光纤光栅的写入技术

光纤光栅出现至今，它的研究与制作已取得了飞速的发展，掺杂元素已从单纯的Ge元素发展到掺P，B，Al，Er，Ge等元素。所用紫外光波也从四倍频的Nd：YAG激光器的266nm到ArF准分子激光器的192nm。下面分别介绍几种光栅的制作技术。

1.单束光纵向写入技术

单束光纵向写入技术最早由Hill等人在1978年的实验中用到，488nm的Ar离子单模激光器发出的一束激光射入一个掺锗的石英光纤，监视光纤末端的反射光。开始，就像我们所知的光纤和空气交接面的反射一样，反射率为4%，但是，随着时间的推移，它渐渐地增加，几分钟之后甚至超过了90%（取决于光敏光纤的长度），最终成为一个布喇格光栅。图9.11.1是1978年实验中观察的一个1m长的光纤随时间而逐渐增长的反射率，其中光纤的数值孔径是0.1，纤芯直径是2.5μm。8min的曝光下测量的反射率是44%，意味着如果算上耦合损耗的话（典型值为50%）布喇格光栅发射率应该超过80%。所增加的反射率是因为在纤芯的内部建立了一个布喇格光栅。光栅的形成是在光纤的远端开始的，反射光和入射光传输方向相反，形成驻波，拍周期是λ／2n，其中λ是激光波长，n是在此波长时的折射率。石英的折射率在高光强区改变，形成了一个沿着光纤长度的周期变化。即使光栅开始时很微弱，因为反射光的强度较弱（远端反射率为4%），它会通过一个快速过程不断加强。由于光栅的周期正好就是驻波的周期，所以布喇格条件对波长是满足的。结果，一些前向传输的光通过分布反馈反射回来，加强了光栅，即加强了反馈。当光致折射率的变化达到饱和时，这种过程停止。芯内带有布喇格光栅的光纤其作用就像一个窄带反射滤波器。图9.11.1的两个插图就显示了这样一个光纤光栅的反射谱和传输谱。它的半高全宽（FWHM）大约为200MHz。

入射光反射率的增加和相应的透射率的减少可以用周期介质中传输波的耦合模式理论来解释。折射率的变化在光栅的生成过程中是动态发生的。因而减轻了对固定的π／2相位差需要。光栅的啁啾特性形成了相移。

单束光纵向写入光栅的缺点是它们只能适用在写入激光的波长范围附近。由于掺锗的石英光纤在大于0.5μm的波长范围内表现出很弱的光敏特性，这样的光栅就不能应用在光纤通信常用的1.3～1.6μm的波长范围内。接下来讨论的双光束全息相干技术解决了这个问题。

图9.11.1　掺锗光纤光栅的反射率随时间的变化（内部小图显示了这种光纤光栅的反射谱和透射谱）

2.双光束全息相干写入

双光束全息相干技术，如图9.11.2所示，应用了类似全息术一样的外部干涉方案。从同一个激光器（工作波长在紫外区）获得的两束激光以2θ的夹角在一根光纤裸露的纤芯处产生干涉，用圆柱透镜来扩展沿光纤长度方向的光束，一束光典型的横截面是15mm×0.3mm，其中长边决定了光纤光栅的长度。和单束光写入方法一样，干涉图案产生了折射率光栅，但是光栅周期Λ与激光波长λ和角度θ有关：

图9.11.2　双光束全息写入技术

光纤反射峰值波长即布喇格波长λB为

其中，n为光纤纤芯折射率。可以看到，只要调节角度θ，周期Λ就可以在很宽的范围内变化。由于Λ决定了光纤光栅反射光的波长范围，且可以比λ大很多，即使λ在紫外区，也可以用这种双光束全息方法制成应用在可见光或红外光范围的布喇格光栅。Meltz等人在1989年的实验中，用一个平均功率为10～20mW的倍频脉冲染料激光器发出的244nm的光，对感光光纤4.4mm长的芯区曝光5分钟，做成了一个580nm的布喇格光栅。对反射率的测量表明干涉图形的高密区折射率的变化10－5。用双光束全息技术制成的布喇格光栅很稳定，甚至当温度加热到500℃时也不变。

由于在实际应用中的重要性，1990年出现了工作在1.5μm波长区的布喇格光栅。此后，从实用的角度出发又出现了在此技术基础之上改进的几种布喇格光栅。

这种方法最大的优点是它突破了单束光纵向写入法对布喇格中心反射波长的限制，使人们可以更充分地利用最感兴趣的波段。采用改变两束光的夹角或旋转光纤放置位置的方法都可以方便地改变反射的中心波长。如果将光纤以一定弧度放置于相干场，又可以很容易地得到带有啁啾的光纤光栅。

