CN101187715A - 光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明在现有光纤光栅制作技术的基础上，将制作普通均匀光纤Bragg光栅设备和一个外在热源相结合，通过外部加热的方法改变光纤上的温度分布，使光纤轴向的一个局部和左右相比具有大的温度升高，此时在光纤上写入均匀Bragg光栅，则在常温下就变成了局部具有非均匀周期的光纤光栅，这种局部非均匀周期在光栅光谱特性上将产生相移的效应。加热装置安装在通过计算机控制的移动平台上，可以沿光纤的轴向移动，实现在光纤成栅区域的不同点加热，所以我们可以方便地在光栅的不同点引入相移。本发明方法实现方便，对于各种制作均匀光纤Bragg光栅的方法具有普遍的适用性，而且适当地控制加热点和加热温度将能引入不同的相移，制备出不同的相移光纤光栅。

Description

光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法

一、技术领域

光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法属于光纤光栅制作技术领域。

二、技术背景

相移光纤光栅是一种轴向折射率变化周期存在突变的光纤光栅，它在Bragg反射谱阻带中打开线宽极窄的一个或多个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度，在滤波、波分复用和掺铒光纤增益平坦等领域得到了广泛的关注，特别是基于π相移光纤光栅的光纤DFB激光器，具有窄线宽、频率稳定的突出优点，是制作单频光纤激光器的理想器件而得到了迅速发展。

相移光纤光栅窗口位置可以随相移量的大小发生改变，窗口的通透率以及线宽也可以随相移点位置的不同而不同，如何有效地制作满足各种波长要求的相移光纤光栅是光纤光栅研究领域的一个热点问题。国内外很多的学者和技术人员在这方面做了大量的研究和实验工作，并提出了许多制作方法。

目前制作相移光纤光栅的方法基本有四种：第一种位移法，使用精密位移台，通过移动光纤或光纤Bragg光栅掩模板，精确控制曝光位置引入相移，制作出高质量的相移光纤光栅，但是该方法对位移台移动精度要求很高，必须使用价格昂贵的纳米级精密移动平台才能制作出具有较高质量的相移光纤光栅；第二种是通过在均匀周期光纤Bragg光栅上再次曝光引入相移的二次曝光法，由于制作一个相移光栅需要来回调整光路，所以制作效率低，制作出的相移光栅一致性差；第三种方法是直接写入相移的相移掩模板法，该方法适合于大批量的统一型号的相移光纤光栅的生产，但是只能制作和相位掩模板相对应的一种相移光栅，而且相移掩模板价格昂贵，一个掩模板也只能制作一定数量的光纤光栅，造成光栅种类受局限，制作成本太高；第四种是引入等效相移的等效相移法，通过改变取样光栅的取样周期引入相移，但是这种方法制作出的等效相移光栅的光谱特性与理想情况相比相差较大。

综上所述，虽然上述方法都在能用来制作相移光纤光栅，但也都有其自身的缺陷，所以，很有必要发展新的制作相移光纤光栅的方法。本发明结合现有的制作均匀周期光纤Bragg光栅方法和外在温度场，通过外加温度场对光纤局部进行调制，使得光纤局部轴向的力学和光学特性发生改变，则在局部存在外加温度场的条件下制作的均匀周期光纤光栅，在常温下则变成了非均匀周期的光纤光栅，通过引入合适的温度场，就可以制作出相移光纤光栅。本发明具有普遍的适用性，在常用的均匀周期光纤光栅制作方法基础上，进行改造，使光纤轴向产生合适的温度分布，就可以制作出合适的相移光纤光栅。与前面介绍的方法相比，本发明具有明显的易实现，制作成本低，制作方法灵活可以写入不同相移的相移光栅等优点。

三、发明内容

本发明的将制作普通均匀Bragg光纤光栅设备和外在调制温度场相结合，用于制作具有不同相移量和相移点的相移光纤光栅，该方法简单，具有普遍的适用性，价格低、易于实现。由于在普通光纤光栅的制作过程中，光敏光纤的轴向温度是一致的，都等于室温；本发明由于引入了外在热源，对光纤的成栅部位局部加热，从而改变了光纤轴向的温度分布，使光纤成栅区域的一个局部温度明显高于光纤的其他部分，导致此部分光纤的轴向力学和光学性质相对于其他部位光纤发生了变化。此时在温度场存在的条件下制作的均匀周期光纤光栅，在撤除温度场光栅温度恢复到常温下后，由于轴向力学和光学特性恢复到常态，就变成了局部具有非均匀周期的光纤光栅。这个具有不均匀周期的局部可以认为是一个相移区域：在这里，光栅周期发生了突变，从相位变化的角度看可以认为引入了一个相移量，这个相移量的大小和温度有关系。所以用此方法制作的均匀光纤光栅，在撤除外加热源温度恢复到常温后就变成了相移光栅。在加热区域长度一定的情况下，适当的控制加热点和加热温度场形状将能引入不同的相移，制备出各种不同的相移光纤光栅。

