CN102109635B

CN102109635B - 倾斜长周期及超长周期光纤光栅的激光脉冲写制方法

Info

Publication number: CN102109635B
Application number: CN2011100378327A
Authority: CN
Inventors: 张伟刚; 魏石磊; 范弘建; 刘波; 耿鹏程; 颜爱东
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: CN102109635A

Abstract

一种倾斜长周期及超长周期光纤光栅高频二氧化碳激光脉冲写制方法。包括设计光栅的结构图形并设置激光器打标参数，将写制光纤置于宽带光源与光谱仪之间并保持平直，通过调节释放时间Q的大小控制激光束能量密度，完成光栅的写制。该方法不用模板，也不受光纤种类限制，可在0o～90o倾斜角范围内灵活设计并写制光纤光栅，具有成栅效率高、结构设计灵活、写制易于操作、重复性好、可批量生产等优点。所提供的倾斜长周期及超长周期光纤光栅能够有效提高写制效率，提高双折射，激励非对称高阶包层模式的耦合，增强光波与外界环境的相互作用，具有结构微型、易于集成、成本较低、复用性佳、适应环境等优势，在光通信和光传感领域具有广阔的应用前景。

Description

倾斜长周期及超长周期光纤光栅的激光脉冲写制方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种倾斜长周期及超长周期光纤光栅的写制方法，既不用模板，也不受光纤种类限制，可在0o～90o倾斜角范围内灵活设计并写制光纤光栅。

背景技术

光纤光栅是一种新型的无源光子器件，它是在光纤中形成的一种空间周期性折射率调制分布，这种结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。倾斜光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，它与传统光纤光栅的不同之处在于光栅成栅平面的波矢与光纤轴线方向有一定的夹角。通过改变成栅平面的波矢与光纤轴向的夹角（倾斜角），可以控制光纤内部传播的不同波长的光波以不同的角度耦合到光纤包层。因此，与普通光纤光栅相比，倾斜光纤光栅具有很多独特的光学性质，如能够激励纤芯基模向一系列同向或反向传输的高阶包层模或辐射模耦合，具有新颖的偏振相关特性，对环境变化很敏感等。

目前，对于倾斜布喇格光纤光栅（TFBG）的研究报道很多，其光栅写制均采用紫外曝光法，理论分析基于耦合模理论，实验及应用主要集中在纤芯基模与高阶包层模模式转换方面。对于倾斜长周期光纤光栅（TLPG），一般采用紫外曝光法进行写制。紫外曝光法仅对具有光敏性的纤芯进行折射率均匀调制，对包层折射率则没有影响。该方法在写制技术方面有局限性，如只能在光敏光纤上写制光栅，不能在纯硅光纤上写制光栅；写制需要相位或振幅模板，光栅周期的改变受到限制；因折射率调制局限在纤芯区域，不能在包层上写制，成栅范围受限；所制备的光栅热稳定性差、成本高、效率低。但利用高频二氧化碳（CO₂）激光脉冲写制TLPG或超长周期光纤光栅（TULPG）却鲜有报道。由于TLPG及TULPG具有独特的光学性质，因此对其探索写制方法、开发写制技术、研究成栅机理、分析光谱特性以及在光通信和光传感中的应用具有非常重要的意义。

本发明提出一种利用高频CO₂激光脉冲写制TLPG或TULPG的方法，该方法不用模板，也不受光纤种类限制，可在0o～90o倾斜角范围内灵活设计并写制光纤光栅，具有成栅效率高、结构设计灵活、写制易于操作、重复性好、可批量生产等优点。所写制的TLPG或TULPG能够有效提高双折射，激励非对称高阶包层模式的耦合，增强光波与外界环境的相互作用，具有结构微型、易于集成、成本较低、复用性佳、适应环境等优势，在光通信和光传感领域具有广阔的应用前景。检索结果表明，目前尚没有利用高频CO₂激光脉冲写制TLPG或TULPG的专利报道。

发明内容

本发明目的旨在提出一种倾斜长周期及超长周期光纤光栅的高频二氧化碳激光脉冲写制方法，利用该方法能够灵活设计周期为百微米的TLPG或毫米量级的TULPG，并有效提高光栅的写制效率。

本发明提供的倾斜长周期及超长周期光纤光栅的激光脉冲写制方法的步骤包括：

第1、根据对倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的要求，利用激光打标软件设计倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的结构图形，并设置激光器打标参数；

