CN102362204B - 一种制作稳定的布拉格光纤光栅(fbg)的工艺与系统 - Google Patents

Abstract

本发明(公布)涉及一个制作工艺及系统，依据FBG的生长来计算其衰变行为，从而制作高品质的布拉格光纤光栅，并且基于对生长特性的分析，在确定的温度和时间下，退火长成的FBG。本工艺无需昂贵、耗时的加速老化测试实验。而且本工艺有助于丢弃基于写入数据、可能被认定为无法使用的光栅，且无需进一步处理。

Description

一种制作稳定的布拉格光纤光栅(FBG)的工艺与系统

技术领域

本发明涉及电信、传感器和相关的领域。

本发明具体涉及光纤领域。

更具体而言，本发明涉及一种高度稳定的布拉格光纤光栅(FBG)的制作工艺。

定义

在本说明书中，下列术语具有其旁边给出的如下定义。这些定义是对技术中一般定义的补充。

布拉格光纤光栅(FBG)是一种分布式布拉格反射器，由一段反射特定波长(称为布拉格波长)光线的光纤构成，而其他波长的光线都得到传送。布拉格光纤光栅因此可被用作为线内光滤波器，以阻止某些波长，或作为一种针对特定波长的反射器。

FBG生长是将折射率的周期性变化刻入光纤芯的过程，利用激光源产生的强紫外线(UV)来冲击光纤，由此生成一个FBG。

准分子激光(也称为激基复合物激光)是紫外激光的一种形式，常用于眼科手术和半导体制造。术语准分子(excimer)是“激发的二聚体”的缩写形式，而激基复合物(exciplex)是“激发的复合物”的缩写形式。准分子激光通常使用惰性气体(氩、氪或氙)与活性气体(氟或氯)的组合。在适当的电刺激条件下，生成一个称为准分子的伪分子(或在惰性气体卤化物情况下，为激基复合物)，仅存在于充能状态中，且能在紫外线范围内引发激光。

曝光时间指在FBG生长期间，光纤暴露于紫外线的时间。

曝光强度指在FBG生长期间，紫外线冲击光纤的强度。

曝光条件是用来定义在一种光敏材料上，FGB生长所需各种参数的不同组合的术语，包括曝光强度、曝光时间、紫外激光射线的波长、紫外激光射线的脉冲能量和紫外激光射线的重复率。

介质的折射率是对光(或其它类型波，如声波等)速在介质内减少的一种衡量。介质的折射率n定义为波现象(如真空中的光或声音)的速度c与其在介质中的速度v_p的比率：cn＝-v_p

表面的反射率指表面的反射量与此表面的入射量之比值。

FBG中的缺陷：在FBG的生长过程中，当紫外线与光纤相互作用时，紫外线光子的能量被转移到光纤，致使其结构改变。这种结构的改变被称为一种缺陷。

活化能：将一个衰变的缺陷重新转换到其原始状态所需的最低能量称为活化能。

FBG的生长特性包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度。

FBG的衰变特性包括归一化折射率改变、缺陷转化率和缺陷划界能量。

缺陷的能量分布图显示缺陷密度与缺陷划界能量之间的关系。

比例因子是用来调整FBG生长期缺陷的能量分布大小的因子，以达到FBG衰变期缺陷的能量分布。

背景技术

利用准分子激光之类的强紫外光源，将折射率的周期性变化“刻入”(可用另一个术语“写入”替代)到光纤芯中，以生成布拉格光纤光栅

特殊的掺锗石英光纤被用于制作布拉格光纤光栅。掺锗光纤具有感光性，光纤芯的折射率随对紫外光的曝光量而改变，改变量取决于曝光强度和曝光时间。

从光栅反射的波长，称为布拉格波长(λ₅)，由关系式λ_B＝2nΛ定义，其中n为光纤芯中光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。

在FBG的生长过程中，当紫外射线与光纤相互作用时，紫外线光子的能量被转移到光纤，导致通过缺陷转换的光纤结构改变，从而相较光纤的未曝光区域，曝光区域的折射率被改变。由此在光纤结构中产生的缺陷尚未完全稳定，最终以不同的时间常数和不同的幅度进行衰变。将一个缺陷重新转换到其原始状态所需的最低能量称为“活化能”E_a。基于这样的定义，紫外线诱发的缺陷可以大致分为两类：

1)浅度活化能缺陷：通过施加相对较少的能量(短时供热或长时间蓄积热能)，这些缺陷被重新转换到其原始状态。转换过程持续进行，直到具有低于划界能量(E_da)的活化能的所有缺陷都受到抑制。划界能量被定义为，在其投入应用的现场温度下，对应于期望寿命的能量。

