光纤光栅技术综述

第36卷　增刊　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外　2006年9月　　　　　　　　　　　　　　LASER　&　INFRARED

Vol.36,Supplement

September,2006

文章编号:100125078(2006)增刊20749206

光纤光栅技术综述

李　尧,赵　鸿,朱　辰,于继承,张大勇,周寿桓

(华北光电技术研究所,北京100015)

摘　要:简要回顾了光纤光栅的发展历史,对光纤光栅技术进行了总结,分析比较了光纤光栅

各种制作方法的特点。对应用于全光纤化高功率光纤激光器的光纤光栅给出了作者的一些见解。

关键词:光纤激光器;光纤光栅;高功率中图分类号:TN253　　　文献标识码:A

StudyonFiberLIYao,ZHAOHong,ZHUYZ2yong,ZHOUShou2huan

(NorthIo2optics,Beijing100015,China)

Abstract:offibergratingsisreviewedbriefly.Severalinscriptionmethodsoffibergratingsareanalysed,ofthemarediscussed,Atlast,someopinionsabouttheinscriptionmethodsoffiberBragggratingusedinall2fiberhighpowerfiberlasersarepresented.Keywords:fiberlasers;fibergratings;highpower

1　引　言

近年来,高功率光纤激光器得到了迅猛发展,单纤输出功率已达上千瓦,并有不断攀升的趋势,这主要得益于包层泵浦技术的改进和高功率半导体泵浦源性能的提高。光纤激光器可以高效地将多模泵浦光转换为单模激光,因此容易获得高功率、高光束质量的激光输出,且无需特殊冷却装置。此外,中小功率的光纤激光器具有体积小巧、结构紧凑、携带方便、环境适应性好等诸多优点,可广泛应用于工业加工、医疗保健、娱乐演示等民用领域及激光雷达、激光测距等军事领域。

光纤激光器关键技术主要包括双包层光纤、高功率泵浦源、高效泵浦耦合及光学谐振腔等。目前光纤激光器谐振腔多采用法布里-珀罗(F-P)腔结构,即一端采用对泵浦光高透、对激光高反的双色镜做激光全反镜;另一端直接利用光纤端面的菲涅耳反射作输出镜。由于需要采用分立元件,这种谐振腔结构的稳定性和可靠性无法得到保证,不利于光纤激光器的推广使用。

解决上述问题的方案之一是,利用光纤布喇格

光栅(FBG)替代分立的激光全反镜以实现全光纤化的光纤激光器。FBG是一种刻写在光纤纤芯中的布喇格光栅,它能够把前向传输的纤芯模式能量耦合给后向传输的纤芯模式,形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射。光栅的谐振波长λB与周期Λ的关系为:λB=2neffΛ,式中neff为纤芯的有效折射

[1]

率。FBG具有较高的反射率(～100%)和较窄的

-1

反射带宽(～10nm),作为光纤激光器的谐振腔腔

镜,使激光器具有更为简单紧凑的结构和更高的稳定性。由于FBG本身就是由光纤制作而成,因此在光纤激光器的全光纤化设计中具有明显的优势,代表了双包层光纤激光器腔镜的发展方向。2　国内外研究现状

1999年,Kurkov等人用氩离子激光器作光源,采用全息干涉法在标准Flexcore-1060光纤上刻写

作者简介:李　尧(1977-),女,助理工程师,硕士,从事高功率光纤激光器的研究工作。　　收稿日期:20062022

28

出反射率达99%的FBG,谐振波长1067nm,3dB带宽0.2nm。将其与掺镱双包层光纤熔接,利用该光栅与双包层光纤端面构成全光纤化光纤激光器的谐振腔,实现了输出功率3.1W,斜效率83%的激光输[2]

出。2000年,他们将FBG直接刻写在掺镱双包层光纤上构成光纤激光器,泵浦功率为10.5W时最

[3]

大输出功率7.5W。2004年,他们又用244nm的紫外光源,采用全息干涉法在载氢的梯度折射率多模光纤上刻写出透射谱深度9dB的FBG,并与掺镱双包层光纤熔接作为光纤激光器的全反镜,利用双包层光纤另一端面作输出镜,实现了多模激光输出,

