一、光纖光柵概述
光纖光柵(fiber grating)是一種新型的光無源器件。它是利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為方式。除具有普通光纖的特性之外，它還具有一些 的性質(zhì)。它的出現(xiàn)，使許多復(fù)雜的全光纖通信網(wǎng)絡(luò)和傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能，并地拓寬了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍，并由此產(chǎn)生了許多重要的應(yīng)用。
1978年，加拿大的Hill等人 觀察到摻鍺光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生光柵的效應(yīng)。他們利用488nm氫離子激光照射摻鍺的光纖，在光纖中產(chǎn)生駐波干涉條紋，造成纖芯折射率沿軸向的周期性分布。制成了世界上 只被稱為“Hill光柵”的光纖光柵，開創(chuàng)了光纖光柵研究與應(yīng)用的先河。
此后，由于受寫入效率低等因素的影響，在相當(dāng)一段時間內(nèi)，其進(jìn)展緩慢。但在1989年， 的Meltz等人發(fā)明了紫外光側(cè)面寫入光敏光柵的技術(shù)，這項技術(shù)不效地提高了光纖光柵的寫入效率，而且還可以通過改變兩束相干光的夾角對光纖光柵波長進(jìn)行調(diào)控，為光纖光柵實用化開辟了一條可行的道路。
1993年，Hill等人提出了位相掩模寫入技術(shù)，地放寬了對寫入光源相干性的要求，使光纖光柵的制作 加靈活并使光柵的批量生產(chǎn)成為可能。
此后，世界各國對光纖光柵及其應(yīng)用的研究開展起來。光纖光柵的制作及光纖光敏化技術(shù)不斷取得新的進(jìn)展，其制作技術(shù)也不斷提高和完善。隨著研究的不斷深入，光纖光柵的優(yōu)良特性也逐步展現(xiàn)出來，如成本低，穩(wěn)定性好，體積小，抗電磁干擾性好，感應(yīng)信息波長編碼等，尤其本身就是由光纖制作而成，便于與光纖結(jié)合，使得全光纖化的一維光子集成成為可能。光纖光柵的研制成功，成為繼摻雜光纖放大器技術(shù)之后，光纖的又一重大突破。
二、光纖光柵的分類
光纖光柵是光纖導(dǎo)波介質(zhì)中物理結(jié)構(gòu)呈周期性分布的一種光子器件，根據(jù)物理機制的不同可分為蝕刻光柵和折射率調(diào)制的位相光柵兩類。前者在成柵過程中使光纖的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的物理刻痕，后者主要在纖芯中形成折射率周期性分布。目前，無論用于還是工程實用，后者均占主導(dǎo)地位。因此，通常所說的光纖光柵指的是后者。
先、根據(jù)光敏機制的不同，可將光纖光柵分為以下三種類型：Ⅰ型、ⅡA(Ⅲ)型和Ⅱ型光纖光柵。
1.Ⅰ型光纖光柵：這是一種 為常見的光柵類型，使用脈沖或連續(xù)激光作為光源，在摻雜濃度較低的光纖內(nèi)產(chǎn)生局部缺陷引起折射率變化形成的，其折射率調(diào)制與平均折射率均隨曝光量呈單調(diào)增長，折射率變化在0.00005~0.003，此類光柵的特點是：導(dǎo)波模的反射譜與透射譜互補，溫度穩(wěn)定性較差，超過300℃時可導(dǎo)致光柵的擦除。
2.ⅡA型光纖光柵：是在Ⅰ型光柵的基礎(chǔ)上，隨著曝光時間的進(jìn)一步增加而形成的，此類光柵的折射率調(diào)制隨曝光量呈現(xiàn)負(fù)增長趨勢，需要較高的UV曝光量(＞500J/c㎡)，或者在摻雜濃度較高的光纖(例如高摻鍺或硼鍺共摻光纖)內(nèi)形成結(jié)構(gòu)重構(gòu)引起折射率變化，其溫度穩(wěn)定性較好，可達(dá)500℃。
