CN105988153B - 一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置及其方法 - Google Patents
一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置及其方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置及其方法。在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法包括步骤：对锥形光纤增敏；基准标定，将光谱分析仪的输出端与宽带光源的输出端连接做基准标定；将做过增敏的锥形光纤装载在光纤应力夹持器上，并微调节光纤应力夹持器0.1 N的预应力；调整装有锥形光纤的光纤应力夹持器与相位掩膜板之间的位置，确保锥形光纤锥形区域与相位掩膜板之间的距离恰好为锥腰直径的2倍；通过控制与显示系统设置函数校准基板光强分布运动曲线；在光谱分析仪的操作面板上再次进行基准标定；激光透过相位掩膜板在锥形光纤锥腰区域上曝光；依据控制与显示系统设置的曝光时间结束，表示相移光栅刻写结束。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置及其方法。
背景技术
布拉格光纤光栅的制备方法是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
光纤光栅的优势在于全光纤结构，低插入损耗、高反射损耗或消光比、以及潜在的低成本优势等，而最为突出的特点是通过调整其物理参数，比如折射率变化量、长度、切趾、相移、啁啾能够灵活地实现所需的光谱特性。光纤光栅的边膜抑制比是重要参数之一。光栅边摸抑制比的好坏取决于切趾函数的选取，切趾函数对光栅折射率调制振幅沿光栅长度有一个钟形函数的形状变化、切趾函数能避免光栅的短波损耗和有效抑制布拉格光纤光栅反射谱旁瓣。未切趾的光纤光栅会产生非常大的旁瓣，其时延振荡也非常明显，大的旁瓣会给相邻的信道产生极大的串扰，而大的时延振荡不能产生好的色散补偿作用，因而极大地制约了光纤光栅器件的应用。
锥形光纤用于制作小型化、一体化、具有许多优良光学特性的光纤器件。锥形光纤可以实现多模光纤至单模光纤的转换器。锥形光纤在传输激光能量时，传输损耗要远小于同类型的圆柱形光纤、结构紧凑,制作简单、成本低、必将成为多种实用光纤器件的核心。
相移光栅主要特点是可以在反射谱的阻带中打开线宽极窄的一个或多个透射窗口，窗口位置可以随相移量的大小发生改变。根据不同的需求可以设计不同反射谱的相移光栅。主要应用于滤波、波分复用、窄线宽单频光纤激光器以及掺铒光纤放大器增益平坦度等研上。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题提供一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置及其方法，此方法解决了在锥形光纤上刻写相移光栅光谱中存在的旁瓣的问题，达到更好滤波效果。
本发明提供的技术方案是：
一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置，包括氩离子倍频激光器、光开关、第一全反镜、第二全反镜、滤光片、置于电控位移台及控制器上的第三全反镜和扩束器、函数校准基板、柱透镜、置于压电陶瓷位移台上的相位掩膜板，以上通过空间光依次连接，还包括有应力角度可调光纤应力夹持器、压电陶瓷位移台的两侧分别设置有应力角度可调光纤应力夹持器，光纤应力夹持器上设置有锥形光纤，一个光纤应力夹持器通过连接锥形光纤连接宽带光源，另一个光纤应力夹持器通过锥形光纤连接光谱分析仪。
具体的，所述第一全反镜入射光和反射光成90度夹角，第二全反镜入射光和反射光成90度夹角，第三全反镜入射光和反射光成90度夹角。
具体的，电控位移台和精密压电陶瓷位移台由控制与显示系统控制。
具体的，所述宽带光源与锥形光纤之间设置有三端口环形器。
一种利用上述的装置在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法，包括如下步骤：
1）对锥形光纤增敏；
2）基准标定，将光谱分析仪的输出端与宽带光源的输出端连接做基准标定，确保光谱分析仪界面上基准线在零刻度位置上且保持直平；
