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)于長周期的光纖光柵而言更長（見下文）。
折射率攝動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在狹窄的波長范圍內(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，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，與來自光柵不同部分的反射場貢獻(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（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)制的長度和強(qiáng)度。對(duì)于具有弱折射率調(diào)制的長光柵，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。
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)簡單。原則上，可以使用與介電鏡相同的形式，在最簡單的版本中，假設(shè)矩形折射率調(diào)制并考慮到光場與折射率調(diào)制區(qū)域的有限重疊。但是，對(duì)于長光柵，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 ，其中布拉格波長隨位置單調(diào)變化。例如有可能在短長度的光纖中實(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感測的，即，監(jiān)測例如沿該裝置的長度的溫度。
長周期布拉格光柵
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）的周期長的布拉格光柵（LPG）[?11，20?]，其長度為幾厘米。
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度的光纖壓在帶有周期性凹槽的板上來制成長周期光柵。這種光柵是可逆的并且可能是可調(diào)諧的。
長周期光柵被用于引入仔細(xì)控制依賴于波長的損耗，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：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。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)波長信道。可以使用長FBG（具有高達(dá)約一米的長度，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)[31]）或這種光柵的組合來實(shí)現(xiàn)極窄帶濾波器。也有較短的具有可調(diào)中心波長的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可以用作波長參考，例如用于穩(wěn)定激光波長。該方法也可以應(yīng)用于波長穩(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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