光纖布拉格光柵的原理特點(diǎn)
光纖布拉格光柵是有效的周期性或非周期性擾動(dòng)折射率在芯的光的纖維（參見圖1）。通常，擾動(dòng)在例如幾毫米或幾厘米的一定長(zhǎng)度上是近似周期性的，并且周期為數(shù)百納米的數(shù)量級(jí)，或者對(duì)于長(zhǎng)周期的光纖光柵而言更長(zhǎng)（見下文）。
折射率攝動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在狹窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射光（沿著光纖傳播），因此可以滿足布拉格條件（→??布拉格鏡）：
其中Λ是光柵周期，λ是真空波長(zhǎng)，n?eff是光纖中光的有效折射率。本質(zhì)上，該條件意味著光柵的波數(shù)與入射波和反射波的（相對(duì)）波矢量的差相匹配。在這種情況下，與來(lái)自光柵不同部分的反射場(chǎng)貢獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)的復(fù)振幅全部同相，因此它們可以相長(zhǎng)地相加。這是一種相位匹配。甚至弱指數(shù)調(diào)制（幅度例如10?-4如果光柵足夠長(zhǎng)（例如幾毫米），則足以實(shí)現(xiàn)近乎全反射。
不滿足布拉格條件的其他波長(zhǎng)的光幾乎不受布拉格光柵的影響，除了一些在反射光譜中經(jīng)常出現(xiàn)的旁瓣（但可以通過變跡來(lái)抑制，見下文）。
光纖光柵的反射帶寬通常遠(yuǎn)低于1 nm，這取決于折射率調(diào)制的長(zhǎng)度和強(qiáng)度。對(duì)于具有弱折射率調(diào)制的長(zhǎng)光柵，可以獲得例如對(duì)于單頻?光纖激光器的構(gòu)造或某些濾光器所希望的最窄帶寬值。短而堅(jiān)固的光柵可以實(shí)現(xiàn)大帶寬，但非周期性設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)大帶寬（見下文）。
由于最大反射率的波長(zhǎng)不僅取決于布拉格光柵的周期，而且還取決于溫度和機(jī)械應(yīng)變，因此布拉格光柵可用于溫度和應(yīng)變?傳感器。例如通過在兩個(gè)平板之間擠壓光纖光柵而產(chǎn)生的橫向應(yīng)力會(huì)引起雙折射，從而引起與偏振有關(guān)的布拉格波長(zhǎng)。
光學(xué)特性的物理建
大多數(shù)光纖布拉格光柵都用于單模光纖，在這種情況下，物理建模通常相對(duì)簡(jiǎn)單。原則上，可以使用與介電鏡相同的形式，在最簡(jiǎn)單的版本中，假設(shè)矩形折射率調(diào)制并考慮到光場(chǎng)與折射率調(diào)制區(qū)域的有限重疊。但是，對(duì)于長(zhǎng)光柵，索引調(diào)制的周期數(shù)可能變得相當(dāng)大，從而增加了計(jì)算時(shí)間。因此，最好使用基于模式耦合的模型，導(dǎo)致一對(duì)帶有耦合項(xiàng)的微分方程，其大小與折射率調(diào)制的局部強(qiáng)度有關(guān)。然后有效地假定耦合是平滑分布的，并且數(shù)值積分是用比光柵周期大得多的步長(zhǎng)完成的。
這樣的方法可以用于計(jì)算光的透射和反射的頻率相關(guān)的復(fù)振幅。這些不僅顯示反射功率和透射功率的分?jǐn)?shù)，而且（通過數(shù)值微分）揭示色散。
如果涉及許多傳播模式，數(shù)值模型將變得更加復(fù)雜。即使對(duì)于單模光纖，如果需要考慮雙折射，則可能有必要考慮四種模式（而不僅僅是兩個(gè)反向傳播模式），如果可能發(fā)生與包層模式的耦合，則甚至需要考慮更多種模式。對(duì)于多模光纖，必須考慮多種芯模。在這種情況下，耦合系數(shù)不僅取決于折射率調(diào)制的幅度，而且取決于光柵的三維形狀。而且，由于布拉格條件受不同傳播常數(shù)的影響，因此最大反射的波長(zhǎng)在不同模式之間可能不同。
也可以將數(shù)值束傳播技術(shù)應(yīng)用于光纖布拉格光柵的分析。當(dāng)沒有反射，而只有在基本上相同方向傳播的模之間耦合時(shí)，尤其是這種情況-這是長(zhǎng)周期布拉格光柵的典型情況（例如，漸變周期約為1 mm）。（對(duì)于涉及反向傳播模式的情況，很難應(yīng)用光束傳播方法。）圖3顯示了一個(gè)長(zhǎng)周期光纖布拉格光柵的示例，其中選擇了極化周期，以便從基本模式進(jìn)行有效耦合到LP?03模式是可能的。全數(shù)值技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜的分析計(jì)算，并且可以避免通常涉及的簡(jiǎn)化分析模型（在實(shí)踐中可能會(huì)或可能不會(huì)被證明是正確的）。
