[发明专利]光纤光栅的在线制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是涉及一种光纤光栅的在线制作方法。

背景技术

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和光纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化，从而在光纤纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在光纤纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件。例如，利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质即可制成光纤激光器；用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成外腔可调谐激光二极管；利用光纤光栅可构成Michelson干涉仪型，Mach-Zehnder干涉仪型、以及Fabry-Perot干涉仪型的光纤滤波器；利用非均匀光纤光栅可制成光纤色散补偿器等等。此外，利用光纤光栅还可制成用于检测应力、应变、温度等参数的光纤传感器和光纤传感网络。

光纤布拉格光栅（FBG, fiber bragg grating）的基本特性是光纤纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使其透射光谱和反射光谱出现奇异特性。图1表示光纤光栅区域的折射率分布情况以及入射光、反射光和透射光的光谱图。其中，1为光纤光栅，2为光纤包层，3为光纤纤芯，∧为光栅周期。

光纤光栅的原理是基于“菲涅尔反射”：当光行进时，遇到两种不同折射率介质时，就会在界面上发生反射和折射。当光进入光纤布拉格光栅中时，在每一个折射率变化处，就会有一小部分光被反射，而在“中心波长”或称“布拉格波长”上，所有反射光相干叠加，从而形成布拉格反射。在入射光谱中的其他波长的光则不受干扰地透射过去。

光纤光栅的反射布拉格波的中心波长为：λ_B=2n_eff∧，式中，n_eff为光纤纤芯光栅区域有效折射率，亦即光纤光栅区纤芯的平均折射率。

世界上第一个光纤光栅是加拿大渥太华通信研究中心的K.0.Hill等人于1978年在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并用驻波写入法制成。1989年美国联合技术研究中心的G.Meltz等人利用掺锗光纤的光敏特性，用244nm波长的紫外激光干涉条纹侧面照射纤芯掺锗的光纤，将相位光栅写进了纤芯，形成光纤布拉格光栅，从而开启了光纤光栅制造的实用化阶段。

光纤光栅的传统制造方式是：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地写入光栅。光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在在波长为244nm的紫外光的吸收峰附近，所以利用紫外光与光纤纤芯中的锗离子的相互作用引起折射率的永久性变化，从而在光纤纤芯内形成折射率呈周期性变化的空间相位光栅。光纤光栅的制造方式通常分为横向干涉法及相位掩模法两大类。前者是利用双光束干涉所产生的干涉条纹对光纤曝光以形成光纤光栅；后者是使用一个相位掩模器，放在紫外光源和光纤之间，紫外激光正向入射穿过相位掩模器后，其相位被掩模器的相位光栅进行了空间调制，然后通过衍射形成所需的布拉格光栅的干涉图形，由于光纤纤芯的光敏性，因而就被这种干涉图形分布的光子写进了周期性的折射率分布，从而形成布拉格光栅。在制备光纤光栅时，需去除成栅段光纤的涂层，因为涂层会吸收紫外光能，影响光纤光栅的刻写。另外，当光纤纤芯吸收氢气或其同位素（如氘气）后能增强其紫外线的能力。因此光纤成栅前需进行载氢处理，就是在刻写FBG前，需将普通光纤浸泡在一定温度下，在氢气气压中一段时间，使光纤中的氢达到饱和，这样可以提高光纤纤芯区对UV（紫外光）的吸收率以及提高成品FBG的宽带。