CN103955019A - 基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤应用技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅及其制作方法。所述方法包括步骤1：向光子晶体光纤的包层空气孔通入气压，并保持气压恒定；步骤2：沿所述光子晶体光纤的轴向方向，每隔一个预设的光栅周期的长度，利用热源对所述光纤进行一次径向扫描，使扫描部位的包层空气孔在充气状态下受热膨胀，从而使该扫描部位的纤芯折射率受到调制，直到扫描完设定的光栅周期数，形成长周期光纤光栅；步骤3：循环执行步骤2，同时，实时监测所形成的长周期光纤光栅的参数，并通过调节扫描部位的包层空气孔的膨胀程度的方式调节所述参数，直到所形成的长周期光纤光栅满足预设的参数要求，完成所述长周期光纤光栅的写制。

Description

基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤应用技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅及其制作方法。

背景技术

光子晶体光纤(PCF)是近十几年出现的一种新型光纤,其应用范围已经覆盖了通信、传感、激光器以及生物医学等诸多领域。光子晶体光纤之所以发展如此迅速,是由于其具有一些有别于传统光纤的奇异特性,包括可控色散特性,无截止单模特性以及高光学非线性特性等。在PCF中写制长周期光纤光栅(LPFG)，可大大提升PCF的性能，扩展LPFG在温度、应力、弯曲以及生化传感等方面的应用，而灵活的包层空气孔设计为写制LPFG提供了更多的可能性，可有效提高光栅写制质量。

自Eggleton等人第一次在掺锗纤芯的PCF上写入LPFG以来，光子晶体光纤光栅的制备方法及理论分析日益成为人们研究的热点。目前，在PCF上制备LPFG的方法主要有：紫外曝光法、CO₂激光照射法、电弧放电加热法、飞秒激光曝光法、机械应力法以及双光子吸收法等。在这些方法中，CO₂激光照射法具有周期可调、灵活性高，成本低等优点，而且能在非掺杂的纯硅PCF上写入LPFG，可大大简化PCF的生产工艺及降低生产成本。目前，利用CO₂激光照射法在PCF中形成LPFG的方法主要有残余应力释放(无结构变形)、玻璃结构变化(玻璃致密化)以及物理变形(塌陷、拉锥)等。基于不同机制形成的光子晶体光纤光栅具有不同的性质，例如，无结构变形LPFG对温度、应力、弯曲不敏感，而塌陷型LPFG对温度、外部折射率有较小的敏感度，但对应力的敏感度很大，并且有非常大的偏振相关损耗(PDL)，因此可用在通信设备和传感器中。但是，通过残余应力释放制作的LPFG由于纤芯和包层之间粘度较小，所以并不是有效的成栅机制，而通过周期性的物理变形制作虽然能产生较大的折射率调制，但是通过通孔塌陷或拉锥熔融变形后的光纤机械强度变弱，很容易断。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅及其制作方法，以简化光纤光栅的制备工艺、提高制备的光纤光栅的机械强度。本发明是这样实现的：

一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：向光子晶体光纤的包层空气孔通入气压，并保持气压恒定；

步骤2：沿所述光子晶体光纤的轴向方向，每隔一个预设的光栅周期的长度，利用热源对所述光纤进行一次径向扫描，使扫描部位的包层空气孔在充气状态下受热膨胀，从而使该扫描部位的纤芯折射率受到调制，直到扫描完设定的光栅周期数，形成长周期光纤光栅；

步骤3：循环执行步骤2，同时，实时监测所形成的长周期光纤光栅的参数，并通过调节扫描部位的包层空气孔的膨胀程度的方式调节所述参数，直到所形成的长周期光纤光栅满足预设的参数要求，完成所述长周期光纤光栅的写制。