第2、将一段写制光纤的一端与宽带光源输出尾纤熔接在一起，另一端通过活动连接头与光谱仪相连；

第3、将写制光纤曝光部分剥掉涂覆层，并保证写制光纤在写制过程中处于平直状态；

第4、CO₂激光管释放一次激光所持续的时间长短称为Q释放时间，通过调节Q的大小可以控制激光束的能量密度，在线完成倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的写制。Q的调节范围为0～100μs。

所述的打标参数分别为：激光器的有效矢量步长为0.0015mm，其步间延时为90μs；空矢量步长为0.030mm，其步间延时为20μs；激光开延时为2 step，关延时为1000μs；跳转延时为2000μs，拐弯延时为5μs；声光调制频率为5KHz，电流为10A。

所述的写制光纤为单模光纤、多模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤、微结构光纤或特种光纤。

所述的倾斜长周期光纤光栅的周期为百微米量级，倾斜超长周期光纤光栅的周期为毫米量级。

所述的倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的倾斜角为光栅平面的波矢方向与光纤轴向的夹角，该倾斜角在0o～90o范围内。

所述的倾斜长周期光纤光栅及倾斜超长周期光纤光栅的栅格周期为均匀或非均匀的倾斜光栅。均匀周期指栅格周期为等间距分布，非均匀周期指栅格周期不等间距分布。

所述的激光器为高频CO₂脉冲激光器。写制方法为高频CO₂激光脉冲单侧倾斜曝光点-点写入法。所述的光源是宽带光源；所述的光谱仪是光纤光谱仪。

本发明写制方法采用的硬件系统由光纤、宽带光源、光谱仪、高频CO₂脉冲激光器、计算机、光纤支架、滑轮及砝码等构成。由高频CO₂激光脉冲在写制光纤单侧倾斜曝光点-点写制，折射率调制区域主要位于光纤包层曝光一侧，对纤芯的折射率扰动较小。单侧曝光导致折射率调制具有非对称性，倾斜不仅加大了折射率调制的非对称性，而且光纤光栅的成栅平面波矢与光纤轴向有一定夹角。

本发明的优点和有益效果是：

本发明突破了传统利用紫外曝光法写制TLPG的限制，建立了高频CO₂激光脉冲单侧倾斜曝光的点-点写入新方法，即本发明利用高频CO₂激光脉冲沿与光纤轴向成一定倾斜角点-点写制而成。高频CO₂脉冲激光器由计算机控制，通过电脑控制CO₂激光器打标方式，可灵活改变光栅的倾斜角度，实现包层对称或非对称的折射率调制，既不用模板，也无需限制光纤种类，可在任意光纤上写制TLPG及TULPG。高频CO₂激光脉冲对光纤产生热冲击，造成的折射率调制效应主要在包层区域，对纤芯折射率的扰动较小。由于TLPG或TULPG是由光纤单侧曝光且成栅平面波矢与光纤轴向成一定夹角写制而成，因此其折射率调制非对称性更高。

本发明写制方法具有成栅效率高、结构设计灵活、写制易于操作、制作成本低、重复性好、可批量生产等优点，写制的TLPG或TULPG可以激励纤芯基模向高阶的非对称包层模耦合，因此对环境变化很敏感。随着TLPG或TULPG倾斜角的增大，其写制效率会有效提高。单侧曝光及倾斜写制既增大了折射率调制的非对称性，又提高了光栅的双折射；对包层的折射率调制，可增强光波与外界环境的相互作用。基于TLPG或TULPG的丰富结构及其光谱特性，在光通信和光传感领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是倾斜长周期及超长周期光纤光栅在线写制系统原理图。

图2是倾斜长周期光纤光栅折射率调制结构图。其中，(a)示意图；(b)实物图。

图3是在相同写制条件下，不同倾斜角度的长周期光纤光栅典型透射谱，(a)～(j)分别对应的TLPG倾斜角为0o、10o、20o、30o、40o、45o、50o、60o、70o、80o。

图4是在不同倾斜角度下，倾斜长周期光纤光栅典型写制效率曲线。

图5 是在不同倾斜角度下，倾斜超长周期光纤光栅典型透射谱，(a)～(d)对应的倾斜角分别为10o、30o、50o、80o，激光器Q释放时间分别为40μs、38μs、30μs、30μs，打标次数分别为4次、1次、2次、1次。

