光纤光栅：原理与发展历程

光纤光栅技术已经有40多年的研究历史，20世纪80年代初最早发现掺锗光栅的光敏性以及紫外激光刻写光栅技术，到20世纪90年代，该技术已经有了比较大的飞跃。光纤光栅从结构上包括布拉格光栅、啁啾光栅、切趾光栅、长周期光栅和倾斜光栅等。这次报告的内容偏向于倾斜光栅的研究，因为布拉格光栅和长周期光栅及其应用已经比较成熟，而倾斜光栅由于刻写方式的不同和光纤种类的不同可以表现出不同的性能。现在我们制作的光纤光栅主要工作于近红外和中红外波段（即780 nm～2.2μm），未来将会扩展此范围，尽量做到450 nm～5μm。因为有很多应用在紫外或者可见光和中红外光的领域，如果有这个范围的光纤光栅器件，将大大推动它的应用。除了在标准单模光纤上做光纤光栅光子器件外，在非标准光纤上刻写光栅结构会有一项很突出的优势，即在信号处理、解调和传感上有很特殊的应用。非标准光纤包括保偏（PM）光纤、多芯光纤、多模光纤、光子晶体光纤（PCF）、有源光纤等。

在光纤中引入一个布拉格光栅结构，光纤模式前向传输模式耦合到后向传输模式，得到一个与周期有关的反射光。这个反射光有很多应用场合，在光通信上，可作为滤波器、衰减器、色散补偿器，实现全光纤的通信或信号处理系统；在传感方面可做应变、温度等传感器。长周期光栅周期约十微米到几百微米，前向传输模式耦合到包层，形成一个衰减，达到波长选择性，可作为衰减器、模式转换器、带阻滤波器、增益均衡器等，还可用于传感和解调器。倾斜光栅刚开始是小角度倾斜1°～2°，发展到45°到现在做到很大的角度（约80°）。它的模式耦合结合布拉格和长周期光栅两者的特点，小角度倾斜光栅是把前向传输模式既耦合到后向传输模式又耦合到包层模式；当角度很大的时候，与长周期光栅类似，主要是前向传输模式耦合到包层；当倾斜光栅角度为45°时产生一个特殊现象，光会耦合到光纤外面去，偏振特性很强，可产生一个消光比很高的偏振光，可以应用到光谱仪、偏光计或者扭转传感方面。

在非标准光纤上刻写光纤光栅，会得到非常特殊的特性。如在D型光纤上刻写光纤光栅，纤芯的光通过倏逝波和外界环境进行相互作用，可用于生物传感；在双芯光纤上刻写光纤光栅，可以控制光在两个纤芯之间的耦合，可产生一些新的器件；在四芯光纤上刻写光纤光栅，由于四个纤芯之间距离较远、相对独立，四个纤芯对不同方向的参量响应不同，可应用于方向相关弯曲传感器方面；在光子晶体光纤上刻写倾斜光栅也有很大应用。(www.xing528.com)

光纤光栅在光通信方面应用最多的是啁啾光栅，理论上可行但实际上要做1 m长的完美光栅很难，最后应用最多的是在传感方面，周期性结构受到应力或者温度等参数的影响，周期会改变，光栅响应波长就会改变，可通过测量波长漂移来测量参数的变化。光纤光栅在工业上能推广，因为它有着其独特的优越性，体积小、重量轻、不受电磁干扰、在各种环境下可以工作、易于复用以及智能传感等。光纤光栅传感器可以测量应力、位移、震动、扭转、弯曲、温度等参数，广泛用于化学和生物监测、食品安全以及环境测量。