1978年，K. O. Hill等人發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性，從而導(dǎo)致了光纖光柵(fiber Bragg grating)的新型光纖無源器件的出現(xiàn)，其中，在光纖光柵中衍射的光滿足布拉格衍射條件。隨著光纖光柵寫入技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用成果的日益增多，光纖光柵成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無源器件之一。
光纖材料光敏效應(yīng)在微觀上可能與眾多的物理因素有關(guān)，是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，目前還不能給出完全定量化的描述。本章簡(jiǎn)單介紹了光纖光柵的光敏性及其光學(xué)特性。
光纖光柵可以廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力以及動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)等的測(cè)量。測(cè)量的基本原理是光纖光柵的中心波長隨著外界環(huán)境參數(shù)的變化而變化。本章分別介紹了光纖光柵對(duì)幾種物理參數(shù)的傳感原理。
研究光在光纖光柵中的傳輸規(guī)律，對(duì)正確理解光纖光柵的傳光機(jī)理和光纖光柵的性質(zhì)，從而合理地應(yīng)用光纖光柵的獨(dú)特功能是十分重要的。研究光波在光纖光柵中傳輸規(guī)律的方法有許多種，包括耦合模式法、包絡(luò)函數(shù)法、多層介質(zhì)薄膜法、光程法等。其中作為研究光波導(dǎo)的理論工具，耦合模理論因其直觀性和可明確地描述模場(chǎng)的特性而得到廣泛應(yīng)用。本章重點(diǎn)對(duì)光纖光柵的耦合模理論做了介紹。耦合模理論作為用于光模場(chǎng)描述的方法通常有理想模展開和局域模展開兩種形式，局域模展開對(duì)研究幾何形狀不完整的波導(dǎo)非常有用；而理想模展開特別適合于幾何形狀完整而折射率不均勻的波導(dǎo)，例如光纖光柵，并且其耦合系數(shù)具有簡(jiǎn)單的普遍形式。
光纖光柵的折射率分布反映了光纖光柵的周期和折射率調(diào)制度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)決定了光纖光柵的Bragg波長、帶寬和反射特性等，從而使不同的折射率調(diào)制及不同結(jié)構(gòu)的光纖光柵具有了不同的功能，形成不同的光纖光柵器件。光纖光柵的形成基于光纖的光敏性、不同的曝光條件，不同類型的光纖產(chǎn)生多種不同折射率分布的光纖光柵。
當(dāng)設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量方法時(shí)，應(yīng)該仔細(xì)考慮光纖光柵的特征。一些指標(biāo)是通用的，幾乎針對(duì)所有應(yīng)用；另外一些指標(biāo)可能是為滿足一些特殊應(yīng)用而定制的。本章針對(duì)應(yīng)變、溫度測(cè)量，詳細(xì)介紹了光纖光柵的一些必要的技術(shù)指標(biāo)。
如何提高物理量變化引起的光纖光柵波長移動(dòng)量的測(cè)量精度是設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。近年來，如何實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的高分辨率探測(cè)是學(xué)者們研究的一個(gè)熱點(diǎn)。關(guān)于光纖光柵波長解調(diào)探測(cè)方法已有很多報(bào)道，根據(jù)波長漂移量探測(cè)器件的工作原理，這些探測(cè)方法大致可以分為如下幾類：邊緣濾波器法、可調(diào)濾波器法、干涉掃描法。
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制成的。所謂光敏性，是指激光通過摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系并可以永久的保存下來。這樣的結(jié)果，實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成了一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射器。利用這一特性可以構(gòu)成許多性能獨(dú)特的光纖無源器件。研究表明，光纖光敏性的峰值位于240nm的紫外（UV）區(qū)。
根據(jù)在摻鍺石英玻璃、光纖預(yù)制棒及光纖上所進(jìn)行的光敏性實(shí)驗(yàn)，在240nm波段的紫外光照射下，摻鍺石英材料的光敏性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ：
1. 折射率的永久性改變，這種光致折射率改變是可飽和的，是用240nm波段的紫外光在光纖中形成光纖光柵的基礎(chǔ)。
2. 240nm吸收帶永久性降低或消失，同時(shí)造成193nm吸收帶永久性增加。
3. 對(duì)樣品的電子自旋共振測(cè)量表明，石英玻璃中的Ge(1)、Ge(2)和GeE′缺陷濃度顯著增加。