μm,斜效率为激光运转的光谱范围在1.03～1.09

。

2004年,SeunginBaek等人发现将FBG刻写在双包层光纤的内包层上可以反射光纤激光器中的泵

[5]

浦光,使泵浦光双程通过增益光纤,内包层FBG55%～85%

[4]

248nm的KrF激光器作光源,利用相位掩模法直接

在掺镱双包层光纤纤芯上刻写出FBG用作输出镜,在1058nm附近得到稳定的窄线宽激光输出,最大

[12]

输出功率570mW。3　光纤光栅形成的物理机制光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性制作而成的。光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性,它是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。

光纤光敏性的微观机理目前还不是十分清楚,主要的一种解释是:在掺锗光纤中,锗的加入使SiO2晶格阵列产生了扭曲,形成了畸变的晶格结构,产生了缺陷,称为锗氧缺陷中心(GODC)。在掺

锗石英的吸收谱中有两个要的吸收峰,位于240nm和处,-单态GODC吸

[--单态。色

对泵浦光的有效反射率达46.4%,从而使光纤激光器的斜效率提高8.5%。泵浦功率的吸收,2005年,Torres2[6]

光纤激光器。(>99%),波长分别为1064nm、1080nm、1096nm的FBG串接构成可变反射镜,实现输出波长的调谐,斜效率达50%。

2004年,Mihailov等人使用800nm的钛宝石飞秒激光器作光源,采用相位掩模法在未经载氢的标准掺锗通信光纤(SMF-28)纤芯及掺氟包层、纯石英纤芯单模光纤上刻写出高质量的FBG,折射率调

-3

制量为1.9×10,光纤光栅在温度达950℃时仍显

[7]

示出高稳定性。Wikszak等人使用800nm的钛宝石飞秒激光器作光源,采用点点写入法刻写出

-3

μm,FBG,折射率调制量为1.4×10,光栅周期2.1长度2.1mm,反射率9.2%。同年,Martinez也采

用同样方法刻写出FBG,该法无需相位模板和光敏

[9]

光纤,并且与Wikszak的工作相比刻写时间更短。此外,Nikogosyan等人首次报道了用高亮度(31～

2

86GW/cm),264nm的紫外飞秒脉冲刻写FBG,在SMF-28光纤上诱导的折射率调制量达2×

[8]

[14]

,由Hand和Russel于1990年提出。该模型认为:掺锗光纤中GODC的Ge-Si键对应的吸收峰在240nm附近,它对240nm的紫外光有强烈吸收。紫外光照射光纤后,光纤中的GODC吸收光子,Ge-Si键会被打破并释放电子,导致240nm处吸收峰的漂白,释放出的电子又被临近的锗俘获,形成新的色心,并产生新的吸收峰,从而引起光纤吸收光谱的变化,吸收光谱的变化将引起光纤折射率的变化,二者通过Kramers2Kroning关系相联系。此外,利用330nm处的单态-三态GODC吸收峰也可以制作永久性的折射率光栅,但是相比240nm处的单态-单态吸收峰激发,这种方式造成的折射率调制量要小的多,低三个数量级以上。4　光纤光栅的制作

世界上第一只FBG是加拿大通信研究中心的Hill等人于1978年实现的,他们使用488nm氩离子激光器作光源,利用驻波干涉法成功制作出

[15]

FBG。用该法制作的FBG的谐振波长要受到激光写入波长的限制。1989年,美国的Meltz等人提

[16]

出了紫外侧写技术,以波长244nm的紫外光作光源,利用全息干涉法从侧面对载氢光纤进行曝光刻写FBG。由于光栅的谐振波长与两束写入相干光的夹角有关,因此可以制作出谐振波长与写入波长不同的光纤光栅。此种方法对光源的相干性和系统的稳定性要求较高。1993年,Hill等人又提出了相

[17]