FBG可以由称为“退火”的工艺来稳定，这涉及到将光栅加热到高温，直到具有低于划界能量的活化能的缺陷受到抑制。此退火工艺(具体的退火温度和时间)由通过加速老化实验所获得的结果来决定。

2)深度活化能缺陷：这些缺陷具有高于划界能量的活化能，在期望的FBG寿命期间相对稳定。即使经过上述退火工艺后，这些缺陷依然存在，因此在期望的应用中，对FBG的功能有关键作用。

在FBG的某些应用(包括各种电信应用)中，有一些非常重要的要求。可以给出此类要求的一个示例：当需要模拟现场条件进行环境测试时，类似插入损耗、布拉格波长等光学性能特点应在指定范围内。因此，在光纤中写入的FBG的热稳定性，对于长期依照规程可靠运行的设备而言至关重要。通常情况下，可以短时间(一般几分钟)升温(如150摄氏度)对光栅退火来做到这点。写入光纤的FBG的高温退火，导致光栅强度降低及布拉格波长变化。因此，在指定设备的性能特点之前，量化光栅强度减少和因退火工艺导致的波长变化也很重要。此外，一个优化的退火工艺，可将光栅寿命期内的性能下降减至最小。

因此，为了保持对应于光纤的曝光区域的折射率长期稳定，一个重要的要求就是稳定紫外线诱发的折射率改变。

FBG生长后，为提高光栅的可用性，必须清除其中的某些部分以稳定FBG。要了解和优化缺陷，样品光栅需要做加速老化实验，这可能要通过Iso-thermal退火(ITA)，Iso-Chronal退火(ICA)或两者组合来进行。这些实验的结果用于获取缺陷详情。依据上述缺陷详情，决定在同一批次中制作其他光栅的退火工艺。然后将FBG退火以消除浅度缺陷。由于加速老化工艺是一个漫长的步骤，因此稳定光栅的工作将非常耗时及成本高昂。

曾做过多次努力以制作稳定的FBG。以下是一些涉及不同的FBG稳定技术所公布的信息。

于2001年11月8日公布的专利合作条约(PCT)申请WOO1 84191 A2，公布了用于测量环境参数的一种仪器，其中包括一个基于光纤的传感器，此传感器具有热致衍射光栅，可在非常高的温度下稳定许多小时。将光纤曝光于红外激光以形成衍射光栅，衍射光栅不会在高温下退化。将基于光纤的传感器置于高温环境中，可对期望的参数进行测量。通过光源将光线导入基于光纤的传感器。

利用一个探测器来测量来自基于光纤的传感器中光输出的差分衍射，确定一个环境参数的值，此参数值依据(至少部份)差分衍射与环境参数之间的一个已知关联性。在WOO1 84191 A2中公布的仪器所使用的衍射光栅，要求使用非标制作工艺，从而增加了制作成本。

于2003年1月16日公布的PCT WO03005082申请，公布了一种方法和一台设备，用于在光纤中调节布拉格光栅。将电流作用于至少一个沿着光纤芯纵向排列的内部电极上。当电流通过电极时，发生热膨胀，于是在光纤芯上产生应力。同时，光纤芯的温度升高。这将导致对布拉格光栅的电控调节。在WO03005082中仅叙述了光栅调节，而没有说明对FBG的永久性修正，但这是制作具有严格公差等级、稳定的FBG所需要的。

于2003年7月17日公布的美国专利申请US20030133658，公布了一种布拉格光栅调节方法及仪器。利用一台加热器来调节布拉格光栅，加热器用于调节半导体基板上的温度，利用一束光将光栅写入此基板。US20030133658也只是叙述了光栅调节，而没有说明对FBG的永久性修正，但这是制作具有严格公差等级、高度稳定的FBG所需要的。

于2004年8月19日公布的美国专利申请US20040161 195，公布了一种用于制作FBG的系统和方法。其制作工艺遵循下列不同的步骤：a)紫外写入光纤中的FBG；b)监测FBG的特征数据；以及c)根据特征数据并通过加热，沿FBG产生一个受控的复杂温度分布，以提供一个精确的受控FBG退火工艺，从而实现精确调节。在US20040161 195中所公布的系统和方法的主要缺点是，它要求一系列随着温度升高的等时退火步骤，从而大大增加了制作成本。

