1978年，K. O. Hill等人發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性，從而導(dǎo)致了光纖光柵(fiber Bragg grating)的新型光纖無源器件的出現(xiàn)，其中，在光纖光柵中衍射的光滿足布拉格衍射條件。隨著光纖光柵寫入技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用成果的日益增多，光纖光柵成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無源器件之一。
光纖材料光敏效應(yīng)在微觀上可能與眾多的物理因素有關(guān)，是一個非常復(fù)雜的物理過程，目前還不能給出完全定量化的描述。本章簡單介紹了光纖光柵的光敏性及其光學(xué)特性。
光纖光柵可以廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力以及動態(tài)磁場等的測量。測量的基本原理是光纖光柵的中心波長隨著外界環(huán)境參數(shù)的變化而變化。本章分別介紹了光纖光柵對幾種物理參數(shù)的傳感原理。
研究光在光纖光柵中的傳輸規(guī)律，對正確理解光纖光柵的傳光機理和光纖光柵的性質(zhì)，從而合理地應(yīng)用光纖光柵的獨特功能是十分重要的。研究光波在光纖光柵中傳輸規(guī)律的方法有許多種，包括耦合模式法、包絡(luò)函數(shù)法、多層介質(zhì)薄膜法、光程法等。其中作為研究光波導(dǎo)的理論工具，耦合模理論因其直觀性和可明確地描述模場的特性而得到廣泛應(yīng)用。本章重點對光纖光柵的耦合模理論做了介紹。耦合模理論作為用于光模場描述的方法通常有理想模展開和局域模展開兩種形式，局域模展開對研究幾何形狀不完整的波導(dǎo)非常有用；而理想模展開特別適合于幾何形狀完整而折射率不均勻的波導(dǎo)，例如光纖光柵，并且其耦合系數(shù)具有簡單的普遍形式。
光纖光柵的折射率分布反映了光纖光柵的周期和折射率調(diào)制度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)決定了光纖光柵的Bragg波長、帶寬和反射特性等，從而使不同的折射率調(diào)制及不同結(jié)構(gòu)的光纖光柵具有了不同的功能，形成不同的光纖光柵器件。光纖光柵的形成基于光纖的光敏性、不同的曝光條件，不同類型的光纖產(chǎn)生多種不同折射率分布的光纖光柵。
當設(shè)計傳感器測量方法時，應(yīng)該仔細考慮光纖光柵的特征。一些指標是通用的，幾乎針對所有應(yīng)用；另外一些指標可能是為滿足一些特殊應(yīng)用而定制的。本章針對應(yīng)變、溫度測量，詳細介紹了光纖光柵的一些必要的技術(shù)指標。
如何提高物理量變化引起的光纖光柵波長移動量的測量精度是設(shè)計性能優(yōu)良的傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。近年來，如何實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的高分辨率探測是學(xué)者們研究的一個熱點。關(guān)于光纖光柵波長解調(diào)探測方法已有很多報道，根據(jù)波長漂移量探測器件的工作原理，這些探測方法大致可以分為如下幾類：邊緣濾波器法、可調(diào)濾波器法、干涉掃描法。
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制成的。所謂光敏性，是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強成線性關(guān)系并可以永久的保存下來。這樣的結(jié)果，實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成了一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射器。利用這一特性可以構(gòu)成許多性能獨特的光纖無源器件。研究表明，光纖光敏性的峰值位于240nm的紫外（UV）區(qū)。
根據(jù)在摻鍺石英玻璃、光纖預(yù)制棒及光纖上所進行的光敏性實驗，在240nm波段的紫外光照射下，摻鍺石英材料的光敏性主要表現(xiàn)在以下幾個方面 ：
1. 折射率的永久性改變，這種光致折射率改變是可飽和的，是用240nm波段的紫外光在光纖中形成光纖光柵的基礎(chǔ)。
2. 240nm吸收帶永久性降低或消失，同時造成193nm吸收帶永久性增加。
3. 對樣品的電子自旋共振測量表明，石英玻璃中的Ge(1)、Ge(2)和GeE′缺陷濃度顯著增加。
4. 樣品濃度增加。