位模板侧向写入技术,用紫外光垂直照射相位掩

。

国内中科院长春光机所的潘玉寨等人2004年报道了,利用反射率达99%的光纤光栅与掺镱双包10

-3[10]

层光纤熔接构成谐振腔的高功率光纤激光器,获得了10.8W的单横模输出,输出波长1100.5nm,斜效

[11]

率59%。2005年,南开大学的李丽君等人用

模板后形成的+1级和-1级衍射光对载氢光纤曝光刻写FBG,光栅的谐振波长只与相位模板的周期有关。这种方法对光源的相干性要求不高,制作装置简单,使光纤光栅真正走向实用化和产品化成为可能,成为目前广泛采用的一种方法。

经过几十年的不断发展,目前光纤光栅的制作方法多种多样。采用适当的光纤增敏技术、不同的成栅方法并结合使用合适光源,几乎可以在各种类型的光纤上刻写出光栅。4.1　光纤增敏技术

如上所述,光纤对紫外光的吸收诱导其折射率随紫外光强的空间分布发生变化,这是由掺锗光纤中的GODC所导致的。光纤含锗量越多,GODC就越多,紫外光敏性就越强。普通通信光纤为了调节纤芯的折射率通常都会掺杂一定浓度(3mol%～5mol%)的锗,本身具有一定的光敏性。但是这种低掺锗浓度的普通光纤光敏性很低,它在紫外光诱导

-5

下形成光纤光栅的折射率调制量仅为10,的光栅反射率较低栅,纤载氢两种方法。

掺杂可分为高掺锗、硼/锗共掺和掺杂稀土元素如钽、铈、锡、铕等。通常所说的光敏光纤即指含锗浓度较高的高掺锗光纤。高掺锗光纤上写出的光纤

-4

光栅稳定性好,折射率调制量可达10,无需退火处理。但锗的高浓度会提高纤芯折射率,增大数值孔径,因而增加光纤损耗及连接损耗。另外高掺锗光纤还具有较大的非线性。硼/锗共掺也可以大幅度提高光纤的光敏性,其紫外光敏性是目前不用载

-3

氢处理的光纤中最高的,折射率调制量可达10以上。由于硼能降低折射率,因此硼/锗光纤纤芯折射率可降低到普通单模光纤的水平,从而降低光纤连接损耗。掺锡/锗光纤的优点是它适用于改进的化学气相沉积(MCVD)工艺,最大光致折射率调制量

-3

可达10,在高温下温度稳定性要比硼/锗光纤好很多。掺锡的磷光纤(无锗)也表现出巨大的光敏性,可以应用于需要无锗的特殊环境。此外,掺钽、铈、铕、铒等光纤也表现出很大的光敏性。

[18]

低温高压载氢技术是通过外在方式提高光纤光敏性的一种有效方法,制作成本低廉,制备简单,能大幅提高光纤的光敏性。经过载氢处理后,普

-5-2

通光纤纤芯的折射率调制量可从10提高到10,这样就使在任意光纤(包括标准光纤、低损耗传输

光纤或其它希望使用的光纤)中制作高反射率的光

纤光栅成为可能。载氢的基本原理是将普通光纤置于高压氢气中一段时间后,氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中,当特定波长的紫外光(一般是248nm)照射载氢光纤时,纤芯被照部分中的氢分子即与锗发生反应形成Ge-OH和Ge-H键,使该部分的折射率发生永久性的增加。刻写过程结束后,光栅中残存的氢分子有扩散运动,且反应后存在不稳定的Ge-OH键,这都会造成光栅光学特性的不稳定,因此必须用高温退火的方法来保证光纤光栅实际应用时的稳定性。退火一方面可以清除残留在光纤中未反应的氢分子;另一方面可以破坏光栅写入后纤芯中一些不稳定的Ge-OH和Ge-H键。研究发现,,光栅谐振波长向,。4.2图1　光纤光栅制作方法图示

