光纖布拉格光柵類型

潛在的光敏機(jī)制，通過(guò)該機(jī)制在光纖中產(chǎn)生光柵條紋。產(chǎn)生這些條紋的不同方法對(duì)所產(chǎn)生的光柵的物理屬性，特別是溫度響應(yīng)和承受高溫的能力，具有重大影響。迄今為止，已經(jīng)報(bào)道了五種（或六種）FBG具有不同的潛在光敏機(jī)理。

標(biāo)準(zhǔn)或I型光柵

I型光柵既用各種類型的氫化纖維制成，也用非氫化纖維制成，通常被稱為標(biāo)準(zhǔn)光柵，并在所有氫化條件下用所有類型的纖維制成。通常，I型光柵的反射光譜等于1-T，其中T為透射光譜。這意味著反射和透射光譜是互補(bǔ)的，并且由于反射到包層或吸收而導(dǎo)致的光損失可忽略不計(jì)。I型光柵是所有光柵類型中最常用的，并且在撰寫本文時(shí)，只有現(xiàn)成的光柵類型可用。

IA型光柵

• 擦除所有類型的氫化鍺硅酸鹽纖維中的I型光柵后寫入的再生光柵

IA型光柵于2001年首次觀察到，該實(shí)驗(yàn)旨在確定氫負(fù)載對(duì)鍺硅酸鹽纖維中IIA光柵形成的影響。與預(yù)期的光柵布拉格波長(zhǎng)的減小（或“藍(lán)移”）相反，觀察到較大的增大（或“紅移”）。

后來(lái)的工作表明，一旦初始I型光柵達(dá)到峰值反射率并開(kāi)始減弱，布拉格波長(zhǎng)便開(kāi)始增加。因此，它被標(biāo)記為再生光柵。

確定IA型光柵的溫度系數(shù)表明，該溫度系數(shù)低于在類似條件下寫入的標(biāo)準(zhǔn)光柵。

IA型和IIA型光柵的主要區(qū)別在于，IA型光柵寫在氫化纖維中，而IIA型光柵寫在非氫化纖維中。

IIA型或In型光柵

• 這些光柵形成為誘導(dǎo)折射率變化的負(fù)部分超過(guò)正部分。它通常與沿軸和/或在界面處的感應(yīng)應(yīng)力逐漸松弛有關(guān)。已經(jīng)提出，這些光柵可以被重新標(biāo)記為In型（對(duì)于折射率變化為負(fù)的1型光柵； II類標(biāo)簽可以保留給那些明顯高于玻璃損傷閾值的光柵）。

Xie等人的后續(xù)研究。表明存在另一種具有與II型光柵相似的熱穩(wěn)定性能的光柵。該光柵在纖維的平均折射率上表現(xiàn)出負(fù)變化，被稱為IIA型。用倍頻XeCl泵浦染料激光器的脈沖在鍺硅酸鹽纖維中形成光柵。結(jié)果表明，初始曝光在光纖內(nèi)形成了標(biāo)準(zhǔn)（I型）光柵，該光柵在擦除前經(jīng)歷了很小的紅移。進(jìn)一步的曝光表明，光柵進(jìn)行了改型，在強(qiáng)度增加的同時(shí)進(jìn)行了穩(wěn)定的藍(lán)移。

再生光柵

這些是在擦除光柵之后在較高溫度下重生的光柵，通常是I型光柵，通常（盡管并非總是）在氫存在下。對(duì)它們的解釋有多種方式，包括摻雜劑擴(kuò)散（當(dāng)前最流行的氧氣解釋）和玻璃結(jié)構(gòu)變化。最近的工作表明，存在擴(kuò)散以外的再生機(jī)制，在這種再生機(jī)制下，光柵可以在超過(guò)1,295°C的溫度下工作，甚至勝過(guò)II型飛秒光柵。這些對(duì)于超高溫應(yīng)用極為有吸引力。

II型光柵

• 多光子激發(fā)用更高強(qiáng)度的激光刻劃的損傷光柵超過(guò)了玻璃的損傷閾值。通常采用脈沖激光以達(dá)到這些強(qiáng)度。它們包括飛秒脈沖在多光子激發(fā)中的最新發(fā)展，其中短時(shí)標(biāo)（與類似于局部弛豫時(shí)間的時(shí)標(biāo)相當(dāng)）為感應(yīng)變化提供了前所未有的空間定位。玻璃的無(wú)定形網(wǎng)絡(luò)通常通過(guò)不同的電離和熔化途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以產(chǎn)生更高的折射率變化，或者通過(guò)微爆炸產(chǎn)生由更致密的玻璃圍繞的空隙。