于2006年11月28日公布的美国专利US7142292，公布了一种提高布拉格光栅的光学性能的方法，布拉格光栅具有沿传播轴的空间折射率分布。此方法包括下列步骤：i)测量光栅的光学性能，定性布拉格光栅空间折射率的缺陷，依据上述测到的光学性能，重建光栅的空间折射率分布，并将重建的空间折射率分布与目标空间折射率分布进行比较；ii)计算对空间折射率分布的平均折射率修正值，作为步骤i中定性的缺陷的一个函数；以及iii)控制光源特性及写入周期，将对此平均折射率的修正应用到布拉格光栅上。在步骤i中定性的缺陷为周期性缺陷、圆润(apodization)缺陷或两者。但在US7142292中公布的方法要求重建光栅的空间折射率分布，以对测到的光学性能进行必要的修正，这会使制作工艺非常复杂。

由此觉得需要一种制作高度稳定FBG的工艺和系统，以便：

·缺陷的稳定依据光栅生长过程本身，而无需通过精准加速老化工艺；

·对于依据写入数据可能被认定为无法使用的光栅，可以丢弃而无需进一步的处理；

·可以满足光通信和传感器应用中严格的公差要求；以及

·无需加速老化实验即可知道衰变期缺陷的能量分布，从而大大减少制作成本和时间。

发明内容

本发明的目的是，为高品质FBG提供一种制作工艺及系统。

本发明的另一个目的是，避免以昂贵和耗时的加速老化工艺，用来表征FBG的衰变行为。

本发明还有另外一个目的，即满足光通信和传感器应用中严格的公差要求。

本发明还有另外一个目的，即根据写入数据，丢弃无法使用的FBG而无需进一步处理。

发明概述

依据本发明，利用不同类型的光纤材料，以提供一种制作稳定的布拉格光纤光栅(FBG)的工艺，此FBG具有特定的生长和衰变特性，而上述工艺包括下列步骤：

·将选定的光纤材料曝光于紫外(UV)激光射线，使FBG在此光纤材料上生长，紫外激光射线在预定的曝光条件下由一个激光源产生，曝光条件定义为下列参数的选定组合：曝光时间、曝光强度、上述紫外激光射线的波长、上述紫外激光射线的脉冲能量及上述紫外激光射线的重复率；

·监测上述FBG的生长以确定其中不同的生长特性，包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度。

·利用上述监测到的生长特性，确定上述FBG生长期缺陷的能量分布；

·通过一个比例因子来调整上述FBG衰变期缺陷的能量分布，以导出上述FBG衰变期缺陷的能量分布，比例因子的确定是通过一个步骤，即在类似于上述预定的曝光条件下，将上述FBG与在一个类似的光纤材料上生长的FBG进行比较；

·依据上述导出的衰变期缺陷的能量分布，在上述被比较的FBG中，获得浅度活化能缺陷和深度活化能缺陷的百分率；

·将上述浅度活化能缺陷的百分率与一个阈值进行比较分析，确定是否将上述被比较的FBG保留或丢弃；

·针对上述保留的FBG，分析上述导出的衰变期缺陷的能量分布，以确定退火温度及时间；以及

·依据上述确定的退火温度及时间，将上述保留的FBG退火，以消除所有浅度活化能缺陷，获得一个稳定、高品质的FBG。

通常情况下，制作稳定的FBG工艺包括：i.创建一个数据库的步骤，在数据库中存储不同的曝光条件下、在不同类型的光纤材料上生长FBG的生长与衰变特性，具体步骤如下：

·将选定的光纤材料曝光于紫外(UV)激光射线，FBG在此光纤材料上生长，紫外激光射线在预定的曝光条件下由一个激光源产生，曝光条件定义为下列参数的选定组合：曝光时间、曝光强度、上述紫外激光射线的波长、上述紫外激光射线的脉冲能量及上述紫外激光射线的重复率；

·监测上述FBG的生长以确定其中不同的生长特性，包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度。

·利用上述监测到的生长特性，确定上述FBG生长期缺陷的能量分布；

·对上述FBG进行加速老化实验，以获得衰变特性，包括归一化折射率变化、缺陷转化率及缺陷划界能量，从而确定衰变期缺陷的能量分布；以及

·获得衰变期缺陷的能量分布与生长期缺陷的能量分布之间的比例因子；提供一个比较器的步骤，将上述正在制作的FBG与类似于上述预定的曝光条件下、在一个类似的光纤材料上生长的FBG进行比较，并从上述数据库中检索对应于上述被比较的FBG的比例因子。

