CN104678486A - 一种光纤光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅制备方法，将石英玻璃基质光纤预制棒装夹于光纤拉丝塔上进行熔融拉丝，在不断下行的裸光纤上，先进行光栅刻写，然后涂覆涂料并用紫外光固化，最终收于收线盘，其特征在于所述的光栅刻写采用相位掩模法配置193nm的准分子激光对裸光纤进行单脉冲曝光写入光栅。本发明动态在线连续制备光纤光栅阵列，工艺简便合理，制作效率高；采用相位掩模法和193nm准分子激光刻写的光栅中心波长稳定、谱形好、光栅的反射率一致性高；可以制备出高质量光栅阵列；本发明解决了拉丝塔上在线制备光栅的稳定性差、可靠性差、光栅质量差、效率低的问题。制备的光纤光栅阵列可用于长距离检测和信号传输。

Description

一种光纤光栅的制备方法

技术领域

本发明涉及一种在线的光纤光栅制备方法，属于光纤光栅制备技术领域。

背景技术

光纤光栅是目前最具有代表性、最具有发展前途的光纤无源器件之一，具有插入损耗小、消光比高等优点，在光纤激光器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤传感器和光纤通信系统等方面有广泛用途。在光纤传感领域，光纤光栅的优势尤其突出，大规模复用将能构成长距离多参量光纤光栅传感网络。

大数量的光纤光栅串接成为阵列，是构成大规模光纤光栅传感网络的基础。传统上制备光纤光栅阵列的方法是，先将成品光纤截成段，将光纤表面的有机保护层剥除，采用激光曝光制备光栅，对光栅进行二次涂敷，再采用焊接的方法将每一小段的光纤，也就是每一个单独的光栅串接起来。由于是单个制备光栅，制备效率低，光栅的质量不稳定。剥除光纤表面的有机保护层会大大损害光纤的抗拉强度，而且光纤焊接处也容易出现断纤的情况，导致光纤系统的可靠性变差。此外，光纤焊接造成接入损耗显著增高，无法做到大数量复用和较低损耗。

在光纤拉丝塔上，在拉制光纤的过程中制备光纤光栅并形成阵列的方法可以解决以上问题。在光纤拉制过程中，对裸光纤进行激光曝光，实现在线写入光栅，再对光纤及光栅进行涂覆，能有效地避免剥除有机保护层对光纤强度造成损害。在光纤移动过程，对光纤多次曝光而写入多个光栅并形成阵列，可以免去焊接过程，避免焊接光纤而增高接入损耗。

但现有的动态在线制备光纤光栅的方法也存在着一些问题：其一，采用光分光路干涉法制备光栅，是通过旋转两块反射镜的角度来改变写入光栅的布喇格波长。由于布喇格波长对反射镜的角度非常敏感，波长精度控制在1nm以内时需要性能极高的控制设备，因而控制难度大，导致光栅的一致性差；其二，刻写采用的光路较长，需要经过多次反射、转折，因此要求有很好的隔振平台和稳定的工作环境，但在实际操作过程中，影响因素很多，这也会影响光栅的一致性差；第三，刻写光源为248nm激光，激光束的均匀性、激光脉冲的稳定性、激光束瞄准点的稳定性以及相干性较低，使得所制备的光栅谱形差、一致性差，导致光栅阵列的质量不高。

发明内容

本发明所要解决的问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种动态在线光纤光栅的制备方法，它不仅工艺简便合理，制作效率高，而且制成的光栅精度高、光栅谱形好、一致性高。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

将石英玻璃基质光纤预制棒装夹于光纤拉丝塔上进行熔融拉丝，在不断下行的裸光纤上，先进行光栅刻写，然后涂覆涂料并用紫外光固化，最终收于收线盘，其特征在于所述的光栅刻写采用相位掩模法配置193nm的准分子激光对裸光纤进行单脉冲曝光写入光栅。