有可能在牽引塔上的光纖中用單個(gè)UV脈沖刻寫反射率約為100％（> 99.8％）的光柵。結(jié)果表明，所產(chǎn)生的光柵在高達(dá)800°C（在某些情況下高達(dá)1,000°C，在飛秒激光銘文下更高）下穩(wěn)定。使用來(lái)自準(zhǔn)分子激光器的單個(gè)40 mJ脈沖刻劃光柵在248 nm。進(jìn)一步表明，在?30 mJ處有一個(gè)明顯的閾值。高于此水平，折射率調(diào)制增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，而低于30 mJ時(shí)，折射率調(diào)制隨脈沖能量線性增長(zhǎng)。為了便于識(shí)別，并認(rèn)識(shí)到熱穩(wěn)定性的顯著差異，他們將在閾值以下制造的光柵標(biāo)記為I型光柵，在閾值之上制造的光柵稱為II型光柵。對(duì)這些光柵的顯微鏡檢查顯示，在光纖內(nèi)的光柵位置處有周期性的損壞軌跡[10]。因此，II型光柵也稱為損壞光柵。但是，這些裂縫可能非常局限，因此如果準(zhǔn)備得當(dāng)，它們?cè)谏⑸鋼p失中不會(huì)起主要作用

光纖布拉格光柵的主要應(yīng)用是在光通信系統(tǒng)中。它們專門用作陷波濾波器。它們也可用于在光學(xué)多路復(fù)用器和多路分解器與光循環(huán)器或光分插復(fù)用器（OADM）。通過(guò)光循環(huán)器撞擊到FBG的4個(gè)通道（分別表示為4種顏色）。FBG設(shè)置為反射其中一個(gè)通道，這里是通道4。信號(hào)被反射回環(huán)行器，在環(huán)行器中被向下定向并從系統(tǒng)中丟棄。由于通道已斷開(kāi)，因此可以在網(wǎng)絡(luò)中的同一點(diǎn)添加該通道上的另一個(gè)信號(hào)。

一個(gè)多路分解器可以通過(guò)級(jí)聯(lián)OADM的多個(gè)分出部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)分出元素使用一個(gè)FBG設(shè)置為要多路分解的波長(zhǎng)。相反，可以通過(guò)級(jí)聯(lián)OADM的多個(gè)添加部分來(lái)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用器。FBG解復(fù)用器和OADM也是可調(diào)的。在可調(diào)諧多路分解器或OADM中，F(xiàn)BG的布拉格波長(zhǎng)可通過(guò)壓電傳感器施加的應(yīng)變進(jìn)行調(diào)諧。FBG對(duì)應(yīng)變的敏感性將在下面的光纖Bragg光柵傳感器中進(jìn)行討論。

布拉格光纖光柵傳感器

除了對(duì)應(yīng)變敏感外，布拉格波長(zhǎng)對(duì)溫度也敏感。這意味著光纖布拉格光柵可以用作光纖傳感器中的傳感元件。在FBG傳感器中，被測(cè)物會(huì)導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)發(fā)生偏移，可以將光纖布拉格光柵用作應(yīng)變和溫度的直接傳感元件。它們也可以用作換能元件，轉(zhuǎn)換另一個(gè)傳感器的輸出，該傳感器從被測(cè)物體產(chǎn)生應(yīng)變或溫度變化，例如光纖布拉格光柵氣體傳感器使用吸收性涂層，該涂層在氣體存在時(shí)會(huì)膨脹而產(chǎn)生應(yīng)變，可通過(guò)光柵測(cè)量。從技術(shù)上講，吸收材料是傳感元件，可將氣體量轉(zhuǎn)化為應(yīng)變。然后，布拉格光柵將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)的變化。

具體而言，光纖布拉格光柵正在諸如地震學(xué)等儀器應(yīng)用中找到應(yīng)用，^[23]?極端惡劣環(huán)境中的壓力傳感器，以及油氣井中的井下傳感器，用于測(cè)量外部壓力，溫度，地震振動(dòng)和管道內(nèi)流量的影響測(cè)量。因此，與用于這些應(yīng)用的傳統(tǒng)電子儀表相比，它們提供了顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儗?duì)振動(dòng)或熱量的敏感性較低，因此可靠性更高。在1990年代，進(jìn)行了調(diào)查以測(cè)量飛機(jī)和直升機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中的應(yīng)變和溫度

