光纤布拉格光栅

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缩写:FBG 定义:是光纤纤芯中的一种周期性或者非周期性扰动有效折射率的反射结构。

光纤布拉格光栅是光纤纤芯中的一种周期性或者非周期性扰动有效折射率的反射结构(如图1)。通常扰动的长度约为几个毫米或厘米,扰动结构的周期在几百纳米量级,或者在长周期光纤光栅中会更长(如下所述)。

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图1:光纤布拉格光栅(FBG)的结构示意图。光纤纤芯在一定长度上具有周期性变化的折射率。图中没有长度标注,典型的维度为包层直径为125μm,纤芯直径为8μm;折射率光栅的周期在几百纳米到几百微米(长周期光栅)之间变化。

折射率扰动导致反射光的带宽很窄,波长满足布拉格条件(参阅布拉格反射镜):


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其中Λ为光栅周期,λ是真空波长,neff是光纤中光的有效折射率。这一条件的物理意义为光栅的波数与入射波反射波波数之间的差值匹配。在这种情况下,复振幅对应光栅中所有同相位的不同部分对反射场的贡献,它们满足相消叠加;这也是相位匹配的一种。如果光栅足够长(几毫米),很弱的折射率调制(例如振幅为10−4)就足够实现全反射。

而其它波长的光由于不满足布拉格条件,几乎不受布拉格光栅的影响,但是反射光谱中可能存在一些边带(可以采用切趾法进行抑制,如下所示)。

光纤光栅的反射带宽通常低于1 nm,依赖于折射率调制的长度和强度。长光栅和弱折射率调制可以得到最窄的带宽,这在单频光纤激光器和一些光学滤波器中需要用到。短光栅和强调制,结合非周期结构可以得到大的反射带宽。

由于波长的峰值反射率不仅与布拉格光栅周期有关,还与温度和机械应力相关,可以将布拉格光栅应用于温度和应力传感器中。在两平板间挤压光纤引起横向的压力,导致双折射效应,引起布拉格波长与波长有关。


目录

光学性质的物理模型

通常光纤布拉格光栅用在单模光纤中,这时物理模型相对简单。原理上可以采用与介质反射镜相同的机制,最简单的情形是假设折射率调制为矩形。但是,在长光栅中,折射率调制的周期数目相当大,这会提高计算时间。这时最好采用模式耦合方法,得到包含耦合项的一对微分方程,耦合项的大小与折射率调制的长度有关。假设耦合是均匀分布的,数值积分过程采用的步长需远大于光栅周期。 这种方法还可以用来计算与频率有关的光反射和透射的复振幅。这时不仅涉及到反射和透射功率的比例,还需要考虑色散

如果计算过程中考虑多个传输模式,那么数值模型会变得非常复杂。即使是单模光纤,如果存在双折射,也至少需要考虑四个模式(而不是两个相反方向的模式),当考虑到与包层模式之间的耦合时,需要考虑更多的模式。对于多模光纤,则需要考虑纤芯中的很多模式。在这种情况下,耦合系数不仅与折射率调制振幅有关,还与光栅的三维结构有关。并且,最大反射率对应的波长对于不同的模式是不同的,因为布拉格条件受传播常数的影响。


特殊类型和应用

切趾光栅

如果在一定长度范围内,光栅的调制强度是常数,而在该范围之外调制强度突变为0,那么其反射光谱存在边带,尤其是当峰值反射率很高的情况。这些边带有时需要消除,例如将光纤布拉格光栅用作光学滤波器时。可以采用切趾技术将它们移除:将光栅的折射率调制强度平缓的沿斜坡上下。当然这时需要提高总的光栅长度来实现一定的峰值反射率。而具体的切趾光纤布拉格光栅中的折射率调制曲线,需要在有限的光栅长度和最大折射率调制强度的情况下,在最大边带抑制和最大反射率之间权衡。


各种应用

通信上利用FBGs通常是用作波长滤波器,例如,在波分复用系统中将多个波长通道结合或者分离开(插分复用器,OADM)。采用长FBGs(长度达到1m[31])可以得到非常窄带的滤波器。

FBGs可以用作光纤激光器中的端反射镜(参阅分布布拉格反射激光器,DBR光纤激光器),将辐射波长限制在非常窄的光谱范围内。如果整个激光器谐振腔由中间存在一定相移的FBG组成,那么可以实现单频工作分布反馈激光器)。在激光器谐振腔之外,采用一个FBG可以用作参考波长,应用在稳定激光器波长中。这种方法也可以用在波长稳定的激光二极管中。

