一．引言
众所周知，反射镜在任一光学系统中都占有重要地位，那麽光纤光栅就相当于一个直接刻画在光纤内部的可精确控制反射率的反射镜，它的出现已极大地促进了光纤通信和光纤传感的发展。光纤光栅是利用光纤中的光敏特性制成的。1978年，K.O.Hill等人首先发现搀锗光纤的紫外光敏特性，即光纤的折射率能够在某些波长的光照射下随光强而永久性改变，人们很快意识到利用这种特性在光纤中制作光纤光栅，这成为光纤光栅研究的起点。1989年，G.Meltz等人首次采用全息干涉法，在掺锗石英光纤上研制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅，从此推动了光纤光栅的大发展。进入90年代后期，人们将光纤至于高压氢气中，使上述光致折变（光照引起的折射率的变化）上升至10-3～10-2，提高了光纤写入灵敏度。
随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一。它具有与光纤通信系统易于连接、插入损耗小等优点，使之在光纤激光器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤传感器和高速光纤通信系统等领域中得到了广泛的应用。光纤光栅的出现，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，极大地拓展了光纤技术的应用范围，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限生机和希望。本文主要介绍光纤光栅制造技术的进展。
二．光纤光栅的光学特性
光敏光纤通过激光照射，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。使其内部折射率呈周期性分布，经退火处理后可长期保存，并在500℃以下保持稳定不变。如图1示。
光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可被耦合到反向传输模也可被耦合到前向包层模中，这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即
式中， 是由模式1耦合到模式2所需的光栅周期， 、 分别为模式1和模式2的传输常数。若要将正向传播导波模式耦合到反向传播导波模式，从前面给的相位匹配条件可得：
如图2所示，K值较大，则 很小( ),这种光栅为Bragg光栅(FBG)。它的基本特性就是一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为Bragg波长，满足：
若要将正向传播导波模式耦合到正向传播包层模式，包层模传播常数用 表示。其中n为模的阶数，则根据相位匹配条件有：
由于正向传播导波模式和正向包层模式的传播常数都为正，如图3所示，K值较小，则 很大，一般为几百微米，这种光栅为长周期光纤光栅（LPFG）。它的基本特性是一个带阻滤波器。一个给定周期的光栅可使基模与包层内几个不同阶次模的耦合，造成传输谱在不同波长处的损耗凹陷。
三．光纤光栅的制作
1．光敏光纤的制备
光纤的光敏性是在光纤中形成Bragg光栅的关键。采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂浓度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为10-4 数量级便已经饱和。为了满足高速通信传感的需要，提高光纤光敏性日益重要。
目前光纤增敏方法主要有：
(1)掺杂 现在硼/锗（B/Ge）共掺光纤已成为现在国际上写入紫外光纤光栅的首选光纤。B/Ge共掺光纤的紫外光敏性是目前发现的不用载氢处理的光纤中最高的，折射率可达10-3以上，远高于普通光纤中的10-5。B元素增加光敏性的机理尚不能定论，但有一点是可以确定的，即光纤中掺入B后当紫外曝光时会释放应力，引起较大的调制折射率。此外，还可高掺杂Ge，可以掺入元素（钽(Ta)、铈（Ce）、锡（Sn）、铒（Er）。实验表明，B/Ge共掺光纤和掺Sn光纤是未来最有希望的光敏光纤。
(2)刷火 用温度高达1700℃的氢氧焰来回灼烧要写入光栅的区域。持续20分钟，可使折射率增大10倍以上。这种方法的优点是定位集中，可行性好。
(3)载氢 普通光纤在高压（107Pa）氢气中放置一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中，当特定波长的紫外光(一般是248nm或193nm)照射载氢光纤时，纤芯被照部分中的氢分子立即与锗发生反应形成Ge-OH和Ge-H键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加。通常在常温下渗氢数百小时或数天。通过载氢处理的普通光纤的纤芯折射率变化幅度可从10-5提高到10-2。研究表明，在包层中掺杂TiO2可提高FBG的生长效率。
由于载氢的光敏性是暂时的，因而须在取出高压舱后马上进行紫外UV光写入。写入的同时可通过加热来获得更高的光敏性，但加热时间不应超过数分钟，加热温度也不宜过高以免引起氢气、氧气反应而造成外加损耗。
2．光源
光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的锗吸收峰附近。因此除驻波法用488nm可见光外，目前成栅的光源主要有：193nm/248nm中紫外光，334nm近紫外光及10.6 mCO2激光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。当前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频氩离子激光器、倍频染料激光器等。根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。典型的曝光光源为 248nmKrF准分子激光、193nmArF准分子激光和244nm倍频氩离子激光，均已被证明是光纤材料光折变效应敏感的光源[1]。
3．光纤光栅的制作方法
3．1 布拉格光纤光栅的制作
1） 内部写入法
内部写入法又称驻波法。Hill早在1978年，用图1所示的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。 将波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器1监测,而透射光则由光电探测器2接收。经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅[2,3,4]。已测得其反射率可达90％以上，反射带宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，因此，其实用性受到限制。
2） 全息干涉法
全息干涉法又称外侧写入法，如图2示，用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅[5]。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由 给出。可见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。
