什么是“相移光栅”? | What is a phase-shifted grating?

在光栅中间留个缝,为什么能产生极细的信号?

在光纤光栅(FBG)的结构中,你所提到的“在中间留个缝”,在物理学和光学工程中被称为引入相移(Phase Shift)。由此制成的器件被称为相移光栅(Phase-Shifted Fiber Bragg Grating, PS-FBG)。

这个简单的“缝隙”之所以能够产生极窄、极细的透射信号,其背后有着非常精妙的物理机制。

1. 物理本质:微型的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔

在常规的等周期光纤光栅中,折射率扰动是连续且均匀的。当光在光栅中传输时,若波长满足布拉格条件:

\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda

(其中 n_{\text{eff}} 为光纤基模的有效折射率, \Lambda 为光栅周期),前向光与后向反射光会发生强烈的建设性干涉,导致该波长附近的光被高效反射。在光谱上,这表现为一个具有一定带宽(通常在数百皮米,即数十 \text{pm} 到数百 \text{pm} )的反射带(也称阻带)。

而当你在光栅正中间引入一个“缝隙”(通常是通过局部微位移或物理手段引入一个 \pi 的相位突变,相当于将折射率调制相位错开半个周期),这个结构在光学上就等效为:
“左侧光栅(高反射镜) + 中间微型腔(缝隙) + 右侧光栅(高反射镜)”。

这构成了一个极高品质因数的分布式反馈式法布里-珀罗(F-P)谐振腔。


2. 多束光干涉与共振相消

当光射入相移光栅时,光会在中间的“缝隙”两侧(即左右两段高反射率的光栅反射镜)之间进行成千上万次的往返反射:

  • 对于普通波长:光依然被两侧的光栅强烈反射,无法通过。
  • 对于特定的共振波长:在“缝隙”内多次往返的光在空间上正好满足**相长干涉(共振)**条件。此时,往返反射的多束光在输入端发生破坏性干涉(相消),而在输出端发生建设性干涉(相长)。

由于多束光干涉的共振效应,原本在阻带中无法透过的共振波长光,能够以接近 100\% 的透射率穿过整个光栅。


3. 为什么信号能够“极细”?

透射信号的宽度(半高全宽, \text{FWHM} )与 F-P 谐振腔的品质因数 Q 值成反比。
因为两侧的布拉格光栅提供了极高的反射率(通常可达 99\% 以上),且腔体内部损耗极低,导致该谐振腔的 Q 值非常巨大。

多束共振干涉使得最终透射窗口的谱线宽度被极大地压缩。普通 FBG 的反射带宽可能为 0.2\text{nm} 左右,而相移光栅在阻带中央“凿出”的这个透射峰,其线宽可以轻易达到几个皮米( \text{pm} )甚至亚皮米级别(折合频率仅为数十兆赫兹 \text{MHz} )。这就是为什么它能够产生“极细”的信号。


关于大成永盛 (OFSCN®) 产品关联说明

大成永盛 (OFSCN®) 作为专业的光纤传感器及光栅制造技术专家,核心产品主要专注于高可靠性、高强度及极端温度环境下的光纤传感应用。我们的典型产品包括利用飞秒激光逐点刻写技术制造的 OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings 以及适用于恶劣环境的 OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings 。

此类产品属于高品质的通用型光纤光栅(FBG)及光栅串。而相移光栅(PS-FBG)由于主要应用于超窄线宽光纤激光器和超高分辨率光谱滤波等实验室或特定通信频域,目前不属于大成永盛 (OFSCN®) 的核心标准在售产品序列。