CN104834055A - 一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置。本发明采用两个夹具固定光纤的两端，同时，将两个夹具固定在移动平台上，使得光纤位于第一夹具及第二夹具之间的部分、夹具、移动平台三者形成相对固定的整体，避免了在移动该部分的过程中，该部分与移动平台发生相对移动。同时，由于不需要设置定滑轮及重物，也避免了在对该部分进行电弧放电加热时由于重物的影响使该部分产生拉锥形变，从而可采用比传统电弧放电技术更大的放电电流和更长的放电时间，使得本发明的长周期光纤光栅具有更大的模式耦合强度，在获得相同透射谱深度时，极大地减少光栅周期数量，提高了光栅制备效率。

Description

一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，尤其涉及一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置。

背景技术

长周期光纤光栅指的是光栅周期在几十微米到几厘米范围内的光纤光栅。它已经被广泛应用于光纤通信、光纤传感、光信号处理等领域。目前制备长周期光纤光栅的方法主要包括紫外激光曝光、二氧化碳激光曝光、飞秒激光曝光、电弧放电法、机械压痕法、化学腐蚀法等。紫外激光法最早被用于长周期光纤光栅制备。该方法仅适用于具有光敏特性的光纤，并且需要不同周期的强度掩模板才能制作不同光栅周期的长周期光纤光栅。基于二氧化碳激光或飞秒激光逐点刻写长周期光纤光栅的方法具有精度高、重复性好等优势，但是所需的激光器价格昂贵。机械微弯法利用机械压力和周期性锯齿槽沿光纤轴向形成周期性微弯形变。该方法通过改变光纤的机械压力大小可较为方便地调节长周期光纤光栅的谐振峰深度，然而该方法制备的长周期光纤光栅不能永久保持光谱特性，当撤去机械压力后，光纤轴向不再形成周期性微弯，长周期光纤光栅也随之消失。化学腐蚀法利用氢氟酸周期性腐蚀光纤形成周期性的环槽结构。该方法不需要激光曝光，利用氢氟酸可腐蚀包层和纤芯。但是这种光栅存在物理损伤，机械强度比较弱。

电弧放电法是另外一种长周期光纤光栅制备方法，它利用电极沿光纤轴向进行周期性局部放电加热，使纤芯和包层的有效折射率产生周期性的变化，从而制成长周期光纤光栅。传统的基于电弧放电的长周期光纤光栅制造技术需要一台包含放电电极的光纤熔接机，一个水平移动平台，一个置于水平移动平台上的夹具，一个定滑轮和一个重物。光纤一端固定在水平移动品台上方的夹具中，另一端依次经过光纤熔接机的V型槽和定滑轮固定在重物上。光纤熔接机主要用于提供一对电极，控制放电的电流和时间；水平移动台用于控制光栅周期；重物使光纤处于拉直状态。熔接机的电极对光纤放电后，水平移动平台使光纤移动一个周期，之后熔接机的电极再次放电，如此重复上述操作多次，最终形成长周期光纤光栅。该电弧放电技术存在以下不足：

1、传统电弧放电技术所采用的各个装置相互独立，极大增加了各装置之间的校准难度，特别是光纤熔接机的放电电极、水平移动平台和定滑轮三者之间的同轴、同水平面的校准；

2、传统电弧放电技术须在光纤末端悬挂重物，使光纤处于拉直状态。在这种情况下，电极放电加热光纤至熔融温度后，重物不可避免地使光纤产生拉锥形变。该拉锥形变的重复误差高于5μm，极大降低了长周期光纤光栅制备的重复性。

3、传统电弧放电技术采用的电极放电电流小，放电时间短，所形成的长周期光纤光栅的周期数大于100个，降低了光栅的谐振效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置，以解决传统技术中放电电极、移动平台及定滑轮三者之间的同轴同水平面校准问题。本发明是这样实现的：

一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置，包括光纤定位装置、电弧放电装置及控制系统；

所述光纤定位装置包括移动平台、第一夹具、第二夹具、第一支撑部及第二支撑部；所述第一夹具固定在所述第一支撑部上，所述第二夹具固定在所述第二支撑部上，所述第一支撑部及第二支撑部固定在所述移动平台上；所述第一夹具及第二夹具用于夹持光纤，使所述光纤位于第一夹具及第二夹具之间的预先被去除涂覆层的部分保持拉直状态并位于所述电弧放电装置的放电区域；所述电弧放电装置的放电区域所在位置固定不变；