通常情况下，上述FBG生长步骤中，包括利用一个准分子激光源产生的紫外线来冲击上述光纤材料的步骤。

通常情况下，在上述FBG生长步骤中，包括将上述光纤材料曝光于上述紫外线、直到上述光纤材料的折射率变化达到饱和的步骤。

通常情况下，在上述FBG生长步骤中，包括利用一个光罩来控制曝光强度的空间分布的步骤。

通常情况下，在上述FBG生长步骤中，包括利用一个衍射期光罩来控制曝光强度的空间分布的步骤。

通常情况下，在监测上述FBG生长的步骤中，包括上述FBG使用集束宽带光源发出的射线的步骤。

通常情况下，在监测上述FBG生长的步骤中，包括利用一个光学频谱分析仪，分析从上述FBG上反射的射线的步骤。

依据本发明，提供了一个制作稳定的布拉格光纤光栅(FBG)的系统，其中包括：i)一个FBG生长机制，具有一个紫外激光源，在经由光罩控制的预定曝光条件下，产生的紫外线被引导去冲击一个光纤材料，从而生长FBG；

ii)一个FBG稳定机制；以及iii)一个FBG退火机制，上述FBG稳定机制包括：

·一个监测机制，用于监测上述FBG的不同生长特性，包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光期间函数的残留温度。

·一个比较器，用于：i.在类似于上述预定的曝光条件下，将在上述光纤材料上生长的上述FBG与在类似的光纤材料上生长的FBG进行比较；以及ii.获得对应于上述被比较的FBG的比例因子；以及

·一个分析机制，用于：i.利用上述监测到的生长特性，获得上述FBG生长期缺陷的能量分布；ii.利用上述比例因子，调整上述生长期缺陷的能量分布，以导出上述被比较的FBG衰变期缺陷的能量分布；iii.利用上述导出的衰变期缺陷的能量分布，在上述被比较的FBG中，获得浅度活化能缺陷和深度活化能缺陷的百分率；

iv.将上述浅度活化能缺陷的百分数与一个阈值进行分析比较，确定是否将上述被比较的FBG保留或丢弃；以及v.针对上述保留的FBG，分析导出的衰变期缺陷的能量分布，以确定退火温度及时间。

通常情况下，上述FBG稳定机制与一个数据库配合，此数据库中有生长特性、衰变特性及不同的曝光条件下、在不同类型的光纤材料上生长的FBG的比例因子。

通常情况下，上述预定的曝光条件包括选自一组不同参数组合的曝光条件，这些参数是曝光时间、曝光强度、上述紫外线的波长、上述紫外线的脉冲能量及上述紫外线的重复率。

通常情况下，上述监测机制包括一个集束宽带光源，用于产生引导至上述FBG的射线。

通常情况下，上述监测机制包括一个光学频谱分析仪，用于分析从上述FBG上反射的射线。

通常情况下，上述比较器用于配合上述数据库，将在上述光纤材料上生长的上述FBG与在类似于上述预定的曝光条件下、在一个类似的光纤材料上生长的FBG进行比较。

通常情况下，上述比较器用于从上述数据库中，检索对应于上述被比较的FBG的比例因子。

而且依据本发明的另一方面，即本文上面大致描述的制作工艺，提供了一个FBG。

而且依据本发明的另一方面，即本文上面大致描述的制作系统，提供了一个FBG。

附图说明

现结合附图，将依据本发明制作FBG的工艺步骤说明如下：

图1：显示为获得一个高度稳定的FBG的制作工艺流程图；

图2：显示用于制作高度稳定的FBG的系统的框图；

图3：显示在生长期间，依据不同的光纤材料中的FBG计算的缺陷分布。

图4：显示在衰变期间，依据不同的光纤材料中的FBG计算的缺陷分布。

具体实施方式

附图及其说明仅用来图解说明，依据本发明的制作工艺及系统，以获得一个高度稳定的FBG，且仅用来示范本发明的工艺及系统，而绝非对其范围进行限制。

本发明涉及一个制作工艺及系统，依据FBG的生长来计算其衰变行为，从而制作高品质的布拉格光纤光栅，并且基于对生长特性的分析，决定在某个温度下，长成的FBG的退火时间。而且本工艺无需昂贵、耗时的加速老化测试实验。

图1：显示为获得一个高度稳定的FBG的制作工艺流程图；现结合图1，将涉及制作工艺的各个步骤说明如下：

创建一个数据库，作为FBG制作工艺的第一步，图中以参考号102表示。数据库用于存储不同的曝光条件下、在不同类型的光纤材料上生长的FBG的生长和衰变特性。

在步骤102创建数据库期间，通过建立相互之间适当的关联，以存储对应于FBG生长特性的衰变特性和缺陷详情。涉及创建数据库的各个步骤有：

·将选定的光纤材料曝光于紫外(UV)激光射线，使FBG在此光纤材料上生长，紫外激光射线在预定的曝光条件下由一个激光源产生，曝光条件定义为下列参数的选定组合：曝光时间、曝光强度、紫外激光射线的波长、紫外激光射线的脉冲能量及紫外激光射线的重复率；

