CN102540322A

CN102540322A - 一种微纳光纤光栅激光写入方法及装置

Info

Publication number: CN102540322A
Application number: CN2011104599865A
Authority: CN
Inventors: 关柏鸥; 冉洋; 金龙; 李�杰
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种微纳光纤光栅激光写入方法及装置，该方法是对普通多模光纤进行拉锥，制作微纳光纤，然后采用193nm紫外激光作为刻写手段。该装置包括光纤夹具以及依次设置的出射193nm紫外激光的ArF准分子激光器、45度全功率反射镜、柱面透镜、相位掩模板，经拉锥后的光纤固定在光纤夹具上，光纤的微纳光纤区平行设置于相位掩模板前方，ArF准分子激光器发射的193nm紫外激光经45度全功率反射镜发射后垂直射向柱面透镜，相位掩模板设置在柱面透镜前方。本发明无需对光纤进行额外的处理，保持了光纤的机械强度和韧性，成本低廉，刻写效率高，带宽窄、方式可控，重复率高。

Description

一种微纳光纤光栅激光写入方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤光栅写入方法研究领域，特别涉及一种微纳光纤光栅激光写入方法及装置。

背景技术

作为二十世纪最为重要的光子器件之一，光纤布拉格光栅(简称光纤光栅)以其体积小、灵敏度高、波长编码、抗电磁干扰等优点，在光纤传感和光纤通信领域中得到广泛应用。而随着光纤生物医学技术的不断发展，很多研究者将目光瞄准了光纤光栅器件，以作为生物传感的研究新方向。而传统的光纤光栅由于隔着很厚的包层，无法利用倏逝场与外界进行交互作用。因此，如何将光纤光栅在外环境折射率探测方向进行应用扩展成为研究的焦点与热点。

微纳光纤(直径在10微米以下到几百纳米范围量级的光纤)的出现为上述问题的解决提供契机。凭借其大比例倏逝场、低弯曲损耗、高非线性等优势，微纳光纤得到了光纤以及光子学界的广泛关注。由于其微小的尺寸，通过倏逝场效应，微纳光纤中传输的光很容易同外界发生交互作用，为其外环境折射率探测提供了良好的条件。

将微纳光纤与光纤光栅技术相结合，一方面可以实现微纳光纤大倏逝场与外界进行作用，同时，另一方面也可以充分利用光纤光栅的优势。因此，微纳光纤光栅概念的提出为以上的问题提供了很好的解决方案。

最初的方法是，在已经刻写好的传统光纤光栅上进行氢氟酸腐蚀，将其直径缩小到10微米以下。然而，采用腐蚀的办法，会导致光栅性能的降低同时对光纤本身的机械性能以及结构都会造成不同程度的损伤，不利于未来应用的需要。

因此，在拉锥而成的微纳光纤上直接刻写光纤光栅，引入更加精细的周期性结构，是微纳光纤光栅发展的必然要求。在此背景下，如何高效率低成本的刻写微纳光纤光栅已成为微纳光纤光栅生物传感器研究中的热点和重点。

香港理工大学的X.Fang等人，采用飞秒激光器，其在小空间区域内拥有极大的光能量，以及超短的间歇时间(飞秒量级)，在微纳光纤上刻写出了光纤光栅，所刻制的光纤直径可以由2～10μm，在光纤直径为2μm处，环境折射率值为1.44时，可获得最大的灵敏度为231.4nm/RIU。其不足之处在于，利用飞秒激光器制备光纤光栅工艺复杂，制作成本高，同时，飞秒激光器刻写方式属于石英损伤机制，使得微纳光纤光栅非常脆弱，难以保存。

聚焦离子束(FIB)蚀刻方式刻写MFBG也同时被国内外研究者提出，此种方式可以获得很紧凑的结构，光栅长度往往小于500μm。此种方式属于光纤几何结构的损伤，同样会带来MFBG本身机械性能的降低；同时，此种方式需要对光纤进行预处理，增大了刻写难度；而且，光栅长度的紧凑往往带来FBG反射带宽的增大，不利于精细传感的需要。

华中科技大学Y.Zhang等人，采用248nm的KrF准分子激光器，借助相位掩模板，在直径为微米量级的具有光敏性的微纳光纤上刻制了光纤布拉格光栅。MFBG具有不同于普通光纤布拉格光栅(FBG)的独特的反射特性，在其反射谱中，除了具有对应基模的反射峰(类似于普通FBG)外，还有对应于高阶模式的反射峰；并且高阶模式的反射峰具有灵敏度很高的折射率传感特性，在实验中获得了102nm/RIU的传感灵敏度。