所述控制系统与所述移动平台连接，用于驱动所述移动平台带动所述被去除涂覆层的部分沿该部分光纤轴向向同一方向每次移动一个预设光栅周期的距离；

所述控制系统与所述电弧放电装置连接，以控制所述电弧放电装置在所述被去除涂覆层的部分每次停止移动期间根据预设的放电参数进行电弧放电，以对该被去除涂覆层的部分进行周期性折射率调制；所述放电参数包括放电电流及放电时间；所述部分每次停止移动的时间不小于所述放电时间。

进一步地，所述控制系统通过脉冲电路控制所述电弧放电装置每次的放电时间。

进一步地，所述放电电流为10-15mA；所述放电时间为0.5-10秒。

进一步地，所述光栅周期为350μm-1000μm。

进一步地，所述第一夹具与第二夹具的间距为30cm-50cm；所述移动平台的行程范围为30cm-50cm。

进一步地，所述控制系统还用于通过控制所述移动平台的移动次数来控制所述被去除涂覆层的部分沿该部分光纤轴向向同一方向移动的次数，以控制所制备的长周期光纤光栅的周期数。

进一步地，所述长周期光纤光栅的周期数为30-100。

进一步地，所述电弧放电装置包括阴极和阳极；所述放电区域位于所述阴极与所述阳极之间。

与现有技术相比，本发明采用两个夹具固定光纤的两端，同时，将两个夹具固定在移动平台上，使得光纤位于第一夹具及第二夹具之间的部分、夹具、移动平台三者形成相对固定的整体，避免了在移动该部分的过程中，该部分与移动平台发生相对移动。另外，由于不需要设置定滑轮及重物，也避免了在对该部分进行电弧放电加热时由于重物的影响使该部分产生拉锥形变，从而可采用比传统电弧放电技术更大的放电电流和更长的放电时间，使得本发明的长周期光纤光栅具有更大的模式耦合强度，在获得相同透射谱深度时，极大地减少光栅周期数量，提高了光栅制备效率。

附图说明

图1：本发明基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置结构示意图。

图2：利用本发明在普通单模光纤上制备的长周期光纤光栅的透射光谱图；

图3：利用本发明在实芯光子晶体光纤上制备的长周期光纤光栅的透射光谱图；

图4：利用本发明在空芯光子带隙光纤上制备的长周期光纤光栅的透射光谱图。

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。

本发明提供了一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置，该装置包括光纤定位装置、电弧放电装置及控制系统。图1示出了该制备装置中的光纤定位装置及电弧放电装置的两个电极，没有示出电弧放电装置的其余部件及控制系统。

其中，光纤定位装置包括移动平台5、第一夹具21、第二夹具22、第一支撑部31及第二支撑部32。其中，第一夹具21固定在第一支撑部31上，第二夹具22固定在第二支撑部32上，第一支撑部31及第二支撑部32固定在移动平台5上。第一夹具21及第二夹具22用于夹持光纤，使光纤位于第一夹具21及第二夹具22之间的部分1(本文简称“部分”)保持拉直状态并位于电弧放电装置的放电区域。这种结构可使得部分1、第一夹具21及第二夹具22、第一支撑部31、第二支撑部32、移动平台5三者形成相对固定的整体，避免了在移动部分1的过程中，部分1与移动平台5发生相对移动，不必再对部分1与移动平台5之间的相对位置进行校准，简化了校准，提高了制备光纤光栅的准确性及稳定性。同时，由于该结构不再需要设置定滑轮及重物，也避免了在对部分1进行电弧放电加热时由于重物的影响使该部分1产生拉锥形变。本发明中，电弧放电装置的放电区域所在位置是固定不变的。

控制系统与移动平台5连接，用于驱动移动平台5带动部分1沿该部分1光纤轴向向同一方向每次移动一个预设光栅周期的距离，并通过控制移动平台5的移动次数来控制被去除涂覆层的部分1沿该部分光纤轴向向同一方向移动的次数，以控制所制备的长周期光纤光栅的周期数。

控制系统与电弧放电装置连接，以控制电弧放电装置在部分1每次停止移动期间根据预设的放电参数进行电弧放电，以对该部分1进行周期性折射率调制。放电参数包括放电电流及放电时间，部分1每次停止移动的时间不小于放电时间。

以下为通过利用本发明的制备装置制备长周期光纤光栅的过程的一具体实施例：

步骤1、将去除涂覆层的光纤拉直，并用第一夹具21及第二夹具22将光纤夹持住，使光纤位于第一夹具21及第二夹具22之间的部分1(已去除涂覆层)保持拉直状态。同时，使该部分1位于电弧放电装置的放电区域，即，使该部分1光纤上的任意一位置位于电弧放电装置的阴极42与阳极41之间所形成的电弧区域，该电弧区域即为放电区域，这样，只要使该部分1沿其轴向移动，则该部分1的其他位置也可移动到电弧区域。第一夹具21与第二夹具22的间距为30cm-50cm。

