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/或在界面處的感應應力逐漸松弛有關(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）為感應變化提供了前所未有的空間定位。玻璃的無定形網(wǎng)絡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，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多路復用器和多路分解器與光循環(huán)器或光分插復用器（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)多路復用器。FBG解復用器和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變進行調(diào)諧。FBG對應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，被測物會導致布拉格波長發(fā)生偏移，可以將光纖布拉格光柵用作應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)化為應變。然后，布拉格光柵將應變轉(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等儀器應用中找到應用，^[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)的復合材料中的應變和溫度

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–形成信號波導的摻纖芯和泵浦光的內(nèi)包層波導。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。基于折射率測量，確定最終纖芯/包層比并將其調(diào)整為目標MFD。