CN103308984A

CN103308984A - 微错位长周期光纤光栅及制作方法

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Publication number: CN103308984A
Application number: CN2013102919834A
Authority: CN
Inventors: 张伟刚; 白志勇; 高社成; 严铁毅
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: CN103308984B

Abstract

本发明提供一种具有微错位结构的长周期光纤光栅制作方法，这种新型光纤光栅制作简便、集成微型、成本低廉、适用性强。通过将光纤精密截取并等间距进行熔接，使光纤沿轴向形成周期性错位级联结构，从而制作出具有微错位结构的长周期光纤光栅。通过改变错位量，可灵活设计光栅结构，有效改变光纤调制强度，从而优化光栅的性能。本发明无需激光设备，工艺简单，制作灵活，光栅尺寸为毫米量级，可在各种类型的光纤上进行加工。这种具有微错位结构的长周期光纤光栅在光纤通信和光传感领域具有良好的应用价值。

Description

微错位长周期光纤光栅及制作方法

技术领域

本发明属于传感与通信技术领域，具体涉及到一种新型长周期性光纤光栅的设计及其制作。

背景介绍

长周期光纤光栅可以在厘米、毫米甚至微米尺度上实现对光信号的直接控制，它具有插入损耗低、反射小、抗电磁干扰及与通信光纤完全兼容等优点，已被广泛应用于传感及通信领域。自1996年长周期光纤光栅问世以来，多种光栅加工技术被人们相继提出。以紫外(UV)曝光，二氧化碳(CO₂)激光技术为代表的激光写制方法和以电弧放电、声光调制为代表的非激光诱导技术，实现了调制结构多样化、性能独特的长周期光纤光栅，并为其应用提供了技术支持。近年来，随着光纤器件集成化、微型化的发展，结构更精巧的长周期光纤光栅成为研究热点。飞秒刻蚀技术、微纳光纤与其他成栅方法结合技术，因其制作的长周期光纤光栅尺寸小、性能优而成为人们最近关注的对象。同时，探索制作简便、集成微型、成本低廉、适用性强的长周期光纤光栅新方法和实用技术，一直是人们热衷研究的领域。

目前，可实现小尺寸(毫米或微米量级)长周期光纤光栅方法已有报道，其代表性的方法有三类。下面分别加以简述。

1.飞秒激光刻蚀及填充法

(1)飞秒激光刻蚀法：沿光纤轴向周期性刻蚀若干个微槽或微孔，形成对光纤波导基模场周期性调控并形成光栅，从而实现从基模向高阶包层模的耦合。这种制作方法一般仅需若干个(10个左右)微孔便可形成损耗强度超过20dB的光栅，其光栅长度可小于4毫米。

(2)飞秒激光填充法：利用飞秒激光与光纤材料相互作用特性，将飞秒激光光束聚焦在实芯光子晶体光纤(PCF)孔气孔包层中心位置，通过微爆炸和再沉积过程对光纤包层孔气孔进行周期性填充，从而实现基模向特定包层模式的耦合。这种制作方法可以实现长度小于5mm的长周期光纤光栅制作。

2.CO₂激光热激法

利用二氧化碳激光在普通单模光纤或实芯PCF上热激，可实现光纤的周期拉锥，从而制作小尺寸的长周期光纤光栅。对于普通单模光纤，最少三个拉锥点即可成栅，而光栅总长度可小于2mm。对于PCF，利用CO₂激光热激光纤使外包层半径减小，也能形成较短的长周期光纤光栅，其尺寸在3mm以内。

3.基于微纤成栅法

在微纤(＜10μm)上，利用飞秒激光、CO₂激光可以实现长周期光纤光栅的刻制，其光栅尺寸在2mm以内。另外，通过对微纤进行酸蚀，或者通过两段微纤相互作用，也可实现长周期光纤光栅制作，其长度可小于500μm。

上述几种光栅制作方法，其实质是使光纤结构发生较大改变而形成光栅。而这种结构的改变，需要精细的加工设备(如昂贵的飞秒激光器等)和苛刻的制作环境(如微纤拉制时室内气流需要稳衡等)，因此成栅会受到一定限制。

发明内容

本发明提供一种小尺寸的微错位长周期光纤光栅及制作方法。

微错位长周期光纤光栅的特征是：沿光纤轴向排列多个错位点形成周期性结构，即通过将光纤精密截取并等间距进行熔接，使光纤沿轴向形成周期性错位级联结构，实现光纤模式的新型调制，从而制作出具有微错位结构的长周期光纤光栅。研究表明，沿光纤轴向周期性加工错位结构，错位点间隔为数百μm。当错位量为3.5μm时，仅三个错位点便可形成长周期光纤光栅，此时该光栅长度约1mm。

