跟光纖軸向一致。此類光柵在光纖激光器、光纖感測器、光纖波分復用/解復用等領域有重要應用價值。

②啁啾光柵:柵格間距不等的光柵。有線性啁啾和分段啁啾光柵,主要用來做色散補償和光纖放大器的增益平坦。

③閃耀光柵:當光柵製作時,紫外側寫光束與光纖軸不垂直時,造成其折射率的空間分佈與光纖軸有一個小角度,形成閃耀光柵。

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④長周期光柵:柵格周期遠大於一般的光纖光柵,與普通光柵不同,它不是將某個波長的光反射,而是耦合到包層中去,主要用於EDFA的增益平坦和光纖感測。

⑤相移光柵:在普通光柵的某些點上,光柵折射率空間分佈不連續而得到的。它可以看作是兩個光柵的不連續連接。它能夠在周期性光柵光譜阻帶內打開一個透射窗口,使得光柵對某一波長有更高的選擇度。可以用來構造多通道濾波器件。

此外還有Tapered光纖光柵,取樣光纖光柵、TopHat光柵、超結構光柵等。

(2)根據光纖光柵的成柵機理來分可分為三種:Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型。

①Ⅰ型光柵:即最常見的光柵,可成柵在任何類型的光敏光纖上,其主要特點是其導波模的反射譜跟透射譜互補,幾乎沒有吸收或包層耦合損耗;另一特點是容易被「擦除」,即在較低溫度(200℃左右)下光柵會變弱或消失。

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②ⅡA型光柵:成柵於高摻鍺(15%mol)光敏光纖或硼鍺共摻光敏光纖上,曝光時間較長。成柵機理於Ⅰ型不同。其寫入過程為:曝光開始不久,纖芯中形成Ⅰ型光柵,隨著曝光時間的增加,此光柵被部分或者完全擦除,然後再產生第二個光柵,即形成ⅡA型光柵,其溫度穩定性優於Ⅰ型光柵,直到 500℃附近才能觀察到光柵的擦除效應,更適合於在高溫下使用,如高溫感測等。

③Ⅱ型光柵:由單個高能量光脈衝(大於0.5J/cm2)曝光形成。其透射譜只能使波長大於Bragg波長的光透射,波長小的部分被耦合到包層中損耗掉。成柵機理可理解為能量非均勻的激光脈衝被纖芯石英強烈放大造成纖芯物理損傷的結果。有極高的溫度穩定性,在800℃下放置24小時無明顯變化,在1000℃環境中放置4小時后大部分光柵才消失。

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光纖光柵 -製作方法
(圖)光纖光柵光纖光柵火災報警系統

1光敏光纖的製備
採用適當的光源和光纖增敏技術,可以在幾乎所有種類的光纖上不同程度的寫入光柵。所謂光纖中的光折變是指激光通過光敏光纖時,光纖的折射率將隨光強的空間分佈發生相應的變化,如這種折射率變化呈現周期性分佈,並被保存下來,就成為光纖光柵。 光纖中的折射率改變數與許多參數有關,如照射波長、光纖類型、摻雜水平等。如果不進行其它處理,直接用紫外光照射光纖,折射率增加僅為(10的負4次方)數量級便已經飽和,為了滿足高速通信的需要,提高光纖光敏性日益重要,光纖增敏方法主要有以下幾種:
1)摻入光敏性雜質,如:鍺、錫、棚等。
2)多種摻雜(主要是B/Ge共接)。
3)高壓低溫氫氣擴散處理。
4)劇火。

2成柵的紫外光源
光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現在244nm紫外光的錯吸收峰附近,因此除駐波法用488nm可見光外,成柵光源都是紫外光。大部分成柵方法是利用激光束的空間干涉條紋,所以成柵光源的空間相干性特別重要。主要的成柵光源有準分子激光器、窄線寬準分子激光器、倍頻Ar離子激光器、倍頻染料激光器、倍頻OPO激光器等,根據實驗結果,窄線寬準分子激光器是用來製作光纖光柵最為適宜的光源。它可同時提供193nm和244nm兩種有效的寫入波長並有很高的單脈衝能量,可在光敏性較弱的光纖上寫人光柵並實現光纖光柵在線製作。

3成柵方法
光纖光柵製作方法中的駐波法及光纖表面損傷刻蝕法,成柵條件苛刻,成品率低,使用受到限制。主要的成柵有下列幾種。
1)短周期光纖光柵的製作
a)內部寫入法 內部寫入法又稱駐波法。將波長488nm的基模氛離子激光從一個端面耦合到錯摻雜光纖中,經過光纖另一端面反射鏡的反射,使光纖中的人射和反射激光相干涉形成駐波。由於纖芯材料具有光敏性,其折射率發生相應的周期變化,於是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵,它起到了Bragg反射器的作用。已測得其反射率可達90%以上,反射帶寬小於200MHZ。此方法是早期使用的,由於實驗要求在特製鍺摻雜光纖中進行,要求鍺含量很高,芯徑很小,並且上述方法只能夠製作布拉格波長與寫入波長相同的光纖光柵,因此,這種光柵幾乎無法獲得任何有價值的應用,現在很少被採用。示。用準分子激光干涉的方法,Meltz等人首次製作了橫向側面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在接錯光纖的側面相干,形成干涉圖,利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由∧=λuv/(2sinθ)給出。可見,通過改變人射光波長或兩相干光束之間的夾角,可以改變光柵常數,獲得適宜的光纖光柵。但是要得到高反射率的光柵,則對所用光源及周圍環境有較高的要求。這種光柵製造方法採用多脈衝曝光技術,光柵性質可以精確控制,但是容易受機械震動或溫度漂移的影響,並且不易製作具有複雜截面的光纖光柵,這種方法使用不多。