特殊類型的光柵
切趾光柵
如果光柵中折射率調(diào)制的強(qiáng)度在一定長(zhǎng)度上是恒定的，并且在該范圍之外突然下降到零，則反射光譜會(huì)顯示旁瓣，尤其是在峰值反射率很高的情況下（請(qǐng)參見圖2）。這些旁瓣有時(shí)令人不安，例如在光纖布拉格光柵作為光學(xué)濾波器的某些應(yīng)用中。使用切趾技術(shù)可以將它們大部分移除：折射率調(diào)制的強(qiáng)度沿光柵平滑地上下傾斜。當(dāng)然，然后需要增加光柵的總長(zhǎng)度以獲得一定的峰值反射率。對(duì)于切趾光纖布拉格光柵中折射率調(diào)制的精確分布，在某些受限光柵長(zhǎng)度和給定最大折射率調(diào)制強(qiáng)度的情況下，最佳旁瓣抑制和最大反射率之間需要權(quán)衡。
非周期性折射率調(diào)制光柵（傾斜光柵）
具有非周期性折射率調(diào)制的光纖光柵可以具有有趣的特性，例如不帶旁瓣的反射率曲線，多個(gè)定制的反射帶或特殊的色散特性。特別是對(duì)于色散補(bǔ)償，使用了所謂的chi光纖光柵 ，其中布拉格波長(zhǎng)隨位置單調(diào)變化。例如有可能在短長(zhǎng)度的光纖中實(shí)現(xiàn)非常大的群時(shí)延色散，足以補(bǔ)償光纖通信系統(tǒng)中長(zhǎng)距離傳輸光纖的色散。另一個(gè)應(yīng)用是脈沖壓縮，例如在脈沖放大器系統(tǒng)。
啁啾光纖光柵也可用于應(yīng)用程序作為分布式有趣的光纖傳感器與intragrating感測(cè)的，即，監(jiān)測(cè)例如沿該裝置的長(zhǎng)度的溫度。
長(zhǎng)周期布拉格光柵
典型的FBG具有幾百納米的光柵周期，耦合芯中的反向傳播波。第二種可能性是使用周期為數(shù)百微米（通常帶有傾斜的光柵平面）的周期長(zhǎng)的布拉格光柵（LPG）[?11，20?]，其長(zhǎng)度為幾厘米。
這樣的光柵可以將具有相同傳播方向的模式耦合。例如，多模光纖的基本模式可以耦合到某個(gè)更高階的模式，或者纖芯模式可以耦合到在相似方向傳播的包層模式。在后一種情況下，耦合有效地引入了傳播損耗，因?yàn)榘鼘幽Ｊ较碌墓馔ǔ?huì)在光纖涂層中遭受很大的損耗。
甚至可以通過將短長(zhǎng)度的光纖壓在帶有周期性凹槽的板上來(lái)制成長(zhǎng)周期光柵。這種光柵是可逆的并且可能是可調(diào)諧的。
長(zhǎng)周期光柵被用于引入仔細(xì)控制依賴于波長(zhǎng)的損耗，例如，用于增益均衡在摻鉺光纖放大器的，但也可用于光纖傳感器。
聚合物纖維中的纖維光柵
也可以在聚合物光纖中寫入FBG?。與二氧化硅纖維一樣，通常使用紫外線，但物理機(jī)理有所不同。布拉格光柵在聚合物纖維中的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)可調(diào)性更大：聚合物纖維可以被更強(qiáng)地拉伸，并且它們對(duì)溫度變化的反應(yīng)更強(qiáng)。
光纖布拉格光柵的制造
布拉格光纖光柵的制造通常涉及用紫外?激光（例如來(lái)自KrF或ArF?準(zhǔn)分子激光或其他類型的紫外激光）照射芯材，這會(huì)引起一些結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致折射率的永久改變。芯玻璃的光敏性實(shí)際上很大程度上取決于化學(xué)成分和UV波長(zhǎng)：石英玻璃（通常用于覆層）的光敏性非常弱，而鍺硅酸鹽玻璃則表現(xiàn)出強(qiáng)得多的效果，從而可以實(shí)現(xiàn)折射率對(duì)比度高達(dá)≈10?-3。通過向纖維中加載氫，可以進(jìn)一步顯著提高光敏性（氫化纖維）。（為此，將纖維在高壓氫氣氛中放置一段時(shí)間。）?磷酸鹽玻璃通常被認(rèn)為不適合用于FBG的制造，但是特殊的方法可以使這種玻璃成為可能。