·监测FBG的生长以确定不同的生长特性，包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度。

·利用监测到的生长特性，确定FBG生长期缺陷的能量分布；

·对FBG进行加速老化实验，以获得衰变特性，包括归一化折射率变化、缺陷转化率及缺陷划界能量，从而确定衰变期缺陷的能量分布；以及

·获得衰变期缺陷的能量分布与生长期缺陷的能量分布之间的比例因子。

上述步骤将在“实验详情”一节详细说明。

本工艺的下一个步骤以参考号104表示，将选定的光纤材料曝光于紫外(UV)激光射线，使FBG在此光纤材料上生长，紫外激光射线在预定的曝光条件下由一个激光源产生，曝光条件定义为下列参数的选定组合：曝光时间、曝光强度、紫外激光射线的波长、紫外激光射线的脉冲能量及紫外激光射线的重复率；在一个典型的生长过程中，涉及利用从紫外激光器(通常为准分子激光器)获得的强紫外线射线，将折射率周期性变化刻入光纤芯。通常情况下，特殊的掺锗石英光纤被用于制作布拉格光纤光栅。光纤芯的折射率随相对紫外光的曝光量变化，变化量取决于曝光强度和曝光时间。光纤材料曝光于紫外线，直到材料的折射率变化达到饱和。通常情况下，将光罩置于紫外线光源与光纤之间。光罩控制曝光时间长短，而一个衍射期光罩控制曝光强度。取决于光罩的强度分布，将确定基于传送光冲击光纤强度的光栅结构。

下一步是监测FBG的生长，以参考号106表示。监测是为了确定不同的生长特性，包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度。进行监测时，将FBG曝光于由集束宽带光源发出的射线。然后用一台光学频谱分析仪，对从FBG上反射的光线进行分析，将其作为使用集束宽带光源发出的射线时、FBG曝光时间的一个函数。

对FBG的生长进行监测后，依据生长特性值计算缺陷划界能量Ed，生长特性值包括反射率(R)和布拉格波长(λβ)，其值作为时间、归一化折射率变化(η)、初始缺陷的转化率(K₍°)及在生长过程期间光纤中残留温度增量(ΔT_r)的一个函数求得，其函数式由下面方程(1)给出：

E_d方程(1)中，¹k^*是玻尔兹曼常数，T₀是初始温度，以及“/”是曝光时间。于是归一化折射率变化(η)可作为光栅的划界能量(Ej)的一个函数得到，其函数式由下面公式(2)给出。η(t_tT)＝L₇-\₊A_oe^χ _P(βE_d)方程(2)，其中“A₀”和“/”为拟合参数。

然后确定生长期缺陷的能量分布(g(E))。这一步由参考号108表示。为获得缺陷的能量分布所涉及的主要步骤是，将方程(2)，η(t，T)＝-，ri+A₀eχp(βE_d)wjtn reSpect，对缺陷的划界能量进行微分，以计算平均活化能。

在步骤110中，利用一个比较器以获得对应于被比较的FBG的比例因子，然后将此FBG与存储于数据库中的FBG进行比较，后者为在类似于预定的曝光条件下、在一个类似的光纤材料上生长的FBG。

在步骤112中，借助比例因子来调整生长期缺陷的能量分布，从而导出被比较的FBG衰变期缺陷的能量分布。衰变期缺陷的能量分布可以显示，在长成的FBG中浅度活化能缺陷和深度活化能缺陷的百分率。浅度活化能缺陷的百分率，可从步骤114中衰变期缺陷的能量分布上获得。

在步骤116中，将从导出的衰变期缺陷的能量分布上获得的浅度活化能缺陷的百分率，与一个阈值进行比较，以决定是否保留或丢弃被比较的FBG。如果浅度缺陷百分率大于阈值(通常为3-15％)，可将光栅丢弃而无需进一步处理。

在步骤118中，分析导出的保留FBG衰变期缺陷的能量分布，确定退火温度和退火时间，以消除浅度活化能缺陷。最后，在步骤120中，利用确定的退火温度和退火时间，将保留的FBG退火，以获得稳定的FBG。成品FBG将具有高品质和当今电信应用所要求的严格公差。

