22 光纤光栅简介.pdfVIP

2.2 光纖光柵簡介 光纖光柵為光纖的被動元件，其內部纖核之折射率呈周期性變化， 在 1978 年，K.O. Hill 等人發現摻鍺(Ge)光纖的光感性質，之後即利 用波長 514.5nm 之氬離子雷射分別從摻鍺光纖的兩端射入，此兩道傳 導方向相反的氬離子雷射光在光纖纖核中互相干涉而產生駐波，因為 光纖摻雜鍺後纖核中的光感性對此波段光的吸收特性，加上兩道氬離 子雷射光在纖核中產生的駐波，使得光纖纖核處產生折射率週期性變 化，也就成為了所謂的光纖光柵，並成功地寫製完成一個光纖光柵。 光纖光柵利用此寫製方法有折射率變化不大的缺點，其主要原因 是由於光纖軸向孔徑過小，使得入射之雷射光無法完全進入而造成寫 製光柵時能量不足，且寫製時容易受到外部環境的影響導致光纖光柵 品質降低，所以此種方式仍有許多問題有待解決。 之後有了新的外部寫製技術，取代了由內部寫製的方式，其方法 是利用兩道雷射光束以側照的方式在光纖上產生干涉條紋促使纖核 折射率產生改變進而完成光纖光柵的寫製。此寫製方法的優點在於改 善了光纖光柵的製成效率，另外若改變兩道雷射光束的夾角即可調變 所需的光柵週期，而缺點在於寫製過程複雜且容易受到機械不穩定影 響，造成光纖光柵品質降低。 後來，K.O. Hill 等人在1993 年改善了上述兩種寫製方式所產生 的缺點，提出了相位光罩 (Phase mask)寫製法，此方法是目前使用最 廣泛的寫製方式。相位光罩為一其上有光柵圖案的玻璃，其製作技術 類似於半導體製程，藉由電子束微影光罩製作(Mask generating) 、微 影製程 (Lithography) 、蝕刻(Etching)與平底翻模(Molding) 等步驟，完 成所需之相位光罩多階相位分部結構，並將此相位光罩置於雷射路徑 上，光纖欲寫製的前方，接著調整光纖與光罩之距離，使兩者之間相 當靠近，再利用一特定雷射光 (KrF excimer laser at 248nm or ArF excimer laser at 193nm)透過此相位光罩照射光纖，當雷射光經過相位 光罩後會產生±1階(Order)繞射光，在光纖寫製處前方形成干涉條紋， 然後照射到光纖上完成光纖光柵之寫製。相位光罩寫製法的優點在於 儀器架設較簡單，且寫製出來的光柵也較具高穩定性及高重複性，若 需改變光柵週期只需更換光罩即可，但缺點是相位光罩的製成耗費較 高。 光纖光柵依週期大小可分為兩種，分別是布拉格纖光柵(Fiber Bragg gratings; FBGs ，亦稱為短週期光纖光柵)與長週期光纖光柵 (Long period gratings; LPGs) 。布拉格光纖光柵的週期約小於1μm，相 較於長週期光纖光柵要來的小許多；長週期光纖光柵之週 期大小則無 確定規範，常見的定義是光柵週期遠大於所使用光源之波長，其週期 約為數十至數百μm 。 若將布拉格光纖光柵在做細分，可分為均勻式 (Uniform)與非均勻 式(Nonuniform) 兩種，觀察此兩種型態之反射光頻譜和週期，均勻式 光纖光柵的折射率調變量和週期大小均為一致的；而非均勻式光纖光 柵則有幾種不同的形態，如較常見的高斯無足型(Gaussian-apodized) 、 週期漸變型(Chirped) 、雙波紋型(Morie’)和超結構型(Superstructure) 等。 高斯無足型的光纖光柵其折射率調變量不 一致而週期大小為一致，從 反射光頻譜可以觀察出，對於旁波的抑制相較於均勻式光纖光柵要來 的有效許多。週期漸變型的光纖光柵其折射率調變量為一致而週期大 小不一致，剛好與高斯無足型相反，可觀察出其反射光頻譜之頻寬相 較於均勻式光纖光柵要來的大。雙波紋型的光纖光柵包含了兩高斯無 足型光纖光柵，其兩段光柵區中是利用光學的相位改變來做分隔。超 結構型的光纖光柵則是由兩個以上的均勻式光纖光柵所組成。 2.3 光纖光柵之物理特性與理論分析 光纖是一種圓形的光波導，用來傳導光訊號，而光纖光柵為一種 光纖纖核之折射率呈週期變化的被動元件，相當於一個光纖上的反射 鏡或是繞射柵，使光纖中某特定波長的光進行反射及繞射，藉由改變 光柵的強度、長度或週期的大小，即可製作出不同特性的光纖光柵。 2.3.1 布拉格光纖光柵 布拉格光纖光柵其寫製週期約小於 1μm，