光纤光栅制作与应用

制成具绕射功能的相位光罩(Phase Mask)，再用紫外光雷射照射光罩，让-1 阶及+1 阶的绕射光互相干涉，产生明暗条纹来曝照光纤；制作光纤光栅时只需将裸光纤置于光罩上， 在背后照以紫外光雷射即可。此方法的好处是不需复杂的光学设备且对光源的同调性要求不高， 一旦相位光罩制作好后，便能轻易地复制出许多相同的光纤光栅；不过， 相位光罩的制作成本较高、不同特性的光栅需要不同的光罩等是此方法的缺点。在制作相位光罩时，如果选择适当的刻蚀深度及形状，可将第0 阶的绕射光强度减至最小，提高干涉条纹的对比并增加光栅的反射率。适当的相位光罩图案设计可产生周期性或非周期性的干涉条纹，制造出不同特性的光栅以切合不同的用途； 此外， 由于电子束曝光刻蚀的方法能作出非常精细(　　近年来随着信息科技的高度发展， 通信传输的需求亦不断大幅成长；为了满足传输上的需求， 除了铺设新的光缆外，便是在现有的传输干线上使用密波长多任务(Dense Wavelength DivisionMultiplexing, DWDM)技术，在一条光纤内同时传送数个不同波长的光信号，以增加传输容量。由于长途传输须使用掺铒光纤放大器(Erbium Dopped Fiber Amplifier,EDFA)作为信号中继器， 传输信号的波长必须在EDFA 的放大频宽(~1532-1560nm)内才能同时为一个EDFA 放大，因此波长通道间的间隔相当紧密；为了避免讯号间互相干扰，在发送端各光源的波长必须非常的准确而稳定，信号在接收端解多任务后须经滤波以增加讯号间的隔离度。光纤光栅可在DWDM 传输系统中提供滤波、稳频及控制半导体雷射波长等功能，在DWDM 技术持续发展的带动下， 光纤光栅正逐渐走出实验室、进入实用的阶段。　　

    长途通信用的分布回馈(DFB)半导体雷射在制作的过程中， 由于dopant 的量及一些几何参数无法非常精确地掌握，因此制作出来的雷射波长会有些误差(目前的生产技术大约可达到目标波长的1nm 内)，这种精度的光源并不能满足某些DWDM 应用的需求；为改善此状况，可以将光栅作在雷射的引线光纤上，使光栅成为雷射体外共振腔的反射镜而构成体外共振腔二极管雷射(External Cavity Diode Laser,ECDL)，迫使雷射依光栅的工作波长发光，达到选频及稳频的作用。此外， 由于光栅的周期可用压缩、拉伸或改变温度的方式加以改变，因此雷射的发光波长亦可用这些方法来调整，如此可大幅放松对雷射本体的规格要求， 因而提高生产良率，并可使雷射波长的误差控制在目标波长的0.1nm 内。
　　EDFA 系统中980nm 泵激雷射的波长及波长的稳定性，关系到EDFA性能的好坏，光纤光栅的使用不但可以改善EDFA 的性能，同时亦可减轻对泵激雷射的要求，因而降低生产的成本。此外，掺铒光纤内非周期性的光栅可在放大频宽内产生适当的损失，将增益曲线平坦化，大大简化了DWDM 传输系统的构造。
　　在DWDM 传输系统上的应用，光纤光栅除了滤波及光源的稳频与选频外，还可被用来作为长距离传输的色散补偿。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，但也因而产生色散的问题，解决的办法之一是在适当的距离处加装色散补偿的组件；若将光纤光栅的周期作成适当的分布， 将可产生与光纤相反的色散效果，达到补偿色散的作用。
　　在光电组件的应用方面，光纤雷射亦可采用光纤光栅技术：将一段掺铒光纤的两端做成1550nm 的光栅，使其中一个光栅为高反射率，另一个的反射率稍低，再加上泵激的980nm 雷射后便成为一个1550nm 的光纤雷射。与体外共振腔二极管雷射同样的，光纤光栅雷射可用拉伸或改变温度的方式改变光栅的周期，进而控制雷射的发光波长；一般通信用的光纤可被拉长1%左右的长度，因此可调的波长范围达10nm。由于光纤光栅的特性与光纤所受的应力、张力或温度有关，因此光纤光栅亦可用来作为感测的组件；例如将光纤光栅放在桥梁或机翼的结构中，利用其特性的改变便可实时地监控光栅所在位置的温度、应力等变化。预期未来光纤光栅的应用及发展潜力将是相当可观的。