进一步地，所述步骤1包括如下步骤：

将所述光子晶体光纤的一端与空心玻璃管的一端熔接，使所述光子晶体光纤的包层空气孔与所述空心玻璃管的内部连通；

将所述空心玻璃管的另一端与第一单模光纤熔接，使通过所述第一单模光纤的激光可通过所述空心玻璃管耦合进所述光子晶体光纤；

将所述光子晶体光纤的另一端与第二单模光纤熔接，使通过所述光子晶体光纤的激光可耦合进所述第二单模光纤；

在所述空心玻璃管的管壁开一通孔，并通过所述通孔向包层空气孔通入气压，并保持气压恒定。

进一步地，所述包层空气孔为所述光子晶体光纤的部分包层空气孔或全部包层空气孔。

进一步地，调节扫描部位的包层空气孔的膨胀程度的方式包括如下任意一种：

调节所述热源的强度、调节所述气压的强度、调节所述循环的次数。

进一步地，所述光子晶体光纤为实芯光子晶体光纤，空芯光子晶体光纤、空芯光纤以及悬芯光纤中的任意一种。

进一步地，所述扫描的方式为如下任意一种：

(1)、扫描所述光子晶体光纤的一侧；

(2)、对称地扫描所述光子晶体光纤的两侧；

(3)、扫描所述光子晶体光纤的一周。

进一步地，所述热源为如下任意一种：

CO₂激光脉冲、电弧放电、氢氧焰。

一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅的光栅区域具有因包层空气孔沿光纤轴向周期性膨胀所形成的周期性膨胀结构。

进一步地，所述周期性膨胀结构形成位置为如下任意一种：

所述光纤的一侧；

所述光纤对称的两侧；

所述光纤的一周。

一种基于上述任意一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法的制作系统，包括：

加热装置，用于加热所述光子晶体光纤；

三维移动平台，用于移动所述光子晶体光纤；

在线监测装置，用于实时监测所写制的光纤光栅的参数；

加压装置，用于向所述光子晶体光纤的包层空气孔中通入气压，并保持气压恒定，使得所述加热装置加热所述光子晶体光纤时，该光纤的加热部位的包层空气孔在充气状态下受热膨胀，从而使该扫描部位的纤芯折射率受到调制；

其中：

加热装置包括：激光器、电弧放电加热装置、氢氧焰加热装置中的任意一种；

在线监测装置包括：

激光光源；

光谱仪，用于与所述激光光源配合实时监测所写制的光纤光栅的参数。

与现有技术相比，采用本发明提出技术方案制备长周期光纤光栅，制备方法简便、成本低廉、可重复性好、适用性强，制备的光纤具有较高的机械强度，性能稳定。采用本发明提供的技术方案制作的沿光纤轴向具有周期性膨胀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。

附图说明

图1：本发明提供的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法流程示意图；

图2：本发明提供的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作系统组成示意图；

图3：本发明实施例提供的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作系统组成示意图；

图4：本发明提供的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参考图1，本发明提供的基于光子晶体光纤1的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法流程如下：

步骤S1：向光子晶体光纤1的包层空气孔101通入气压，并保持气压；

步骤S2：沿所述光子晶体光纤1的轴向方向，每隔一个预设的光栅周期的长度，利用热源对所述光纤进行一次径向扫描，使扫描部位的包层空气孔101在充气压的状态下受热膨胀(如图4所示)，从而使该扫描部位的纤芯折射率受到调制，直到扫描完设定的光栅周期数，形成长周期光纤光栅；

步骤S3：循环执行步骤2，同时，实时监测所形成的长周期光纤光栅的参数，并通过调节扫描部位的包层空气孔101的膨胀程度的方式调节所述参数，直到所形成的长周期光纤光栅满足预设的参数要求，完成所述长周期光纤光栅的写制。

基于上述方法流程，本发明提供了一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作系统。参考图2，该系统包括：加热装置9，用于加热光子晶体光纤1；

三维移动平台7，用于移动光子晶体光纤1；

在线监测装置，用于实时监测所写制的光纤光栅的参数；

加压装置10，用于向光子晶体光纤1的包层空气孔中通入气压，并保持气压恒定，使得加热装置9加热光子晶体光纤1时，该光纤的加热部位的包层空气孔101在充气状态下受热膨胀，从而使该扫描部位的纤芯折射率受到调制。

其中，加热装置9包括激光器、电弧放电加热装置、氢氧焰加热装置中的任意一种。在线监测装置包括激光光源5及光谱仪6。光谱仪6用于与激光光源5配合实施监测所写制的光纤光栅的参数。

如图3所示，在本实施例中，加热装置9包括激光器，激光器采用CO₂激光器901，也可以采用其他类型激光器。激光光源5产生的激光光路上依次设置有气室11、三维移动平台7、光谱仪6。加热装置9还包括：沿CO₂激光器901产生的激光光路依次设置的反射镜902、扩束镜903、快门904、聚焦透镜905。加压装置10用于向气室11通入气压。加压装置10为高压气泵，也可以采用高压气瓶或气缸等。

