基于光纤光敏性原理制作的光纤光栅在光通信、光纤传感器、光纤激光器和其他光电子领域都具有重要的应用。《光纤光敏性与光纤光栅》探索性地把光纤光敏性的物理基础、光纤光栅的传输理论、光纤光栅光谱特性以及光纤光栅的设计制作方法和主要应用融为一体，为读者提供光纤光栅成栅机理、光纤光栅特性和各种光纤光栅制作方法。

目录
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1光纤和光纤制造技术 1
1.2光纤光敏性和光纤光栅技术 4
1.2.1光纤光敏性 4
1.2.2光纤光栅 6
参考文献 9
第2章 光纤光敏性 11
2.1玻璃光敏性 11
2.1.1玻璃光敏性概述 11
2.1.2玻璃光敏性的微观动力学模型 15
2.1.3光纤光栅退化机理模型 21
2.1.4光源对光敏性的影响 30
2.1.5光致折射率变化测试方法 34
2.1.6掺杂二氧化硅玻璃 (光纤)光敏性 41
2.2掺锗二氧化硅玻璃光敏性 47
2.2.1掺锗二氧化硅玻璃的缺陷模型 47
2.2.2掺锗光纤的吸收谱 48
2.2.3缺陷的光致转化机理 50
2.2.4载氢掺锗二氧化硅玻璃光敏性增强机理 51
2.3掺锡二氧化硅玻璃光敏性 53
2.3.1掺锡二氧化硅玻璃薄膜的光致折射率 53
2.3.2掺锡二氧化硅玻璃薄膜紫外激光谱特性 54
2.3.3掺锡二氧化硅玻璃薄膜受紫外激光照射后的拉曼光谱变化 60
2.3.4镱锡共掺二氧化硅光纤光敏性 64
2.4多组分玻璃光纤光敏性 71
2.4.1硅酸铅玻璃光敏性 71
2.4.2磷酸盐玻璃光敏性 77
2.4.3氟化物玻璃光敏性 83
2.4.4硫系玻璃光敏性 87
2.5光纤增敏方法 89
2.5.1 载氢 89
2.5.2火焰扫描 91
2.5.3静电极化 91
2.5.4施加应力 92
2.5.5热处理 95
2.6聚合物光纤光敏性 96
2.6.1聚合物光纤光敏机理 96
2.6.2光敏聚合物材料 98
2.6.3聚合物光敏光源 100
参考文献 101
第3章 光纤光栅理论与特性 107
3.1光纤波导理论基础 107
3.1.1波动方程 107
3.1.2亥姆霍兹方程 108
3.1.3波导场方程 109
3.1.4模式及模式耦合 109
3.1.5阶跃折射率光纤的模式理论 110
3.2光纤光栅解释理论 125
3.2.1耦合模理论 126
3.2.2傅里叶变换法 127
3.2.3传输矩阵法 129
3.2.4多层膜法 130
3.3光纤光栅的光谱特性 131
3.3.1光纤布拉格光栅 131
3.3.2啁啾光纤光栅 134
3.3.3相移光纤光栅 138
3.3.4复合光纤光栅 141
3.3.5长周期光纤光栅 144
3.3.6其他光纤光栅 145
参考文献 152
第4章 光纤光栅的紫外激光刻写技术 153
4.1光纤光栅刻写技术概述 153
4.1.1光纤光栅的类型 154
4.1.2双光束干涉法 155
4.1.3相位掩模法 158
4.1.4逐点刻写法 161
4.2紫外激光刻写光纤光栅技术 162
4.2.1光栅刻写流程和工艺 162
4.2.2准分子激光光纤光栅刻写系统 178
4.2.3氩离子激光光纤光栅刻写系统 180
4.2.4光纤光栅刻写参数分析 183
4.3特种光纤光栅的制作及其特性 194
4.3.1切趾光纤光栅 194
4.3.2啁啾光纤光栅 200
4.3.3超短光纤光栅 204
4.3.4保偏光纤光栅 210
4.3.5相移光纤光栅 215
4.3.6级联光纤布拉格光栅 221
4.4多芯光纤光栅刻写技术 224
4.4.1多芯光纤及刻写方法 224
4.4.2多芯光纤光栅的刻写技术 226
4.5双包层光纤光栅刻写技术 232
4.5.1双包层刻写系统 233
4.5.2双包层光纤光栅刻写技术 234
4.6再生光纤光栅 238
4.6.1再生光纤光栅的形成机理 239
4.6.2再生普通单模光纤光栅 240
4.6.3再生保偏光纤光栅 242
参考文献 244
第5章 光纤光栅飞秒激光刻写技术 248
5.1飞秒激光对玻璃材料的作用机理 248
5.1.1飞秒激光作用玻璃材料的光致折射率变化机理 249
5.1.2飞秒激光诱导透明材料光电离 251
5.1.3飞秒激光诱导透明材料光解离 255