3.Ⅱ型光纖光柵：是在 UV曝光量，瞬間局部溫度達(dá)上千度，熔化石英基質(zhì)造成纖芯物理破壞引起折射率變化。其折射率變化較大，可達(dá)0.02量級，有的包層損耗，因此該類光柵在光譜曲線上與前兩種類型不同，其反射峰較寬，透射譜中波長大于其布喇格波長的光波透射，而波長小于布喇格的光禍合入包層被損耗。Ⅱ型光纖光柵具有很高的熱穩(wěn)定性，可達(dá)800℃。
其次、根據(jù)由于折射率的變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)差異，即光纖光柵空間周期分布及折射率調(diào)制分布是否均勻，可以將其分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵兩大基本類型。
(一)均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向均勻且折射率調(diào)制為常數(shù)的一類光纖光柵。從光柵周期的長短及波矢方向的差異等因素考慮，這類光纖光柵的典型代表有光纖布喇格光柵、長周期光纖光柵和閃耀光纖光柵等。
1.光纖布喇格光柵：柵格周期一般為102nm量級，折射率調(diào)制一般為0.003~0.00005，光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬(~0.1nm)和較高的反射率(~100%)，其反射帶寬和反射率可以根據(jù)需要，通過改變寫入條件而加以靈活地調(diào)節(jié)。這是 早發(fā)展起來的一類光纖光柵，目前在光纖通信及光纖傳感應(yīng)用 廣泛。
2.長周期光纖光柵：柵格周期遠(yuǎn)大于布喇格光柵的柵格周期，一般為幾十到幾百微米，光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。與光纖布喇格光柵不同，長周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，它不是將某個波長的光反射，而是禍合到包層中損耗掉。這種光纖光柵除具有插入損耗小、易于集成等優(yōu)點外，還是一種性能優(yōu)異的波長選擇性損耗元件，目前主要用于摻餌光纖放大器的增益平坦和光纖傳感。
3.閃耀光纖光柵：與光纖布喇格光柵不同之處在于光柵波矢方向與光纖軸線方向有 的交角。這種光纖光柵不但能引起反向?qū)５牡満希疫€能將基模禍合到包層模中輻射掉。這種寬帶損耗特性可用于摻餌光纖放大器的增益平坦。對交角很小的閃耀，可做成模式轉(zhuǎn)換器，將一種導(dǎo)模禍合到另一種導(dǎo)模之中。
(二)非均勻光纖光柵：柵格周期沿纖芯軸向不均勻或折射率調(diào)制不為常數(shù)。從柵格周期與折射率調(diào)制等因素考慮，這類光纖光柵的典型代表有線性啁啾光纖光柵、分段啁啾光纖光柵以及非均勻特種光纖光柵等。
1.線性啁啾光纖光柵：柵格周期沿纖芯軸向在整個區(qū)域內(nèi)單調(diào)、連續(xù)、準(zhǔn)周期線性變化，折射率調(diào)制為常數(shù)。這種啁啾光纖光柵可視為僅對光柵周期進(jìn)行線性調(diào)制的情況。
2.分段啁啾光纖光柵：柵格周期沿纖芯軸向在分段區(qū)域內(nèi)單調(diào)、連續(xù)、準(zhǔn)周期線性變化，而折射率調(diào)制為常數(shù)。
這兩種啁啾光纖光柵具有的共同特點是：反射帶寬遠(yuǎn)大于均勻周期光柵的帶寬，可達(dá)幾十nm，主要用于色散補償和光纖放大器的增益平坦。
3.非均勻特種光纖光柵：采用特定形式的函數(shù)對光纖光柵的柵格周期或折射率調(diào)制進(jìn)行調(diào)制，將具有性能的啁啾光纖光柵。典型的有如下幾不中：
