光纖布拉格光柵類型

光纖布拉格光柵類型

潛在的光敏機制，通過該機制在光纖中產(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)報道了五種（或六種）FBG具有不同的潛在光敏機理。

標準或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，通常被稱為標準光柵，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。I型光柵是所有光柵類型中最常用的，并且在撰寫本文時，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，該實驗旨在確定氫負載對鍺硅酸鹽纖維中IIA光柵形成的影響。與預(yù)期的光柵布拉格波長的減小（或“藍移”）相反，觀察到較大的增大（或“紅移”）。

后來的工作表明，一旦初始I型光柵達到峰值反射率并開始減弱，布拉格波長便開始增加。因此，它被標記為再生光柵。

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準光柵。

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)折射率變化的負部分超過正部分。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記為In型（對于折射率變化為負的1型光柵； II類標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)形成了標準（I型）光柵，該光柵在擦除前經(jīng)歷了很小的紅移。進一步的曝光表明，光柵進行了改型，在強度增加的同時進行了穩(wěn)定的藍移。

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。對它們的解釋有多種方式，包括摻雜劑擴散（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，存在擴散以外的再生機制，在這種再生機制下，光柵可以在超過1,295°C的溫度下工作，甚至勝過II型飛秒光柵。這些對于超高溫應(yīng)用極為有吸引力。

II型光柵

• 多光子激發(fā)用更高強度的激光刻劃的損傷光柵超過了玻璃的損傷閾值。通常采用脈沖激光以達到這些強度。它們包括飛秒脈沖在多光子激發(fā)中的最新發(fā)展，其中短時標（與類似于局部弛豫時間的時標相當(dāng)）為感應(yīng)變化提供了前所未有的空間定位。玻璃的無定形網(wǎng)絡(luò)通常通過不同的電離和熔化途徑進行轉(zhuǎn)化，以產(chǎn)生更高的折射率變化，或者通過微爆炸產(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800°C（在某些情況下高達1,000°C，在飛秒激光銘文下更高）下穩(wěn)定。使用來自準分子激光器的單個40 mJ脈沖刻劃光柵在248 nm。進一步表明，在?30 mJ處有一個明顯的閾值。高于此水平，折射率調(diào)制增加了兩個數(shù)量級以上，而低于30 mJ時，折射率調(diào)制隨脈沖能量線性增長。為了便于識別，并認識到熱穩(wěn)定性的顯著差異，他們將在閾值以下制造的光柵標記為I型光柵，在閾值之上制造的光柵稱為II型光柵。對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，因此如果準備得當(dāng)，它們在散射損失中不會起主要作用

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）。通過光循環(huán)器撞擊到FBG的4個通道（分別表示為4種顏色）。FBG設(shè)置為反射其中一個通道，這里是通道4。信號被反射回環(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，因此可以在網(wǎng)絡(luò)中的同一點添加該通道上的另一個信號。

一個多路分解器可以通過級聯(lián)OADM的多個分出部分來實現(xiàn)，其中每個分出元素使用一個FBG設(shè)置為要多路分解的波長。相反，可以通過級聯(lián)OADM的多個添加部分來實現(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的布拉格波長可通過壓電傳感器施加的應(yīng)變進行調(diào)諧。FBG對應(yīng)變的敏感性將在下面的光纖Bragg光柵傳感器中進行討論。

布拉格光纖光柵傳感器

除了對應(yīng)變敏感外，布拉格波長對溫度也敏感。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，被測物會導(dǎo)致布拉格波長發(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)換另一個傳感器的輸出，該傳感器從被測物體產(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會膨脹而產(chǎn)生應(yīng)變，可通過光柵測量。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，用于測量外部壓力，溫度，地震振動和管道內(nèi)流量的影響測量。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，因為它們對振動或熱量的敏感性較低，因此可靠性更高。在1990年代，進行了調(diào)查以測量飛機和直升機結(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）帶來了一系列新的應(yīng)用，它們以以前認為不可能的功率水平工作。對于簡單的光纖激光器，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度的稀土摻雜光纖提供，最常見的形式是使用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1 kW。這些全光纖系統(tǒng)的主要優(yōu)點是，將自由空間鏡替換為一對光纖布拉格光柵（FBG），因為在光纖系統(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)壽命期間的重新對準。永遠不需要調(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，而不會在腔內(nèi)的熔接點和光柵。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)重新對準，從而可以從激光器的維護計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)化并不簡單，因為各種光纖的匹配也是如此，因為摻入Yb的光纖以及各種無源和光敏光纖的組成需要仔細地匹配。整個光纖激光鏈。盡管光纖本身的功率處理能力遠遠超過了該水平，并且可能高達> 30 kW CW，但由于組件的可靠性和熔接損耗，實際極限要低得多。

有源和無源光纖的匹配過程

在雙包層光纖中，有兩個波導(dǎo)–形成信號波導(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。有源和無源光纖的匹配以改善信號完整性需要優(yōu)化纖芯/包層同心度，以及通過纖芯直徑和NA的MFD，從而減少了接頭損耗。這主要是通過收緊所有相關(guān)的光纖規(guī)格來實現(xiàn)的

為了改善泵的耦合，匹配光纖需要優(yōu)化無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)計成比傳輸泵浦功率的無源光纖的包層直徑稍大。例如，包層直徑為395μm的無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。

有源和無源光纖的匹配可以通過幾種方式進行優(yōu)化。匹配載光信號的最簡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MFD進行建模并開發(fā)最終的目標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?；谡凵渎蕼y量，確定最終纖芯/包層比并將其調(diào)整為目標MFD。