3）将做过增敏的锥形光纤装载在光纤应力夹持器上，并微调节光纤应力夹持器0.1 N的预应力；
4）调整装有锥形光纤的光纤应力夹持器与相位掩膜板之间的位置，确保锥形光纤锥形区域与相位掩膜板之间的距离恰好为锥形光纤锥腰直径的2倍；
5）通过控制与显示系统设置函数校准基板）光强分布运动曲线，设置电控位移台及控制器运动行程，设置所刻写光栅的长度2mm，设置压电陶瓷位移台的最大速度为0.02mm/sec、最小速度为0.001mm/sec；
6）将锥形光纤的通过三端口环形器与宽带光源连接，并同时与光谱分析仪连接，在光谱分析仪的操作面板上再次进行基准标定，方法同步骤；
7）将氩离子倍频激光器的能量调整为（78~85）mw，通过控制与显示系统设置曝光时间为180 sec，采样点为800，激光依次通过光开关、第一全反镜、第二全反镜、滤光片、置于电控位移台及控制器上的第三全反镜和扩束器、函数校准基板、柱透镜、置于压电陶瓷位移台上的相位掩膜板，激光透过相位掩膜板在锥形光纤锥腰区域上曝光；
8）通过控制与显示系统和光谱分析仪分别检测相移点出现的位置和光栅的谱图，依据控制与显示系统设置的曝光时间结束，表示相移光栅刻写结束。
具体的，所述锥形光纤锥腰长度4 mm；相位掩膜板周期1071.5 nm；光栅长度L 3.8mm；相移量大小为π；相移位置为L/2处；折射率调制深度3*e-5；峰值波长1551.6 nm。
优选的，所述的函数校准基板选取的是Blackman函数模型。
具体的，还包括如下测试步骤：
A、将已刻写的光栅放置在特制的光纤托盘中，将装有已刻写的光栅的托盘放进老化炉中进行老化，其老化的条件：温度130℃，时间20小时，特制的光纤托盘是指在普通托盘中间增加两横梁的托盘，以保证锥形光纤的悬空距离缩短；
B、待老化结束通过相移窄线宽测试系统对其线宽进行测试。
具体的，所述步骤1）中对锥形光线增敏过程如下：将需要刻写的锥形光纤悬空固定在夹具上，将整体放进载氢罐里面密闭，给载氢罐充入10 MPa的纯度为99.999的氢气，并给载氢罐进行75 ℃加热，持续96小时的增敏处理，达到此时间后完成增敏处理，将以载氢的光纤进行低温（-30℃）储存。
本发明提供的在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法，具体是由于锥形光纤半径变化引起的折射不均匀，通过对其折射率进行分段调制，将其不均匀的折射率按锥形光纤轴向近似于Blackman形式分布进行调制，去除在锥形光纤上制备相移光栅存在的旁瓣的问题。由于锥形光纤的折射率随锥形光纤半径的减小而减小，锥形光纤每段折射率分布不均匀，每段光栅的耦合系数采用不同的值，就能有效除去相移光栅光谱中存在的旁瓣，达到更好达到滤波效果。本方明专利是的基于锥形光纤上制作相移光栅，通过大量的实验验证，最终选取Blackman函数来改变折射率调制作为相移光栅的切趾函数，很好的抑制了相移光栅的反射谱旁瓣，是相移光栅的反射图谱更加规则。本发明专利选取Blackman函数的原则是：1、折射率调制深度缓慢变化到最大时，切趾函数能保证禁带边缘的陡峭性；2、折射率调制深度缓慢变化到最小时，切趾函数能保证抑制远离禁带的旁瓣，反之，对禁带附近的旁瓣抑制效果会更好；3、对于同一切趾函数，反射谱禁带的宽度、禁带边缘的陡峭性和旁瓣的抑制效果会受到所选参数的影响。本发明提供的方法中包括有对相移光栅线宽的测试方法及其测试系统，解决了因设备测量精度不能满足实验需求而停滞不前的技术问题，该系统具有良好稳定性、可强的操作性和测量精度高等优点。
附图说明
图1是本发明切趾锥形相移光栅刻写设备结构示意图；
图2是未切趾的锥形相移光栅反射图谱；
图3是 已切趾的锥形相移光栅反射图谱；
图4 是 切趾锥形相移光栅透射峰线宽测试图。
1氩离子倍频激光器 2光开关 3.1 第一全反镜 3.2第二全反镜
3.3第三全反镜 4滤光片 5 扩束器 6 电控位移台及控制器
7函数校准基板 8 柱透镜 9 相位掩膜板 10 压电陶瓷位移台及控制器
11 光纤应力夹持器 12 控制显示系统 13宽带光源14 光谱分析仪
15 三端口环形器 16锥形光纤 。
具体实施方式