其中：1. 光纤，2. 宽带光源(BBS)，3. 光谱仪(OSA)，4. CO₂激光器，5. 计算机，6. 光纤支架，7. 滑轮，8. 砝码。

具体实施方式

图1为TLPG及TULPG在线写制系统原理图。

TLPG及TULPG在线写制系统包括：光纤1、宽带光源(BBS)2、光谱仪(OSA)3、高频CO₂脉冲激光器4、计算机5、光纤支架6、滑轮7和砝码8等组成，具体连接结构见图1。

实验采用的CO₂激光器为深圳市大族激光科技股份有限公司(HAN`S LASER)生产的CO₂-H10型号二氧化碳气体激光器，输出波长为10.6μm, 最大输出功率为10W，激光光束经ZnSe透镜聚焦后的光斑为50μm。利用高频CO₂激光脉冲并采用点-点写入法，在单模光纤(Corning SMF-28)上成功地写制出TLPG及TULPG。

特点是折射率调制区域主要位于包层区域，写制过程为单侧倾斜曝光。

具体写制方法如下：

首先，根据对倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的要求，利用激光打标软件设计TLPG或TULPG结构图形，并设置CO₂激光器打标参数；相关打标参数分别为：激光器的有效矢量步长为0.0015mm，其步间延时为90μs；空矢量步长为0.030mm，其步间延时为20μs；激光开延时为2 step，关延时为1000μs；跳转延时为2000μs，拐弯延时为5μs；声光调制频率为5KHz，电流为10A。

然后，将一段写制光纤的一端与宽带光源输出尾纤熔接在一起，另一端通过活动连接头与光谱仪相连；

进而，将写制光纤曝光部分剥掉涂覆层，放置在两个光纤支架中间；其中一端被光纤支架固定住，另一端通过滑轮与一个50g砝码相连，保证光纤在写制过程中处于平直状态。

最后，通过调节释放时间Q的大小控制激光束的能量密度，即可在线完成TLPG或TULPG的写制。

CO₂激光脉冲法不同于紫外曝光法，其成栅机制是利用高频CO₂激光脉冲的热冲击效应，实现对光纤包层的折射率调制，期间包括残余应力应变释放、非弹性应变冻结、粘弹性冻结、光纤表面刻蚀等。这种TLPG或TULPG写制方法的特点是单侧倾斜曝光，即折射率调制区域主要位于光纤包层曝光的一侧，对纤芯的折射率扰动较小。

图2为TLPG或TULPG折射率调制结构示意图和实物图，其中θ为倾斜角，Λ为光栅周期。因成栅机理不同，在理论分析高频CO₂激光脉冲写制的TLPG或TULPG时，考虑到倾斜对折射率调制分布的影响，对曝光一侧的包层折射率扰动可表示为

(1)

式中沿x轴倾斜的TLPG或TULPG坐标变换为

Figure 2011100378327100002DEST_PATH_IMAGE002

；沿y轴倾斜的TLPG或TULPG坐标变换为；而对于未曝光的光纤一侧，其包层折射率未受到调制。

对于普通的均匀长周期光纤光栅，主要是纤芯基模(LP₀₁)向包层的一阶奇次包层模的耦合(LP_0v)。TLPG或TULPG能够激励纤芯基模(LP₀₁)向高阶包层模的耦合(LP_lv, l =1, 2, 3)，而且倾斜会对奇偶模式耦合系数产生影响。在TLPG或TULPG中，纤芯基模向不同阶次奇偶耦合的耦合系数为

Figure 2011100378327100002DEST_PATH_IMAGE004

(2)

(3)

式中为纤芯基模的横向电场分量，为第l阶m次包层模的横向电场分量，

Figure 2011100378327100002DEST_PATH_IMAGE008

为纤芯基模向不同阶次包层奇模式的耦合系数，为纤芯基模向不同阶次包层偶模式的耦合系数，积分从0到

表示单侧曝光（折射率调制与方位角

有关）。

将折射率扰动

Figure 2011100378327100002DEST_PATH_IMAGE012

及耦合系数

、带入耦合模方程，得到

(4)

