CN102073095A - 一种窄线宽光纤布拉格光栅的制作方法 - Google Patents

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施佳炜
李玉华
刘书辉
王海岩
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
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    • G02B6/02123—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating
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Abstract

本发明公开了一种窄线宽光纤布拉格光栅的制作方法，包括下述步骤：（一）组建飞秒激光光刻光路，所述飞秒激光光刻光路中的光学元件包括飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和一对光纤调整架；（二）光路对准，使光束对准光纤上的待刻蚀的纤芯处；（三）光栅刻写，利用飞秒激光在光纤上进行刻写，获得光纤布拉格光栅；（四）退火，将刻写好的光纤布拉格光栅进行退火处理，即可获得窄线宽光纤布拉格光栅。本发明进一步缩窄利用飞秒激光刻写的光纤布拉格光栅的线宽；通过调节退火温度，可以实现不同程度的线宽缩窄。在缩窄线宽的同时，光线布拉格光栅的高温稳定性也得到了很大的提高。该发明适用于制备作为光纤激光器前后腔镜的光纤布拉格光栅。

Description

一种窄线宽光纤布拉格光栅的制作方法
技术领域
本发明属于光纤布拉格光栅的制作方法，特别涉及一种窄线宽的光纤布拉格光栅的制作方法。
背景技术
窄线宽的光纤布拉格光栅不仅是光通信领域理想的滤波器，也是全光纤光纤激光器的核心器件，近年来一直是研究的热点。传统的制作光纤光栅的方法利用了掺锗纤芯对紫外激光照射的光敏性。在这一方法的基础上，研究人员也试图进一步缩小所刻光栅的线宽。其中一种方法是使用单个的准分子激光脉冲对光纤进行照射，能够达到0.1nm的窄线宽，但是其反射率仅为2％。传统的利用紫外激光刻写光纤光栅的方法的另一个问题是所刻写的光栅耐高温性能较差，尤其是Type-I型的光纤光栅；而Type-II型的光纤光栅由于是再生的，其耐高温性能得到很大提高，但其线宽一般较宽。
近年来，越来越多的研究人员开始使用飞秒激光来刻写光纤布拉格光栅。这种方法的利用了多光子吸收效应以及飞秒脉冲对材料的破坏机制，能够引起从10-5到10-2的大范围折射率调制，而且这种方法对于不具有光敏性的材料依然有效。利用飞秒激光结合相位掩膜板的方法制作光纤布拉格光栅，当激光强度超过一定阈值的时候可以获得Type-IIIR类型的光纤光栅，这种光栅具有极佳的耐高温特性，而且制作方便，光栅的形成只需30秒左右的时间。但是，现有方法依然不能解决如何进一步缩小光栅线宽的问题。
发明内容
本发明提供一种窄线宽光纤布拉格光栅的制作方法，使用飞秒脉冲激光结合相位掩膜板在光纤中刻写光纤布拉格光栅，尤其是在此基础上对光栅进行了特定温度下的退火处理，解决现有制作方法不能获得更窄线宽的问题。
为实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：
一种窄线宽光纤布拉格光栅的制作方法，包括下述步骤：
(一)组建飞秒激光光刻光路，所述飞秒激光光刻光路中的光学元件包括飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和一对光纤调整架；
(二)光路对准，使光束对准光纤上的待刻蚀的纤芯处；
(三)光栅刻写，利用飞秒激光在光纤上进行刻写，获得光纤布拉格光栅；
(四)退火，将刻写好的光纤布拉格光栅进行退火处理，即可获得窄线宽光纤布拉格光栅。
利用这种发明可以进一步缩窄利用飞秒激光刻写的光纤布拉格光栅的线宽；通过调节退火温度，可以实现不同程度的线宽缩窄。在缩窄线宽的同时，光线布拉格光栅的高温稳定性也得到了很大的提高。该发明特别适用于制备作为光纤激光器前后腔镜的光纤布拉格光栅。
附图说明
图1为飞秒激光写入系统示意图；
图2为本发明所使用的通过退火缩减光栅线宽的观测系统；
图3为本发明所使用的用来刻写布拉格光栅的双包层光纤，31为外包层，32为内包层，33为纤芯。
图4(a)为未经退火处理的光线布拉格光栅的反射谱，图4(b)为实施例一中光栅线宽缩窄但反射率不下降的反射谱图；图4(c)为实施例二中光栅线宽缩窄但反射率也有下降的反射谱图的变化。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的窄线宽光纤布拉格光栅的制作方法，具体包括如下步骤：
一.组建飞秒激光光刻光路
飞秒激光光刻光路由飞秒激光光源11、平凸柱透镜12、相位掩模板13和一对光纤调整架构成。以飞秒激光传输路径为基准，调节以上光学元件，使其中心处于一条直线上，并且法向垂直于飞秒激光光束。此时，遮挡住飞秒激光，将局部除去涂覆层的光纤14的两端固定到光纤调整架上，粗调上述一对光纤调整架，使光纤置于离相位掩膜板～2mm的范围之内，并且水平平行于相位掩膜板。
二.光路对准：
将光强调到300mW，去除对飞秒激光光束的遮挡，使光束先后经过平凸柱透镜和相位掩模板，光束经平凸柱透镜后在相位掩模板后方呈现一个线状光斑15。调整光纤相对于线状光斑的位置，通过观察光纤后面光斑的形状，使光纤的纤芯和线状光斑重合；
三.光栅刻写步骤：
确认光路对准完毕之后，迅速将飞秒激光的输出功率调至600mW，开始刻写光纤光栅，此时从光谱仪中可以观察到快速增长的反射峰；大约30秒之后，反射峰的强度达到最大值，此时迅速将飞秒激光遮挡，即完成光纤光栅的刻写。
四.退火步骤：
将已经制作好的光纤布拉格光栅放置到温度精密可调的管式炉当中进行退火处理。同时利用如图2所示的光路来实时监测其反射谱的线宽和反射率的变化。退火的温度在本实施例中设定在450℃以下的范围内，如300℃-450℃均可。
图4(a)所示是退火之前的光谱图，图4(b)所示是在450℃温度下退火5小时之后的光谱图。对比图4(a)和图4(b)，可以发现：光纤布拉格光栅的线宽从退火前的123pm减小到了退火后的108pm，但是反射率没有明显下降。
本实施例中的方法可以使用在对反射率要求比较高的情形，通过450℃以下的退火处理可以使线宽有一定程度的缩窄，但是依然保持原有的极高的反射率。更为重要的是，经过上述退火处理的光纤布拉格光栅相比于未经过退火处理的光纤布拉格光栅具有更加优越的高温稳定性，可以用作光纤激光器的前腔镜。
本方法的退火步骤中，与实施例1中的退火温度不同，将退火设定的温度升至700℃，同时利用如图2所示的光路来实时监测其反射谱的线宽和反射率的变化。图4(c)所示是在700℃温度下退火5小时之后的光谱图。对比图4(a)和图4(b)，可以发现：光纤布拉格光栅的线宽从退火前的123pm减小到了退火后的83pm，但是反射率也有明显的下降。
可以看出，本发明的方法中存在两种不同的光纤布拉格光栅的线宽缩窄机制：1.当退火温度低于450℃时，可以明显地观察到光栅线宽的缩窄，但此时并不伴随反射率的下降；当退火温度高于450℃时，光栅的线宽会进一步缩窄，但此时伴随着明显的反射率的退化。因此，需要高反射率窄线宽光纤布拉格光栅的时候，可以选择在450℃以下进行退火处理，光栅的线宽会有一定程度的减小，但反射率不会有退化；当对光栅的线宽有较高要求，但并不要求高反射率的情况下，可以在更高温度下对光栅进行退火，光栅的线宽会进一步缩小，但与此同时反射率也会有较大幅度的下降。
上述方法可以使用在对线宽要求特别窄但对反射率要求比较低的情形，可以作为光纤激光器的后腔镜，由于其线宽特别窄，因此可以获得获得窄线宽的激光输出。
如图2所示，本实施例中实施上述方法的装置包括一套飞秒激光写入系统、一台由电脑21控制的可精密控制退火温度的管式炉22、一台宽带自发辐射光源23以及一台高分辨率的光谱仪24，相互之间通过一个光纤环形器25连接。所述飞秒激光写入系统的核心组件包括飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和一对光纤调整架，平凸柱透镜的焦距为60mm，特定的相位掩模板对应特定的光纤布拉格光栅(FBG)工作波长。飞秒激光光源采用Spectrum Physics公司的产品，工作波长为800nm，脉宽50fs，重复频率1KHz。所述用于退火的管式炉型号为Isothermal Pegasus Plus 1200，其温度的调节范围在150℃-1200℃之间，调节精度在±0.05℃到±0.2℃之间。所述宽带的经过放大的自发辐射的光源的型号为FiberLabs ASE-1050-20，其总的输出功率为13.6dBm，在1015-1100nm的范围内其光谱的功率密度＞-30dBm。所述光谱仪的型号为Yokogawa AQ6370B，最小分辨率为0.02nm。