按上述方案，所述的准分子激光光路（束）保持直线传输并垂直于裸光纤，所述的193nm的准分子激光的脉宽小于或等于4ns。

按上述方案，在光纤上刻有间距相等或不等的光栅，形成光栅阵列。

按上述方案，所述的光纤为掺锗或者锗硼共掺的低损耗光敏光纤，光纤在1550nm窗口传输损耗低于或等于0.5dB/km。

按上述方案，所述的拉丝加工速度为2~30m/min，通常为15m/min。

按上述方案，所述的光栅中心波长波动小于或等于0.1nm，光栅反射率波动小于或等于3dB，光栅谱形对称，谱形畸变小，旁瓣抑制比、消光比大于或等于13dB。

按上述方案，所述光纤为低反射率光栅，单个光栅的反射率为2%~0.0001%。

按上述方案，所述的相位掩模法是将相位掩模板紧靠（但不接触）裸光纤，由193nm准分子激光器输出单脉冲激光束，通过光阑整形，再经过透镜聚焦，照射到相位掩模板上，在下移的裸光纤上写入光栅。

按上述方案，在写入光栅后对裸光纤进行一次或二次涂覆和固化。

按上述方案，在裸光纤成形处和光纤涂覆固化后的收线处分别设置测径仪对裸光纤和涂层光纤的外径进行测量。

本发明的有益效果在于：1、动态在线连续制备光纤光栅阵列，工艺简便合理，制作效率高；2、采用相位掩模法，对于指定的光纤和特定的相位掩模板，光纤的有效折射率和掩模板的周期是固定的，所制作的光纤光栅的波长是一个稳定值，可以达到精确控制光栅布喇格波长的目的，特别是可以在一根光纤制备多个相同的光栅，从而可以制备出高质量光栅阵列；3、193nm准分子激光相干性、均匀性和稳定性好，峰值功率高，脉宽窄，光栅制作效率高，刻写的光栅中心波长稳定，光栅谱形好、光栅的反射率一致性高；4、激光器输出的单脉冲激光束经整形光阑、聚焦透镜、相位掩模板，辐照到裸光纤上写入光栅，光路为直线并垂直于裸光纤，不采用反射镜来改变光路走向，提高了光路的稳定性，从而提高光栅阵列的一致性；5、用低损耗的光敏光纤制备低传输损耗的光纤光栅，光纤的传输损耗不高于0.5dB/km （1550nm），可以用于长距离检测和信号传输。本发明解决了拉丝塔上在线制备光栅的稳定性差、可靠性差和光栅质量差、效率低的问题。

附图说明

图1为用于本发明的拉丝塔系统示意图。

图2为图1中刻写光栅装置及其光路部分的放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图来进一步说明本发明的实施例。

用于本发明制备方法的拉丝塔和刻写光栅装置如图1、2所示，包括拉丝炉2和安设在拉丝炉上方的预制棒夹持送料装置1，在拉丝炉出炉口下方安设裸光纤测径仪3，在裸光纤测径仪的下方安设刻写光栅装置5，顺着裸光纤4的垂直下行方向在刻写光栅装置的下方顺序设置一级涂覆器6和一级紫外固化炉7、二级涂覆器8和二级紫外固化炉9，二级紫外固化炉下方安设光纤测径仪10用以检测涂覆光纤11的外径，涂覆光纤然后通过张力测量仪12转接抽丝轮13，经过光栅位置标记装置14和抽丝收线速度匹配装置15收拢至收线盘16。所述的刻写光栅装置包括相位掩模板17和193nm准分子激光器21，相位掩模板紧挨裸光纤设置，193nm准分子激光器输出的单脉冲紫外激光束经光阑19整形，再经过透镜18聚焦，照射到相位掩模板17上。刻写光栅过程受到电脑22控制。

本发明制备光纤光栅的方法如下：将石英玻璃基质光纤预制棒装夹于光纤拉丝塔上进行熔融拉丝加工，熔融成纤的裸光纤持续向下延伸，先进行光栅刻写，然后通过外表层涂覆和烘干，最终收于收线盘，所述的光栅刻写采用相位掩模法配置193nm的准分子激光对裸光纤进行单脉冲曝光写入光栅。曝光与涂覆收线为在线连续进行。所述的准分子激光光路（束）20保持直线传输并垂直于裸光纤4，所述的193nm的准分子激光的脉宽小于或等于4ns。

