光纤光栅制作方法

        ［摘要」本文介绍了光纤光栅的主要制作方法，以及近年来在光纤光栅制作方面的一些新
            的进展。
                「关键词」光纤光栅；光纤通信
         1引言
         1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹 对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅， 1989年，第一支布拉格诺 振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。
          近年来，随光纤光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，这些方法各有其优缺点，下面分别进行评述。
         2光纤光栅制作方法
         2.1光敏光纤的制备
         采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。
         光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为（10的负4次方）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1）掺 入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。2）多种掺杂（主要是B／Ge共接）。3）高压低温氢气扩散 处理。4）剧火。
       2.2成栅的紫外光源
        光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以 成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有难分子激光器、窄线宽准分子激光 器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。
       2.3成栅方法
       光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品率低，使用受到限制。目前主要的成栅有下列几种。
       1）短周期光纤光栅的制作
       a）内部写入法
       内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中， 经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的人射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具 有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起 到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90％以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期 使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应 用，现在很少被采用。示。用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光 纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由Λ=λuv／（2sinθ）给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之 间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制， 但是容易受机械震动或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，目前这种方法 使用不多。
         c）光纤光栅的单脉冲写入
        由于难分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J·cm－2，近年来又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。英国南安普敦大学的Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。由于光栅成栅时间短，因此环境因素对成 栅的影响降到了最低限度。此外，此法可以在光纤技制过程中实现，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。这种成栅方法对光源的要求不高，特别 适用于光纤光栅的低成本、大批量生产。
        d）相位掩膜法
        将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于探光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功 能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg 光栅。这种成栅方法不依赖于人射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂，为使KrF准分子激光光束相位以知间。隔进行调制，掩膜版一维表面间隙结构的振幅周期被选为4π（nilica－1）／A·λKrF）=π，这里A是表面间隙结构的振幅。这样得到的相位掩膜版可使准分子激光光束通 过掩膜后，零级光束小子衍射光的5％，人射光束转向+1和-1级衍射，每级衍射光光强的典型值
       比总衍射光的35％还多。用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且 相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅极有前途的一种方法。
       2）长周期光纤光栅的制作
        a）掩膜法
       掩膜法是目前制做长周期光纤光栅最常用的一种方法。实验中采用的光纤为光敏光纤，PC为偏振控制器，AM为振幅掩膜，激光器照射数min后，可制成周期60μm～1mm范围内变化的光栅， 这种方法对紫外光的相干性没有要求。
        b）逐点写人法
       此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度 可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤 光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。它 的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。目前，由于各种精密移动平台的研制， 这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。
        3）Chirp光纤光栅的制作
        a）两次曝光法
        这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。第一次曝光在光纤上并不形成光栅， 而是仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第一次曝光区域上继续写入周期均匀 的光栅，两次效应迭加便构成了一个ChirP光栅。这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光 光路，使得制作方法大大简化。
        b）光纤弯曲法
        这是在均匀光栅中引人光纤的机械变形，形成Chirp光栅的一种方法，由于光纤的弯曲角度渐 变，造成光栅的周期渐变。这种方法引入的ChirP量不能过大，否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成 包层模而造成附加损耗。
       c）锥形光纤法
        这是利用锥形光纤形成ChirP光栅的一种方法。可以在锥形光纤两端施加应力发生形变，然后写人均匀周期的光栅，应力释放后，由于锥体各部分的伸长形变不同，造成光栅周期的轴向发生 均匀变化，形成ChirP光栅。也可以先在锥形光纤上写人均匀光栅，然后再施加应力，可以得到相同的效果。
       d）应力梯度法
       与锥形光纤法原理相同，只是光纤中应力大小是通过将光纤粘在底座上的胶含量来调节。它的优点是可以分别调节中心波长和光栅的带宽，这对于制作高性能的色散补偿器具有重要的意义。
       e）复合Chirp光栅法
        将一列不同周期的均匀光栅顺序写在光纤上，它最大限度地应用了制作均匀光纤光栅的工艺简单性，具有很大的灵活性。

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