式中

为纤芯基模沿轴向传播的横向模场振幅，

为不同阶次的包层奇偶模式沿轴向传播的横向模场振幅，

分别表示第

阶

次包层模的奇模式和偶模式，

是模式间的矢谐量。(4)式即为修正后的耦合模方程，可用于TLPG或TULPG透射谱的理论分析及仿真。

理论研究和写制实验表明：单侧曝光可导致光纤折射率调制的非对称性，倾斜不仅加大了折射率调制的非对称性，也提高了光纤的双折射，而且增强了纤芯基模向各阶包层模的耦合，包层折射率调制则增强了光波与外界环境的相互作用。CO₂激光脉冲写制光纤光栅不需要模板，而CO₂激光器由计算机控制，点-点写入使其更加灵活和方便，因此可以方便的设计并写制各种复杂形状的光栅。由于CO₂激光脉冲法对光纤种类没有限制，因此可以在任意光纤上设计并写制TLPG或TULPG。

实施例1

实验写制的TLPG周期Λ=480μm，周期数N=100，激光器Q释放时间为55μs，相应的激光器扫描速度为16.667mm/s，能量密度为0.55J/mm²。为方便比较，在光栅写制过程中把激光器相关参数、激光能量、砝码质量等因素固定不变，只改变倾斜角度，研究倾斜角对长周期光纤光栅透射谱的影响。在上述相同写制条件下，利用高频CO₂激光脉冲以不同的倾斜角写制的TLPG典型透射谱如图3所示，打标次数均为2次。图3(a)～图3(j)对应的TLPG倾斜角分别为0o、10o、20o、30o、40o、45o、50o、60o、70o、80o。由图3可以看出，随着倾斜角度的增大，TLPG写制效率明显提高，而且出现了高阶谐振峰。在固定激光参数的前提下，不同倾斜角度下的TLPG典型写制效率曲线如图4所示。由图4可见，随着倾斜角度的增大，TLPG的写制效率明显提高。

实施例2

实验写制的TULPG周期Λ=3mm，周期数N=20，激光器扫描速度为16.667mm/s。图5 是在不同倾斜角度下，倾斜超长周期光纤光栅典型透射谱。其中，图5(a)～图5(d)对应的倾斜角分别为10o、30o、50o、80o，激光器Q释放时间分别为40μs、38μs、30μs、30μs，打标次数分别为4次、1次、2次、1次。从图5可明显看出，随着倾斜角度的增大，TULPG写制效率明显提高。

在实际TLPG及TULPG写制过程中，优化激光器相关参数，改进写制技术，可以进一步提高TLPG的写制效率。由于CO₂激光脉冲法在光栅写制机理和实现技术方面具有突出的优势，因此高频CO₂激光脉冲写制的TLPG及TULPG具有成栅效率高、热稳定性好、对环境变化很敏感等优异特性。

应用前景：按照本发明提供的方法写制的TLPG及TULPG，具有结构微型、易于集成、批量生产、成本较低、复用性佳、适应环境等优势。由于TLPG能够增强光波与外界环境的相互作用，因此TLPG及TULPG对弯曲、折射率、扭转等外界参量很敏感。在进一步加工和封装的基础上，能够设计并研制基于TLPG及TULPG的光学器件，并将在光通信和光传感领域得到广泛的应用。

Claims

1.一种倾斜长周期及超长周期光纤光栅的激光脉冲写制方法，其特征在于该法的步骤包括：

第1、根据对倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的要求，利用激光打标软件设计倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的结构图形，并设置激光器打标参数；所述的激光器为高频CO₂脉冲激光器，相关打标参数设置如下：有效矢量步长为0.0015mm，其步间延时为90μs；空矢量步长为0.030mm，步间延时为20μs；激光开延时为2step，关延时为1000μs；跳转延时为2000μs，拐弯延时为5μs；声光调制频率为5KHz，电流为10A；

第4、通过调节释放时间Q的大小控制激光束的能量密度，即可在线完成倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的写制，其中Q的调节范围为0～100μs。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的写制光纤为单模光纤、多模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的倾斜长周期光纤光栅的周期为百微米量级，倾斜超长周期光纤光栅的周期为毫米量级。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的倾斜长周期及倾斜超长周期光纤光栅的倾斜角为光栅平面的波矢方向与光纤轴向的夹角，该倾斜角在0°～90°范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的倾斜长周期光纤光栅及倾斜超长周期光纤光栅为栅格周期均匀或非均匀的倾斜光栅；均匀周期指栅格周期为等间距分布，非均匀周期指栅格周期不等间距分布。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：所述的写制方法为高频CO₂激光脉冲单侧倾斜曝光点-点写入法。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：所述的光源是宽带光源；所述的光谱仪是光纤光谱仪。