第一個(gè)光纖布拉格光柵[1]是用沿光纖纖芯傳播的可見激光束制造的，但是在1989年，G。Meltz等人證明了更通用的技術(shù)。，使用干涉法疊加來(lái)自光纖側(cè)面的紫外線（橫向?全息?技術(shù)）。紫外線之間的夾角決定了光纖纖芯中光圖案的周期，從而決定了布拉格波長(zhǎng)。兩個(gè)紫外光束經(jīng)常被暴露周期性相位掩模（光掩模）與單個(gè)UV光束（產(chǎn)生相位掩模技術(shù)），使用兩個(gè)一階衍射梁。非周期性相位掩模可用于獲得更復(fù)雜的圖案。另一種技術(shù)是逐點(diǎn)技術(shù)，其中使用較小的聚焦激光束逐點(diǎn)寫入折射率增加的區(qū)域。這是一種適當(dāng)?shù)模ㄇ曳浅ｌ`活）的技術(shù)，特別是對(duì)于長(zhǎng)周期布拉格光柵（請(qǐng)參見上文）。
代替紫外光，還可以使用飛秒脈沖形式的紅外光在各種眼鏡中寫入布拉格光柵。在那種情況下，雙光子吸收發(fā)生在激光束的焦點(diǎn)附近，但是不在焦點(diǎn)之外的區(qū)域中發(fā)生。甚至有可能通過纖維的聚合物涂層寫入此類光柵，因?yàn)楫?dāng)光束聚焦到纖維芯時(shí)，涂層中的強(qiáng)度要低得多。使用紅外光的另一種完全不同的方法是通過用CO?2激光束輻照在光子晶體光纖中制造長(zhǎng)周期FBG?。
根據(jù)書寫條件，布拉格光柵的形成實(shí)際上涉及不同的物理機(jī)制，并且可以區(qū)分不同類型的光柵。I型光柵的寫入強(qiáng)度適中，并且在整個(gè)磁芯上都顯示索引光柵。II型光柵可以在很短的時(shí)間內(nèi)以更高的強(qiáng)度寫入，通常是受激準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的單個(gè)納秒脈沖（單發(fā)損傷光柵）。可以在涂覆纖維之前將它們寫在拉伸塔上，這樣就避免了去除已經(jīng)制造的涂層的過程，并獲得了具有普通纖維完整機(jī)械強(qiáng)度的光柵。
rp光柵可以通過不同方式獲得，例如通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光刻寫，with相位掩模或在寫入光柵后使光纖變細(xì)。
布拉格光纖光柵相當(dāng)耐用，但是耐用程度（例如，可以擦除光柵的溫度）在很大程度上取決于纖維材料和光柵制造的細(xì)節(jié)。光學(xué)性能在制造后的一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生變化，直到達(dá)到最終值。為了更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以應(yīng)用退火程序，這通常意味著將纖維在某些高溫下保持幾個(gè)小時(shí)。
光纖布拉格光柵的應(yīng)用
FBG的電信應(yīng)用通常涉及波長(zhǎng)濾波，例如，用于在波分復(fù)用系統(tǒng)（分插復(fù)用器，OADM）中組合或分離多個(gè)波長(zhǎng)信道。可以使用長(zhǎng)FBG（具有高達(dá)約一米的長(zhǎng)度，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)[31]）或這種光柵的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)極窄帶濾波器。也有較短的具有可調(diào)中心波長(zhǎng)的FBG，例如通過施加壓電換能器的可變機(jī)械應(yīng)變。利用這樣的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的光學(xué)濾波器。
FBG可用作光纖激光器（→??分布式布拉格反射器激光器，DBR光纖激光器）的端鏡，然后通常將發(fā)射限制在非常窄的光譜范圍內(nèi)。甚至單頻操作也可以實(shí)現(xiàn)，例如，通過使整個(gè)激光諧振器由FBG形成，并在中間相移（→??分布式反饋激光器）。在激光諧振器外部，F(xiàn)BG可以用作波長(zhǎng)參考，例如用于穩(wěn)定激光波長(zhǎng)。該方法也可以應(yīng)用于波長(zhǎng)穩(wěn)定的激光二極管。
如果寫入光束的偏振垂直于光纖軸，則在兩個(gè)偏振方向上的布拉格波長(zhǎng)之間可能會(huì)有很大的偏差（即雙折射）。例如，這可用于制造搖擺過濾器。
光纖傳感器的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，例如應(yīng)變或溫度。
FBGs中有趣現(xiàn)象的范圍因光學(xué)非線性的出現(xiàn)而進(jìn)一步豐富，但這些現(xiàn)象尚未得到廣泛利用
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