步骤2、通过控制系统设置移动平台5的起始位置。可通过控制系统移动移动平台5，使部分1的一端部位置位于电弧放电装置的放电区域内，以充分利用移动平台5的行程。相应地，移动平台5的行程范围也为30cm-50cm。可以理解，设置移动平台5的起始位置时，并非必须使部分1的端部位于放电区域内。

步骤3、通过控制系统设置好电弧放电装置的放电电流及放电时间。

步骤4、控制系统控制电弧放电装置按照设置好的放电电流及放电时间进行电弧放电，从而对部分1位于放电区域的位置进行电弧放电加热。

步骤5、当电弧放电加热达到预设的放电时间后，控制系统移动移动平台5，使部分1沿其光轴向另一端方向移动一个预设的光栅周期的距离。

步骤6、控制系统根据预设的光纤周期数重复步骤4、5相应次数(即光栅周期数)，完成光纤光栅的制作。

控制系统可通过脉冲电路控制电弧放电装置每次的放电时间。由于对部分1进行电弧放电加热需在部分1处于停止状态的情况下进行，因此，部分1每次停止移动的时间不能小于设置的放电时间。

放电电流设置为10-15mA，放电时间设置为0.5-10秒，可制作光栅周期为350μm-1000μm，光栅周期数为30-100的长周期光纤光栅。制作光纤光栅的光栅可采用普通单模光纤、实芯光子晶体光纤或空芯光子带隙光纤等。如下为利用本发明制作的三种光纤光栅：

如图2所示，采用包层直径125μm，纤芯直径8.2μm的常用通信用普通单模光纤，设置放电电流为13mA，放电时间为6s，光栅周期为650μm，光栅周期数为30个，可制作出插入损耗为0.2dB，最大透射谱深度约为30dB的光纤光栅。

如图3所示，采用包层直径为125μm，纤芯直径为12μm，包层空气孔呈正六边形排列，共6层空气孔，空气孔直径为3.3μm，孔间距为7.4μm的纯硅实芯光子晶体光纤，设置放电电流为13.8mA，放电时间为0.7s，光栅周期为560μm，光栅周期数为60个，可制作插入损耗为0.5dB，最大透射谱深度约为20dB的光纤光栅。

如图4所示，采用包层直径为120μm，纤芯为空气孔，其直径为10μm，包层空气孔范围为70μm，空气孔间距为3.8μm的纯硅空芯光子带隙光纤，设置放电电流为10.8mA，放电时间为0.5s，光栅周期为420μm，光栅周期数为40个，可制作插入损耗为0.5dB，最大透射谱深度约为8.1dB，光栅3-dB带宽为5.1nm的光纤光栅。

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 (8)

1.一种基于电弧放电的长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于，包括光纤定位装置、电弧放电装置及控制系统；

所述光纤定位装置包括移动平台、第一夹具、第二夹具、第一支撑部及第二支撑部；所述第一夹具固定在所述第一支撑部上，所述第二夹具固定在所述第二支撑部上，所述第一支撑部及第二支撑部固定在所述移动平台上；所述第一夹具及第二夹具用于夹持光纤，使所述光纤位于第一夹具及第二夹具之间的预先被去除涂覆层的部分保持拉直状态并位于所述电弧放电装置的放电区域；所述电弧放电装置的放电区域所在位置固定不变；

所述控制系统与所述移动平台连接，用于驱动所述移动平台带动所述被去除涂覆层的部分沿该部分光纤轴向向同一方向每次移动一个预设光栅周期的距离；

所述控制系统与所述电弧放电装置连接，以控制所述电弧放电装置在所述被去除涂覆层的部分每次停止移动期间根据预设的放电参数进行电弧放电，以对该被去除涂覆层的部分进行周期性折射率调制；所述放电参数包括放电电流及放电时间；所述部分每次停止移动的时间不小于所述放电时间。

2.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述控制系统通过脉冲电路控制所述电弧放电装置每次的放电时间。

3.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述放电电流为10-15mA；所述放电时间为0.5-10秒。

4.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述光栅周期为350μm-1000μm。

5.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述第一夹具与第二夹具的间距为30cm-50cm；所述移动平台的行程范围为30cm-50cm。

6.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述控制系统还用于通过控制所述移动平台的移动次数来控制所述被去除涂覆层的部分沿该部分光纤轴向向同一方向移动的次数，以控制所制备的长周期光纤光栅的周期数。

7.如权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述长周期光纤光栅的周期数为30-100。

8.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述电弧放电装置包括阴极和阳极；所述放电区域位于所述阴极与所述阳极之间。