?、傧嘁乒饫w光柵：這種光纖光柵可視為光纖布喇格光柵、長周期光纖光柵或啁啾光纖光柵的柵格周期被8函數(shù)調(diào)制的結(jié)果，而折射率調(diào)制不變，實際上是在某些特定的位置(一點或若干點)引入間斷點使光纖光柵的折射率空間產(chǎn)生不連續(xù)分布，亦即若干個周期性光柵的不連續(xù)連接結(jié)果，其中的每個間斷點都會產(chǎn)生一個確定的相移。其主要特點是：可在周期性光柵的光譜阻帶內(nèi)打開若干個透射窗口，使得光柵對某一波長或多個波長有 高的選擇度。利用相移型光纖布喇格光柵可以構(gòu)造多通道濾波器件，通過選擇合適的相移位置與相移量制作的相移型長周期光纖光柵，可用于EDFA的增益平坦，它們在光通信及光譜分析等研究具有很高的應(yīng)用價值。
?、诔Y(jié)構(gòu)光纖光柵：這種光纖光柵可視為布喇格或啁啾光纖光柵的柵格周期被方波函數(shù)調(diào)制的結(jié)果，而折射率調(diào)制不變，其反射譜具有一組分立的反射峰。由光纖布喇格光柵調(diào)制而成的超結(jié)構(gòu)光纖光柵，其反射譜的波長間隔相等，在梳狀濾波器、多波長光纖激光器及光纖傳感具有應(yīng)用價值；由啁啾光纖光柵調(diào)制而成的超結(jié)構(gòu)光纖光柵，在波分復(fù)用通信系統(tǒng)中的色散補償方面具有潛在的應(yīng)用價值，用一根這種超結(jié)構(gòu)光纖光柵可實現(xiàn)多信道的同時色散補償。
?、跿apered光纖光柵：這種光纖光柵可視為光纖布喇格光柵的折射率調(diào)制被特定的函數(shù)(如正弦或余弦函數(shù)的平方)調(diào)制的結(jié)果，而柵格周期不變。根據(jù)實際需要，通過改變調(diào)制函數(shù)及有關(guān)參數(shù)可控制其反射譜的形狀。常見的有高斯分布型及正弦調(diào)制型，前者被用于壓制光柵反射譜的邊瓣進(jìn)行色散補償效果，后者被用于光纖環(huán)形腔激光器產(chǎn)生多波長激光輸出。
?、躆oiré光纖光柵：即摩爾光纖光柵。這種光纖光柵可視為光纖光柵(布喇格或啁啾光纖光柵)的柵格周期與折射率調(diào)制被特定函數(shù)(如正弦或余弦函數(shù))共同調(diào)制的結(jié)果，其折射率分布是一種具有慢變包絡(luò)的快變結(jié)構(gòu)。Moiré光纖光柵有布喇格Moiré光纖光柵與啁啾Moiré光纖光柵之分，其制作方法是采用兩個具有微小周期差異的紫外條紋，對光纖同一位置進(jìn)行二次曝光。Moiré光纖光柵的譜特征是在反射帶中開一個很窄的透射窗口，實際上相當(dāng)于一個λ/4相移光纖光柵，在濾波器、色散補償及通道選擇器等方面具有良好地應(yīng)用前景。
此外，還有取樣光纖光柵、Tophat光纖光柵等。
三、光纖光柵傳感技術(shù)
作為光子研究的一種新興技術(shù)，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術(shù)的研究應(yīng)用近年來受到普遍關(guān)注，各國研究者積極開展有關(guān)研究工作。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以檢測的物理量有：溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動等，其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用。目前，以布喇格光纖光柵(FBG：fiber Brae grating)為傳感器件的傳感器為主流，以長周期光纖光柵(LPG：long period fiber grating)和啁啾光纖光柵(CFG：chirp fiber grating)的傳感器的研究也引起了人們的興趣。