微错位长周期光纤光栅的制作方法如下：1)将一段剥去涂覆层的光纤置于精密切割系统中，准直后切割，并保证端面平整；2)在系统监视器监控下，将切割的两段光纤通过熔接机进行微错位熔接；3)将熔接后的光纤再置于精密切割系统中，并在精密微位移装置控制下平移光纤一定距离L；4)在新位置重复步骤1)～3)制作新的微错位点。重复以上步骤形成等周期的错位级联结构，便可制成错位型长周期光纤光栅。制作过程中的注意事项：一是在步骤1)中，要求光纤与切割系统有很好的准直性，以保证光纤切割质量；二是在错位熔接时，要提前设定好错位量及放电强度；三是要注意熔接前光纤的推进量S，光栅周期Λ是错位点移动长度L与其推进量S的差值。

本发明的技术效果是：制作微错位长周期光纤光栅无需激光设备，工艺简单，制作灵活，制作成本低。光栅尺寸为毫米量级，因其微错位结构，使其具有良好的扭转特性，而对折射率则其敏感性较低。

附图说明

图1为微错位长周期光纤光栅制作装置示意图(其中熔接机未显示)，虚线框代表光栅的错位结构示意图。

图2为制作的微错位长周期光纤光栅实物显微图。

图3为错位量1.5μm、周期为580μm的长周期光纤光栅透射谱随周期数增加的演化图。

图4为不同错位量、周期数不同的长周期光纤光栅透射谱。其中，图4(b)～图4(f)的光栅参数见表1。

表1图4(b)～图4(f)的光栅参数

图5为制作的微错位长周期光纤光栅的共振波长对折射率的响应曲线。

图6为制作的微错位长周期光纤光栅的共振波长对温度的响应曲线。

图7为制作的微错位长周期光纤光栅的共振波长对应变的响应曲线。

图8为制作的微错位长周期光纤光栅的共振波长对扭转的响应曲线。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

微错位长周期光纤光栅的制作原理：错位是光纤熔接损耗的一个主要来源。对于错位的分析和应用，以往主要集中在熔接损耗的计算和衰减器的制作。近年来，人们发现错位也是一种有效的光纤模式激发方式。于是，基于错位熔接的光纤干涉仪不断出现，并广泛应用于应力、折射率、温度、弯曲等诸多参量的高精度检测。利用光纤单个错位点，可以实现模式从基模到多个高阶模的激发。当级联多个错位点并使其间距为几百微米时，满足相位匹配条件的某些模式的激发将得到共振加强，从而形成长周期光纤光栅的阻带。

微错位长周期光纤光栅的制作步骤：光栅制作系统由熔接机和切割系统组成，熔接机为商用熔接机(古河S178A)；切割系统(图1)由三维微位移装置、切割刀、滑轮组等组成。三维微位移装置用于固定光纤位置及控制光纤空间移动，切割刀固定在三维微位移装置与滑轮之间。主要加工步骤如下：1)剥去光纤涂覆层，将其准直后切割并保证其端面平整；2)将两段切割的光纤通过熔接机进行错位熔接；3)利用三维微位移装置将熔接后的光纤错位点移动一定距离L；4)在新位置重复步骤1)～3)加工新的微错位点，重复以上步骤便可制成错位型长周期光纤光栅。制作过程中的注意事项：一是光纤与切割系统须准直，二是提前设定好错位量及放电强度；三是注意熔接前光纤的推进量S，保证光栅周期Λ的一致性。在图1和图2中，设计和制作的微错位长周期光纤光栅的每一个错位点方向是一致的。在制作过程中，为减小电弧放电对错位点影响，可选择普通单模熔接条件。

利用本发明的制作方法，可以在普通单模光纤(如康宁SMF-28)及其他类型光纤(如双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤、微结构光纤)上制作多种微错位长周期光纤光栅，光栅周期可小于10μm(其范围由光纤熔接机性能决定)，最大周期由三维微位移装置决定(约2.5cm)；光纤熔接点错位量可以在0.1～10μm范围内灵活调节。

图3给出了错位量为1.5μm、周期为580μm的长周期光纤光栅透射谱的演化图。随着周期数的增加，光栅透射损耗亦增加，而半高全宽(FWHM)则减小。经计算，得到其耦合系数为5cm^-1，这比传统的长周期光纤光栅耦合系数高了一个数量级。

图4给出了不同错位量、周期数不同的长周期光纤光栅透射谱。其中，图4中(a)表示错位量为0μm，周期数为10时的光谱，此时未出现透射峰。当光纤正常熔接时，很难由少数熔接点形成光栅；若错位量不为零，则若干个错位点即可形成光栅。这表明，电弧放电产生的各种效应(如掺杂物扩散、残余应力释放等)对模式激发的效率远小于微错位结构，即由微错位结构引起的光纤几何形状改变是这种光栅实现模式耦合的主要物理机制。由表1可知，对于不同的错位量，形成光栅所需要的周期数亦不同。因此，通过调节错位量，可以控制成栅的周期数量，制作出尺寸小、结构紧凑的微错位长周期光纤光栅。其中，图4(f)显示的是由两个周期形成的光栅透射谱，光栅总长度仅为1.1mm，其余光栅透射谱如图4(b)～图4(e)所示。