此种方式需要在特制的、硼锗共掺的、双包层光纤拉制而成的微纳光纤上进行刻写，提高了成本，同时载氢和退火技术的引入也加大了研究和未来生产的难度。而且，这种方式的刻写效率很低，无法观察到透射谱。很难对刻写过程中出现的独特现象加以观测和解释，在未来的MFBG的应用上，也将会带来很大的困难。

R.Ahmad等研究者，在硫化物光纤上，采用633nm以及1550nm激光器刻写出了MFBG。采用这种方法，首先，硫化物光纤的获得比较困难，价格昂贵；其次，硫化物光纤的结构比较特殊，纤芯折射率高达2.7(普通光纤一般小于1.5)，因此与检测光纤的熔接与耦合也是其问题所在。

因此，需要提供一种效率高、成本低、实现方法简单的微纳光纤光栅激光写入方法及装置。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微纳光纤光栅激光写入方法，该方法是在普通多模光纤拉制而成的微纳光纤上刻写光纤光栅，无需对光纤进行额外的处理，同时保持光纤的机械强度和韧性，方法简单，成本低廉；同时，刻写效率高，带宽窄且方式可控，重复率高。本发明另一目的是提供一种实现上述方法的微纳光纤光栅激光写入装置。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：一种微纳光纤光栅激光写入方法，包括以下步骤：

(1)拉锥：将多模光纤的外涂覆层除去，然后将光纤两端固定于光纤夹具之上，用高温热源对去掉涂覆层的光纤区域进行预热，待光纤进入熔融状态后，用左右两端的光纤夹具对光纤进行拉伸，同时高温热源以预热区为中心左右往返移动，拉伸后的光纤分为两个部分，一个是直径渐变过渡区，另一个是微纳光纤区；

(2)写入：将步骤(1)所形成光纤的微纳光纤区固定于相位掩模板前方，193nm紫外激光通过相位掩模板对微纳光纤区曝光。

优选的，所述步骤(1)中，所述多模光纤为62.5/125μm标准多模光纤或50/125μm标准多模光纤。

优选的，所述步骤(1)中，所述高温热源为丁烷喷枪或二氧化碳激光器或高压电弧，产生高温为1000℃以上。

优选的，所述步骤(1)和(2)中，所述光纤两端固定于光纤夹具之上时，一端与宽带光源连接，另一端与光谱仪连接，用于在拉锥和刻写时检测微纳光纤的尺寸特性和谱线特性。例如在拉锥过程中，观测谱线的平整度以及功率损耗，一旦达到一定值，即停止拉锥。

优选的，所述步骤(1)、(2)中，所述微纳光纤区的的直径在10μm以下。

优选的，所述步骤(2)中，在光纤一端接入有红色可见激光，激光入射进入微纳光纤，通过微纳光纤区向外散射判断微纳光纤的位置与状态。例如判断光纤是否平行于相位模板。

优选的，所述步骤(2)中，所述相位掩模板前置一柱面透镜，所述柱面透镜对193nm紫外激光进行汇聚，以提高激光能量密度。

一种实现上述方法的微纳光纤光栅激光写入装置，包括光纤夹具以及依次设置的出射193nm紫外激光的ArF准分子激光器、45度全功率反射镜、柱面透镜、相位掩模板，经拉锥后的光纤固定在光纤夹具上，光纤的微纳光纤区平行设置于相位掩模板前方，ArF准分子激光器发射的193nm紫外激光经45度全功率反射镜发射后垂直射向柱面透镜，相位掩模板设置在柱面透镜前方。

所述光纤夹具两端还分别设置有宽带光源和光谱仪，且均与光纤相连。

优选的，在光纤一端还接入有红色可见激光器，红色可见激光器所发射激光照射在光纤上。

更进一步的，所述宽带光源和红色可见激光器通过3dB耦合器与光纤连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用普通通信用多模光纤进行微纳光纤的拉锥制作。相比其他的方法，多模光纤的熔接损耗较低，纤芯能量大，调制区域大，同时具有很好的刻写条纹可见度，因此，具有高效率写入的充分条件。

2、本发明采用193nm紫外激光作为刻写光源。不同于飞秒激光、聚焦离子束的烧蚀方式，本方法不会对微纳光纤造成结构损伤，保证了微纳光纤光栅的稳定性和机械性能，提高了鲁棒性；另外，不同于248nm紫外激光刻写方法，本方法属于双光子吸收效应，可以直接进行刻写工作，无需特种光纤(如硼锗共掺、双包层、硫化物光纤等等)，而且无需对光纤进行预处理，降低了成本，简化了步骤，而且大大提高了刻写效率。