5.2飞秒激光刻写光纤光栅 256
5.2.1飞秒激光器系统 257
5.2.2飞秒激光直写光纤光栅系统 260
5.2.3飞秒激光掩模刻写光纤光栅系统 274
5.2.4光纤光栅刻写监测系统 283
5.3飞秒激光刻写光纤光栅方法 284
5.3.1飞秒激光直写技术制作光纤布拉格光栅 284
5.3.2飞秒激光相位掩模板技术制作光纤布拉格光栅 298
5.3.3光纤布拉格光栅阵列制作 300
5.4飞秒激光刻写特种光纤光栅 307
5.4.1保偏光纤光栅 307
5.4.2倾斜光纤光栅 311
5.4.3长周期光纤光栅 315
5.4.4蓝宝石光纤光栅 321
5.4.5氟化物光纤光栅 324
5.4.6碳包层光纤光栅 328
5.4.7负温度系数光纤光栅 330
5.4.8芯包层复合光纤光栅 334
5.4.9高功率光纤光栅 336
5.4.10双包层光纤光栅 338
参考文献 339
第6章 光纤光栅的应用 344
6.1光纤光栅在光通信中的应用 344
6.1.1光分插复用器 344
6.1.2色散补偿器 348
6.1.3增益平坦滤波器 349
6.2光纤光栅在激光器中的应用 352
6.2.1高功率激光器反射镜 352
6.2.2分布反馈式光纤激光器 354
6.2.3拉曼光纤激光器 355
6.2.4半导体激光器 357
6.2.5超快激光器 360
6.3光纤光栅在传感系统中的应用 361
6.3.1光纤光栅传感基础 361
6.3.2光纤光栅传感应用领域 365
参考文献 370

第1章 绪论
　　1.1 光纤和光纤制造技术
　　1966年，高锟在发表的一篇题为“ Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”的论文中讲述了光导纤维 (后来被简称为“光纤” )在通信上的应用原理，在光纤波导结构和材料特性基础上，指出只要解决好玻璃材料的纯度及组分等问题，把玻璃介质光纤的光衰减控制在 20dB/km以下就能够实现信息的高效传输[1，2]。这一设想提出之后，随着石英玻璃光纤制造和光通信相关技术的不断发展，光纤为全球通信带来了革命性的变化，极大地促进了信息时代的到来。
　　目前常用的典型光纤是圆柱形结构，主要由光纤纤芯、包层和涂覆层三部分组成，如图 1.1所示，纤芯和包层材料一般是二氧化硅 (石英)玻璃，纤芯是掺有适量锗的二氧化硅玻璃，其折射率略高于包层(一般是纯二氧化硅玻璃)，两者构成光传输波导；涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，主要作用在于增强光纤的机械强度和柔韧性。光波在光纤中传输的规律主要取决于光纤的结构参数，如光纤的纤芯折射率分布、纤芯直径、光纤的数值孔径等。根据光波在光纤中的传输方式，通常把光纤分为单模光纤 (single-mode fiber， SMF)和多模光纤(multi-mode fiber，MMF)，在单模光纤中只有一个模式的光波在纤芯中稳定传输，而多模光纤允许两个及两个以上的模式在纤芯中稳定传输，近年来通常把可以传输数个模式的多模光纤称为少模光纤。国际电信联盟电信标准分局对用于通信的标准光纤的尺寸参数 (纤芯直径、包层外径和涂覆
　　图 1.1常见的光纤基本结构
　　层外径 )进行了规定：单模光纤的纤芯为 8～10μm，包层外径约为 125μm，涂覆层外径约为 250μm；多模光纤的纤芯约为 50μm 或 60μm，包层外径约为 125μm、涂覆层外径约为 250μm。
　　当光波入射到光纤纤芯后，通常可以简单地理解为以“全反射”的方式被包层约束在光纤纤芯内向前传输，其间包含了光波模式的激励、模式分布与输出、模式耦合与约束等过程。研究光波在光纤中传输和变化的行为规律是光纤设计、制造和应用的基础，这些基础理论研究在 20世纪 70年代得到了长足的发展，并逐渐趋于完善和系统化，有力地促进了光纤及其相关技术的迅速发展。光纤传输理论主要以麦克斯韦方程组为基础，经过折射率慢变近似得到波动方程，利用时空坐标分离得到亥姆霍兹方程，此时基于几何光学近似发展到光线理论，而基于空间坐标的纵横分离发展到波动理论。光线理论和波动理论是光纤波导理论的*基本理论，光纤光栅的理论研究也来源于此，这部分内容将在第 3章详细阐述。
