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光纤光栅的制作方法
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发表于 2009-10-26 16:53:00
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光纤光栅的制作方法
作者：www.weilanshi.com
1） 内部写入法
内部写入法又称驻波法。Hill早在1978年，用图1所示的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。 将波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器1监测,而透射光则由光电探测器2接收。经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅[2,3,4]。已测得其反射率可达90％以上，反射带宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，因此，其实用性受到限制。
图1 内部写入法制作光栅的实验装置
2） 全息干涉法
全息干涉法又称外侧写入法，如图2示，用准分子激光干涉的方法，Meltz（北京蔚蓝仕www.weilanshi.com ）等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅[5]。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由 给出。可见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。
图2 横向侧面曝光法写入光栅实验系统
3） 分波前干涉法
利用此技术制作FBG的干涉装置可以用棱镜[6,7]或者洛埃镜[8]。如图3示，使用棱镜干涉法制作FBG的示意图。在这个装置中，UV光束在棱镜的输入面上通过折射而横向展宽。展宽的光束一分为二，一半光束在棱镜表面上发生全内反射，然后，与另一半光束在棱镜的输出面上产生干涉。放在此装置之前的柱状透镜有助于沿着纤芯所形成的干涉图样在一条直线上。
图3 用棱镜干涉制作光栅的示意图
用洛埃镜干涉系统制作FBG的实验装置如图4示。这个干涉系统由一个非传导性（dielectric）的反射镜组成，用以将UV光束的一半导入与反射镜垂直的光纤中，之后与另一半光束产生干涉图样。
图4 用洛埃镜干涉制作光栅的示意图
分波前干涉技术的一个重要优势在于仅使用一个光学器件，这大大降低了系统对机械震动的敏感度。但它的缺点是光栅长度和布拉格波长的调谐范围受到限制。
4） 相位掩模法[9,10]
如图5示。相位掩模板（Phase Mask）是衍射光学元件，用以将入射光束一分为二+1级和-1级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率受到调制。相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级衍射的功能。Bragg光栅写入周期为掩模周期?PM一半的。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位掩模的周期有关。因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统，其主要缺点是不同Bragg波长要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。用低相干光源和相位掩模板来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩模与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅常用的一种方法。
图5 Phase Mask法制备光纤光栅示意图
5）在线成栅
南安普顿大学的L Dong（北京蔚蓝仕www.weilanshi.com ）等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了在光纤拉制过程中写入光纤光栅的实验[11]。如图6所示。它是光纤拉制过程中在裸光纤上直接写入光栅，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。
图 6 光纤拉丝塔下横向向侧面干涉曝光法光纤光栅在线制作装置示意图
Askins（北京蔚蓝仕www.weilanshi.com）等人改进了上述在线光纤光栅制作方法[12]，如图7所示。在他们的干涉系统中，反射镜M3和M4程控可调，使得两束干涉光束的夹角连续可调，从而可在线自动地在一根光纤上写入反射波长不同的一系列光纤光栅。使用这种方法，制造工艺简单，使连续大批量生产的光纤光栅成为可能，提高了光栅性能的稳定。
图7 反射波长可调的系列光纤光栅在线制作实验装置
(图中反射镜M3、M4及拄状透镜CL程控可调)
6） 直接写入法
直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥除光纤的涂覆层而直接在纤芯上写入光纤光栅的方法。此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的光纤涂覆层有采用丙烯酸酯[13]或General E1ectric RTV615硅胶[14]，通过加大紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤载氢等方法，可以有效提高光纤光栅的写入时间。在两硅平板间夹150μm厚的RTV615硅胶用分光计分析了这种涂敷层的紫外光吸收特性，在248nm波长处透过率达92％，有低的紫外光吸收率，因而可以用244nm倍频激光器或248nmKrF准分子激光器透过涂敷层写入光纤市喇格光栅。这种方法解决了以往传统方法中必须采用裸光纤的弊端，减少了对光纤光栅制作完后要立即进行涂覆的工艺复杂性，具有很好的应用前景。
7） 聚焦离子束写入
利用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)可以写入任意的光纤光栅结构[15]，FIB既可以用研磨方式，也可以用沉积方式。研磨光栅基本结构如图8所示，光栅研磨出的槽离纤芯只有几 m，研磨15—20个槽就可获得高的反射率，槽数越多反射越大。其实验步骤是：第一步，先剥去涂敷层，除去包层较厚的部分；第二步，固定光纤以便刻蚀和放入真空室研磨，光栅结构要研磨得靠近纤芯。研磨方法简单但实现不易，常用的方法是用氢氟酸腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，槽的深宽比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。
图8 FIB研磨的光栅结构
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