依据本发明的另一方面，在图2中示出了系统的一个框图，用于说明上述制作工艺的执行。此系统包括一个FBG生长机制、一个FBG稳定机制和一个FBG退火机制。

FBG生长机制202具有一个紫外激光源，在经由光罩控制的预定曝光条件下，产生的紫外线被引导去冲击一个光纤材料，从而生长FBG。

FBG稳定机制包括一个数据库208，用于存储不同类型的市售和在不同的曝光条件下使用的光纤材料的生长与衰变特性及比例因子。FBG稳定机制的其他重要成份有：一个监测机制204、一个比较器206和一个分析机制210，下面将进行详细说明。

监测机制204监测FBG不同的生长特性，包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度。通常情况下，监测机制包括一个集束宽带光源，用于产生导向FBG的光线；以及一台光学频谱分析仪，用于分析从FBG上反射的射线。

比较器206将FBG与存储于数据库208中的FBG进行比较，后者为在类似于预定的曝光条件下、在一个类似的光纤材料上生长的FBG。同时，比较器206从数据库208获得对应于被比较的FBG的比例因子。

提供与比较器通信的分析机制210，旨在：i.利用监测到的生长特性，获得FBG生长期缺陷的能量分布；ii.借助比例因子来调整生长期缺陷的

能量分布，从而导出被比较的FBG衰变期缺陷的能量分布。iii.利用导出的衰变期缺陷的能量分布，在被比较的FBG中，获得浅度活化能缺陷和深度活化能缺陷的百分率；iv.将浅度活化能缺陷的百分率与一个阈值进行比较分析，确定是否将被比较的FBG保留或丢弃；以及v.针对保留的FBG，分析导出的衰变期缺陷的能量分布，以确定退火温度及时间。

然后利用确定的退火时间及退火温度，FBG退火机制212对保留的FBG进行退火，以消除浅度活化能缺陷，并获得一个稳定的FBG 214，获得的FBG高度稳定，具有当今电信应用所要求的非常严格的公差。因此，依据本发明的工艺和系统，从生长数据中获得退火时间和退火温度，从而避免对每批次的繁琐、耗时的加速老化程序。利用本工艺和系统制作FBG，可实现成本节约20-30％。

实验详情

为存储FBG的生长和衰变特性，创建数据库102(如图1所示)所涉及的典型步骤如下所述：

利用来自KrF准分子激光器(BraggStar 500、Lambda Physik)，将来自不同供应商(Newport F-SBGr15、CorActive UVS-652及Nufern GF1)的三种光纤刻入布拉格光栅，准分子激光器工作于248纳米，具有2.5毫焦脉冲能量及200赫兹重复率。利用衍射相光罩(1070纳米周期，Avensys)传送小于5％的零级来制作光栅。利用一个集束宽带光源(DL-BX9，Denselight)和一台光学频谱分析仪(IMON400-E，Ibsen)，以作为曝光时间函数的反射模式来监测光栅。光纤通常经过了曝光，直到折射率变化达到饱和。将典型的曝光时间、饱和的折射率变化以及其他实验结果列表如下：

依据对这些结果的分析，计算了作为时间的一个函数测得的反射率(R)和布拉格波长(λ_B)、归一化折射率变化(η)、初始缺陷的转化率(Ic⁰)及在写入过程期间光纤中残留温度增量(ΔT)。依据上述值，缺陷的划界能量由公式

进行计算，其中“k_B”为玻尔兹曼常数，“τ₀”为初始温度，“t”为曝光时间。然后以归一化折射率变化(η)作图，作为划界能量(EJ)的一个函数，用于在不同的η(t，T)＝7r光纤中制作光栅，如\+A_oeχp(βE_d)∧wnere＜∧0＜ancj＜βare拟合参数所示。然后以Ed对上述曲线进行微分，计算出在生长期缺陷的能量分布(g(E))。缺陷的平均活化能将介于0.5-0.7eV之间，这与理论估计值一致。

为确定衰变期的能量分布，对上述光栅进行了加速老化实验。具体采用了在Iso-chronal加速退火(ICA)中的Iso-thermal加速退火(ITA)方法。这种方法综合了ITA与ICA的最佳功能，提供了一个交叉引用的机制，以提高衰变分析的信心。加速老化实验包括对测试FBG进行退火，起点温度为100℃，并以75℃为步长，直到光栅衰变至＜5％反射率。作为ICA例程的一部分，对两种不同的光栅分别退火5分钟和500分钟，并且每隔一段时间对其反射率进行观察。在500分钟退火期间，连续观察FBG反射数据，之后将数据用于ITA分析。最后，将ITA与ICA的结果关联，导出衰变期缺陷的能量分布。此外，找出用于调整生长期缺陷的能量分布大小的因子，确定比例因子，以达到衰变期缺陷的能量分布。

