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长周期光纤光栅作为一种光无源器件，广泛应用于光纤通信、光纤传感系统。随着高速数据传输系统的发展，尤其是基于少模光纤的模分复用光通信技术的发展，长周期光纤光栅在全光纤模式转换与耦合方面有更多新的应用。新型的少模光纤长周期光栅在新一代光纤通信与光纤传感系统具有重要应用前景。 螺旋长周期光栅（Helical Long-Period Grating, HLPG）作为一种新型长周期光纤光栅，可以通过熔融条件下高速扭转截面非圆对称性光纤制备而成，也可以采用激光写入或者旋转熔融特种光纤的方式在光纤中形成螺旋型的折射率调制而制备。图1是典型的螺旋光纤光栅的波导结构示意图，在扭转作用下，光纤纤芯呈螺旋结构从而形成纵向和角向折射率的周期性调制。 螺旋长周期光纤光栅不仅具备类似于常规长周期光纤光栅的波长选择性，还具有与光栅旋转方向相关的圆偏振选择性。
图1 螺旋长周期光纤光栅典型波导结构 [1] 螺旋长周期光纤光栅2003年由美国 V. Kopp 等人首次提出，称为手征长周期光栅（Chiral Long-Period Grating, CLPG）。随着特种光纤与不同制备技术的螺旋长周期光纤光栅的进一步发展，衍生出了具有丰富的光栅结构与性能的螺旋光栅种类，以满足不同的应用需求，其主要原理还是对光纤纤芯与包层沿光纤轴向进行周期性的螺旋折射率调制。 根据折射率调制深度与制备方式的不同，螺旋长周期光纤光栅可以分为螺旋结构型与螺旋折变型两大类，如图2所示，其中前者通常有明显的螺旋式波导结构，Kopp 等人提出的手征长周期光栅属于这种类型。 该类光栅具有较大的折射率调制深度，但通常光栅的额外损耗可能较大。后者一般没有明显的光纤物理形变，仅在光纤中形成螺旋式的折射率调制，其光谱特性接近常规长周期光纤光栅，这类光栅一般没有额外光纤损耗，其机械性能也较好。
图2 螺旋长周期光纤光栅示意图：（左）螺旋结构型；（右）螺旋折变型 螺旋长周期光纤光栅已经在光纤扭转传感器、全光纤轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）模式转换器、偏振滤波器等方面获得了极大的关注与快速的发展。基于二氧化碳激光、电弧放电、氢氧焰加热等技术的发展，目前螺旋长周期光栅制备方式已经趋于成熟。 模式耦合原理 与常规长周期光纤光栅一样，在螺旋长周期光纤光栅中，由于沿光纤轴向与角向非对称折射率调制的存在，前向传输的纤芯基模极易与同向传输的高阶包层模发生耦合，包层模在传输的过程中迅速损耗，因此在传输光谱上表现为特定波长处出现一系列谐振透射峰，分别对应纤芯基模与不同阶次包层模式的耦合。模式的中心波长可由相位匹配条件给出： （1） 等式左边为第i阶包层模式谐振波长，可由纤芯基模与第i阶包层模式有效折射率差和光栅螺距Λ的乘积决定。图3（a）为周期460 μm 的螺旋长周期光纤光栅的透射光谱，图3（b）为实验测量的前六阶包层模的光强分布，通过在单模光纤上刻写螺旋长周期光纤光栅可以实现光纤包层 OAM 模式的直接激发。对于少模光纤，同样可以利用写入的螺旋长周期光纤光栅实现纤芯基模至高阶纤芯模的耦合，从而可以直接实现高阶纤芯 OAM 模式的产生与转换。
图3 （a）螺旋长周期光纤光栅透射光谱；（b）HLPG不同阶次包层模的光强分布 光栅制备 螺旋长周期光栅的制备技术与传统长周期光纤光栅制备技术类似，在多种制备技术中，二氧化碳激光刻写技术具有成栅稳定、设计灵活等特点而被广泛使用。二氧化碳激光写入法的主要原理是基于石英光纤在10.6 μm 波长处有强的吸收，成栅机理包括残余应力释放、玻璃结构变化、熔融形变、掺杂剂扩散等。螺旋长周期光栅刻写系统如图4所示，由激光系统、扭转动力装置和光栅光谱监测装置组成。
