什么是光纤布拉格光栅

本文介绍了什么是光纤布拉格光栅。

我们将深入探索一种器件——光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG） 普通光纤的内部结构主要由纤芯和包层构成，其中纤芯的折射率稍大于包层，确保光在适当条件下沿纤芯内部全反射  

我们知道，光能在光纤中传输，本质上是我们人为的构建纤芯与包层的折射率差，从而当光以一定的角度射入光纤时，发生全反射。事实上，不同波长的光在特定折射率比值下表现各异，部分光会发生折射进入包层，而非全部保持在纤芯内。

这是原因光波长是一个范围值，在一定折射率比值下，有的波长发生折射，有的波长发生反射。   那么，我们是否可以设计一种光纤，让它能够选择性地反射特定波长的光，同时让其他波长的光透射（折射）出去呢？？  

当然是可以的，这就是光纤布拉格光栅，Fiber Bragg Grating, FBG。即通过周期性调制光纤纤芯的折射率，使得特定波长的光在光纤中发生反射，从而筛选出特定的光信号，并透射其他波长的光。这就引出了我们今天的主角——光纤布拉格光栅。   布拉格光栅长成如下这样的（示意图）。  

这里的光栅周期（相邻两个折射率调制单元之间的距离）是特定设计的，当光栅周期约为入射光波长的一半时，所有反射光相干组合成一束具有特定波长的强反射。用公式表达为：   2n⋅Λ=λBragg   其中，n 是其有效折射率；Λ 是光纤布拉格光栅的周期，即相邻两个折射率变化的间隔长度；λBragg 是反射光的波长，即布拉格波长。   为了直观的呈现，我们取上面示意图中布拉格光栅中的一截（一维），如下。  

我们可以用“光学筛子”来比喻光纤布拉格光栅，选择性地让特定波长（也就是“粒径”合适）的光“卡”在光栅结构上，实现反射或透射。光纤布拉格光栅滤波器就是利用这个原理，在DWDM波分系统中与环行器或其他隔离组件配合，用作分合波器或者波长上下路。  

此时光栅的周期Λ是均匀的。跟上一篇文章“”制作的滤波器类似，但这两者存在显着差异。  

在薄膜中，滤光片的折射率的变化是不连续的。 而在布拉格光栅中，折射率的变化是连续的，而且要小得多。另一个跟介质薄膜用作滤波器时不太一样的地方：介质薄膜滤波器是反射所有波长，如下图，而光纤布拉格光栅是反射具有明显波长的波，透射除了其他波（如上上一个图）。  

在上面的滤波器，包括用光纤光缨制作成GFF时，它的光栅周期Λ是均匀的。当然，这个周期Λ的长度可以是均匀也可以是不均匀的，比如说布拉格光纤光栅用于色散补偿时，光栅周期是不同的间距。   另外，折射率 n 和光栅周期 Λ 也受温度和应变力的影响。因此，光纤布拉格光栅的一个重要用途是制作传感器，如：应变传感和温度传感。  

具体来说，如上图，当FBG受到拉伸或者压缩时，光纤会随之发生形变，导致光栅周期 Λ 的长度发生改变（拉伸时增大，压缩时缩短）。这种周期长度的变化会影响布拉格波长（λBragg）。

审核编辑：黄飞