如图1所示为一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置结构示意图，包括氩离子倍频激光器1、光开关2、第一全反镜3.1、第二全反镜3.2、滤光片4、置于电控位移台及控制器6上的第三全反镜3.3和扩束器5、函数校准基板7、柱透镜8、置于压电陶瓷位移台10上的相位掩膜板9，以上通过空间光依次连接。所述第一全反镜3.1入射光和反射光成90度夹角，第二全反镜3.2入射光和反射光成90度夹角，第三全反镜3.3入射光和反射光成90度夹角。还包括有应力角度可调光纤应力夹持器11、压电陶瓷位移台10的两侧分别设置有应力角度可调光纤应力夹持器11，光纤应力夹持器11上设置有锥形光纤16，一个光纤应力夹持器11通过连接锥形光纤16连接宽带光源13，所述宽带光源13与锥形光纤16之间设置有三端口环形器15。另一个光纤应力夹持器11通过锥形光纤16连接光谱分析仪14。电控位移台6和精密压电陶瓷位移台10由控制与显示系统12控制。
一种利用上述的装置在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法，包括如下步骤：
1）对锥形光纤16增敏，增敏过程如下：将需要刻写的锥形光纤悬空固定在夹具上，将整体放进载氢罐里面密闭，给载氢罐充入10 MPa的纯度为99.999的氢气，并给载氢罐进行75 ℃加热，持续96小时的增敏处理，达到此时间后完成增敏处理，将以载氢的光纤进行低温（-30℃）储存；
2）基准标定，将光谱分析仪14的输出端与宽带光源13的输出端连接做基准标定，确保光谱分析仪14界面上基准线在零刻度位置上且保持直平；
3）将做过增敏的锥形光纤16装载在光纤应力夹持器11上，并微调节光纤应力夹持器110.1 N的预应力；
4）调整装有锥形光纤16的光纤应力夹持器11与相位掩膜板9之间的位置，确保锥形光纤16锥形区域与相位掩膜板9之间的距离恰好为锥形光纤16锥腰直径的2倍；
5）通过控制与显示系统12设置函数校准基板7光强分布运动曲线，设置电控位移台及控制器6运动行程，设置所刻写光栅的长度2mm，设置压电陶瓷位移台10的最大速度为0.02mm/sec、最小速度为0.001mm/sec，所述的函数校准基板7选取的是Blackman函数模型；
6）将锥形光纤16的通过三端口环形器15与宽带光源13连接，并同时与光谱分析仪14连接，在光谱分析仪14的操作面板上再次进行基准标定，方法同步骤2；
7）将氩离子倍频激光器1的能量调整为（78~85）mw，通过控制与显示系统12设置曝光时间为180 sec，采样点为800，激光依次通过光开关2、第一全反镜3.1、第二全反镜3.2、滤光片4、置于电控位移台及控制器6上的第三全反镜3.3和扩束器5、函数校准基板7、柱透镜8、置于压电陶瓷位移台10上的相位掩膜板9，激光透过相位掩膜板9在锥形光纤锥腰区域上曝光；
8）通过控制与显示系统12和光谱分析仪14分别检测相移点出现的位置和光栅的谱图，依据控制与显示系统12设置的曝光时间结束，表示相移光栅刻写结束；
9）将已刻写的光栅放置在特制的光纤托盘中，将装有已刻写的光栅的托盘放进老化炉中进行老化，其老化的条件：温度130℃，时间20小时，特制的光纤托盘是指在普通托盘中间增加两横梁的托盘，以保证锥形光纤的悬空距离缩短；
10）待老化结束通过相移窄线宽测试系统对其线宽进行测试。
在以上步骤中锥形光纤锥腰长度4 mm；相位掩膜板周期1071.5 nm；光栅长度L3.8 mm；相移量大小为π；相移位置为L/2处；折射率调制深度3*e-5；峰值波长1551.6 nm。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置，其特征在于，包括氩离子倍频激光器(1)、光开关(2)、第一全反镜(3.1)、第二全反镜(3.2)、滤光片(4)、置于电控位移台及控制器(6)上的第三全反镜(3.3)和扩束器(5)、函数校准基板(7)、柱透镜(8)、置于压电陶瓷位移台(10)上的相位掩膜板(9)，以上通过空间光依次连接，还包括有应力角度可调光纤应力夹持器(11)、压电陶瓷位移台(10)的两侧分别设置有应力角度可调光纤应力夹持器(11)，光纤应力夹持器(11)上设置有锥形光纤(16)，一个光纤应力夹持器(11)通过连接锥形光纤(16)连接宽带光源(13)，另一个光纤应力夹持器(11)通过锥形光纤(16)连接光谱分析仪(14)，所述的函数校准基板(7)选取的是Blackman函数模型。