752激光与红外　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第36卷

表1　光纤光栅的制作方法

名称

成栅机制

注入光纤的入射光与从光纤另一端面返回

的反射光在光纤内形成驻波,经过曝光后使纤芯折射率形成周期性分布。

优点

缺点

光栅谐振波长与写入波长一致,成栅受限单一。

应用

可制作光纤布喇格光栅,由于光栅谐振波长受限,此法目前基本不能使用。一般可制作光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅。分为分振幅法与分波阵面法,

目前使用不多。

驻波干涉法

(亦称内部写入法)装置较简单,操作要求低。

全息干涉法

利用分光镜将写入光分成两束,通过平面镜反射后两束光以某个角度叠加,产生强度按照周期性分布的干涉条纹,干涉条纹对光纤进行曝光,即可产生光栅。光栅的周期与两束光的夹角有关。

相位掩模板是用光刻蚀技术,在硅质玻璃上刻出的表面凹凸不平的矩形周期性的条纹,具有压制0级,增强1级衍射的功能。当光照在模板上时,透射光分成+1、0、-1级三个方向的衍射光,+1、-1级衍射光在模板后叠加,形成周期性的干涉条纹,0级衍射光较弱,对干涉不产生影响。将光纤放在几乎紧贴模板的后面,经过曝光就可以写出周期为相位模板周期一半的光纤布喇格光栅。

上,激光能量低,可灵活选择光栅波长。

对光源的空间相干性、时间相干性及周围环境要求很高。

相位掩模法

所写光栅周期只与相位模板的周期有关;稳定性、重复性好,对光源的相干性要求较低,产。

每块模板只能制作固定(或稍有差异)周期的光纤光栅,主要用于制作光纤布喇格光栅。此法目前广为采用且最有发展潜力,有接触式和非接触式两种成熟的制作技术。

振幅掩模法

模法相比,模板制作相对简单,成栅周期大。

无法制作出一阶反射波位于1550nm附近的光纤布喇格光栅,对光学系统的要求很高。

需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术,受步进电机及其传动机构精度的限制,光栅制作耗时长,成栅效率低;无法制作出一阶反射波位于1550nm附近的光纤布喇格光栅。

主要用于制作长周期光纤光栅。

点点写入法

通过透镜把光斑聚焦成微米量级(或更小)的小光斑,不通过任何模板直接在光纤上写入光栅。利用高精度步进电机控制光纤运动位移,每隔一个周期曝光一次,通过控制光纤移动速度可以刻写任意周期的光栅。灵活性高,光栅参数(长度、周期、折射率轮廓)可调控,适用于在线写入。是发展前途看好的成栅方法。

一般只用于制作长周期光纤光栅。

组合写入法

将上述方法与写入装置有机结合,同时考

虑光源性质及光纤的制作与连接等因素,结构丰富、形式多可以制作各种光纤光栅。主要有两次曝光样、性能优异、供法、变迹曝光法、外场作用法、在线写入法、需满意刻槽拉伸法、透镜阵列法等等。

主要用于啁啾光纤光

栅及特种光纤光栅的制作。

表2　光纤成栅使用的光源

可用光源

1.KrF准分子激光器(248nm)

2.倍频的氩离子激光器(244nm,257nm)3.四倍频的Nd3+∶YAG激光器(266nm)4.二次谐波铜蒸气激光器(255nm)

5.Xecl准分子激光器倍频染料激光器(240～250nm)

物理机制优　点缺　点

GODC240nm处单光

子吸收

KrF准分子激光器无需倍频,可提供短脉

冲、高功率的能量,脉冲输出频率可调,既可保证掩模法所需的相干度,操作亦简单

方便。是目前最为常用的光源。

氩离子激光器(488nm和514nm)近紫外的连续氩离子激光器(333～

364nm)

GODC240nm处双光

子吸收

GODC330nm处的吸

与内部写入法结合形成驻波成栅,现在已不常用该法。

形成的折射率调制量很小。

收

激光与红外　增刊　2006　　　　　　　　　　　　　李　尧　赵　鸿　朱　辰等　光纤光栅技术综述

可用光源

物理机制

优　点

1.可以在普通标准光纤上刻写光栅,而无

需提高锗的掺杂浓度;