步骤S1具体包括如下步骤：

参考图4，将光子晶体光纤1的一端与空心玻璃管2的一端熔接，使光子晶体光纤1的包层空气孔101与空心玻璃管2的内部连通。熔接时，注意调节熔接参数，避免空心玻璃管2和光子晶体光纤1的包层空气孔101产生塌陷。根据具体需要，在熔接时可以使光子晶体光纤1的全部或任意部分包层空气孔101与空心玻璃管2的内部连通，可以使制作出的长周期光纤光栅具有不同的特性。根据国内光子晶体光纤的一般规格，一般选择内径75um，外径127um空心玻璃管2与之熔接，根据光子晶体光纤1的规格的不同，可选择不同规格的空心玻璃管2与之熔接。空心玻璃管2用于向光子晶体光纤1的各包层空气孔101通入气压，因此，还需在空心玻璃管2的管壁开一通孔201，具体可采用飞秒激光开孔，通孔201作为气压通道使气压可以通过空心玻璃管2进入包层空气孔101中。

将空心玻璃管2的另一端与第一单模光纤3熔接，使通过第一单模光纤3的激光可通过空心玻璃管2耦合进光子晶体光纤1。将光子晶体光纤1的另一端与第二单模光纤4熔接，使通过光子晶体光纤1的激光可耦合进第二单模光纤4。上述两端单模光纤中，第一单模光纤3作为激光输入端与激光光源5连接，第二单模光纤4作为激光输出端与光谱仪6连接。光谱仪6用于实时监测激光光源5产生的激光经过所制作的光纤光栅调节后的激光的参数，从而实现对所制作的光纤光栅参数的实时监测。

需要指出的是，根据上述各步骤的具体方案可以看出，上述各步骤并不需要严格按照上述描述的顺序执行。

上述各步骤完成后，将空心玻璃管2放入气室11，并将气室11两端口密封。密封时，可采用AB胶，AB胶为两液混合硬化胶的别称，一液为本胶，另一液为硬化剂，两液相混才能硬化，粘性好，密封性强。气室11两端口密封后，利用高压气泵向气室11内充入气压，并保持，气压通过空心玻璃管2的通孔201进入与空心玻璃管2内部连通的各包层空气孔101。

参考图3，执行步骤S2时，CO₂激光器9产生CO₂激光脉冲作为热源。CO₂激光器9产生的CO₂激光脉冲依次经过反射镜12、扩束镜13、快门14，最后经聚焦透镜15聚焦后产生焦斑，用于对光子晶体光纤1进行加热。除了CO₂激光脉冲之外，还可以利用电弧放电或氢氧焰作为热源。参考图4，首先，在光子晶体光纤1上选取一个位置O₁，然后，将CO₂激光脉冲的焦斑对准位置O₁，从位置O₁起，沿光纤径向进行扫描(如图4中弧形箭头所示，可通过扭曲光纤的方式实现)。为保证制作的长周期光纤光栅始终处于直线状态，在第二单模光纤4上悬挂一轻物8，轻物8的重量大约5g。同时，由于轻物8的重量恒定并且很轻,因此轻物8引起的光纤光栅轴向应变对扭曲特性的影响可以忽略。扫描部位的包层空气孔101因受热及气压的作用而发生膨胀，从而改变该扫描部位的折射率，形成第一个光栅周期。然后，通过三维移动平台7将光纤沿其轴向移动一个预设的光栅周期的长度(长周期光纤光栅的周期一般为300-700um)，到达位置O₂，并按照前述相同参数，再次进行扫描，扫描完成后，再次将光纤沿其轴向按照前述相同的方向移动相同长度，到达位置O₃，并再次按照前述相同参数进行扫描。按照前述方法扫描完设定个数个光栅周期的长度，形成长周期光纤光栅。CO₂激光脉冲的最大功率为控制在10W以内，功率稳定性为±2％，激光聚焦光斑为控制在30-50μm，可使制作的光纤光栅周期更加准确。而扫描方式方面，可以采用如图4所示的那样只对光纤的一侧进行扫描，也可以对称地扫描光纤的两侧，使光纤的两侧对称地形成膨胀结构，还可以扫描光纤的一周，使光纤的一周都形成膨胀结构。不同的扫描方式可以形成不同特性的长周期光纤光栅。