2.根据权利要求1所述一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置，其特征在于，所述第一全反镜(3.1)入射光和反射光成90度夹角，第二全反镜(3.2)入射光和反射光成90度夹角，第三全反镜(3.3)入射光和反射光成90度夹角。
3.根据权利要求1所述一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置，其特征在于，电控位移台(6)和精密压电陶瓷位移台(10)由控制与显示系统(12)控制。
4.根据权利要求1所述一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置，其特征在于，所述宽带光源(13)与锥形光纤(16)之间设置有三端口环形器(15)。
5.一种利用权利要求1所述的装置在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对锥形光纤(16)增敏；
2)基准标定，将光谱分析仪(14)的输出端与宽带光源(13)的输出端连接做基准标定，确保光谱分析仪(14)界面上基准线在零刻度位置上且保持直平；
3)将做过增敏的锥形光纤(16)装载在光纤应力夹持器(11)上，并微调节光纤应力夹持器(11)0.1N的预应力；
4)调整装有锥形光纤(16)的光纤应力夹持器(11)与相位掩膜板(9)之间的位置，确保锥形光纤(16)锥形区域与相位掩膜板(9)之间的距离恰好为锥形光纤(16)锥腰直径的2倍；
5)通过控制与显示系统(12)设置函数校准基板(7)光强分布运动曲线，设置电控位移台及控制器(6)运动行程，设置所刻写光栅的长度2mm，设置压电陶瓷位移台(10)的最大速度为0.02mm/sec、最小速度为0.001mm/sec，所述的函数校准基板(7)选取的是Blackman函数模型；
6)将锥形光纤(16)的通过三端口环形器(15)与宽带光源(13)连接，并同时与光谱分析仪(14)连接，在光谱分析仪(14)的操作面板上再次进行基准标定，方法同步骤(2)；
7)将氩离子倍频激光器(1)的能量调整为(78～85)mw，通过控制与显示系统(12)设置曝光时间为180sec，采样点为800，激光依次通过光开关(2)、第一全反镜(3.1)、第二全反镜(3.2)、滤光片(4)、置于电控位移台及控制器(6)上的第三全反镜(3.3)和扩束器(5)、函数校准基板(7)、柱透镜(8)和置于压电陶瓷位移台(10)上的相位掩膜板(9)，激光透过相位掩膜板(9)在锥形光纤锥腰区域上曝光；
8)通过控制与显示系统(12)和光谱分析仪(14)分别检测相移点出现的位置和光栅的谱图，依据控制与显示系统(12)设置的曝光时间结束，表示相移光栅刻写结束。
6.根据权利要求5所述的一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法，其特征在于，所述锥形光纤锥腰长度4mm；相位掩膜板周期1071.5nm；光栅长度L 3.8mm；相移量大小为π；相移位置为L/2处；折射率调制深度3*e-5；峰值波长1551.6nm。
7.根据权利要求5所述的一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法，其特征在于，还包括如下测试步骤：
A、将已刻写的光栅放置在特制的光纤托盘中，将装有已刻写的光栅的托盘放进老化炉中进行老化，其老化的条件：温度130℃，时间20小时，特制的光纤托盘是指在普通托盘中间增加两横梁的托盘，以保证锥形光纤的悬空距离缩短；
B、待老化结束通过相移窄线宽测试系统对其线宽进行测试。
8.根据权利要求5所述的一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的方法，其特征在于，所述步骤1)中对锥形光线增敏过程如下：将需要刻写的锥形光纤悬空固定在夹具上，将整体放进载氢罐里面密闭，给载氢罐充入10MPa的纯度为99.999的氢气，并给载氢罐进行75℃加热，持续96小时的增敏处理，达到此时间后完成增敏处理，将以载氢的光纤进行低温(-30℃)储存。
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