光纤光栅的概述及发展

一.光纤光栅的运用

从二十世纪后半叶到现在，无论是在光纤通信领域，还是在光纤传感技术领域，信息技术和传感技术突飞猛进，日新月异，雨后春笋般地推动着人类社会大步向前。自从英国籍华人高锟在 1966 年首次提倡利用石英光纤作为新兴通信的传输介质以来，光纤就显示出了巨大的优越性能。在创建信息高速公路的骨干网和全国范围内的物联网中，光纤以其独有的特性(光纤容量大、传输距离远等优点)发挥着不可替代的作用。在光纤传感领域，光纤电磁干扰、灵敏度极高，体积小、便于联网复用、可远距离检测而被广泛应用于有用信息的传输，光纤传感网络对物联网的组网也具有十分重要的意义。

光纤光栅作为一种新型的全光纤无源器件。在外界周期性微扰调制影响下光纤纤芯折射率会放生相应的变化。其沿轴向的周期折射率调制也是永久性的。光纤光栅具有众多的特点：插入损耗低、成本低廉、抗电磁干扰能力强、具备高波长选择性、与光纤系统兼容、耐腐蚀能力好。光纤光栅的出现使得对特殊要求或极其困难条件下的检测成为可能。传感信息通过合适的解调技术和解调设备，可实现对被测量的可靠测量。光纤光栅在传感领域变得越来越具有实用性。到现在为止，光纤传感已经占据了整个传感网络的很大比重。光纤光栅传感系统不仅能实现对单一环境变量的检测还能实现对多个物理量复合检测，在测量温度、折射率、弯曲、扭曲、应变、电流、压力、以及振动等领域具有巨大的应用潜力和价值。在实际工程中，光纤光栅的应用已经拓展到建筑工程、防火防盗系统、航空航天、高铁地基沉降、水质监测和矿井油探等众多领域。

对光纤光栅的研究早期主要对象是布拉格光纤光栅。

二.光纤光栅发展的历史

1978 年，世界上第一个永久性反向模式间耦合的光纤布拉格光栅诞生，它由来自加拿大渥太华通信研究中心的 Hill 首次用驻波法制成。驻波法也就是内部写入法。这种方法写出的光纤光栅具有高达 90%以上的反射率。但是由于对光纤纤芯参锗要求高，而且还要求光源氩离子激光器输入激励光波波长与写入光栅波长一样才能保证能成功写入光栅，由于这两个原因导致了驻波法写入光栅的方法的实用性大打折扣，无法使得这种方法进行光纤光栅的批量生产。

1988 年，美国 Meltz 等人发明了横向全息成栅技术，他们在东哈特福德联合技术研究中心利用相干紫外光侧面曝光载氢过后的光纤制作出布拉格光纤光栅。相对于驻波法成栅技术的内部写入法这种方法也称为外侧写入法。外侧写入法相对于内部写入法有很大的进步，激光波长的可选择性可制作出任何需要波段的光栅，不同波长的光栅能应用于不同的场合，这样就提升了这种方法制作的光纤光栅的实际使用的价值。但是，外侧写入法需要较强的光源和制作环境的稳定性，光源相干性能要求也极高。

1993 年，历时十五年之后，Hill 等人在光纤光敏性和光致折射率变化机理的认识上又提出了刻写光纤光栅的相位掩模法。相位掩模法利用垂直照射在掩模板的紫外光在掩模板的另一侧形成加强的+1 和-1 级干涉纹，而经过载氢增敏的光纤曝光在非定域干涉条纹中可以快速形成所需要的光纤光栅。这种方法对紫外光的要求很低，仅仅要求经过掩模板之后的干涉条纹的空间相干性较好，而掩模板的周期成了决定光栅周期的首要因素。同时制作环境因素对写入光栅的影响也大幅降低。从而是批量生产布拉格光纤光栅成为可能在光纤通信和光纤传感领域中对光纤光栅的应用起到了极大的推动作用。掩模板法也是目前为止最为成熟的光纤光栅写入方法。

自从 1978 年第一个光纤光栅的研制成功，不仅仅是光纤光栅的制作技术在飞速发展，光栅理论也有长足的进步，T. Erdogan在 96 和 97 年相继发表了两篇论文，从模式耦合的角度深入研究光纤光栅，有反射型的布拉格光纤光栅也有透射型的长周期光纤光栅，为光栅的研究奠定了一个很好的理论模型。现在光纤光栅的研究已经踏出光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的研究，已经先后研制出多种具有特殊结构的光纤光栅。
光纤光栅的应用前景十分美好，必将在光纤通信和光纤传感及其相关领域大有作为.