光纤光栅制作与应用( 二)

光纤光栅制作与应用( 二)

通讯频宽的需求是无止尽的。近来，透过光通讯TDM或WDM系统技术的改进，
已能大幅增加通讯的频宽，未来高速通讯传输网络将很可能是这两种光通讯系统的结
合。而近几年来，「光纤光栅」在制造技术上的明显进步，正迅速冲激着这两种光通
讯技术系统的设计走向。
根据加拿大CRC 研究中心的预测：在未来几年内，光纤光栅的世界市场值将增
加至一亿美元的规模，主要原因是光纤光栅被广泛地应用在光通讯上的影响。本刊于
Vol.6,1996 已对光纤光栅做过专文简介，本期将再就光纤光栅的制程技术和在光通讯
系统上的应用趋势做进一步的深入探讨。
光纤光栅的制程技术趋势
光纤光栅是在直径约10 微米的单模光纤纤核上曝上周期性的强紫外光条纹，这
些紫外光条纹主要是用波长为248nm 或193nm 的准分子雷射经干涉或透过相位光罩
所形成的。
此干涉条纹将在纤核形成周期性的折射率变化，当入射光波长满足Bragg 条件时，
其散射光将沿原光路返回而形成光滤波器。在实用及量产方面， 1989 年United
Technologies 发展出「全像干涉法」大幅提升光纤光栅的实用性；继之， 1993 年Hill
发展出「相位光罩法」更使得光纤光栅的量产可行性大为增加。
光纤光栅的主要性能参数包括：反射波长、中心波长反射率、谱线线宽和损耗等。
这些性能参数则受到折射率变化、光栅长度、光栅周期等结构参数的影响。
一般而言，光纤光栅的工作波长决定于光栅周期；而光纤光栅的工作频宽及反射
率则决定于光栅的长度及纤核折射率的变化量。光栅越长，其频宽越窄、反射率也越
高，而纤核折射率的变化量更关系着产品的质量与制造成本。因此，制造技术改进主
要在增加折射率变化量。
一般认为光纤光栅制造过程中，光纤折射率的变化是因为纤核内的Ge-Si 错键
(wrong bonds)因紫外光照射而断裂，减轻了Ge-Si 错键所造成的应力，此过程造成光
纤折射率的改变。另有些则主张是因为纤核内的GeO 缺陷吸收紫外光，造成color center
而改变了光纤的吸收光谱而造成光纤折射率的变化。
因此一般增加折射率变化的方法主要是增加掺锗浓度。例如：掺硼可以减小数值
孔径，从而容许增大锗含量，以提升其感旋光性。用氢气焰来回烘烧要感光的区段，在
温度高达1700℃下持续约20 分钟之后，能增加光纤中的锗缺陷，使同样的紫外光曝
光，折射率改变增大十倍以上。
在充氢气的环境下进行曝光，也可增加感光的灵敏度，降低曝光所需的时间， 这
是因为紫外光子打断了掺杂点的化学键，这个处于激发态的键同附近的H2 分子反应
生成了Si－OH 键和新的锗缺陷，伴随着折射率的增加。其过程是将裸光纤置于几百
个大气压的高压氢气中数百个小时，然后进行UV 光曝光，便可以获得大于光纤核、
纤壳折射率差的折射率增值。折射率差可达10-2 数量级,然而氢载的感旋光性是暂时的，
必须在光纤取出高压舱后马上进行UV 曝光。
除掺杂浓度外，光纤中的折射率改变量还与许多参数有关，如：照射波长、光纤
类型、光纤温度以及该段光纤以前的历史和曝光功率、曝光时间等。其中，当紫外光
脉冲能量小于10mJ 时可以形成I 型光栅，当脉冲的能量大于40mJ 时，则可以形成Ⅱ
型光栅。
Ⅰ型光栅不稳定，它可以被蓝光或绿光擦除，或置于450℃几秒钟即被擦除。若
要在被擦除的地方再形成同样折射率变化的光栅，所需要的曝光量将比前一次的曝光
量更大。
Ⅱ型光栅是很稳定的，能在1800℃下经过10 小时而不会使折射率发生变化。Ⅱ
型光栅的形成原理不同于Ⅰ型光栅，大于40mJ 的光脉冲在光纤内引起几千度的温升，
会使紫外吸收快速增长。
另外当形成Ⅱ型光栅时，由于强的布拉格反射使在小于布拉格谐振波长数十nm
范围内有一附加损耗带，它起因于导模耦合成纤壳模。要想消除这种损耗，可以从光
纤的结构入手，在纤核和纤壳中间加入一个中介层，该中介层采用锗、氟共掺杂，使