在200赫兹准分子激光的脉冲重复率下，分析了在三种光纤中制作的光栅。结果发现在F-SBG-15光纤(B共掺)中制作的光栅生长相对较快，平均活化能为0.55eV。结果还发现此类光栅衰变相对较快，即相较其他两种光纤，从加速老化实验得出的平均活化能较低。而且，通过针对在其他两种光纤中制作的光栅进行衰变分析所获得的能量分布，与在生长期获得的能量分布基本一致。图3显示了生长期间，在不同的光纤中计算FBG得到的缺陷分布；图4显示了衰变期间，在不同的光纤中计算FBG得到的缺陷分布。

从实验得到的结果发现，依据B.Poumellec假设的理论(Non-Crystalline Solids 239(1998)108-115期刊)，布拉格光纤光栅保持稳定的周期取决于两个因素：

1)缺陷的初始转换率；以及

2)光栅生长的温度。

以类似的方式，将分析扩大至各种市售和在不同的曝光条件下使用的光纤材料，并将其生长与衰变特性存储于创建的数据库，这些特性包括反射率、布拉格波长、归一化折射率变化、缺陷转化率、缺陷划界能量、缺陷活化能、残留温度增量和其他相关参数如比例因子。

技术先进性

·本发明公布的制作工艺有助于在较短时间开发高品质FBG，这样才能够满足各种光通信和传感器应用中严格的公差要求。

·本工艺有助于避免为测试和稳定FBG衰变行为而进行昂贵、耗时的退火实验。

·本工艺有助于丢弃基于写入数据、可能被认定为无法使用的光栅，且无需进一步处理。

·利用本工艺，可大大减少FBG的制作与维护成本。

尽管此处着重强调了本发明的具体特征，但仍认同可以进行各种修改，而且在各种首选的实施方案中，可以进行不脱离本发明原理的许多更改。对于熟谙此处公布的技术的人而言，在本发明性质内或各种首选的实施方案中，很显然会进行这样和那样的修改，为此应清楚地了解，以上说明的事情，只能解读为本发明的实例，而非一种限制。

Claims (17)

1.一种利用不同类型的光敏光纤材料、在不同的曝光条件下制造稳定的FBG(布拉格光纤光栅)的工艺，所述FBG具有特定的生长和衰变特性，而所述工艺包括下列步骤:

·将所述光纤材料曝光于紫外(UV)激光射线，使FBG在选定的光敏光纤材料上生长，紫外激光射线在预定的曝光条件下由激光源产生，曝光条件定义为下列参数的选定组合:曝光时间、曝光强度、所述紫外激光射线的波长、所述紫外激光射线的脉冲能量及所述紫外激光射线的重复率;

·监测所述FBG的生长以确定其中不同的生长特性，包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度;

·利用所述监测到的生长特性，确定所述FBG生长期缺陷的能量分布;

·通过一个比例因子来调整所述FBG衰变期缺陷的能量分布，以导出所述FBG衰变期缺陷的能量分布，比例因子的确定是通过一个步骤，即在类似于所述预定的曝光条件下，将所述FBG与在一种类似的光敏光纤材料上生长的FBG进行比较;

·利用所述导出的衰变期缺陷的能量分布，在所述被比较的FBG中，获得浅度活化能缺陷和深度活化能缺陷的百分率;

·将所述浅度活化能缺陷的百分率与一个阈值进行比较分析，确定是否将所述被比较的FBG保留或丢弃;

·针对所述保留的FBG，分析所述导出的衰变期缺陷的能量分布，以确定退火温度及时间;以及

·根据所述确定的退火温度及时间，将所述保留的FBG退火，以消除所有浅度活化能缺陷，获得一个稳定、高品质的FBG。

2.根据权利要求1，制造稳定的FBG的工艺包括:i.创建一个数据库的步骤，在数据库中存储不同的曝光条件下、在不同类型的光敏光纤材料上生长FBG的生长与衰变特性，具体步骤如下:

·将所述光纤材料曝光于紫外(UV)激光射线，使FBG在选定的光敏光纤材料上生长，紫外激光射线在预定的曝光条件下由激光源产生，曝光条件定义为下列参数的选定组合:曝光时间、曝光强度、所述紫外激光射线的波长、所述紫外激光射线的脉冲能量及所述紫外激光射线的重复率;

·监测所述FBG的生长以确定其中不同的生长特性，包括所述FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度;

·利用所述监测到的生长特性，确定所述FBG生长期缺陷的能量分布;