啁啾光栅的应用在下节讨论。

如果记录光束的偏振方向与光纤轴垂直,那么布拉格波长在两个偏振方向上差别比较大。这可以用来制备摆动滤波器。

如果FBGs中存在光学非线性效应,那么存在更多其它的现象,只是目前还没有被广泛应用。


非周期折射率调制的光栅

非周期折射率调制的光栅光纤具有一些其它的性质,例如无边带的反射率曲线,多个调制的反射波段,或者特殊的色散曲线。尤其用在色散补偿中的啁啾光纤光栅[28]的布拉格波长是随位置变化的。在很短的光纤中就有可能得到很大的群时延色散,足以补偿光纤通信系统中传输光纤中色散。另一个应用是脉冲压缩过程,例如啁啾脉冲放大器系统

啁啾光纤光栅用在分布光纤传感器中进行光栅内传感,即在装置中控制温度。


长周期布拉格光栅

常见的FBGs的周期为几百纳米,耦合纤芯内相反方向的波。长周期布拉格光栅(LPG)[11,20]的周期为几百微米(通常具有倾斜的光栅表面),长度为几厘米。这种光纤可以耦合相同传播方向的光栅。例如,多模光纤的基模可以耦合到某一高阶模式中,或者纤芯模式耦合到相同方向的包层模式中。在后者的情形中,耦合过程会产生传播损耗,因为包层模式的光在光纤涂层中传播通常具有很强的损耗。这种光纤可以用来引入可控制的与波长有关的损耗,例如用于掺铒光纤放大器中进行增益平坦,也可以用到光纤传感器中。

将一根短光纤压到周期性凹槽的平板上也可以得到长周期光栅[19]。这种光栅是可逆的并且是可调谐的。


聚合物光纤中的光纤光栅

也可以在聚合物光纤中写入FBGs。对于二氧化硅光纤,通常采用紫外光,但是这里物理机制是不同的。聚合物光纤中的布拉格光栅的优势是其很大的波长调谐性:聚合物光纤能够承担很强的拉伸,并且对温度变化有很大的响应。


制备方法

光纤布拉格光栅的制备过程通常需要采用紫外激光(例如,来自于KrF或ArF准分子激光器或者其它类型的紫外激光器)照射纤芯材料,引起结构改变,从而引入折射率变化。纤芯的光敏性与其化学组分和UV波长密切相关:二氧化硅具有较弱的光敏性,而锗硅酸盐玻璃则具有更强的光敏效应,因此可以实现折射率差约为10−3。通过氢化光纤也可以提高光敏性。(在这种情况下,光纤需要在高压氢气中放置一段时间。)通常认为磷酸盐玻璃不适合制备FBG,但是采用特殊的方法也可以实现[26]。

最早的布拉格光栅是采用可见激光光束在光纤纤芯中传播得到的[1],而1989年G. Meltz et al.[3]提出了一种更加实用的技术,采用光纤两端进入的两紫外光束的相干叠加制备(横向全息技术)。紫外光束之间的夹角决定了光纤纤芯中相干图像的周期和布拉格波长。两紫外光束是由单个UV光束经过周期性相位掩膜得到的[4](相位掩膜技术),利用两个一阶衍射光束。非周期相位掩膜可以用来制备更加复杂的图样。另一个技术是逐点技术[23,30],即采用一个聚焦的激光光束逐点提高区域内的折射率。这种技术主要应用于长周期布拉格光栅中。

除了紫外光,也可以利用红外光的强飞秒脉冲在不同类型玻璃中写入布拉格光栅[21]。在这种情况下,激光光束的焦点附近会发生双光子吸收,但是焦点区域之外不会发生。甚至可以将这种光栅写入光纤的聚合物涂层中[25],因为当光束聚焦到光纤纤芯时,涂层中的光强低很多。另一种不同的采用红外光在光子晶体光纤中制备长周期FBGs的方法是采用CO2激光光束。

不同写入光栅的条件下,形成布拉格光栅涉及到不同的物理机制,因此可以区分不同种类的光栅。I型光栅是采用中等强度的光写入的,并且是在纤芯存在折射率光栅。II型光栅则是在很短时间内采用很强的光写入,通常是采用准分子激光器产生的单纳秒脉冲(单次损伤光栅)。它们可以在光纤加涂层之前直接写入到拉丝塔上[6],这样无需去除已经制备的涂层,同时得到具有与普通光纤相同机械强度的光栅。

光纤布拉格光栅非常耐用,但是其耐用程度(例如,光栅被消除的温度)与光纤材料和光栅制备细节密切相关。在制备过程之后的一段时间内其光学性质可能发生变化,最终得到稳定的性能。为了更快的得到稳定状态,可以进行退火处理,即将光纤保持几个小时的高温。


参考文献

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参阅:光纤光纤传感器分布反馈激光器