光纖激光器中使用的光纖布拉格光柵

最近，高功率光纖激光器的發(fā)展為光纖布拉格光柵（FBG）帶來(lái)了一系列新的應(yīng)用，它們以以前認(rèn)為不可能的功率水平工作。對(duì)于簡(jiǎn)單的光纖激光器，F(xiàn)BG可用作高反射器（HR）和輸出耦合器（OC）形成激光腔。激光的增益由一定長(zhǎng)度的稀土摻雜光纖提供，最常見(jiàn)的形式是使用Yb?³⁺離子作為石英光纖中的活性激射離子。這些摻Y(jié)b的光纖激光器基于自由空間腔以1 kW CW功率工作，但直到很久以后才顯示可與光纖布拉格光柵腔一起工作。

這種單片全光纖設(shè)備由全球許多公司生產(chǎn)，功率水平超過(guò)1 kW。這些全光纖系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是，將自由空間鏡替換為一對(duì)光纖布拉格光柵（FBG），因?yàn)樵诠饫w系統(tǒng)中，F(xiàn)BG直接拼接到摻雜的光纖和光纖上，因此消除了系統(tǒng)壽命期間的重新對(duì)準(zhǔn)。永遠(yuǎn)不需要調(diào)整。面臨的挑戰(zhàn)是，如何在大模面積（LMA）光纖（例如20/400（直徑為20μm的纖芯和直徑為400μm的內(nèi)包層））中以kW CW功率水平操作這些單片腔，而不會(huì)在腔內(nèi)的熔接點(diǎn)和光柵。一旦優(yōu)化，這些整體式腔體就不需要在設(shè)備的使用壽命內(nèi)重新對(duì)準(zhǔn)，從而可以從激光器的維護(hù)計(jì)劃中消除光纖表面的任何清潔和降解。但是，在這些功率水平下，接頭和FBG本身的封裝和優(yōu)化并不簡(jiǎn)單，因?yàn)楦鞣N光纖的匹配也是如此，因?yàn)閾饺隮b的光纖以及各種無(wú)源和光敏光纖的組成需要仔細(xì)地匹配。整個(gè)光纖激光鏈。盡管光纖本身的功率處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了該水平，并且可能高達(dá)> 30 kW CW，但由于組件的可靠性和熔接損耗，實(shí)際極限要低得多。

有源和無(wú)源光纖的匹配過(guò)程

在雙包層光纖中，有兩個(gè)波導(dǎo)–形成信號(hào)波導(dǎo)的摻纖芯和泵浦光的內(nèi)包層波導(dǎo)。有源光纖的內(nèi)包層通常被成形為擾亂包層模式并增加泵浦與摻雜纖芯的重疊。有源和無(wú)源光纖的匹配以改善信號(hào)完整性需要優(yōu)化纖芯/包層同心度，以及通過(guò)纖芯直徑和NA的MFD，從而減少了接頭損耗。這主要是通過(guò)收緊所有相關(guān)的光纖規(guī)格來(lái)實(shí)現(xiàn)的

為了改善泵的耦合，匹配光纖需要優(yōu)化無(wú)源和有源光纖的包層直徑。為了使耦合到有源光纖的泵浦功率最大化，有源光纖的包層直徑設(shè)計(jì)成比傳輸泵浦功率的無(wú)源光纖的包層直徑稍大。例如，包層直徑為395μm的無(wú)源光纖與包層直徑為400μm的有源八邊形光纖熔接，可以改善泵浦功率與有源光纖的耦合。示出了這種接頭的圖像，示出了摻雜的雙包層光纖的成形包層。

有源和無(wú)源光纖的匹配可以通過(guò)幾種方式進(jìn)行優(yōu)化。匹配載光信號(hào)的最簡(jiǎn)單方法是使每根光纖具有相同的NA和纖芯直徑。但是，這并不能說(shuō)明所有的折射率分布特征。MFD的匹配也是一種用于創(chuàng)建匹配的信號(hào)傳輸光纖的方法。已經(jīng)證明，匹配所有這些組件可提供最佳的光纖集，以構(gòu)建高功率放大器和激光器。本質(zhì)上，對(duì)MFD進(jìn)行建模并開(kāi)發(fā)最終的目標(biāo)NA和芯直徑。制成芯棒，并在將其拉制成纖維之前，先檢查其芯直徑和NA。基于折射率測(cè)量，確定最終纖芯/包層比并將其調(diào)整為目標(biāo)MFD。