双光束全息相干技术的缺点就是它要求紫外激光器有良好的时间和空间相干性。一般所用的激光器光束相干性不强，在纤芯产生干涉图案的几分钟的时间里都要特别小心。如果曝光时间降低到1s或更短，这个方案就更实用了。用一个准分子激光器产生20ns的脉冲就可以制成高反射率的光纤光栅，从而把曝光时间降低到20ns。对用这种方法做成的光栅的多种测量结果表明，当脉冲能量达到35mJ时有类似阈值现象的情况：对低功率脉冲输入时产生的光栅比较弱，因为折射率改变大约只有10－5；而脉冲能量在40mJ以上就可以引起10－3的折射率的变化。用248nm波长40mJ的脉冲可以制成将近100%反射率的光栅，而且，在温度高达800℃时仍然保持稳定。短曝光时间还有一个好处就是，光纤从预制棒拉出的典型速度为1m／s，即20ns的时间里仅移动了20nm，这个位移对光栅周期来说很短，所以可以在光纤拉制时并在涂覆之前写入光栅。这个特点使得单脉冲全息技术从实用的角度出发非常有用。

这种方法的一个缺点是要想得到准确的布喇格中心反射波长，对光路的调整精度要求极高。从式（9.11.1）和式（9.11.2）可得

假设采用λ＝240nm的激光输出，光纤折射率n为1.45，那么若想得到1 550nm的反射中心波长，θ应为12.97°。如果此时θ偏差为0.01°，则ΔλB＝67.27nm，早已远离中心波长，由此可见对光路调整精度的要求有多么苛刻。

3.相位掩模技术

1993年出现了一种非全息技术，即在集成电路制作中经常用到的光刻技术。其基本原理使用一块相位掩模版，这个掩模版的周期正好就是所要光栅的周期，掩模版就象光母版，通过光刻读到光纤上。本方案的其中一个实现方法是用电子束平板印刷和反应离子蚀刻术把Cr沉积在石英基片上，刻制成相位掩模版。Cr的线间距为520nm，对应于λ＝1.51μm时的光栅周期Λ＝λ／2n。242nm的射线穿过掩模版形成周期性的强度变化，光纤的光敏特性把光强变化转变为折射率的变化，从而形成光栅。

相位掩模方法的最主要优点是降低了对紫外光束的时间和空间相干性的要求。实际上，即使用非激光光源（如紫光灯）也行，因为光栅周期和光源的波长无关。而且，相位掩模技术可以制作啁啾光栅。对一个固定周期的掩模，如果在光刻过程中用一个会聚或分散波阵面就可以使布喇格波长在一定的范围内变化。

图9.11.3（a）所示为垂直入射情形，利用＋1级和－1级衍射光相干，此时光纤光栅周期为相位掩模版的周期的一半。图9.11.3（b）所示为斜入射，利用0级和－1级衍射光相干，得到的光纤光栅周期的相位掩模版的周期一样。

值得注意的是，光纤光栅的质量（长度、一致性等）完全取决于相位掩模版，所有的缺陷都会被原样地复制到光栅上。为了得到预期的目的，必须严格控制相位光栅的刻蚀深度和占空比。

图9.11.3　相位掩模和振幅掩模

除了用相位掩模版以外，还可以用振幅掩模版来制作光栅，如图9.11.3（c）所示。这种方法要采用一个光学成像系统，将振幅光栅产生的0级衍射阻挡掉，同时将±1级的衍射光经变化后在光纤中相干。这种方法对掩模版的要求有所降低，但对光源的时间和空间相干性的要求与全息法是一样的。

4.逐点写入方法

逐点写入不需要全息技术，也不用相位掩模版，它直接在光纤上写入光栅。一个高能脉冲对光纤上长度为W的一小段曝光后，然后在下一个脉冲时刻写入下一个周期。这种方法被称为逐点写入是因为光栅是一个周期接一个周期写入的，即使当周期低于1μm时也是这样，将紫外光束紧紧聚焦在长度为W的一段光纤上曝光。虽然可以选择我们想要的W值，但一般情况选为Λ／2。

这种技术在实际应用中有两个问题。首先，因为逐点写入方法费时，所以只制造短光纤光栅（长度＜1mm）。其次，1.55μm的一阶光栅的周期是530nm，且随着波长的变短会变得更小。要想把激光光束聚焦到这么小的尺度是比较困难的。为了缓解这一矛盾，出现了逐点谐波写入法。即光束尺度是光栅周期Λ的n倍。利用这种技术已经制造出一个360μm长，周期为1.59μm的三阶光栅。这个三级光栅对1.55μm的入射光仍能反射70%。从原理出发，一个光束可以被聚焦成波长量级的长度。适当调整聚焦光束，一般用来写入光栅的248nm激光器可以提供波长范围为1.3～1.6μm的一阶光栅。