图5给出了错位量为2μm、周期为590μm的微错位长周期光纤光栅折射率响应曲线。将该光栅分别浸没在不同折射率甘油溶液(利用不同体积的水与甘油配比而成)中，记录并测量其透射光谱的变化。实验结果表明，在折射率1.333～1.4285范围内，光栅损耗峰(共振波长)仅漂移了0.5nm。这表明，该光栅折射率敏感性低于同尺寸光纤光栅的折射率敏感性。

图6给出了微错位长周期光纤光栅对温度的响应曲线。将该光栅置于恒温箱中，将温度从25℃～80℃往复稳恒调控，记录并测量透射光谱的变化。结果显示，该光栅的温度响应为47.8pm/℃，这与一般的长周期光纤光栅敏感性相当。

图7给出了微错位长周期光纤光栅对应变的响应曲线。将光栅一端固定，另一端通过滑轮施加一定量的砝码，在0～250g范围内往复记录并测量透射光谱的变化。测量表明，该光栅的应变响应为0.879nm/mε。该结果约为已报道的CO₂碳激光写制的光栅应变响应(0.45nm/mε)的2倍，为电弧加工的光栅对应变响应(0.28nm/mε)的3倍。此外，若将砝码增加到250g，光栅的应变为2.75mε，此时光栅错位结构依然了保持良好的机械强度，这与标准单模光纤在正常熔接时熔接点可承受的应变(约为2.5mε)强度基本一致。

图8给出了微错位长周期光纤光栅对扭转的响应曲线。将光栅一端固定，另一端与扭转盘相连，沿顺时针和逆时针分别转动，记录并测量光谱的变化。结果表明，随着扭转方向的变化，光栅共振峰的漂移方向也发生变化，其漂移量与扭转率(单位长度上的扭转角)成正比，在-15.7～+15.7rad/m范围内，该光栅的扭转率为0.023nm/rad/m。因此，利用一个微错位长周期光纤光栅，可以实现扭转(扭转角、扭矩、扭应力)与方向的同时测量。

虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，但本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型和等效设置。

应用前景：本发明包括一种新的光栅制作方法和一类新型长周期光纤光栅。该制作方法无需激光设备，工艺简单，制作灵活，成本低廉，可以在如单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤等多种类型上的光纤上制作；并且，该制作方法不局限于错位结构成栅，亦可以实现基于特殊熔接等其他技术所形成的长周期光纤光栅，从而获得灵活的光纤调制，实现具有特殊性能的新型光纤光栅。微错位长周期光纤光栅是一类新型光纤光栅，因其错位结构的引入，使得在设计光栅时，通过改变错位量调控光栅的耦合强度及光栅谱形，实现非对称模式的耦合、增强扭曲方向敏感度，用于基于扭转的双参量测量以及可调谐扭转滤波器的研制。此外，由于该光栅紧凑灵巧，对折射率不敏感，易于集成、封装且适合环境变化需求。

Claims

1.一种新型长周期光栅制作方法，其特征在于：沿光纤轴向排列多个错位点形成周期性结构，即通过将光纤精密截取并等间距进行熔接，使光纤沿轴向形成周期性错位级联结构，实现光纤模式的新型调制，从而制作出具有微错位结构的长周期光纤光栅。

2.根据权利要求1所述微错位长周期光纤光栅，其制作方法是：1)将一段剥去涂覆层的光纤置于精密切割系统中，准直后切割，并保证端面平整；2)在系统监视器监控下，将切割的两段光纤通过熔接机进行微错位熔接；3)将熔接后的光纤再置于精密切割系统中，并在精密微位移装置控制下平移光纤一定距离L；4)在新位置重复步骤1)～3)制作新的微错位点。重复以上步骤形成等周期的错位级联结构，便可制成错位型长周期光纤光栅。

3.根据权利要求1所述微错位长周期光纤光栅，其特征在于：精密切割系统由光纤切割刀、三维微位移平台、轮滑组等组成；光纤错位熔接通过单芯光纤熔接机电弧放电来实现。

4.一种微错位长周期光纤光栅及制作方法，其特征在于：沿垂直与光纤轴向的方向上的错位量在0.1～10μm之间，光栅周期在10μm至几mm之间。

5.根据权利要求1所述微错位长周期光纤光栅，其特征在于：1)尺寸短小(约1.1mm)，仅两个周期便可形成光栅；2)其折射率敏感性低于同尺寸光纤光栅的折射率敏感性；3)可实现扭转应力的大小与方向的同时测量。

6.根据权利要求1所述微错位长周期光纤光栅，其特征在于：光栅制作所使用的光纤可为各种类型的光纤，如标准单模光纤，双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤、微结构光纤等。

7.根据权利要求2所述微错位长周期光纤光栅制作方法，其特征在于：在光栅制作过程中，可以用其他熔接方式产生不同的调制代替错位熔接，如过熔、不同类型光纤熔接等，从而形成其他调制类型的长周期光纤光栅。