它的折射率与纤壳的折射率相当。而中介层的锗含量与纤核内锗含量一样大。这样当
光纤曝光后，纤核和纤壳的折射率变化相同，这样导模传输的模场区域内折射率变化
相同，便不会发生耦合附加损耗了。
最后，在紫外形成光栅中，随着曝光量的增大虽折射率改变增大，但同时也伴随
着谐振波长向长波长方向漂移。其原因是氢载光纤中紫外形成光栅消耗了光纤核区中
的氢分子，导致纤壳的氢分子向纤核区和纤外扩散，从而折射率增大，波长变大。氢
载光纤布拉格的漂移增大了制造光栅的难度，波长的漂移取决于曝光时光纤中氢分子
的浓度和多少氢分子被消耗。然氢气焰刷火后形成的紫外光栅，光栅波长几乎没有漂
移。
光纤光栅的光通讯应用趋势
光纤光栅主要的作用在于滤波，当宽带的光讯号通过光纤光栅时，光栅能非常有
效地将波长满足布拉格条件的入射光反射，其它波长的光则不受光栅的影响而通过，
可做成波长选择分布反射镜或滤波器。控制光栅周期可以作出频宽从0.05nm 的窄频
周期光栅到12nm 的chirp 宽带光栅。
(2) 分波多任务与解分波多任务
利用光纤光栅的滤波特性，可以将不同波长的光纤光栅串联，将不同的波长反射
分离而形成一WDM组件。
目前有两种较可行的WDM 组件制造方法：其一是用光循环器与不同波长的光纤
光栅串联来分离不同的波长，不过此法制作上较费劳力。另一种方法是用光耦合器与
光纤光栅结合成Mach-Zehnder 干涉仪结构，再彼此串联后可以把不同波长的信号加
入传输线路或从传输线路分离出来。
用光纤光栅作的WDM 组件与输入光的极性无关，对外界的温度变化也不敏感，
能在1550nm 的波长范围对信号间距为100GHz 的信号做有效的分波多任务与解分波多
工。
(3) 光纤雷射
在一定长度的掺铒光纤的两端做成1550nm 波长的光栅，两光栅之间即相当于一
谐振腔，用980nm 或1480nm 当泵浦雷射激发，铒离子就会产生增益放大而形成光纤
雷射。
由于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频雷射， 再经
过光隔离器即能输出窄线宽、高功率、低噪声的信号雷射。
光纤雷射的优点是光纤光栅的兼容性、输出稳定性及光谱纯度。与半导体雷射相
比，光纤雷射具有较高的光输出功率、较低的相对强度噪声、极窄的线宽、以及较宽
的调谐范围。光纤雷射的线宽可做到小于2.5KHz，显然优于线宽10MHz 的分布反馈
(DFB)雷射。
另外，在WDM 传输系统中一个很重要的参数就是可调谐性。光纤雷射不但很容
易实现调谐，而且调谐范围(>50nm)远大于半导体雷射(1∼2nm)。
(4) 光纤光栅DFB 雷射
把光纤光栅作为半导体二极管的外腔反射镜，就可以制出性能优越的光纤光栅
DFB 雷射，不仅输出雷射的线宽窄，易于与光纤系统耦合，而且通过对光栅加纵向拉
伸力，就能控制输出雷射的频率和模式。已有实验证明，用1.2Gb/s 直接调变和光栅
控制可得线宽小于50kHz、chirp 小于50Hz 的雷射输出。
与光纤光栅雷射相比，光纤光栅DFB 雷射其谐振腔较不受温度影响，因此其输出
模态较光纤光栅雷射稳定。
(5) 色散补偿器
色散是限制光通讯容量的主要因素之一，现已发现了不少色散补偿方法。但光纤
布拉格光栅色散补偿器与其它方法相比，具有全光纤型、损耗低、体积小、重量轻、
成本低、灵活方便等诸多优点。
早期铺设的光纤在1310nm 波长附近有最小的色散；不过为了配合EDFA 的使用，
目前大都改用1550nm 波段，然而在1550nm 处负色散区蓝光分量快于红光分量，将
产生明显的色散问题。解决的办法之一是在适当的距离处加装光纤光栅色散补偿元
件。其原理是利用chirp 光栅在不同点有不同的Bragg 波长，使光栅周期大的一端在
前，则红光分量在光栅前端反射，而蓝光分量在光栅末端反射，因此蓝光分量比红光
