光纤光栅制作与应用

光纤光栅制作与应用

　　石英系光纤由於掺有少量的锗，其纤核在强紫外光的照射下折射率会发生永久性的改变，这种感光(photosensitive)的现象是由Ken Hill 等人於1978 年在加拿大Communications ResearchCenter(CRC)工作时偶然发现的。光纤光栅(fiber grating)便是利用此种感光效应， 改变单模光纤中某一段纤核的折射率，使其具有光栅的功能。　　光纤光栅主要的作用在於滤波，当宽频的光讯号通过光纤光栅时，光栅能非常有效地将波长满足布拉格条件(Bragg Condition：即折射率变化周期为1/2 波长的整数倍)的入射光反射，其它波长的光则不受光栅的影响而通过。光纤光栅的工作波长决定於折射率变化周期， 而工作频宽及反射率则决定於光栅的长度及纤核折射率的变化量；一般而言， 光栅越长，其频宽越窄、反射率也越高。

光栅的制作

　　光栅的制作过程相当简单，只需利用周期性或非周期性的强紫外光条纹，曝照含锗量较高的单模光纤，使纤核的折射率随条纹产生变化即可；若在充氢气的环境下进行曝光，可增加感光的灵敏度，降低曝光所需的时间。

　　United Technologies Lab 的Bill Morey 及Gerry Meltz 在80 年代末期首先用分光镜将紫外光雷射分成两束，然後利用反射镜将两束光在适当的位置重合， 产生干涉条纹照射光纤，使纤核成为光栅。此方法的优点是可以很容易地改变干涉条纹的周期，制作出不同特性的光纤光栅； 不过，由於需要用到复杂的光学系统及同调性很好的紫外光雷射， 加上干涉条纹易受环境震动影响、条纹周期随干涉角度而变、光栅长度受到雷射光束半径大小的限制等缺点， 所以该方法并不适於用来作光纤光栅的量产。

　　CRC 的Ken Hill 等人在1993 年时提出较适於用来量产的方法：此法

是先用电子束曝光的方式将适当的二次元图案刻蚀在石英玻璃基板上，

制成具绕射功能的相位光罩(Phase Mask)，再用紫外光雷射照射光罩，让-1 阶及+1 阶的绕射光互相干涉，产生明暗条纹来曝照光纤；制作光纤光栅时只需将裸光纤置于光罩上， 在背后照以紫外光雷射即可。此方法的好处是不需复杂的光学设备且对光源的同调性要求不高， 一旦相位光罩制作好后，便能轻易地复制出许多相同的光纤光栅；不过， 相位光罩的制作成本较高、不同特性的光栅需要不同的光罩等是此方法的缺点。在制作相位光罩时，如果选择适当的刻蚀深度及形状，可将第0 阶的绕射光强度减至最小，提高干涉条纹的对比并增加光栅的反射率。适当的相位光罩图案设计可产生周期性或非周期性的干涉条纹，制造出不同特性的光栅以切合不同的用途； 此外， 由于电子束曝光刻蚀的方法能作出非常精细(　　近年来随着信息科技的高度发展， 通信传输的需求亦不断大幅成长；为了满足传输上的需求， 除了铺设新的光缆外，便是在现有的传输干线上使用密波长多任务(Dense Wavelength DivisionMultiplexing, DWDM)技术，在一条光纤内同时传送数个不同波长的光信号，以增加传输容量。由于长途传输须使用掺铒光纤放大器(Erbium Dopped Fiber Amplifier,EDFA)作为信号中继器， 传输信号的波长必须在EDFA 的放大频宽(~1532-1560nm)内才能同时为一个EDFA 放大，因此波长通道间的间隔相当紧密；为了避免讯号间互相干扰，在发送端各光源的波长必须非常的准确而稳定，信号在接收端解多任务后须经滤波以增加讯号间的隔离度。光纤光栅可在DWDM 传输系统中提供滤波、稳频及控制半导体雷射波长等功能，在DWDM 技术持续发展的带动下， 光纤光栅正逐渐走出实验室、进入实用的阶段。　　

    长途通信用的分布回馈(DFB)半导体雷射在制作的过程中， 由于dopant 的量及一些几何参数无法非常精确地掌握，因此制作出来的雷射波长会有些误差(目前的生产技术大约可达到目标波长的1nm 内)，这种精度的光源并不能满足某些DWDM 应用的需求；为改善此状况，可以将光栅作在雷射的引线光纤上，使光栅成为雷射体外共振腔的反射镜而构成体外共振腔二极管雷射(External Cavity Diode Laser,ECDL)，迫使雷射依光栅的工作波长发光，达到选频及稳频的作用。此外， 由于光栅的周期可用压缩、拉伸或改变温度的方式加以改变，因此雷射的发光波长亦可用这些方法来调整，如此可大幅放松对雷射本体的规格要求， 因而提高生产良率，并可使雷射波长的误差控制在目标波长的0.1nm 内。
　　EDFA 系统中980nm 泵激雷射的波长及波长的稳定性，关系到EDFA性能的好坏，光纤光栅的使用不但可以改善EDFA 的性能，同时亦可减轻对泵激雷射的要求，因而降低生产的成本。此外，掺铒光纤内非周期性的光栅可在放大频宽内产生适当的损失，将增益曲线平坦化，大大简化了DWDM 传输系统的构造。
　　在DWDM 传输系统上的应用，光纤光栅除了滤波及光源的稳频与选频外，还可被用来作为长距离传输的色散补偿。早期铺设的光纤在1310nm波长附近有最小的色散， 不过为了配合EDFA 的使用， 目前大都改用1550nm 波段，但也因而产生色散的问题，解决的办法之一是在适当的距离处加装色散补偿的组件；若将光纤光栅的周期作成适当的分布， 将可产生与光纤相反的色散效果，达到补偿色散的作用。
　　在光电组件的应用方面，光纤雷射亦可采用光纤光栅技术：将一段掺铒光纤的两端做成1550nm 的光栅，使其中一个光栅为高反射率，另一个的反射率稍低，再加上泵激的980nm 雷射后便成为一个1550nm 的光纤雷射。与体外共振腔二极管雷射同样的，光纤光栅雷射可用拉伸或改变温度的方式改变光栅的周期，进而控制雷射的发光波长；一般通信用的光纤可被拉长1%左右的长度，因此可调的波长范围达10nm。由于光纤光栅的特性与光纤所受的应力、张力或温度有关，因此光纤光栅亦可用来作为感测的组件；例如将光纤光栅放在桥梁或机翼的结构中，利用其特性的改变便可实时地监控光栅所在位置的温度、应力等变化。预期未来光纤光栅的应用及发展潜力将是相当可观的。