3、本发明中在光纤两侧设置了宽带光源和光谱仪，通过光源光谱仪检测法实现微纳光纤拉锥过程的检测，以此判断微纳光纤的尺寸特性和谱线特性。

4、本发明中通过将连续红色可见激光输入微纳光纤，来观测肉眼很难分辨的微纳光纤固定后的位置与状态，以保证刻写的质量和效果。

附图说明

图1是本发明写入装置的结构原理图。

图2是本发明微纳光纤拉锥系统的结构示意图；

其中：1-宽带光源；2-裸多模光纤；3-纤芯；4-直径缓变过渡区；5-微纳光纤区；6-光纤夹具；7-光谱仪；8-火焰喷枪；9-ArF准分子激光器；10-193nm紫外激光；11-45度全功率反射镜；12-柱面透镜；13-相位掩模板；14-3dB耦合器；15-红色可见激光器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种实现上述方法的微纳光纤光栅激光写入装置，包括光纤夹具6以及依次设置的出射193nm紫外激光的ArF准分子激光器9、45度全功率反射镜11、柱面透镜12、相位掩模板13，经拉锥后的光纤固定在光纤夹具6上，光纤的微纳光纤区5平行设置于相位掩模板13前方，ArF准分子激光器9发射的193nm紫外激光10经45度全功率反射镜11发射后垂直射向柱面透镜12，相位掩模板13设置在柱面透镜12前方。所述光纤夹具6两端还分别设置有宽带光源1和光谱仪7，且均与光纤相连。在光纤一端还接入有红色可见激光器15，红色可见激光器15所发射激光入射到光纤上。所述宽带光源1和红色可见激光器15通过3dB耦合器14与光纤连接。3dB耦合器14有两个端口，一个端口接入宽带光源1，一端接入红色可见激光器15；打开红色可见激光器15后，出射红色可见激光进入微纳光纤区5，微纳光纤区5的光纤部分散射，可显示肉眼不易分辨的光纤形状，以此来调整微纳光纤区5与相位掩模板13的位置，同时判断微纳光纤区状态是否伸直以及是否与相位掩模板平行，以利于刻写。

一种微纳光纤光栅激光写入方法，包括以下步骤：

(2)写入：将步骤(1)所形成光纤的微纳光纤区固定于193nm相位掩模板前方，193nm紫外激光通过相位掩模板对微纳光纤区曝光。

本实施例中，采用的多模光纤为62.5/125μm标准多模光纤。

所述步骤(1)中，所述火焰喷枪8为丁烷喷枪，火焰温度为1000℃以上。所述步骤(1)和(2)中，所述光纤两端固定于光纤夹具之上时，一端与带宽为1200-1600nm的宽带光源1连接，另一端与光谱仪7连接，用于在拉锥和刻写时检测微纳光纤的尺寸特性和谱线特性。在拉锥过程中，观测谱线的平整度以及功率损耗，一旦达到一定值，即停止拉锥。

本实施例中得到的微纳光纤区的直径在10μm以下。

所述步骤(2)中，在光纤一端接入有红色可见激光，激光入射微纳光纤，通过微纳光纤区向外散射判断微纳光纤的位置与状态。

根据图1所示，微纳光纤区固定完成后，打开ArF准分子激光器9，出射193nm紫外激光10，以光斑形状为3mm*6mm为例，193nm紫外激光10经过45度全功率反射镜11后，进入刻写光路；通过柱面透镜12将193nm紫外激光竖直方向聚焦，将矩形光斑聚焦成为直线光斑，本实施例中直线长度为3mm，而后经过相位掩模板13，分成±1级衍射光斑，交替形成干涉条纹，照射于微纳光纤区5之上；与此同时，微纳光纤区5的另一端尾纤连接光谱仪7，对刻写情况进行观测，直至完成刻写工作，得到微纳光纤光栅。