假设所制作的光栅的长度是L，在制作过程中有一个稳定的呈高斯分布的温度场作用在光纤的成栅部位，温度场的中心在L/2处，影响的区域长为l(l＜＜L)。则其引入的相移φ可以表示为：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\πl}}{\mathrm{\λ}}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\mathrm{\ΔT}\left(z\right)$

λ为加热条件下制作的均匀Bragg光纤光栅的中心波长，α和β分别表示光纤的热膨胀系数和热光系数，ΔT(z)表示制作过程中，沿光纤轴向，光纤的温度和外部环境温度的差值。

本发明中，在制作过程中的光纤轴向温度分布对相移光纤光栅的质量有很大的影响，加热区域的大小和加热温度需要严格的控制。被加热的光纤光栅的成栅区域过长或者加热温度过低都只会引入啁啾，起到加宽反射谱的作用，而不能引入相移；同时，如果加热温度过高，将会破坏光纤的固有结构。因此，所使用的加热方法在光纤上建立的温度场应该是：在和光栅长度相比很小的一段长度内，光纤的温度要突然升得很高，又很快地降落下来，即产生局部高温；加热温度最高不要超过300℃度。

根据以上分析，使用本方法制作相移光纤光栅，在选择热源引入外加温度场时我们采用的方法满足下面的条件：

a)局部加热，加热区域控制在制定的一段很小区域内(加热区域1＜＜光栅的长度L)。

b)加热时靠近但不能接触光纤。

c)加热装置不能影响光栅的写入光束。

d)加热器温度控制在100℃--300℃度之间，最佳的温度范围在180℃-300℃度之间。

由于是局部加热所以一般可以有很多种加热方法，如电阻加热法，电弧放电加热，激光局部加热法，微波定向加热等方法，都可以作为局部加热的方法。

在本发明中，我们分别使用电阻加热器和电弧放电的方法对光纤的成栅部位进行局部非接触加热。电阻加热器具有一个高温尖端，它垂直于光纤轴向，被放置在距光纤很近的地方，加热装置和光纤的位置关系如图1所示。电弧加热器的结构和电阻加热器相同，它通过尖端放电的方法加热光纤。两种加热装置都被固定在位移台上，计算机通过温度控制器可以控制他们的的加热温度。通过计算机也可以精确控制位移台的位置(精度为微米级)，使其沿光纤轴向移动，从而可以方便地在光纤上的不同点引入相移。

普通均匀Bragg光纤光栅的写入法包括：逐点写入法、双光束干涉法、均匀周期相位掩模板方法等。原则上讲，所有能在光敏光纤中写入均匀周期光纤光栅的方法都可以在本发明中使用。如图1所示，对于不同的光纤Bragg光栅制作方法(2)光束变换部分就有不同的结构。

本发明的特点是结构实现简单，具有普遍的适用性，制作均匀光纤Bragg光栅的设备，增加一个外在热源就可以用来制作相移光纤光栅，而且相移点的大小和位置可以控制。

四、附图说明

图1、为光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法的示意图。

图2、为采用双光束干涉法结合加热设备制作相移光纤光栅的示意图

图3、是制作时光纤成栅区的温度分布示意图

横轴表示光栅长度，纵轴表示温度。设光栅长为L，则最高温度点在L/2处，整个温度场在L/2处有一个温度突变。

图4、为用双光束干涉法结合电阻加热法制作的π相移光纤光栅的透射光谱图。

其中：1--准分子激光器、2--光束变换组件、3--加热器、4--移动平台、5--温度控制器、6--计算机、7--光敏光纤、8--分光镜、9-第一反射镜、10-第二反射镜、11-第一柱透镜、12-第二柱透镜、13--宽带光源、14--光谱仪、15--光纤固定夹具、

五、具体实施方式

实施例1、结合图4用双光束干涉法和电阻加热器相结合制作π相移光纤光栅

制作方法如图1所示：将制作均匀光纤Bragg光栅的双光束干涉法和一个加热器相结合，用来制作具有不同相移大小和不同相移点的相移光纤光栅。它由(1)准分子激光器(2)光束变换组件(3)加热器(4)移动平台(5)温度控制器(6)计算机(7)光敏光纤组成。首先通过计算机6设定好准分子激光器1曝光能量和曝光时间，然后打开加热器6引入了外在热源，对光纤的成栅部位局部加热，加热的温度一般可控制在100℃--300℃度之间，最佳的温度范围在180℃-300℃度之间；电阻加热器的加热端具有一个尖端或坡面，垂直光纤轴向放置，以使受热区限制在成栅区域的局部，其温度和位置可以由计算机6、温度控制器5和移动平台4进行调节，以实现不同相移的写入。