·对所述FBG进行加速老化实验，以获得衰变特性，包括归一化折射率变化、缺陷转化率及缺陷划界能量，从而确定衰变期缺陷的能量分布;以及

·获得衰变期缺陷的能量分布与生长期缺陷的能量分布之间的比例因子；以及ii.提供一个比较器的步骤，旨在将所述正在制造的FBG与在类似于所述预定的曝光条件下、在一种类似的光敏光纤材料上生长的FBG进行比较，并从所述数据库中检索对应于所述被比较的FBG的比例因子。

3.根据权利要求1，在制造稳定的FBG的工艺中，生长所述FBG的步骤，包括借助由准分子激光源产生的紫外射线来冲击所述光敏光纤材料的步骤。

4.一种根据权利要求1中所述制造稳定的FBG的工艺，其中生长所述FBG的步骤包括将所述光敏光纤材料曝光于所述紫外(UV)激光射线、直到所述光敏光纤材料的折射率变化达到饱和的步骤。

5.一种根据权利要求1中所述制造稳定的FBG的工艺，其中生长所述FBG的步骤包括利用一个光罩来控制曝光强度的空间分布的步骤。

6.一种根据权利要求1中所述制造稳定的FBG的工艺，其中生长所述FBG的步骤包括利用一个衍射相光罩来控制曝光强度的空间分布的步骤。

7.一种根据权利要求1中所述制造稳定的FBG的工艺，其中监测所述FBG生长的步骤包括利用由一个集束宽带光源发出的射线的步骤。

8.一种根据权利要求1中所述制造稳定的FBG的工艺，其中监测所述FBG生长的步骤包括借助一台光学频谱分析仪，以分析从所述FBG上反射的射线的步骤。

9.一种制造稳定的布拉格光纤光栅(FBG)的系统包括:i)一种FBG生长机制，具有用于产生紫外线的紫外激光源，在由光罩控制的预定曝光条件下被引导去冲击一种光敏光纤材料，从而生长FBG;ii)一个FBG稳定机制;以及iii)一个FBG退火机制，所述FBG稳定机制包括:

·一种监测机制，其用于监测所述FBG的下述不同生长特性:FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度;

·一个比较器用于:i.在类似于所述预定的曝光条件下，将在所述光敏光纤材料上生长的所述FBG与在类似的光敏光纤材料上生长的FBG进行比较;以及ii.获得对应于所述被比较的FBG的比例因子;以及

·一种分析机制用于:i.利用所述监测到的生长特性，获得所述FBG生长期缺陷的能量分布;ii.利用所述比例因子，调整所述生长期缺陷的能量分布，以导出所述被比较的FBG衰变期缺陷的能量分布;iii.利用所述导出的衰变期缺陷的能量分布，在所述被比较的FBG中，获得浅度活化能缺陷和深度活化能缺陷的百分率;iv.将所述浅度活化能缺陷的百分率与一个阈值进行分析比较，确定是否将所述被比较的FBG保留或丢弃;以及v.针对所述保留的FBG，分析导出的衰变期缺陷的能量分布，以确定退火温度及时间。

10.一种根据权利要求9中所述制造稳定的FBG的系统，其中所述FBG稳定机制与一个数据库配合，此数据库中有生长特性、衰变特性及不同的曝光条件下、在不同类型的光敏光纤材料上生长的FBG的比例因子。

11.一种根据权利要求9中所述制造稳定的FBG的系统，其中所述预定的曝光条件包括选自一组不同参数组合的曝光条件，这些参数是曝光时间、曝光强度、所述紫外线的波长、所述紫外线的脉冲能量及所述紫外线的重复率。

12.一种根据权利要求9中所述制造稳定的FBG的系统，其中所述监测机制包括一个集束宽带光源，用于产生射线，并被引导至所述FBG上。

13.一种根据权利要求9中所述制造稳定的FBG的系统，其中所述监测机制包括一台光学频谱分析仪，用于分析从所述FBG上反射的射线。

14.一种根据权利要求10中所述制造稳定的FBG的系统，其中所述比较器用于配合所述数据库，将在所述光敏光纤材料上生长的所述FBG与在类似于所述预定的曝光条件下、在类似的光敏光纤材料上生长的FBG进行比较。

15.一种根据权利要求10中所述制造稳定的FBG的系统，其中所述比较器用于从所述数据库中检索对应于所述被比较的FBG的比例因子。

16.一种按照权利要求1至8中任一项所述工艺制造的FBG。

17.一种按照权利要求9至15中任一项所述系统制造的FBG。

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