4. 樣品濃度增加。
5. 摻鍺石英材料光纖的光敏性與光纖的制作過程有關(guān)。
6. 光纖材料的光敏性與光纖材料中的摻鍺濃度基本上成正比，并與所使用的紫外光源的類型，以及照射到光纖材料上的能量密度有關(guān)。在相同的曝光量下，使用脈沖型光源可以在光纖中獲得比連續(xù)型光源更大的光敏變化，使用較高的能量密度也具有相似的效果。
7. 光敏性與光纖材料有很大關(guān)系。例如，對(duì)光纖材料進(jìn)行高壓低溫H2擴(kuò)散可以極大地提高光纖材料的光敏性。
8. 采用多種摻雜使光纖材料的芯區(qū)和包層具有盡可能大的熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)，可以獲得具有高光敏性的光纖材料。
9. B/Ge雙摻光纖材料具有較高的光敏性。
10. 在采用高能量密度光源對(duì)高摻鍺光纖材料進(jìn)行長時(shí)間曝光的過程中，開始時(shí)，折射率隨曝光量逐漸增加，并達(dá)到某一最大值；然后，折射率隨曝光量逐漸減小。
雖然光纖光敏效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)距今已有20余年，但它的物理起因和微觀機(jī)理還不是十分清楚。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人們已經(jīng)對(duì)摻鍺石英光纖光敏性的微觀機(jī)理提出了多種不同的解釋模型。就目前而言，普遍認(rèn)為摻雜光纖光敏性來源于摻雜物質(zhì)與SiO2混合形成的結(jié)構(gòu)缺陷。一般認(rèn)為強(qiáng)紫外光照射后，密度發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了折射率變化， 圖2.1為典型的摻鍺光纖紫外吸收光譜。
摻雜質(zhì)的光纖具有折射率的紫外(UV)光敏性，即UV光輻照引起光纖的晶格缺陷，從而引起折射率的變化。若沒有對(duì)光纖進(jìn)行處理，直接用UV光照射，光纖的折射率增加僅為10-4數(shù)量級(jí)便已經(jīng)飽和，所以制作優(yōu)質(zhì)的光纖光柵就需要提高光纖的光敏性。提高光敏性的關(guān)鍵是增加光纖GODC(germanium oxygen deficiency centre)的濃度。增敏方法主要有：摻入光敏性雜質(zhì)(如鍺、錫、硼等)或多種摻雜劑(如鍺、硼共摻等)。近年來，增敏技術(shù)主要有以下幾種：
1. 采用高壓載氫技術(shù)或在制作預(yù)制棒時(shí)進(jìn)行氫處理將氫擴(kuò)散到光纖中，使光纖在242nm波長處的吸收強(qiáng)度比通常條件下的光纖提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
1993年，Atkins和Lemaire等人發(fā)現(xiàn)高壓低溫氫載能大幅度提高光纖的光敏性。氫載溫度通常在21～75°C之間，壓力在20 ×105～750×105Pa的摻鍺硅玻璃導(dǎo)致的吸收譜的變化的范圍內(nèi)。Lemaire將標(biāo)準(zhǔn)通信光纖在21℃下氫載12天，然后用工作波長為241nm、工作頻率為30Hz的紫外光輻射，得到5.9×10-3的折射率改變量。事實(shí)上，氫載后再進(jìn)行紫外輻射，光纖折射率改變量可達(dá)10-2量級(jí)。Lemaire還證實(shí)折射率的改變量不受制作過程中產(chǎn)生的細(xì)微缺陷的影響，而主要受所摻鍺和載氫濃度的影響，且在通常的情況下，折射率的改變可保持較好的熱穩(wěn)定性。
2. 在光纖中摻入Sn4+、Er3+、Ge4+、Sb3+、Pr3+等具有較強(qiáng)光敏性的離子以加強(qiáng)在240nm附近的光纖吸收峰值。
Dong等的研究表明，摻Sn4+的光纖經(jīng)紫外輻射后，折射率改變量可達(dá)114×10-3，而且不會(huì)對(duì)重要的通信窗口1155μm處的吸收損耗產(chǎn)生大的影響，形成的光纖光柵的熱穩(wěn)定性也好于硼鍺共摻的光纖。研究還表明，Sb/Ge共摻光纖有較好的光敏性(dn=2.7×10-4)和很高的溫度穩(wěn)定性，當(dāng)溫度高達(dá)900℃時(shí)光柵的性能仍然穩(wěn)定，特別適合于制作對(duì)溫度干擾不敏感的傳感器。
對(duì)近UV光增敏摻鍺光纖纖芯對(duì)244nm的光波敏感，故常用244nm的激光作為寫入光波，但包層對(duì)該波長也有較強(qiáng)的吸收，制作光纖光柵時(shí)，需要除去包層，這既費(fèi)時(shí)又損傷光柵的機(jī)械強(qiáng)度。為此，J.L.Blows等人采用對(duì)包層透明的近UV光作為寫入光波，同時(shí)在纖芯摻入光敏的稀土離子Ho3+或Tm3+。實(shí)驗(yàn)表明，摻Ho3+或Tm3+的纖芯對(duì)355nm的近UV光敏感，同時(shí)對(duì)1250~1650nm的通信波長吸收很弱，極有實(shí)用價(jià)值。
光纖光柵是一種參數(shù)周期變化的光波導(dǎo)，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個(gè)光纖模式的功率部分地或完全的轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖模式中去來改變?nèi)肷涔獾念l譜。在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模既可以被耦合成向前傳輸模式，也可被耦合成向后傳輸模式，這要依賴于光柵以及不同傳播常數(shù)決定的相位條件，即：
