布拉格光纤光栅记录方法：信息光学理论与应用

布拉格光纤光栅是1978年由加拿大通信研究中心的Hill等人发明的。有几种技术可用来在玻璃光纤中记录布拉格位相光栅。这里仅介绍两种：全息直接干涉法和位相掩模技术。

1.全息直接干涉法

全息直接干涉法的光路如图10.1.7所示，采用准分子紫外激光λuυ在一段光纤的裸露纤芯区（约数毫米）形成干涉。图中柱面镜用来扩展光束在光纤长度上的照射范围。依靠氢分子在曝光前扩散进入光纤使其对紫外光敏化。这种光纤材料的光敏性最初来源于掺锗石英光纤纤芯的缺陷。纤芯通过掺杂锗来提高折射率，并在纤芯和包层间发生折射率梯度变化（锗浓度的典型值是3%～5%），同时沿光纤产生纵向折射率的周期性变化，从而形成纤芯折射率型光栅。在1.3～1.6μm的光波长范围内，折射率变化的典型值为0.000 1～0.001，但对于高浓度掺杂的光纤，这个值可大于0.001。由此记录的一个光纤布拉格光栅FBG实际上就是一幅记录在一段石英玻璃光纤上的厚全息图（体积反射全息图）。在该图中，光栅条纹与光纤的长轴方向垂直。由图5.7.4及光栅方程（5.7.13）可知，光栅周期Λ与紫外激光波长λuυ、两束干涉光夹角θ之间满足下列关系式：

图10.1.7　全息直接干涉法记录布拉格光纤光栅

而对已制成的光纤光栅，其反射波长λ与周期Λ满足关系式：

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①是纤芯材料的平均折射率。

由以上两式可以看到，λ可以远大于λuυ，故用全息直接干涉法记录的FBG可以工作于可见光或红外光区域。只需在记录FBG时适当调节干涉光束间的夹角，以使干涉条纹间隔Λ与所用红外波长（例如1.55μm）相匹配。这种光栅的主要优点是：光栅是在光纤内部，记录有光栅的这一段玻璃与普通光纤本身就连在一起，从而为在光纤内引入窄带滤波器、色散补偿器等器件提供了一个集成和低损耗的方法。而且用全息法制作的光纤光栅稳定性好，即使光栅被加热到500℃，光栅结构也不改变。早在1990年，人们就制作出工作于1.55μm区域的FBG。此法的缺点是：要求紫外激光具有很高的时间相干性和空间相干性，而目前的准分子激光器光束质量较差。

2.位相掩模技术

这种技术采用的是制作集成电路的照相平版印刷法。首先利用石英玻璃作为衬底，在其平板上用经电子束印刷和原子刻蚀制成的铬沉积条纹层，刻蚀出凹槽来制成位相光栅母板，其凹槽截面形状非常接近于方波，且其刻槽的凸峰和凹槽之间的光程差所引起的位相差为π。这样的光栅不存在零级和偶数级衍射光，主要的透射光是两束一级衍射光，包含了80%以上的透射光能^[3]，将掺杂光纤置于位相掩模板下方，当紫外光垂直照射位相掩模板时，其0级衍射光受到抑制（其透过率＜5%），±1级衍射光相互干涉，形成干涉条纹。因此，由紫外光照射母板得到的这两束一级衍射光在光纤中产生干涉形成光纤光栅（图10.1.8），其周期为母板光栅周期之半。位相掩模技术的优点是它降低了对记录用光源的相干性要求，因而也可以采用非激光源的紫外灯。而且位相掩模可以制作可变周期的光纤光栅（称为啁啾光栅，Chirped Grating）。还可以通过扫描位相光栅母板或者移动光纤本身，使其不同部分暴露在两束干涉光束下以制成长光栅。例如，目前已制成5 cm甚至1 m长的光纤光栅，用于光纤传感。

图10.1.8　用以制作光纤光栅的位相掩模技术示意图