上述扫描过程结束后，即完成了一个扫描周期。由于很难做到只通过一个扫描周期就制作出满足参数要求的长周期光纤光栅，因此，需要进行多个周期的循环扫描。步骤S3即为该循环扫描步骤。在循环扫描过程中，通过光谱仪6实时监测所形成的长周期光纤光栅的参数，并通过在各扫描周期逐步调节扫描部位的包层空气孔101的膨胀程度的方式逐步调节所形成的长周期光纤光栅的参数，直到所形成的长周期光纤光栅满足预设的参数要求时完成所述长周期光纤光栅的写制。如果CO₂激光脉冲的功率设置过大，则可能出现在第一个扫描周期就使包层空气孔101膨胀过度的情况，因此，在每一个扫描周期中，CO₂激光脉冲的功率需控制在足够小的程度，使包层空气孔101在每一个扫描周期中膨胀一定幅度，从而使制作的长周期光纤光栅的参数在每个扫描周期中变化一定幅度，最终在经过若干个扫描周期后，使制作的长周期光纤光栅满足参数要求。

在上述各扫描周期中，除了调节CO₂激光脉冲的功率之外，还可以通过调节气压强度的方式对包层空气孔101在每个扫描周期的膨胀程度进行控制，从而控制长周期光纤光栅的参数在每个扫描周期的变化幅度。

制作完成后的长周期光纤光栅在光栅区域具有因包层空气孔101沿光纤轴向周期性膨胀所形成的周期性膨胀结构。根据制作过程所采用的扫描方式的不同，该周期性的膨胀结构可以只形成与光纤的一侧，也可以形成于光纤对称的两侧，还可以形成于光纤的一周。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：向光子晶体光纤的包层空气孔通入气压，并保持气压恒定；

步骤2：沿所述光子晶体光纤的轴向方向，每隔一个预设的光栅周期的长度，利用热源对所述光纤进行一次径向扫描，使扫描部位的包层空气孔在充气状态下受热膨胀，从而使该扫描部位的纤芯折射率受到调制，直到扫描完设定的光栅周期数，形成长周期光纤光栅；

步骤3：循环执行步骤2，同时，实时监测所形成的长周期光纤光栅的参数，并通过调节扫描部位的包层空气孔的膨胀程度的方式调节所述参数，直到所形成的长周期光纤光栅满足预设的参数要求，完成所述长周期光纤光栅的写制。

2.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

将所述光子晶体光纤的一端与空心玻璃管的一端熔接，使所述光子晶体光纤的包层空气孔与所述空心玻璃管的内部连通；

将所述空心玻璃管的另一端与第一单模光纤熔接，使通过所述第一单模光纤的激光可通过所述空心玻璃管耦合进所述光子晶体光纤；

将所述光子晶体光纤的另一端与第二单模光纤熔接，使通过所述光子晶体光纤的激光可耦合进所述第二单模光纤；

在所述空心玻璃管的管壁开一通孔，并通过所述通孔向包层空气孔通入气压，并保持气压恒定。

3.如权利要求2所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述包层空气孔为所述光子晶体光纤的部分包层空气孔或全部包层空气孔。

4.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于，调节扫描部位的包层空气孔的膨胀程度的方式包括如下任意一种：

调节所述热源的强度、调节所述气压的强度、调节所述循环的次数。

5.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述光子晶体光纤为实芯光子晶体光纤，空芯光子晶体光纤、空芯光纤以及悬芯光纤中的任意一种。

6.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述扫描的方式为如下任意一种：

(1)、扫描所述光子晶体光纤的一侧；

(2)、对称地扫描所述光子晶体光纤的两侧；

(3)、扫描所述光子晶体光纤的一周。

7.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述热源为如下任意一种：

CO₂激光脉冲、电弧放电、氢氧焰。

8.一种基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅，其特征在于，所述长周期光纤光栅的光栅区域具有因包层空气孔沿光纤轴向周期性膨胀所形成的周期性膨胀结构。

9.如权利要求8所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅，其特征在于，所述周期性膨胀结构形成位置为如下任意一种：

所述光纤的一侧；

所述光纤对称的两侧；

所述光纤的一周。

10.一种基于权利要求1-7中任意一项权利要求所述的基于光子晶体光纤的膨胀型长周期光纤光栅的制作方法的制作系统，其特征在于，包括：

加热装置，用于加热所述光子晶体光纤；

三维移动平台，用于移动所述光子晶体光纤；

在线监测装置，用于实时监测所写制的光纤光栅的参数；

加压装置，用于向所述光子晶体光纤的包层空气孔中通入气压，并保持气压恒定，使得所述加热装置加热所述光子晶体光纤时，该光纤的加热部位的包层空气孔在充气状态下受热膨胀，从而使该扫描部位的纤芯折射率受到调制；

其中：

加热装置包括：激光器、电弧放电加热装置、氢氧焰加热装置中的任意一种；

在线监测装置包括：

激光光源；

光谱仪，用于与所述激光光源配合实时监测所写制的光纤光栅的参数。