Claims (6)

1.一种窄线宽光纤布拉格光栅的制作方法，包括下述步骤：
（一）组建飞秒激光光刻光路，所述飞秒激光光刻光路上的光学元件包括飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和一对光纤调整架；
（二）光路对准，使光束对准光纤上的待刻蚀的纤芯处；
（三）光栅刻写，利用飞秒激光在光纤上进行刻写，获得光纤布拉格光栅；
（四）退火，将刻写好的光纤布拉格光栅进行退火处理，即可获得窄线宽光纤布拉格光栅。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤（一）的具体过程为：以飞秒激光光束传输路径为基准，调节所述光学元件，使其处于一条直线上，并且法向垂直于飞秒激光光束，同时，将局部除去涂覆层的光纤的两端固定到光纤调整架上，粗调所述光纤调整架，使光纤置于所述相位掩膜板后的一定距离处，并且水平平行于该相位掩膜板。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述步骤（二）的具体过程为：将飞秒激光光源光强调节到一定功率，飞秒激光光束经平凸柱透镜后在相位掩模板后方呈现一个线状光斑，调整光纤相对于该线状光斑的位置，使有源光纤的纤芯和线状光斑重合，完成对准过程。
4.根据权利要求1-3之一所述的制作方法，其特征在于，所述步骤（四）中，所述退火温度为300-700℃。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述退火温度为450℃。
6.根据权利要求1-5之一所述的制作方法，其特征在于，所述退火操作在温度精密可控的管式炉（22）中完成。
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