电阻加热器具有一个高温尖端它垂直于光纤轴向，被放置在距光纤很近的地方，通过设定加热温度，当温度达到设定值后，在光纤固定夹具15上安装光敏光纤7，安装调整好光纤Bragg光栅制作装置和加热装置，通过计算机6控制位移台4，将加热点调整到光纤成栅区的中间位置，然后打开准分子激光器1写入光栅，由于准分子激光器1出射的是紫外光入射到光束变换组件2中，光束变换组件2；由分光镜8、第一反射镜9、第二反射镜10、第一柱透镜11、第二柱透镜12组成的，即经准分子激光器1产生的紫外光经分光镜8后被分为两路，一路通过第一反射镜9返射到第一柱透镜11聚焦，另一路通过第二反射镜10的反射到第二柱透镜12聚焦，聚焦后两路光形成干涉条纹，作用在光敏光纤7上从而写入均匀光栅。宽带光源13和光谱仪14组成在线检测系统，实时检测所写光栅的质量。

光栅写入完成后，将光敏光纤7从装置中取出，原本在局部受热状态下制作的均匀周期光纤Bragg光栅，在均匀温度场环境中将变成相移光纤光栅。通过计算机控制移动台，可以方便地在光纤的不同位置写入相移。通过设定不同的加热温度可以控制位移量的大小

实施例2、双光束干涉法和电弧加热器相结合制作π相移光纤光栅

制作装置与上述方法1类似，不同点在于使用电弧放电代替电阻加热器加热光纤，此时3为电弧加热器，如图1所示3的两个尖端放电形成电弧加热光纤。制作过程中，先通过6设定好1的曝光能量和曝光时间，再用6通过5设定好加热温度，然后在光纤固定夹具15和16上装上光敏光纤，通过计算机控制位移台，将加热点调整到光纤成栅区域的中间位置，然后通过6同时打开电弧加热器和准分子激光器，实现加热的同时写入光栅。光栅写入完成后，将光敏光纤从固定夹具上取出，原本在局部受热状态下制作的均匀周期光纤Bragg光栅，在均匀温度场环境中将变成相移光纤光栅。通过计算机控制移动台，可以方便地在光纤的不同位置写入相移；通过设定不同的加热温度可以控制相移量的大小。

Claims (5)

1.一种光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法其特征在于：制作均匀光纤Bragg光栅的双光束干涉法和一个加热器相结合，用来制作具有不同相移大小和不同相移点的相移光纤光栅，它由准分子激光器(1)、光束变换组件(2)、加热器(3)、移动平台(4)、温度控制器(5)、计算机(6)光敏光纤(7)、宽带光源(13)和光谱仪(14)组成，通过计算机(6)设定好准分子激光器(1)曝光能量和曝光时间，然后打开加热器(5)引入了外在热源，对光纤的成栅部位局部加热，加热的温度一般可控制在100℃--300℃度之间，在光纤固定夹具(15)上安装光敏光纤(7)，安装调整好光纤Bragg光栅制作装置和加热装置，通过计算机(6)控制位移台(4)，将加热点调整到光纤成栅区的中间位置，然后打开准分子激光器(1)写入光栅，准分子激光器(1)出射的是紫外光入射到光束变换组件(2)中，即经准分子激光器1产生的聚焦后两路光形成干涉条纹，作用在光敏光纤(7)上从而写入均匀光栅。宽带光源(13)和光谱仪(14)组成在线检测系统，实时检测所写光栅的质量。

2.根据权利要求1所述光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法：其特征在于光束变换组件(2)由分光镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第一柱透镜(11)、第二柱透镜(12)组成的，即经准分子激光器(1)产生的紫外光经分光镜(8)后被分为两路，一路通过第一反射镜(9)返射到第一柱透镜(11)聚焦，另一路通过第二反射镜(10)的反射到第二柱透镜(12)聚焦。

3.根据权利要求1所述光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法：其特征在于加热器可以用电阻加热或电弧加热。

4.根据权利要求1所述光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法：其特征在于电阻加热时，电阻加热器的加热端具有一个尖端或坡面，垂直光纤轴向放置。

5.根据权利要求1所述光纤局部温度调制制作相移光纤光栅的方法其特征在于被加热的光纤成栅区域局部的最佳的温度范围在180℃-300℃度之间。

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