图4 基于二氧化碳激光写入技术的螺旋长周期光纤光栅刻写系统示意图 通过控制二氧化碳激光扫描方式与光纤的移动，可以精确刻写不同类型的螺旋长周期光纤光栅。当光纤同向旋转并且移动时，可以制备螺旋折变型 HLPG；当光纤反向旋转并且移动，或者光纤一端固定、另一端旋转时，可以制备螺旋结构型 HLPG。 当在非对称结构的特种光纤中制备螺旋光栅时，将导致光纤波导结构的变化，Kopp 等人提出的手征光纤光栅属于这类光栅，螺旋结构型 HLPG 的折射率调制主要来自于光纤熔融下的光纤波导形变。 图5（a）和（b）是在熊猫型保偏光纤中制备的双螺旋 HLPG 的显微镜成像与数字全息成像图片，可以清晰地看到在熔融状态下光纤旋转导致的保偏光纤应力柱扭转形成的螺旋结构。
图5 保偏光纤螺旋长周期光栅：（a）显微镜成像图片；（b）全息成像图片 螺旋长周期光栅的应用 螺旋长周期光纤光栅在光纤通信、光纤激光器、光纤传感系统等方面有广阔的应用前景。基于其特殊的波导结构，螺旋长周期光栅可作为高灵敏度的扭转传感器、电流传感器、温度传感器、偏振相关滤波器、起偏器、OAM 模式转换器等，以下为两个典型应用。 全光纤模式转换器及高灵敏度扭转传感器 少模光纤支持多个纤芯模式传输，基于少模光纤的螺旋长周期光栅能够实现同向传输的纤芯基模与高阶纤芯模式的转换，并且可作为高灵敏度传感器，实验测得的灵敏度为 -0.7768 nm/（rad/m），且能够同时检测扭转方向[2]。 少模光纤螺旋长周期光栅也可作为模式转换器，实现光纤OAM 模式的直接产生，尤其是最近的研究表明，螺旋长周期光纤光栅也可以实现宽带的全光纤模式转换。图6（a）是周期为611 μm 的宽带少模光纤螺旋长周期光栅在色散转点处的透射光谱，其10 dB带宽为297 nm，远高于传统长周期光栅模式转换器。图6（b）为不同波长处螺旋长周期光栅 OAM 模式强度分布及干涉图。实验证明少模光纤螺旋长周期光栅可以有效实现宽带纤芯 OAM 模式激发。
图6 少模光纤螺旋长周期光栅：（a）透射光栅；（b）不同波长处 OAM 模式强度分布及干涉图 [3] 全光纤起偏器与偏振滤波器 保偏光纤具有非对称结构和较大的双折射，基于保偏光纤螺旋长周期光栅能够实现纤芯基模到高阶偏振包层模式的转换，如图7（a）所示，保偏光纤螺旋长周期光栅将纤芯基模分别耦合到光纤快轴与慢轴包层模式，（1）-（5）所示为测量的保偏光纤螺旋长周期光栅包层模式强度分布图。图7（b）是保偏光纤螺旋长周期光栅的典型透射光谱及偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss, PDL）。 在谐振波长处，光栅的偏振消光比高于25 dB，并且具有较低的插入损耗，能够实现特定方向线偏振光的滤除，表明保偏光纤螺旋长周期光栅在特定波长处可以作为窄带偏振滤波器或起偏器。
图7（a）保偏光纤螺旋长周期光栅模式测量装置示意图；（b）保偏光纤螺旋长周期光栅透射光谱及偏振相关损耗[4] 螺旋长周期光栅的发展趋势 基于微结构特种光纤的螺旋长周期光栅兼备微结构光纤与螺旋光栅的优点，多样化特种光纤在光纤通信与光纤传感系统得以应用。在光纤通信上，基于光子晶体光纤的螺旋长周期光栅可以实现更高阶 OAM 模式的产生、转换与调控。基于有源环型光纤的螺旋长周期光栅能够实现 OAM 模式的放大、转换与传输。 基于多芯光纤的螺旋长周期光栅能够实现多路复用，再结合解复用技术可以实现多物理参量同时测量，尤其是在矢量传感方面，例如曲率大小与方向的同时测量等。 目前，螺旋长周期光栅还处于基础研究阶段，国际上的产品主要还是螺旋结构光纤为主，称为 Spun fiber。Spun fiber 的应用越来越广泛，在传感系统，尤其是高温、应变、弱磁、电流测量等领域都有着极其重要的应用，典型代表有 FIBERCORE 公司推出旋转高双折射光纤（Spun HiBi Fiber），可用于电流传感器、电流互感器、法拉第效应传感器，国内公司也有类似产品推出。 结束语 螺旋长周期光纤光栅作为一种重要的全光纤器件，不仅具有传统长周期光纤光栅体积小、结构紧凑、插入损耗小等特点，还具有独特的偏振特性、高扭转灵敏度等特点。螺旋长周期光纤光栅的制备无需光敏光纤，无需特殊光纤掺杂，在任何特种光纤上均可实现高效率制备，这为长周期光纤光栅的制作提供了一种新的思路。随着研究的深入，螺旋长周期光栅有望在光纤通信与光纤传感系统有更多的应用。
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