b)光纖光柵的單脈衝寫入 由於準分子激光具有很高的單脈衝能量,聚焦后每次脈衝可達J•cm-2,近年來又發展了用單個激光脈衝在光纖上形成高反射率光柵。英國南安普敦大學的Archambanlt等人對此方法進行了研究,他們認為這一過程與二階和雙光子吸收有關。由於光柵成柵時間短,因此環境因素對成柵的影響降到了最低限度。此外,此法可以在光纖技制過程中實現,接著進行塗覆,從而避免了光纖受到額外的損傷,保證了光柵的良好強度和完整性。這種成柵方法對光源的要求不高,特別適用於光纖光柵的低成本、大批量生產。

c)相位掩膜法 將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置於探光纖上,相位掩膜具有壓制零級,增強一級衍射的功能。紫外光經過掩膜相位調製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Bragg光柵。這種成柵方法不依賴於人射光波長,只與相位光柵的周期有關,因此,對光源的相干性要求不高,簡化了光纖光柵的製造系統。這種方法的缺點是製作掩膜複雜,為使KrF準分子激光光束相位以知間。隔進行調製,掩膜版一維表面間隙結構的振幅周期被選為4π(nilica-1)/(A•λKrF)=π,這裡A是表面間隙結構的振幅。這樣得到的相位掩膜版可使準分子激光光束通過掩膜后,零級光束小子衍射光的5%,人射光束轉向+1和-1級衍射,每級衍射光光強的典型值比總衍射光的35%還多。用低相干光源和相位掩膜版來製作光纖光柵的這種方法非常重要,並且相位掩膜與掃描曝光技術相結合還可以實現光柵耦合截面的控制,來製作特殊結構的光柵。該方法大大簡化了光纖光柵的製作過程,是寫入光柵極有前途的一種方法。

2)長周期光纖光柵的製作
a)掩膜法 掩膜法是製做長周期光纖光柵最常用的一種方法。實驗中採用的光纖為光敏光纖,PC為偏振控制器,AM為振幅掩膜,激光器照射數min后,可製成周期60μm~1mm範圍內變化的光柵,這種方法對紫外光的相干性沒有要求。

b)逐點寫人法 此方法是利用精密機構控制光纖運動位移,每隔一個周期曝光一次,通過控制光纖移動速度可寫入任意周期的光柵。這種方法在原理上具有最大的靈活性,對光柵的耦合截面可以任意進行設計製作。原則上,利用此方法可以製作出任意長度的光柵,也可以製作出極短的高反射率光纖光柵,但是寫人光束必須聚焦到很密集的一點,因此這一技術主要適用於長周期光柵的寫入。它的缺點是需要複雜的聚焦光學系統和精確的位移移動技術。由於各種精密移動平台的研製,這種長周期光纖光柵寫入方法正在越來越多的被採用。

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光纖光柵 -廣泛應用
(圖)有關書籍有關書籍

光纖光柵在光纖通信系統中的應用 光纖光柵作為一種新型光器件,主要用於光纖通信、光纖感測和光信息處理。在光纖通信中實現許多特殊功能,應用廣泛,可構成的有源和無源光纖器件分別是:

有源器件:光纖激光器(光柵窄帶反射器用於DFB等結構,波長可調諧等);半導體激光器(光纖光柵作為反饋外腔及用於穩定980nm泵浦光源);EDFA光纖放大器(光纖光柵實現增益平坦和殘餘泵浦光反射);Ramam光纖放大器(布喇格光柵諧振腔);

無源器件:濾波器(窄帶、寬頻及帶阻;反射式和透射式);WDM波分復用器(波導光柵陣列、光柵/濾波組合);OADM上下路分插復用器(光柵選路);色散補償器(線性啁啾光纖光柵實現單通道補償,抽樣光纖光柵實現WDM系統中多通道補償);波長變換器 OTDM延時器 OCDMA編碼器 光纖光柵編碼器。

光纖光柵 -發展前景

全光通信的研究還處於起步階段,許多技術難點需要克服。雖然光纖光柵不能解決全光通信中所有的技術難點,但是對光纖光柵技術和器件的研究可以解決全光通信系統中許多關鍵技術。因此對光纖光柵的研究可以促進全光通信網的早日實現。

光纖光柵是將來很長一段時間內光纖通信系統中最具實用價值的無源光器件之一,利用它可組成多種新型光電子器件,由於這些器件的優良性能使人們更加充分地利用光纖通信系統的帶寬資源。對光纖光柵的研究和開發正逐步深入到光纖通信系統的每一個細節,從波分復用系統的合波/分波、光纖放大器的增益平坦、色散補償,到全光網路上下路、波長路由、光交換等,光纖光柵的應用將推動高速光通信的發展,將在未來的高速全光通信系統中扮演重要的角色。在光纖光柵研究成果轉化方面國內外的差距還不算太大,中國國應集中力量發展民族光電子產業,使光纖光柵研究成果儘早產業化,為國家經濟服務。

光纖光柵 -參考資料
[1] 通信百科 http://baike.c114.net/view.asp?id=17914-DEEA5E0E&word=光纖光柵
[2] 慧聰網 http://info.laser.hc360.com/2005/09/20093620861-2.shtml

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