探究光栅如何写进光纤、光纤光栅又是怎样挑选出特定波长的

光纤光栅（FBG）是一段写在光纤纤芯里的「波长选择器」：宽带光通过它时，绝大多数波长直接穿过，只有满足特定条件的那一个窄带被反射回来。这个被挑中的波长称为布拉格波长。

它的特别之处在于直接做在光纤内部——不需要额外的分立元件，与光纤同材质、同尺寸，因此可以沿一根光纤串起许多个，构成准分布式的传感阵列。上一篇文章里提到的分布式传感靠的是光纤自身的散射，而光纤光栅走的是另一条路：人为在光纤里写入一个周期结构。

一、光纤光栅是什么

从结构上看，光纤光栅是纤芯折射率沿轴向呈周期性变化的一段区域。周期通常在数百纳米量级，光栅区长度从几毫米到几十毫米不等。

图1：光纤光栅的结构

它与普通反射镜有三点不同。第一，波长选择性强：只反射满足布拉格条件的窄带，其余波长基本直通，反射带宽通常在零点几纳米量级。第二，直接写在光纤里，没有额外的界面与耦合损耗，也不改变光纤的外形尺寸。第三，可以串成阵列：一根光纤上写入多个不同周期的光栅，每个对应不同的布拉格波长，用一台解调仪就能同时读出。

反射率可以做到百分之九十以上，接近全反射。这个数值由光栅长度与折射率调制的深度共同决定——光栅越长、调制越深，反射越强，同时反射带宽越窄。

二、为什么只挑中那一个波长

原理是多光束干涉。光栅区内每个周期界面都会反射一点点光，这些微弱反射在反向叠加。对大多数波长而言，相邻界面反射光的光程差不等于整数倍波长，相位彼此错开，叠加后互相抵消。只有当光程差正好等于波长的整数倍时，所有反射才同相叠加，形成强烈的反射峰。

图2：相长条件与布拉格公式

相邻界面的往返光程差为 2·n_eff·Λ，于是得到布拉格条件：λB = 2·n_eff·Λ，其中 n_eff 是纤芯的有效折射率，Λ 是光栅周期。

这个公式很关键，它说明了两件事。第一，想换波长只需改变周期或有效折射率——这正是波长可以按需定制的原因。第二，凡能改变周期或有效折射率的外界因素，都会让布拉格波长发生漂移。温度与应变正好属于这类因素，这也是光纤光栅能当传感器的根本原因。

还有一点值得留意：反射发生在反向，沿原路返回。这与普通反射镜的镜面反射不同，光栅的反射是分布在整个光栅长度上的，每一小段都贡献一点。

三、光栅是怎么写进去的

写入的本质是让纤芯的折射率发生永-久性的周期性改变。按实现手段分，主流有三种。

图3：三种写入方法

紫外曝光法是最早发展起来的一类。掺锗光纤对紫外光敏感，用两束紫外光在纤芯处干涉形成明暗条纹，曝光处的折射率被永-久改变。为了让折射率变化足够大，通常要对光纤做载氢增敏处理。

相位掩模板法是目前工业量产的主流。紫外光垂直穿过一块周期性的相位掩模板，衍射产生 ±1 级光束，两者在光纤处干涉形成周期条纹。这种方法的重复性最好——同一块掩模板写出的光栅周期高度一致，因此适合批量生产。缺点是一块掩模板对应一个固定周期，换波长要换掩模板。

飞秒激光直写不依赖光纤的光敏性。超短脉冲聚焦在纤芯内部，在焦点处引起局部折射率改变，逐点扫描即可写出光栅。它可以写进普通光纤，而且写出的结构耐高温，适合恶劣环境。

写入环节有几处需要留意：紫外光要透过包层进入纤芯，因此必须剥除涂覆层；而剥除涂覆层的位置机械强度会下降， afterward 需要重新保护。写完后通常要做退火处理，去除其中不稳定的折射率成分，否则光栅性能会随时间缓慢漂移。

四、温度与应变：两个量搅在一起

布拉格波长对温度和应变都敏感，关系可以写成：ΔλB/λB = (1 − p_e)·ε + (α + ξ)·ΔT，其中 p_e 是弹光系数（约 0.22），α 是热膨胀系数，ξ 是热光系数。

