文/郭永兴，武汉科技大学副教授
光纤光栅传感作为光纤传感家族的重要一员，在机械、土木、冶金、化工、医疗等许多领域得到广泛应用。作为光纤光栅传感器中最基础、核心的光纤光栅元件，对刻写的光纤有哪些特殊要求？刻写步骤又有哪些呢？
光纤光栅的分类
根据光纤本身和光纤光栅的不同类型，光栅的形式多种多样。按照光纤的类型来分，有石英光纤（包括单模、多模、光子晶体等）、聚合物光纤等。
单模光纤
单模光纤的直径较小使反射更加紧密，仅允许一种模式的光传播，从而使光信号传播的更远。随着光穿过纤芯而产生的光反射数量减少，降低了衰减并产生了信号进一步传播。由于其没有模间色散或模间色散很小，单模光纤可以传输40公里甚至更远的距离而不影响信号，因此单模光纤一般用于长距离的数据传输。
多模光纤
多模光纤具有较大的直径芯，可以传播多种模式的光。在多模传输下，由于纤芯尺寸较大，模间色散较大，即光信号“扩散”较快。长距离传输时信号的质量会降低，因此多模光纤通常用于短距离、音频/视频应用和局域网(LANs)，且OM3/OM4/OM5多模光纤可支持高速率数据传输。
光子晶体光纤
光子晶体光纤的潜在应用包括超宽色散补偿、短波长光孤子传输/发生、光纤传感、极短拍长的偏振保持光纤、光子晶体天线、光学集成电路、超短脉冲激光器/放大器和光开关；当掺进非线性介质时，还可望用于光开关、光限幅、光双稳和光倍频等等。
聚合物光纤
聚合物光纤（POF）在高速短距离通信网络中具有显著竞争力，它在100-1000 m范围内带宽可达数GHz，而成本与对称电缆相当。聚合物光纤的重量轻，可挠性好，易于在狭窄的空间内铺设。因此，聚合物光纤是短距离通信理想的传输媒质。
按照光栅的类型，可分为布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光栅等。
布拉格光栅
布拉格光栅是光栅栅距均匀一致的一种光纤光栅，反射波长非常小，布拉格光栅的反射点之间的距离总是相等的。这种光栅包括了无数个可反射特定波长反射点。布拉格光栅可以通过掩膜板法、化学腐蚀法、飞秒法等方式生产。
长周期光栅
周期为几十至几百微米的长周期光纤光栅，同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。
啁啾光栅
啁啾光纤光栅（chirped FBG 又称CFBG）一般制作于普通单模光纤或是与之兼容的特殊光纤上，且长度很短，所以附加损耗很小，而且几乎不受光纤非线性影响，啁啾光纤光栅通常对信道分别进行补偿，可以通过设计，很方便在色散补偿的同时买现色散斜率补偿，并且还对放大器的ASE 噪声有附加的滤波功能。容易实现器件的小型化。
这里我们只介绍应用最广泛、最常见的单模石英光纤布拉格光栅的刻写要点。
01
敏化处理
光栅是一种存在于光纤纤芯内的周期性折射率调制，常采用193 nm或248 nm的准分子激光器和相位掩膜版进行刻写。要求光纤具备良好的光敏性，因此对于普通石英光纤，第一步就需要对其进行“敏化处理”，可通过将其置于高压（一般10 Mpa）的氢气罐内进行“载氢”，并保持两周左右，纤芯中的氢分子与锗发生反应形成Ge-OH键和Ge-H键，从而使该部分的折射率发生增加，达到增敏的目的，形成可供刻写光栅的光敏光纤。载氢敏化过程中，载氢压力越大，敏化左右越明显，如加压为15 Mpa时，持续时间一周即可。
02
剥去涂覆层，放置在相位掩膜板后
图1 相位掩膜法刻写光纤光栅原理图
如图1，将光敏光纤的涂覆层剥去，放在相位掩膜板后，准分子激光器发出长方形光斑的激光，通过光学镜片（扩束镜）放大为圆形，再用聚光镜片聚光到相位掩膜板，通过掩膜板后，形成衍射光束，在光纤纤芯内形成折射率改变，即形成光纤光栅。
此外，在聚光镜和掩膜板之间设置有正弦或余弦挡板，写入光栅时，采用的光束是正弦光，光栅形成后，再采用余弦光进行切趾处理，去除光栅反射谱形的旁瓣。
03
对光纤光栅进行后续处理
包括：1）放入温度箱内退火，因为Ge-OH键和Ge-H键不稳定，需要退火放走载氢时在光纤内留存的氢气，使光栅稳定；2）对剥去涂覆层写入光栅的区域，进行二次涂覆，保护好光纤光栅；3）测试光纤光栅的质量，包括反射率、带宽、边模抑制比等。直至形成合格的光纤光栅，如图2所示的光栅反射谱形。
图2光纤光栅反射谱形图
此外，光纤光栅的刻写技术也在飞速发展，技术水平提高飞快。例如采用先进的飞秒激光器刻写光纤光栅，飞秒激光穿透力强，可不需要对光纤进行载氢敏化处理、不需要剥去光纤的涂覆层，激光可以直接穿透至纤芯，刻写的光栅还可耐高温。但目前刻写难度高，技术工艺正在不断提高。
作者简介
郭永兴，武汉科技大学副教授，IEEE高级会员。长期从事光纤传感理论、检测及应用方面的研究，包括光纤光栅传感器设计、封装制备关键技术、检测与安全监测策略等。主持国家自然科学基金两项，主持中国博士后科学基金、湖北省自然科学基金各一项，研究成果在机器人、机械装备、土木工程等领域得到广泛应用，获省部级科技进步奖两项。
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