有源相移光纖光柵工作原理、定義、特點(diǎn)及應(yīng)用揭秘

  在光纖通信與傳感技術(shù)高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)光纖光柵已難以滿足復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)波長(zhǎng)精準(zhǔn)調(diào)控的需求。有源相移光纖光柵（Active Phase-Shifted Fiber Bragg Grating,APS-FBG）的誕生，通過(guò)在光纖光柵中引入可控的相位突變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波的“智能調(diào)諧”。這種技術(shù)不僅突破了傳統(tǒng)光柵的帶寬限制，更在光通信、激光器、傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域展現(xiàn)出革命性潛力。今天，四川梓冠光電帶你詳細(xì)了解一下。

  一、有源相移光纖光柵的定義：

  有源相移光纖光柵是在傳統(tǒng)光纖布拉格光柵（FBG）基礎(chǔ)上，通過(guò)在特定位置引入折射率突變（即“相移點(diǎn)”），形成多段光柵串聯(lián)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其核心在于利用外部控制信號(hào)（如電場(chǎng)、溫度或光泵浦）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)相移點(diǎn)的位置或大小，從而改變光柵的透射/反射特性。

  例如，在摻鉺光纖中，通過(guò)激光泵浦加熱局部光纖，可精確控制相移量（每1mW泵浦功率可引發(fā)0.1π的相移），實(shí)現(xiàn)透射窗口的實(shí)時(shí)調(diào)諧。這種“有源”特性使其區(qū)別于傳統(tǒng)靜態(tài)光柵，成為動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件。

  二、有源相移光纖光柵的工作原理：

  當(dāng)光波通過(guò)相移光纖光柵時(shí)，相移點(diǎn)將整段光柵分割為多個(gè)諧振腔。每個(gè)腔體對(duì)特定波長(zhǎng)產(chǎn)生共振，而相移點(diǎn)的引入會(huì)打破這些諧振腔的對(duì)稱性，在光柵的反射譜阻帶中打開(kāi)一個(gè)或多個(gè)極窄的透射窗口（線寬可低至0.1nm）。

  有源調(diào)控的關(guān)鍵在于外部信號(hào)對(duì)相移點(diǎn)的動(dòng)態(tài)修改：

  1、電控型：通過(guò)在光柵上沉積電極，利用電致伸縮效應(yīng)改變局部折射率；

  2、光控型：采用雙光子吸收或熱光效應(yīng)，通過(guò)另一束控制光實(shí)時(shí)調(diào)整相移；-熱控型：利用電阻加熱或半導(dǎo)體制冷器，通過(guò)溫度變化改變光纖折射率。

  這種調(diào)控方式使得有源相移光纖光柵能夠像“智能濾波器”一樣，根據(jù)需求動(dòng)態(tài)選擇透射波長(zhǎng)，甚至實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)同時(shí)傳輸。

  三、有源相移光纖光柵的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

  1、超窄帶濾波與動(dòng)態(tài)調(diào)諧

  傳統(tǒng)FBG的反射帶寬通常為0.1-1nm，而有源相移光柵可通過(guò)優(yōu)化相移點(diǎn)設(shè)計(jì)，將透射窗口線寬壓縮至0.01nm量級(jí)，同時(shí)支持波長(zhǎng)在C波段（1530-1565nm）內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，滿足密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)對(duì)通道間隔（如25GHz）的嚴(yán)苛要求。

  2、多參數(shù)解耦傳感能力

  在傳感領(lǐng)域，傳統(tǒng)FBG難以區(qū)分溫度與應(yīng)變對(duì)波長(zhǎng)漂移的交叉影響。而有源相移光柵通過(guò)引入多相移點(diǎn)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)光譜位移（反映溫度）和展寬（反映應(yīng)變），實(shí)現(xiàn)雙參數(shù)獨(dú)立測(cè)量。例如，在油氣管道監(jiān)測(cè)中，該技術(shù)可將溫度與應(yīng)變的測(cè)量誤差分別控制在±0.1℃和±1με以內(nèi)。

  3、增益平坦化與功率控制

  在摻鉺光纖放大器（EDFA）中，有源相移光柵可通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)寬阻帶光柵與窄透射窗口光柵，補(bǔ)償增益譜的波動(dòng)（如1532nm波長(zhǎng)處增益凹陷），使整體增益平坦度優(yōu)于±0.5dB。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)相移量，可動(dòng)態(tài)控制透射光功率，實(shí)現(xiàn)光衰減器的功能。

  4、抗環(huán)境干擾與長(zhǎng)壽命

  光纖光柵本身具有電絕緣、耐腐蝕、抗電磁干擾等特性，而有源相移結(jié)構(gòu)通過(guò)封裝設(shè)計(jì)（如金屬化保護(hù)層），可進(jìn)一步耐受-40℃至+85℃的極端溫度，壽命超過(guò)20年，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子傳感器。

  四、有源相移光纖光柵的應(yīng)用領(lǐng)域：

  1、光通信核心網(wǎng)

  在5G前傳與城域網(wǎng)中，有源相移光柵作為動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)選擇器，可實(shí)現(xiàn)光分插復(fù)用（OADM）的遠(yuǎn)程配置，支持通道帶寬從10Gbps向100Gbps平滑升級(jí)。例如，華為公司已在其Metro 3000設(shè)備中部署該技術(shù)，使波長(zhǎng)切換時(shí)間縮短至毫秒級(jí)。

  2、高功率光纖激光器

  通過(guò)將有源相移光柵集成于激光諧振腔，可實(shí)現(xiàn)單縱模輸出（線寬<0.01nm）與功率鎖定。例如，美國(guó)IPG公司利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)的200W單模光纖激光器，在汽車焊接領(lǐng)域?qū)⒓庸ぞ忍嵘痢?/span>5μm，較傳統(tǒng)多模激光器效率提升40%。

  3、航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

  在C919客機(jī)機(jī)翼監(jiān)測(cè)中，有源相移光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)感知疲勞裂紋擴(kuò)展（靈敏度達(dá)0.1με），并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至駕駛艙，實(shí)現(xiàn)飛行安全預(yù)警。

  4、生物醫(yī)學(xué)精密檢測(cè)

  在眼科手術(shù)中，該技術(shù)可集成于手術(shù)刀光纖探頭，通過(guò)監(jiān)測(cè)組織反射光譜變化，實(shí)時(shí)區(qū)分角膜與晶狀體邊界，將手術(shù)失誤率降低至0.3%以下。

  有源相移光纖光柵憑借其動(dòng)態(tài)調(diào)諧、多參數(shù)感知與高可靠性，正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化前沿。隨著硅基光電子集成技術(shù)的突破，未來(lái)該器件有望實(shí)現(xiàn)片上集成，成為6G光通信、量子計(jì)算與智能工廠的核心基礎(chǔ)設(shè)施。正如光纖通信之父高錕所言：“光子的未來(lái)，在于對(duì)每一個(gè)光子的精準(zhǔn)操控?！倍性聪嘁乒饫w光柵，正是這一愿景的關(guān)鍵拼圖。