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微结构光纤光栅的理论、实验及应用研究
摘要：
本文综述了微结构光纤光栅的基本工作原理、制备方法和相关应用。首先介绍了微结构光纤的制备技术和结构特征，接着详细介绍了光纤光栅的制备及相关技术，然后分别阐述了微结构光纤光栅的理论原理及实验基础；最后，归纳总结了微结构光纤光栅在通信、传感、信号调制等方面的应用及未来发展趋势。
关键词：微结构光纤；光纤光栅；光纤通信；光纤传感
引言：
微结构光纤（Microstructuredfiber，或称为具有微米级别排列结构的光纤，结合了传统光纤与光子晶体的优点，拥有高波导模式容量、超大光谱范围、高抽取系数等独特的优点，被广泛应用于光通信、光传感及光学显微等领域。
光纤光栅（FiberBraggGrating）是一种能够反射或衍射出特定波长的光纤光学器件，它的制作基础是将光纤经过写入、光刻等制备工艺制作成特定的光纤结构。微结构光纤光栅结合了微结构光纤与光纤光栅两者的优点，不仅可以提供优秀的传输特性，还具有高度可调性。
本文将综述微结构光纤光栅的理论原理、制备与应用的研究进展，并展望未来的发展趋势。
一、微结构光纤的制备技术和结构特征
微结构光纤具有亚微米、微米及亚毫米级别的光子晶体结构，实现在光学纤芯中实现同时包含空气孔道和高折射率玻璃的结构，从而其具有纵向色散、非线性光学特性及超宽光谱带宽等独特的优点，广泛应用于传输性能、光谱分析、微流控传感、激光输出、微腔激光器等领域。微结构光纤的主要制备方法包括拉伸法、光刻法、微捕捉工艺等。其中，拉伸法是一种最简单、最常用的制备方法，具体步骤如下：
(1)选用玻璃杆作为基材，预备玻璃筒；
(2)在玻璃筒上涂抹一层特定的UV胶；
(3)用金属缠绕具将玻璃筒及其周围的带有UV胶的高压气体移动到加热炉内；
(4)经过高温实现金属缠绕内聚合物化反应，加热至软化温度后快速拉伸杆状微结构；
(5)将拉伸微结构浸泡于HF溶液中获得扩展性微结构，再经过微加工得到完整的微结构光纤。
微结构光纤与普通光纤相比，其结构特征明显：纵向色散、慢光效应、模式容量等指标均有提高。长度变化可以通过微结构的设计和制造来改变，从而产生与标准光纤不同的传输和耦合性能等特性。微结构光纤与传统光纤的区别：
二、光纤光栅的制备及相关技术
光纤光栅是利用光纤中的周期性折射率变化，控制特定的波长入射光进行反射或衍射。光纤光栅的制备方法也具有多态性，根据制备方法的不同，可分为激光写入法、相控阵干涉法、相位掩膜法和模板法。其中，激光写入法是利用紫外脉冲激光实现对光纤管子表面的历史性刻写过程，一般分为单光子和两光子写入两种方式，实现光纤内部的周期性光折射率调制，光纤中体光与信号光之间通过光栅结构的相互作用实现了信号的正反射和信号的相位调制。
另外一种制备光纤光栅的方式是利用模板，先将光栅的图形制作在模板上，然后将光纤带入模板内实现光折射率周期性调制。这种方式在光栅准确性、一致性和制造精度方面具有优势。
三、微结构光纤光栅的理论原理及实验基础
微结构光纤光栅的理论原理主要是基于微结构光纤的色散关系实现的，其基本结构为了克服传统光纤的缺点，为了达到无模式聚焦，微结构光纤的波导模式随着波长变化而移动。从光学材料的折射率场角度来看，微结构光纤光栅实际上是不同波长的光经过具有具有一定折射率分布规律的介质，产生不同程度的衍射，从而实现信号的调制。
在实验方面，微结构光纤光栅的主要实验场景是传统的光纤通信、分布式传感和光调制等方面。在光通信中，可以通过已经写入的微结构光纤光栅来实现信号的反射和调制，从而实现光传输的控制。在传感领域，微结构光纤光栅作为一种新型的光纤传感器，可以利用其纵向色散、波导模式容量等独特特性，实现光学传感器的高灵敏度、高分辨率和可调性等要求。
四、微结构光纤光栅的应用与未来发展趋势
微结构光纤光栅在通信、传感、信号调制等方面具有广泛的应用前景。在光通信方面，微结构光纤光栅可以作为高容量数据传输、控制、分析和处理的基本单元之一，未来将会越来越广泛地应用于卫星通信、宽带传输、量子通信等领域。在传感方面，微结构光纤光栅作为一种新型光纤传感器，可以实现多参数、分布式以及高灵敏度传感等应用。在信号调制方面，微结构光纤光栅可以通过很多调制方式实现对信号的波长、强度、相位等多个方面的调制，比传统微波调制器更加灵活，多功能。
结论：
本文综述了微结构光纤光栅的基本工作原理、制备方法和相关应用。微结构光纤光栅的理论原理主要是基于微结构光纤的色散关系实现的，其制备方法包括激光写入法和模板法。微结构光纤光栅在通信、传感、信号调制等方面具有广泛的应用前景，未来将会越来越广泛地应用于宽带传输、卫星通信等领域。由此可见，微结构光纤光栅作为一种发展前景广阔的光学传输技术，其研究和应用意义深远，值得继续投入研究和探索。