　　光纤制造过程主要分为两步，*先制造具有一定折射率分布和尺寸比例的二氧化硅玻璃棒，称为光纤预制棒，然后把光纤预制棒在高温熔融下拉制成特定外径的纤维并涂覆上保护层，即光纤。到目前为止，制造低损耗的二氧化硅 (石英)光纤的基本工艺是化学气相沉积 (chemical vapor deposition，CVD)，其化学反应式为
　　 SiCl4 + O2 SiO2 + 2Cl2↑
　　 GeCl4 + O2 GeO2 + 2Cl2↑
　　光纤制造技术是在高锟设想提出不久后迅速发展起来的。美国康宁公司的 Maurer[3]设计和制成世界上**根低损耗石英光纤 (损耗为 20dB/km，波长为 0.63μm)。他在一根芯棒上气相沉积石英玻璃疏松体，随后抽去芯棒，将玻璃管烧结成实心玻璃光纤预制棒，然后拉成光纤。气相沉积过程中，通过改变玻璃组分(如掺入锗等 )，形成高折射率的纤芯和低折射率的包层，构成光纤波导结构。美国贝尔实验室的 Macchesney 等[4]开发出改进化学气相沉积 (modified chemical vapor deposition，MCVD)工艺，成为世界上**个制造商用光纤预制棒的技术，迅速被世界各国采用，推动了光通信向实用化发展。继美国贝尔实验室开发出 MCVD制造光纤预制棒技术后，美国康宁公司的管外气相沉积 (outside vapour deposition，OVD)、日本电报电话公司 (Nippon Telegraph & Telephone，NTT)的轴向气相沉积 (vapour axial deposition，VAD)以及荷兰飞利浦公司的等离子体化学气相沉积(plasma chemical vapor deposition，PCVD)制造光纤预制棒的技术相继开发成功，实现了光纤的工业化生产。
　　MCVD工艺是*先实现工业化制造光纤预制棒的工艺，其控制容易、灵活性好，但由于是管内沉积工艺，受到石英管外径的限制，难以生产大尺寸的光纤预制棒，与 OVD和 VAD工艺相比，生产效率比较低，目前已经不用于大批量生产，主要用于制造掺稀土光纤、光敏 (传感)光纤、高双折射光纤和其他特种光纤等。 MCVD工艺制造光纤预制棒主要包括气相化学反应、反应物沉积、玻璃化等过程。*先将一根空心石英基管放在玻璃车床上旋转，用超纯氧气作为载气通过存有 SiCl4、GeCl4等纯化学原料的鼓泡瓶，将 SiCl4、GeCl4的饱和蒸气一起带进石英基管，当用氢氧焰加热石英基管外壁时，通过热传导，管内的气相材料在高温条件下(约 1700℃)发生氧化反应，即气相化学反应；在加热区域，管内的混合气体发生化学反应后，产生的无定形掺锗二氧化硅颗粒沉积在加热区下游的石英管内壁上，形成疏松的掺锗二氧化硅沉积层，即反应物沉积；管外的氢氧焰移动至沉积层位置并把疏松的掺锗二氧化硅沉积层在更高的温度下 (约 2000℃)烧结成透明的玻璃层，即玻璃化，整个过程如图 1.2所示[5]。如此往复多次，把二氧化硅玻璃一层层地沉积在石英基管的内部，直至达到需要的厚度。如果需要获得变化的折射率分布，那么可以实时调整 SiCl4、GeCl4的比例来获得所需要的不同折射率的沉积层。沉积后的空心管在更高的温度下被收缩成实心的玻璃棒，通常称为光纤预制棒。把光纤预制棒垂直安装在光纤拉丝设备上，预制棒在高温熔融状态下被拉制成外径仅为 125μm的玻璃纤维，这个过程主要包括高温熔融拉制成型、冷却和涂覆三个步骤，光纤拉制的整个过程是自动完成的。图 1.3为光纤拉丝塔示意图。
　　图 1.2预制棒制备方法—— MCVD工艺示意图[5]
　　自**根低损耗石英光纤问世以来，光纤及光纤器件技术的工业化不断发展和成熟，促进了全球信息时代的到来，它们除了在通信领域起着不可或缺的作用，在传感、激光等技术领域也扮演着极其重要的角色。加拿大渥太华通信研究中心 Hill等[6]发现了光纤光敏性并基于此特性制作了**只光纤光栅，因其在光通信、光纤传感和光纤激光系统中具有广泛的应用而备受关注，使得光纤光敏性、光纤光栅制造和应用技术成为纤维光学领域的研究热点。
　　图 1.3光纤拉丝塔示意图
　　1.2 光纤光敏性和光纤光栅技术
　　1.2.1 光纤光敏性
　　光纤光敏性是光纤在特定波长和一定强度的光的作用下，其折射率发生改变的一种光纤特性。这种折射率的变化简称为光致折变，用以衡量光纤光敏性的优劣。研究表明，光纤光敏性与光纤材料的组分和制作工艺有直接关系。