分量多走了较长距离，这样便在红蓝光间产生一个时差。经过光栅以后，滞后的红光
便会赶上蓝光，从而产生色散补偿作用。目前已用chirp 光栅色散补偿器实现200km
标准光纤的色散补偿。
厂商动态
Spectran 公司所生产的Photosil 单模光纤是专门为制造光纤光栅所作的，能在两
分钟内曝造大于20dB 的高反射率光纤光栅，其数值口径和模场直径亦和标准光纤相
近因此其熔接损失相当低。
相位光罩可以复制大量光纤光栅，然光罩本身制造成本高，加拿大QPS 销售不同
波长的低价标准相位光罩，其最新产品是可用来制造125mm 长光栅的相位光罩。另
外光纤光栅的实验耗时费钱，利用计算机仿真辅助可以加速产品设计，QPS 也与Power
Matrix Technology 合作开发SuperBragg 软件可用来设计uniform and chirp 光纤光栅。
3M 的新产品是在980nm 的雷射二极管的头端接上一光纤光栅，使少量波长980nm
的光反射回雷射二极管的共振腔内而锁定波长，因此可用来稳定EDFA 的泵浦雷射激
发波长，此光纤光栅的反射率是2~5%，温度灵敏度是0.012nm/℃，抗压度是100kpsi。
Lucent Technology 公司已应用光纤光栅技术于六项新商用产品包括980nm
Stabilizer, 980 nm pump reflector, 1480 pump reflector, YAG reflector,1550 nm signal
reflector 和ASE(amplified Stimulated Emission) suppression filter，前三项产品主要是
用来提升光纤放大器的性能，YAG reflector 用于光纤雷射, 1550 nm signal reflector 用
于DWDM系统而ASE(amplified Stimulated Emission) suppression filter 用于消除因使
用光纤放大器而产生的1530nm ASE 噪声。
Bragg Photonics,Inc.有销售1300nm 和1500nm 范围的光纤光栅其信道间隔1nm 能用于
DWDM 并达ITU 标准，此外Bragg Photonics, Inc.亦有销售长周期光纤光栅用于EDFA
增益曲线之扁平化。
LOA 和Cabloptic 公司生产长周期光纤光栅用于色散补偿器，经多重曝光其周期
长达120 微米。
为克服对温度的不稳定性， Melles Griot 公司将光纤光栅嵌入于调温封装内，其温
度稳定性0.035nm/℃，其波长间距达ITU 协议中DWDM所要求规格200GHz。
在设计DWDM 时须稳定的光源，E-TEK 用光纤光栅来稳定雷射光源，其波长精
确至正负0.08nm，符合ITU 所要求规格，其温度稳定性 0.01nm/℃，波长稳定性0.005nm/
12hours，线宽小于100KHz。
结论
光纤光栅的光学特性是传统滤波器不能比的，光纤光栅在光通讯上的应用更是非
常广泛，它很可能成为WDM 的必要组件，并使WDM 能广泛的用于用户回路。然从
商品角度来看，要先解决一些技术问题之后，市场才能够打开。比如说WDM 的通道
间隔需标准化、光纤光栅较易受温度改变的影响及其对温度稳定范围需提高。
在光纤色散补偿和EDFA 光增益曲线平坦的应用方面，光纤光栅似乎比其它技术
更为可行，然由于光放大器间隔尚未决定很难推出色散补偿标准产品。另外在感应器
的应用方面其市场将渐大进而降低光纤光栅制造成本。
就我国现况而言，目前有电信研究所、工研院光电所和台大等学术单位，及几家
厂商已投入技术研发。用途方面，除使用于光通讯的用途之外，亦有很多单位热衷于
工程方面的感应器应用。整体而言，诚如台大教授王伦所指称：目前我国虽已具有光
纤光栅的量产技术，但仍必需克服层层的专利问题，才能顺利于世界市场中占有一席
之地。