5. 摻鍺石英材料光纖的光敏性與光纖的制作過程有關(guān)。
6. 光纖材料的光敏性與光纖材料中的摻鍺濃度基本上成正比，并與所使用的紫外光源的類型，以及照射到光纖材料上的能量密度有關(guān)。在相同的曝光量下，使用脈沖型光源可以在光纖中獲得比連續(xù)型光源更大的光敏變化，使用較高的能量密度也具有相似的效果。
7. 光敏性與光纖材料有很大關(guān)系。例如，對光纖材料進行高壓低溫H2擴散可以極大地提高光纖材料的光敏性。
8. 采用多種摻雜使光纖材料的芯區(qū)和包層具有盡可能大的熔點和熱膨脹系數(shù)，可以獲得具有高光敏性的光纖材料。
9. B/Ge雙摻光纖材料具有較高的光敏性。
10. 在采用高能量密度光源對高摻鍺光纖材料進行長時間曝光的過程中，開始時，折射率隨曝光量逐漸增加，并達到某一最大值；然后，折射率隨曝光量逐漸減小。
雖然光纖光敏效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)距今已有20余年，但它的物理起因和微觀機理還不是十分清楚。根據(jù)已有的實驗結(jié)果，人們已經(jīng)對摻鍺石英光纖光敏性的微觀機理提出了多種不同的解釋模型。就目前而言，普遍認為摻雜光纖光敏性來源于摻雜物質(zhì)與SiO2混合形成的結(jié)構(gòu)缺陷。一般認為強紫外光照射后，密度發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了折射率變化， 圖2.1為典型的摻鍺光纖紫外吸收光譜。
摻雜質(zhì)的光纖具有折射率的紫外(UV)光敏性，即UV光輻照引起光纖的晶格缺陷，從而引起折射率的變化。若沒有對光纖進行處理，直接用UV光照射，光纖的折射率增加僅為10-4數(shù)量級便已經(jīng)飽和，所以制作優(yōu)質(zhì)的光纖光柵就需要提高光纖的光敏性。提高光敏性的關(guān)鍵是增加光纖GODC(germanium oxygen deficiency centre)的濃度。增敏方法主要有：摻入光敏性雜質(zhì)(如鍺、錫、硼等)或多種摻雜劑(如鍺、硼共摻等)。近年來，增敏技術(shù)主要有以下幾種：
1. 采用高壓載氫技術(shù)或在制作預(yù)制棒時進行氫處理將氫擴散到光纖中，使光纖在242nm波長處的吸收強度比通常條件下的光纖提高了一個數(shù)量級。
1993年，Atkins和Lemaire等人發(fā)現(xiàn)高壓低溫氫載能大幅度提高光纖的光敏性。氫載溫度通常在21～75°C之間，壓力在20 ×105～750×105Pa的摻鍺硅玻璃導(dǎo)致的吸收譜的變化的范圍內(nèi)。Lemaire將標準通信光纖在21℃下氫載12天，然后用工作波長為241nm、工作頻率為30Hz的紫外光輻射，得到5.9×10-3的折射率改變量。事實上，氫載后再進行紫外輻射，光纖折射率改變量可達10-2量級。Lemaire還證實折射率的改變量不受制作過程中產(chǎn)生的細微缺陷的影響，而主要受所摻鍺和載氫濃度的影響，且在通常的情況下，折射率的改變可保持較好的熱穩(wěn)定性。
2. 在光纖中摻入Sn4+、Er3+、Ge4+、Sb3+、Pr3+等具有較強光敏性的離子以加強在240nm附近的光纖吸收峰值。
Dong等的研究表明，摻Sn4+的光纖經(jīng)紫外輻射后，折射率改變量可達114×10-3，而且不會對重要的通信窗口1155μm處的吸收損耗產(chǎn)生大的影響，形成的光纖光柵的熱穩(wěn)定性也好于硼鍺共摻的光纖。研究還表明，Sb/Ge共摻光纖有較好的光敏性(dn=2.7×10-4)和很高的溫度穩(wěn)定性，當溫度高達900℃時光柵的性能仍然穩(wěn)定，特別適合于制作對溫度干擾不敏感的傳感器。
對近UV光增敏摻鍺光纖纖芯對244nm的光波敏感，故常用244nm的激光作為寫入光波，但包層對該波長也有較強的吸收，制作光纖光柵時，需要除去包層，這既費時又損傷光柵的機械強度。為此，J.L.Blows等人采用對包層透明的近UV光作為寫入光波，同時在纖芯摻入光敏的稀土離子Ho3+或Tm3+。實驗表明，摻Ho3+或Tm3+的纖芯對355nm的近UV光敏感，同時對1250~1650nm的通信波長吸收很弱，極有實用價值。
光纖光柵是一種參數(shù)周期變化的光波導(dǎo)，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個光纖模式的功率部分地或完全的轉(zhuǎn)移到另一個光纖模式中去來改變?nèi)肷涔獾念l譜。在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模既可以被耦合成向前傳輸模式，也可被耦合成向后傳輸模式，這要依賴于光柵以及不同傳播常數(shù)決定的相位條件，即：