　　光纤光敏性*早被发现于 Hill等[6]的一次掺锗光纤的非线性特性实验过程中，发现在掺锗光纤注入 488nm紫外激光后，随着光功率不断增加，透过的光功率没有增加，反而产生反向传输的光功率增加的现象。研究发现，这种现象是由于光纤纤芯折射率产生了周期性变化，后来将光纤纤芯中带有周期性折射率变化的这段光纤称为光纤光栅。此后国际上开展了各种刻写光纤光栅的技术研究，同时对光纤光敏性的微观机理进行了研究。例如， Lam等[7]提出光敏性与 5eV吸收带的关系， Friebele等[8]认为锗光纤的光敏性起源于中性氧空穴。
　　通常大部分光纤的纤芯中是掺锗元素的，因此掺锗光纤成为光纤光敏性研究的重点对象。一般来说，掺锗玻璃材料的光敏性随着其 GeO2含量的增加而升高，但由于研究的样品制作方法不同，以及紫外激光照射条件的差异 (如波长、单位脉冲能量、脉冲频率、照射时间 )，获得的光敏性结果大不相同。在围绕掺锗玻璃材料光敏性进行研究的同时，人们积极寻找具有更高光敏性的玻璃材料。 20世纪 90年代中期，若干研究小组开始研究各种掺杂玻璃的光敏性，研究对象扩展到硼锗共掺、锗铅共掺、铅锡共掺等石英玻璃以及掺锡氟磷酸盐等玻璃材料。其中， Brambilla等[9]的一系列研究结果表明，掺锡石英光纤光敏性比掺锗石英光纤光敏性要高几乎两个数量级，而且热稳定性好，这种光纤因在目前的通信波段上不引入明显的额外损耗而备受关注。在掺锗光纤中刻写光纤光栅时，为了增加光敏性，需要载氢，但是这种光纤光栅不稳定且易退化，而掺锡光纤可以在掺杂量很小的情况下温度稳定性更好、光敏性效果更强，其折变效应比掺锗光纤高出两个数量级。1999年，Long等[10，11]发现硅酸铅玻璃有很高的光敏性。随着光纤激光器有源光纤的发展，铒锡共掺光纤的研制使得有源光纤具有很好的光敏性，可以刻写制作成用于光纤激光器或者光纤放大器的光纤光栅。
　　玻璃材料的光敏性研究中样品制备方法多样，其中制作体材料的方法有熔融法、等离子体增强化学气相沉积 (plasma enhanced chemical vapor deposition， PECVD)法、MCVD法，制作玻璃薄膜的方法有射频磁控反应溅射法 (掺锗)、脉冲激光沉积 (pulsed laser deposition，PLD)法(铅锗共掺)、溶胶 -凝胶法(掺锗、掺锡等)、火焰水解沉积 (flame hydrolysis deposition，FHD)法(掺锗等)、螺旋活化反应蒸发(helicon activated reaction evaporation，HARE)法(掺锡、掺锗 )等。
　　折射率测量是玻璃光敏性研究的必要步骤，有光栅衍射效率法、阿贝折射仪法、棱镜耦合技术、布儒斯特角法等测试手段，相关的机理分析方法包括测试材料的吸收谱 (absorption spectroscopy，AS)、电子顺磁 /自旋共振 (electron paramagnetic resonance/electron spin-resonance spectroscopy，EPR/ESR)、拉曼光谱、光致发光光谱(photoluminescence spectroscopy，PL)。吸收谱主要是观察在 4.0～8.3eV紫外波段吸收系数的变化，结合 Kramers-Kronig(简称 K-K)关系探讨样品吸收带的变化与光敏性的关系。电子顺磁 /自旋共振分析是在磁场作用下未成对电子在齐曼能级间的直接跃迁确定顺磁性缺陷中心是否存在，以及缺陷的种类和浓度等。测试拉曼光谱主要是在可比条件下根据振动峰位的变化和峰值的强弱来判断化学键的断裂、形成，进而判断缺陷中心的变化状况。检测发光光谱是为了间接证明与掺杂有关的缺陷中心的存在。
　　自从在掺锗二氧化硅光纤中发现光敏性并*次演示成功光栅的形成后，已经开展了许多探索光纤光敏性和增加光敏性的研究工作。*初是高掺锗的或在降低氧的条件下制造出的光纤被证实具有高的光敏性。到目前为止，已经有载氢、火焰刷、共掺(共掺硼、锡等 )等手段被用于增强掺锗二氧化硅光纤的光敏性，锡也曾经被作为增强掺锗二氧化硅玻璃光敏性的共掺物。掺锗玻璃的折射率变化量一般是.6.0 × 10.3、2.1 × 10.3。当掺锗玻璃材料载氢后，其光敏性将提高两个数量级。