光纤预制棒置于拉丝炉2中，其下端熔融后拉锥成丝，通过裸光纤测径仪3监测裸光纤直径并实时反馈控制预制棒送料装置1及裸光纤4的速度，实现裸光纤直径的稳定控制。拉丝加工速度为15m/min。由相位掩模板和193nm激光器构成的刻写光栅装置5在向下移动的裸光纤上写入光栅，一个光脉冲写入一个光栅，写入了光栅的裸光纤随后进入第一次涂敷6和第一次固化7，再进行第二次涂覆8和第二次固化9。涂覆之后光纤通过涂覆光纤测径仪10监测涂覆光纤11直径，控制涂覆层的厚度。张力测量仪12监测光纤所受张力，同时与预制棒送料装置1共同定位光纤，使光纤保持铅垂状态。抽丝轮13控制拉丝速度。涂覆光纤11在抽丝轮13作用下，经过光栅位置标记装置14标上标记后，由抽丝收线速度匹配装置15后收集到收线盘16上。

在光纤向下移动过程中，一个激光脉冲在光纤内写一个光栅，连续对光纤进行曝光，可以写入多个光栅，在一根光纤上可以写入多达十万个光栅从而形成光栅阵列。光栅阵列制备系统经过优化，配合电脑自动化监测和控制，提高拉丝塔整个系统的稳定性，确保丝径的高精度控制和光栅写入点的光纤本底温度和应力具有较好的一致性，从而使在线写入光栅具有较好的一致性。采用相位掩模板法制备光栅，精确控制光栅布拉格波长。采用低损耗的光敏光纤制备低传输损耗的光纤光栅，光纤的传输损耗不高于0.5dB/km （1550nm）。单个光栅的反射率为2%~0.0001%。获得低传输损耗的低反射率光纤光栅阵列。

具体实施例一：在光纤拉丝速度25m/min，光纤拉丝张力50克的稳定光纤拉丝条件下，采用栅距1071nm的掩模板、激光脉冲能量10mJ的193nm激光在纤芯折射率1.4567的裸纤上实施间距1m的弱光栅阵列制备。光纤拉丝工艺稳定（速度25m/min，张力50克）后，激光采用外部控制，由基层距离测量程序所设定的1m间距要求发出脉冲指令传递给激光器，激光器接受到脉冲指令时产生一个激光脉冲，激光的脉宽为4ns，激光脉冲经扩束透镜组由4 mm × 6 mm调整为1 mm × 10 mm的光斑，在裸纤上实现长度10mm的光栅写入，随即经一级涂覆/紫外固化以及二级涂覆/紫外固化实现光纤涂覆层，从而有效保护光纤及光栅。由于拉丝光纤的长度信息实时传递给底层距离测量程序，控制程序根据事先设定的光栅刻写距离参数实时发送指令给激光器，从而实现光栅阵列的制备。在以上各条件下，制备的光栅阵列参数如下：光栅间距1m，光栅反射率0.01%左右，中心波长1552nm±0.1nm,总长度可按要求实施。

Claims (10)

1.一种光纤光栅的制备方法，将石英玻璃基质光纤预制棒装夹于光纤拉丝塔上进行熔融拉丝，在不断下行的裸光纤上，先进行光栅刻写，然后涂覆涂料并用紫外光固化，最终收于收线盘，其特征在于所述的光栅刻写采用相位掩模法配置193nm的准分子激光对裸光纤进行单脉冲曝光写入光栅。

2.根据要求1所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于所述的准分子激光光路保持直线传输并垂直于裸光纤，所述的193nm的准分子激光的脉宽小于或等于4ns。

3.根据要求1或2所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于在光纤上刻有间距相等或不等的光栅，形成光栅阵列。

4.根据要求1或2所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于所述的光纤为掺锗或者锗硼共掺的低损耗光敏光纤，光纤在1550nm窗口传输损耗低于或等于0.5dB/km。

5.根据要求1或2所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于所述的拉丝加工速度为2~30m/min。

6.根据要求4所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于所述的光栅中心波长波动小于或等于0.1nm，光栅反射率波动小于或等于3dB，光栅谱形对称，谱形畸变小，旁瓣抑制比、消光比大于或等于13dB。

7.根据要求4所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于所述光纤为低反射率光栅，单个光栅的反射率为2%~0.0001%。

8.根据要求1或2所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于所述的相位掩模法是将相位掩模板紧贴裸光纤，由193nm准分子激光器输出单脉冲激光束，通过光阑整形，再经过透镜聚焦，照射到相位掩模板上，在下移的裸光纤上写入光栅。

9.根据要求8所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于在写入光栅后对裸光纤进行一次或二次涂覆和固化。

10.根据要求1所述的光纤光栅的制备方法，其特征在于在裸光纤成形处和光纤涂覆固化后的收线处分别设置测径仪对裸光纤和涂层光纤的外径进行测量。