2.由于光源波长短,因此在点点写入法中就可以提供高空间分辨率。

753

缺　点

ArF准分子激光器(193nm)

激光能量要低于248nm

的KrF准分子激光器。

F2激光器的真空紫外光(157nm)

直接激发掺锗石英光纤的传导带折射率增长速度很快,折射率增长速率高于193nm辐射的情况。

1.在标准SMF28光纤中得到的最大折射率调制量并不高(10-4);

2.存在深紫外光通过空气、掩模板到达光纤包层的传输问题。

自由空间CO2激光器(1060nm)

对光纤直接曝光并辅以计算机平台控制,可制作周期不同的长周期光纤光栅。无需紫外光源,光纤也不用载氢处理,具有良好的应用前景。

1.

在光纤中仅几个脉冲就能产生非常高的折射率调制量;

2.光栅,;

3.消失,问题,适于制作长周期光纤光栅

钛宝石激光器的800nm飞秒脉冲多光子吸收

高强度的264nm紫外飞秒脉冲

GODC240nm,而不会造成光纤损伤。

入法两大类。一只光纤光栅,意义重大,但用这种方法制作的光栅的谐振波长受限,目前已很少使用。目前常用的制作方法是外部写入法,主要包括全息干涉法、相位掩模法和点点写入法等等

[19]

CCD和监视器。

4.3　光纤成栅光源的选择

制作光纤光栅,选择合适的成栅光源十分重要。表2列出了各种成栅光源的特点。由于大部分成栅方法均利用了激光束的空间干涉,所以对光源的空间相干性要求很高。目前广泛使用的成栅光源是窄

线宽准分子激光器,波长位于紫外波段(193nm和248nm),由于具有较高的单脉冲能量,可在光敏性

。表1对各种光栅制作方法

进行了比较,图1为三种典型制作方法的示意图。

较弱的光纤上刻写出光栅并实现在线制作。近年来研究的一个新领域是用飞秒脉冲激光器作为成栅光源,利用该光源并结合全息干涉法、相位掩模法及点点写入法可以制作高质量的光纤光栅,且光栅温度

图2　紫外曝光相位掩模法写制系统组成

耐受性好,适合用作高功率光纤激光器的腔镜,但由于技术发展尚未成熟,其工艺还需进一步探索。5　结　论

对各种光栅制作方法分析比较后可知,目前常用的紫外曝光相位掩模法用来在双包层光纤上刻写高反射率的光纤光栅是一种可行方案。光纤光栅刻写工艺装置主要由三部分组成:激光器、曝光装置及成栅监控系统,图2为系统装置示意图,激光器可选用KrF或ArF准分子激光器,主要指标有激光器输出光斑大小、脉冲能量、相干长度、光斑质量、重复频

率等;曝光装置由相位掩模板、光学精密平台(由步进电机控制的可移动平台)及各种反射镜和透射镜组成;成栅监控装置包括宽带光源、光谱分析仪、

目前国内在大模纤芯双包层光纤上刻写高反射率光栅的技术还不太成熟。要制作应用于全光纤化高功率光纤激光器的光纤布喇格光栅,紫外曝光相位掩模法是相对可行的技术方案。关键问题在于光敏双包层光纤的获得,载氢方法虽然可行,但要实现光纤光栅的高稳定性,许多工艺还需要进一步摸索。飞秒激光写入光栅法与紫外曝光法相比有许多优点,因此在光纤激光器的腔镜应用上有一定的发展

754激光与红外　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第36

卷

ingoffibreBragggratingsbyfemtosecondlaser[J].Eletron.Lett.,2004,40(19):1170-1172.[10]NikogosyanDN.

2004,2:2.

[11]潘玉寨,张军,胡贵军,等.利用光纤光栅的高功率掺

InscriptionoffiberBragggratingsby

high2intensity264nmfemtosecondradiation[A].CLEO,

潜力。参考文献:

[1]　HillKO,MeltzG.FiberBragggratingtechnologyfunda2

mentalsandoverview[J].IEEEJ.LightwaveTechnol.,1997,15(8):1263-1276.