对于拉锥部分，如图2所示，将普通多模光纤的外涂覆层除去得到裸多模光纤2，以直径125微米为例，一端连接宽带光源1，裸光纤结构包括大直径纤芯3，以纤芯直径62.5微米为例，将光纤两端固定于光纤夹具6上，光纤夹具6设置于一个滑动轨道之上；将火焰温度1000℃以上的丁烷火焰喷枪8设置于另一滑动轨道之上；将火焰外焰对准裸多模光纤中心位置进行预热；经过几秒预热时间后裸多模光纤成熔融状态，将裸多模光纤两端的光纤夹具6向相反方向拉动，如箭头A所示；裸多模光纤2经过拉伸后，首先出现直径缓变过渡区4，而后，将火焰喷枪8通过滑轨以加热中心为原点左右滑动，如箭头B所示，并不断将光纤夹具6向相反方向拉动，形成直径一致的微纳光纤区5(光纤直径小于10微米)；同时，通过光谱仪7和宽带光源1对微纳光纤区5进行检测，直到谱线平整(起伏小于1dB)，损耗较低(小于1dB)，得到直径统一，谱线性能良好的微纳光纤。

本发明采用普通通信用多模光纤进行微纳光纤的拉制，具有如下优点：普通通信用单模光纤(SMF-28)的典型直径为9μm/125μm。光纤直径拉锥至10μm以下时，单模光纤的纤芯直径往往小于1μm，所能接受紫外曝光折射率调制的掺锗光敏区域非常小，同时纤芯导模能量也大大降低，很难得到刻写效率很高的微纳光纤光栅(一般很难观察到明显的透射谱线)。

由于普通通信用多模光纤具有较大的纤芯直径，典型值为62.5μm(纤芯直径直径)/125μm(包层直径)，因此在光纤拉锥到10μm以下时，纤芯依旧具有一定的直径，相比较于单模光纤拉制而成的微纳光纤，具有更大的掺锗光敏区域，可以得到更大的折射率调制范围。同时，纤芯导模能量的提高也对刻写效率的提升给予很大的贡献。而且相对于硫化物光纤以及其他特殊光纤，通信用多模光纤与信号传导光纤(单模光纤)具有很好的匹配性，可由包层对准方式直接低损耗熔接，100米多模光纤与单模光纤的插入损耗很低，一般典型值为1.5dB。多模微纳光纤具有更大的折射率调制区域，有利于刻写效率的提高。

多模微纳光纤的导模能量密度随着光纤直径的缩小，变化很小，而单模微纳光纤的导模能量密度随着光纤直径的缩小，变化非常剧烈。以7.7μm微纳光纤为例，多模微纳光纤的能量密度值可达66％，而单模微纳光纤的能量密度降为了1.7％，相差38倍。多模微纳光纤的这种特性同样有利于刻写效率的提高。

而且，在光纤拉细之后，增大了相位模板法刻写光纤光栅时产生的条纹可见度。因此，获得的相同反射率透射谱生长时间甚至少于普通的多模光纤光栅的刻写。

采用193nm紫外准分子激光器作为微纳光纤光栅刻写手段的优点是：由于193nm紫外激光器作用于石英上属于双光子吸收效应，其效率很高，可以在非光敏性光纤上完成直接刻写，无需对光纤进行其他额外的诸如载氢或者预涂覆等处理，简化了步骤。而且，所刻写的微纳光纤光栅结构良好，无任何损伤，光谱稳定性好，无需常规光纤光栅刻写所必须的退火步骤。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微纳光纤光栅激光写入方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅激光写入方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述高温热源为丁烷喷枪或二氧化碳激光器或高压电弧，产生高温为1000℃以上。

3.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅激光写入方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述多模光纤为62.5/125μm标准多模光纤或50/125μm标准多模光纤。

4.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅激光写入方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中，所述微纳光纤区的直径在10μm以下。

5.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅激光写入方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中，所述光纤两端固定于光纤夹具之上时，一端与宽带光源连接，另一端与光谱仪连接，用于在拉锥和刻写时检测微纳光纤的尺寸特性和谱线特性。

6.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅激光写入方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述相位掩模板前置一柱面透镜，所述柱面透镜对193nm紫外激光进行汇聚。

7.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅激光写入方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在光纤一端接入有红色可见激光，激光入射进入微纳光纤，通过微纳光纤区向外散射判断微纳光纤的位置与状态。

8.一种实现权利要求1所述方法的微纳光纤光栅激光写入装置，其特征在于，包括光纤夹具以及依次设置的出射193nm紫外激光的ArF准分子激光器、45度全功率反射镜、柱面透镜、相位掩模板，经拉锥后的光纤固定在光纤夹具上，光纤的微纳光纤区平行设置于相位掩模板前方，ArF准分子激光器发射的193nm紫外激光经45度全功率反射镜发射后垂直射向柱面透镜，相位掩模板设置在柱面透镜前方。

9.根据权利要求8所述的微纳光纤光栅激光写入装置，其特征在于，所述宽带光源和红色可见激光器通过3dB耦合器与光纤连接。