因此，均勻FBG光柵的基本特性是以共振波長為中心的窄帶光學(xué)濾波器，該共振波長稱Bragg波長，記為λB。一個光纖折射率周期變化的光柵可以反射以Bragg波長為中心，帶寬以內(nèi)的一切波長，根據(jù)需要它既可以做成小于0.1nm的窄帶型濾波器，也可以作為幾十納米的寬帶濾波器。此外，它還具有體積小、插入損耗低以及與普通光纖良好匹配的優(yōu)點。而折射率被線性調(diào)制的啁啾(Chirp)光柵可以做成寬帶濾波器。
光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)，通常是圓柱形。它把以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射的原理約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線的方向前進。光纖的傳輸特性由其結(jié)構(gòu)和材料決定。
圖2.8分別示出均勻光纖光柵的折射率分布和反射譜示意圖。由 REF _Ref175968488 \h \* MERGEFORMAT 圖2.8 (b)所示的光譜特性說明一定帶寬Δλ的諧振峰兩邊有一些旁瓣，這是由于光纖光柵的兩端折射率突變引起Fabry-Perot效應(yīng)所至。這些旁瓣分散了光能量，不利于光纖光柵的應(yīng)用，所以均勻光纖光柵的旁瓣抑制是表征其性能的主要指標之一。
均勻光纖光柵可作為激光器外腔反射鏡，制成光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器。也可以作為Fabry-Perot諧振腔制成性能優(yōu)良的光纖(DFB或MOPA結(jié)構(gòu))激光器，主動鎖?；蚩烧{(diào)諧光纖激光器、DWDM中的復(fù)用/解復(fù)用器、插分復(fù)用器及波長轉(zhuǎn)換器、光柵路由器等；利用光纖光柵的溫度、應(yīng)力特性還可制成不同的光纖傳感器。
2、線性啁啾光柵
圖2.9示出一個線性啁啾光纖光柵的折射率分布和反射譜示意圖。從她的反射譜可見，周期非均勻光柵的反射譜明顯增寬，且反射譜具有波動性。這種波動性的產(chǎn)生原因與均勻光柵一樣，也不利于應(yīng)用。適當?shù)男拚凵渎史植?/span>n(z)，即使光纖光柵兩端折射率調(diào)制度逐漸遞減，可以改善這種波動性 REF _Ref175968758 \r \h \* MERGEFORMAT [22] REF _Ref175968759 \r \h \* MERGEFORMAT [23]。
在這種光柵中，光柵節(jié)距的線性變化，使通路中的各個波長在光柵的不同深度處反射回來，補償了通路內(nèi)各波長渡越時間的變化，從而對譜寬展寬作出補償。所以，利用啁啾型光柵的較寬反射帶的特點可構(gòu)成寬帶濾波器，用于色散補償和產(chǎn)生超短脈沖。
1. Taper型光柵
Taper型光柵是一種切址光柵，它的周期是均勻的，折射率隨一定的函數(shù)關(guān)系變化，其折射率分布可表為
圖2.10示出Taper型光柵的折射率分布和反射譜示意圖。從圖可見，這種光柵的兩端折射率分布函數(shù)逐漸減至零，消除了折射率突變，從而使它的反射譜不存在旁瓣，改善了光譜特性。Taper型光柵可構(gòu)成各種濾波器、波長變換器和光插/分復(fù)用器。多個Taper型光柵的復(fù)合還可制成特殊性能濾波器，如Michelson光纖濾波器和Mach-Zehnder濾波器等。
1. Moire光纖光柵
Moire光纖光柵是一種相移光柵，有其特有的性質(zhì)，深受關(guān)注。Moire光柵的折射率分布是一種具有慢包絡(luò)的快變結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅可以有效抑制Bragg光纖光柵反射譜中的旁瓣效應(yīng)，而且可以在反射阻帶中打開一個或多個透射窗口。其折射率分布可表為
長周期光纖光柵在光纖通信有著廣泛用途，如用于EDFA增益譜平坦化、光纖模式變換器、偏振模式變換器、濾波器，同時作為一種帶阻濾波器應(yīng)用到OADM或OXC等波長路由器件。
長周期光纖光柵的光譜特性與光柵的周期、纖芯和包層的有效折射率有關(guān)，利用長周期光纖光柵的導(dǎo)模與多個包層模之間產(chǎn)生能量交換，形成多個損耗峰，實現(xiàn)單個光柵的多參量傳感；通過調(diào)整包層和纖芯材料的不同的摻雜，或者通過選擇合適的光柵參數(shù)，使纖芯的導(dǎo)模與設(shè)定階次的包層模產(chǎn)生耦合，可以制作對某些參數(shù)增敏或者去敏的長周期光纖光柵。由于長周期光纖光柵無須去包層，比光纖光柵制成器件壽命更長、承受力更強。因此，長周期光纖光柵在溫度、應(yīng)變、彎曲、振動、橫向負載以及氣體和液體濃度的等方面的光纖傳感領(lǐng)域也得到了廣泛的研究。