[2]　KurkovAS,KarpovVI,LaptevAY,etal.Highlyeffi2

cientcladding2pumpedfibrelaserbasedonanytterbium2dopedopticalfibreandafibreBragggrating[J].Quant.Electron.,1999,29(6):516-517.

[3]　KurkovAS,LaptevAY,DianovEM,etal.

SPIE,2000,4083:118-126.

[4]　KurkovAS,GrukhDA,Medurdkovol,etal.Multimo2

defiberlasersbasedonBragggratingsanddouble2cladYb2dopedfibers[J].LaersPhys.Lett.,2004,1(9):473-475.

[5]　BackS,SohDBS,JeongY,etal.Acladding2pumped

fiberlaserwithpump2reflectinginner2claddingBragggrat2ing[J].IEEEPhotonicsTechnol.Lett.,2004,16(2):407-409.

[6]　Torres2GomezI,Martneziet

al.Multi2cladYb

3+

镱光纤激光器[J].光学学报,2004,24(9):1237-1239.

[12]李丽君,范万德,付圣贵,等.双包层光纤光栅选频双

Yb

3+

2

包层光纤激光器[J].光学学报,2005,25(1):55-58.

[13]DianovEM,etal.Refractive2indexgratingswrittenby

near2ultravioletradiation[J].Opt.Lett.,1997,22(4):221-223.

[14]HandDP,RussellPSt.Photoinducedrefractive2index

changesingermanosilicateJ].Opt.Lett.,1990,15:-104.

[15]HillKal.Photosensitivityin

ontoreflectionfilterfabrica2Appl.Phys.Lett.,1978,32(10):647.MeltzW,MoreyWW,GlennWH,etal.Formationof

Bragggratingsinopticalfibersbytransverseholographicmethod[J].Opt.Lett.,1989,14(15):823-825.[17]HillKO,MaloB,BilodeauF,etal.Bragggratingfab2

ricatedinmomomodephotosensitiveopticalfiberbyUVexposurethroughaphasemask[J].Appl.Phys.Lett.,1993,62(10):1035-1037.

[18]LemairePJ,AtkinsRM,MiarahiV,etal.Highpres2

sureH2loadingasatechniqueforachievingultrahighUVphotosensitivityandthermalsensitivityinGeO2dopedop2ticalfibres[J].Electron.Lett.,1993,29(13):1191-1193.

[19]姜莉.光纤光栅写入及其应用研究[D].南开大学博士

dopeddouble2cladfibersandlasers[A].Proceedingsof

2doped

fiberlaserbasedcontroloffiberBragggrat2ingsbyinducedbendloss[J].OpticalReview,2005,12(2):65-68.

[7]　MihailovSJ,etal.Bragggratingswritteninall2SiO2and

Ge2dopedcorefiberswith800nmfemtosecondradiationandaphasemask[J].IEEEJ.LightwaveTechnol.,2004,22(1):94-100.

[8]　WikszakE,BurghoffJ,WillM,etal.Recordingoffiber

Bragggratingswithfemtosecondpulsesusinga“point2by2point”technique[A].CLEO,2004,2:2.

[9]　MartinezA,DubovM,KhrushchevI,etal.Directwrit2

学位论文,2005.

2006年度十一所学术交流活动情况

2006年所学术交流会在以往年会的基础上,以建所50年大庆为契机,为我所激光与红外新老科研工作者提供探讨新思想、交流新技术的讲台。为活跃我所学术气氛,扩大交流面,充分发挥各研究部技术分会的作用,从5月份起各研究部先后召开了部门内部学术交流会,交流论文数达80余篇,为历年最多的一次。全所学术交流会初步定于9月初举行,准备邀请所老专家及目前年轻的学术带头人进行大会报告,各技术分会推荐优秀论文2～3篇参加大会交流,目前正在进行年会论文集编录,计划在大会前完成出版。

(十一所科技处李燕兰提供)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ii54.html