在 1550 纳米附近，两个灵敏度大致是：应变约 1.2 皮米每微应变，温度约 10 皮米每摄氏度。这两个数意味着，一摄氏度的温度变化引起的波长漂移，相当于约八个微应变——量级相当，谁也不能忽略。

图4：温应变交叉敏感

麻烦就出在这里：只受拉、只升温、以及两者皆有，三种情形的波长都朝同一方向移动，单靠一个光栅无法区分。这就是交叉敏感问题。

解决的办法有几种。参考光栅法最-常-用：在被测位置附近再放一个不受力、只感受温度的光栅，两个读数相减即得应变，结构简单、成本增加有限。双参数光栅是在同一位置写入两个对温应变响应比例不同的光栅，联立方程解出两个量。封装补偿则用负热膨胀材料封装光栅，抵消温度引起的漂移，适合只测应变的场合。

五、复用：一根光纤串起一串测点

单个光栅只是一个测点，真正的价值在于复用——把许多个光栅串在同一根光纤上。

波分复用是最直观的方式：每个光栅写入不同的周期，占据不同的布拉格波长，解调仪按波长区分它们。单个光栅的反射带宽只有零点几纳米，而光源可用带宽有几十纳米，因此一根光纤上串十几个甚至几十个光栅是可行的。

图5：波分复用示意

时分复用按返回时间区分位置，各个光栅可以具有相同波长，但反射率要做得低一些，避免前面的光栅把光挡住、后面的收不到。空分复用则是多根光纤接到多个通道，容量大但线缆随之增加。实际系统常把波分与时分组合使用，单根光纤可容纳数十个测点。

与分布式传感相比，光纤光栅是准分布式的——测点离散，但单点精度更高、解调速度更快。它适合关键部位的定点测量，也常与分布式方案配合使用：分布式负责全线扫描发现异常，光栅负责在重点位置精确监测。

六、挑光栅要看哪些数

选型时要盯的参数主要有五个。

布拉格波长决定与光源和解调仪是否匹配，通信波段最-常-用的是 1550 纳米附近。反射率越高信噪比越好，可做到百分之九十以上，但在复用时要适当降低，避免遮挡后面的光栅。

带宽影响波长测量的分辨能力，通常是零点几纳米，窄带型更窄。边模抑制比是主峰与旁瓣之比，通常在十五分贝以上——旁瓣过高会干扰邻近波长，在密集复用时尤其要看这一项。

最后是光栅长度，常见几毫米到几十毫米。它决定了空间分辨的尺度：光栅越长反射越强、带宽越窄，但被测区域的平均效应也更明显，对局部应变的响应会被平滑掉。

图6：挑光栅要看哪些数

测温与测应变要分别确认灵敏度，两者都随中心波长变化——同一支光栅在 1550 纳米与在其他波段的灵敏度数值并不相同，引用时要注意对应的波长条件。

还有一点值得留意：复用时要预留足够的波长间隔。相邻光栅的反射谱若发生重叠，解调仪就无法区分它们；而光栅在工作过程中波长会漂移，预留间隔要覆盖整个量程内的漂移范围。

七、总结

光纤光栅在光纤内部写入一个周期结构，利用多光束干涉只反射满足布拉格条件的窄带。外界温度与应变改变周期与有效折射率，波长随之漂移，测出漂移量就得到被测物理量。

布拉格条件 λB = 2·n_eff·Λ 是全部基础：它既解释了为什么只挑中一个波长，也说明了外界因素如何引起波长漂移。

写入方法有三种——紫外曝光、相位掩模板（量产主流、重复性最好）、飞秒激光直写（不依赖光敏性、耐高温）。

温度与应变存在交叉敏感，单靠一个光栅无法区分，常用参考光栅法解决：再放一个只感受温度的光栅，两者相减即得应变。

这几个指标之间存在相互制约：光栅加长可以提高反射率、压窄带宽，但会平滑掉局部应变细节；复用数量增加可以覆盖更多测点，但每个光栅可用的波长间隔随之变窄，对波长稳定性提出更高要求。规格书上的数值通常是在特定波长与温度条件下测得，采用前最好先确认测量条件是否与自己的场景一致。

另外，光栅区剥除了涂覆层，机械强度低于普通光纤，敷设与安装时需要额外保护；这一点在工程实施阶段容易被忽略，却是影响长期可靠性的关键。