因此，均勻FBG光柵的基本特性是以共振波長為中心的窄帶光學(xué)濾波器，該共振波長稱Bragg波長，記為λB。一個(gè)光纖折射率周期變化的光柵可以反射以Bragg波長為中心，帶寬以內(nèi)的一切波長，根據(jù)需要它既可以做成小于0.1nm的窄帶型濾波器，也可以作為幾十納米的寬帶濾波器。此外，它還具有體積小、插入損耗低以及與普通光纖良好匹配的優(yōu)點(diǎn)。而折射率被線性調(diào)制的啁啾(Chirp)光柵可以做成寬帶濾波器。
光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)，通常是圓柱形。它把以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射的原理約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線的方向前進(jìn)。光纖的傳輸特性由其結(jié)構(gòu)和材料決定。
圖2.8分別示出均勻光纖光柵的折射率分布和反射譜示意圖。由 REF _Ref175968488 \h \* MERGEFORMAT 圖2.8 (b)所示的光譜特性說明一定帶寬Δλ的諧振峰兩邊有一些旁瓣，這是由于光纖光柵的兩端折射率突變引起Fabry-Perot效應(yīng)所至。這些旁瓣分散了光能量，不利于光纖光柵的應(yīng)用，所以均勻光纖光柵的旁瓣抑制是表征其性能的主要指標(biāo)之一。
均勻光纖光柵可作為激光器外腔反射鏡，制成光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器。也可以作為Fabry-Perot諧振腔制成性能優(yōu)良的光纖(DFB或MOPA結(jié)構(gòu))激光器，主動(dòng)鎖?；蚩烧{(diào)諧光纖激光器、DWDM中的復(fù)用/解復(fù)用器、插分復(fù)用器及波長轉(zhuǎn)換器、光柵路由器等；利用光纖光柵的溫度、應(yīng)力特性還可制成不同的光纖傳感器。
2、線性啁啾光柵
圖2.9示出一個(gè)線性啁啾光纖光柵的折射率分布和反射譜示意圖。從她的反射譜可見，周期非均勻光柵的反射譜明顯增寬，且反射譜具有波動(dòng)性。這種波動(dòng)性的產(chǎn)生原因與均勻光柵一樣，也不利于應(yīng)用。適當(dāng)?shù)男拚凵渎史植?/span>n(z)，即使光纖光柵兩端折射率調(diào)制度逐漸遞減，可以改善這種波動(dòng)性 REF _Ref175968758 \r \h \* MERGEFORMAT [22] REF _Ref175968759 \r \h \* MERGEFORMAT [23]。
在這種光柵中，光柵節(jié)距的線性變化，使通路中的各個(gè)波長在光柵的不同深度處反射回來，補(bǔ)償了通路內(nèi)各波長渡越時(shí)間的變化，從而對(duì)譜寬展寬作出補(bǔ)償。所以，利用啁啾型光柵的較寬反射帶的特點(diǎn)可構(gòu)成寬帶濾波器，用于色散補(bǔ)償和產(chǎn)生超短脈沖。
1. Taper型光柵
Taper型光柵是一種切址光柵，它的周期是均勻的，折射率隨一定的函數(shù)關(guān)系變化，其折射率分布可表為
圖2.10示出Taper型光柵的折射率分布和反射譜示意圖。從圖可見，這種光柵的兩端折射率分布函數(shù)逐漸減至零，消除了折射率突變，從而使它的反射譜不存在旁瓣，改善了光譜特性。Taper型光柵可構(gòu)成各種濾波器、波長變換器和光插/分復(fù)用器。多個(gè)Taper型光柵的復(fù)合還可制成特殊性能濾波器，如Michelson光纖濾波器和Mach-Zehnder濾波器等。
1. Moire光纖光柵
Moire光纖光柵是一種相移光柵，有其特有的性質(zhì)，深受關(guān)注。Moire光柵的折射率分布是一種具有慢包絡(luò)的快變結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅可以有效抑制Bragg光纖光柵反射譜中的旁瓣效應(yīng)，而且可以在反射阻帶中打開一個(gè)或多個(gè)透射窗口。其折射率分布可表為
長周期光纖光柵在光纖通信有著廣泛用途，如用于EDFA增益譜平坦化、光纖模式變換器、偏振模式變換器、濾波器，同時(shí)作為一種帶阻濾波器應(yīng)用到OADM或OXC等波長路由器件。
長周期光纖光柵的光譜特性與光柵的周期、纖芯和包層的有效折射率有關(guān)，利用長周期光纖光柵的導(dǎo)模與多個(gè)包層模之間產(chǎn)生能量交換，形成多個(gè)損耗峰，實(shí)現(xiàn)單個(gè)光柵的多參量傳感；通過調(diào)整包層和纖芯材料的不同的摻雜，或者通過選擇合適的光柵參數(shù)，使纖芯的導(dǎo)模與設(shè)定階次的包層模產(chǎn)生耦合，可以制作對(duì)某些參數(shù)增敏或者去敏的長周期光纖光柵。由于長周期光纖光柵無須去包層，比光纖光柵制成器件壽命更長、承受力更強(qiáng)。因此，長周期光纖光柵在溫度、應(yīng)變、彎曲、振動(dòng)、橫向負(fù)載以及氣體和液體濃度的等方面的光纖傳感領(lǐng)域也得到了廣泛的研究。
