CN106199820A - 一种弱反射率光纤光栅的制作方法 - Google Patents

一种弱反射率光纤光栅的制作方法 Download PDF

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    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02123—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating

Abstract

本发明提供了一种弱反射率光纤光栅的制作方法。步骤1：将掺锗单模光纤放入氢气装置内，压力设置为不超过8Mpa，时间不超过1天；步骤2：将氢气装置压力下调至4Mpa以内，不超过72小时，将光纤取出；步骤3：将光纤放入烤箱内烘烤，温度不超过85度，时间不超过两小时；步骤4：激光器设置：频率在20Hz以内，功率在2.5mJ/Pulse以内；步骤5：按正常操作进行光栅写入，在线监测深度至写入达饱和状态，透射深度不再增加为止；步骤6：将光栅放入烤箱内，进行退火处理。本发明制作流程简单，未增加任何仪器设备；本发明通过对光纤内氢气含量的控制，可以得到反射率0.1%的弱光纤光栅。

Description

一种弱反射率光纤光栅的制作方法
技术领域
本发明属于光纤分布式传感技术领域，涉及一种全同弱反射率的光纤光栅的制作方法。
背景技术
分布式光纤传感技术是近年来发展迅速的一种新型传感技术，其基本原理是利用同一根光纤或将一系列的光纤光栅传感器串接进行传输和感知信号，对长达几十公里的光纤不同位置处的温度，振动和应变等物理量的变化进行探测并定位，实现真正的分布式或准分布式测量。由于光纤传感具有其他传感技术无可比拟的优势，如抗电磁干扰，抗腐蚀，耐高温等，还能够提供被测物理参量沿整个光纤路径的空间分布及其随时间变化的特征，因此可以广泛的应用于国土安防，围界入侵检测，建筑物健康检测，输油管道检测等领域，目前，分布式或准分布式光纤传感器已成为最具市场发展前景的传感技术之一。
分布式光纤光栅传感技术按照原理可分为如下三类：
基于干涉仪原理的分布传感技术(马赫-曾德干涉原理的分布式传感器；光纤陀螺)；
基于光时域后向散射(OTDR)原理的分布式传感技术(基于后向瑞利散射，后向拉曼散射和后向布里渊散射的传感器)；
基于波长扫描型的分布式传感技术(光纤布拉格光栅传感器)。
基于以上所述的分布式光纤传感技术在信号探测部分大体分为两类，一是利用光纤本身的材料缺陷产生的反射光作为测量信号，该信号光功率非常微弱，需要经过一系列的放大、降噪等处理才能得到精确地测量结果，测量系统复杂成本较高。二是在测量网络中配置一系列的光纤光栅传感器，普通光栅的反射率是非常高的，光功率在传输过程中经过多个光栅反射后衰减很快，因此一根光纤上串联的光栅个数一般不能超过数十个，为了增加串联光栅的数量，例如波分复用、码分复用、频分复用等技术被引入， 系统复杂且成本代价高。但扩容的效果并不理想而且应用非常有限。如果光栅的折射率越低，栅间的反射串扰影响就越小，单根光纤上复用的数量就越多。因此通过降低光栅折射率来增加光栅数量的方法得到大家的重视，但是，如何在光纤光栅的制作过程中将反射率做小而且统一，是当前全同弱反射率光纤光栅的制作难点，本发明将重点解决这一难题。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种弱反射率光纤光栅的制作方法。
本发明的操作步骤如下：
步骤1：将掺锗单模光纤放入氢气装置内，压力设置为不超过8Mpa，时间不超过1天；
步骤2：将氢气装置压力下调至4Mpa以内，不超过72小时，将光纤取出；
步骤3：将光纤放入烤箱内烘烤，温度不超过85度，时间不超过两小时；
步骤4：激光器设置：频率在20Hz以内，功率在2.5mJ/Pulse以内；
步骤5：按正常操作进行光栅写入，在线监测深度至写入达饱和状态，透射深度不再增加为止；
步骤6：将光栅放入烤箱内，进行退火处理；
步骤7：最终测试，光栅制作完成。
什么是全同弱反射率光纤光栅？
在一根光纤上存在若干个光纤光栅，每个光纤光栅的中心波长保持一致，而且每个光栅的反射率非常小，这种光栅被称为全同弱反射率光纤光栅。
本发明制作的全同弱反射率光纤光栅其反射率可达到0.1％，可以更好的应用于此类准分布式光纤传感系统。
本发明采用光纤载氢的方式提高普通掺锗光纤的光敏性，而光纤中氢气含量的多少决定了光致折射率改变的大小。
根据氢气在光纤的功能可将其称为诱导因子。
本发明将通过控制光纤中诱导因子的含量来降低光栅刻写过程中产生的折射率变化，进而达到制作弱光纤光栅的目的。
本发明的有益效果是：
本发明制作的全同弱反射率光纤光栅通过控制诱导因子氢气在光纤中的浓度进而达到制作弱反射率光纤光栅的目的，制作方法简单，同一批制作的光纤光栅具有高度的一致性。本发明制作流程简单，未增加任何仪器设备；本发明通过对光纤内氢气含量的控制，可使光纤光栅的反射率准确控制在0.1％左右。
具体实施方式
将掺有锗离子的普通单模光纤(3mol％)放入一定压力的氢气环境中例如7MPa，静置一段时间，例如22小时。氢气将会以分子状态的形式扩散入光纤的纤芯，当载氢光纤在特定波长的紫外线照射下时，氢气分子和光纤材料中的Ge-O键和Si-O键将发生反应，生成GODC和具有特定吸收带的Ge-OH,Si-OH化学键，该化学反应使得石英光纤的结构发生转变而更加密实化，由于光纤折射率与其材料密度有关，因此导致其折射率增加。载氢光纤的折射率改变随曝光时间的加长而增大并逐渐达到饱和状态。相比未载氢光纤在紫外线照射下时会有光纤折射率大小反复的现象产生。
通过实验得出，光致折射率改变随着载氢压力的增大，光致折射率在不断增大，在同样的曝光条件下，载氢压力越大的石英光纤光敏性越大，而氢气在光纤中的含量与载氢压力成正比关系。压力每升高1Mpa，光致折射率改变增加4.66x10-5。同样，随着载氢时间的延长，石英光纤的光致折射率改变逐渐增大并成指数增长，最后达到饱和状态。
通过以上对载氢气压和时间的设置，可控制载入光纤中的氢气的初始浓度，光栅刻写前的85℃高温烘烤，可以消除一部分氢载光纤中的诱导因 子，使其浓度降低，光纤光栅刻写完成后的退火处理的目的是因为载氢光纤中还存在一部分未发生化学反应的H2/D2，并且该H2/D2可使光纤的折射率升高，通过退火除去了载氢光纤中残留的H2/D2，增加光栅的热稳定性，同时光栅区域的平均折射率和折射率调制强度均减小，消除了光纤光栅的结构缺陷，提高其性能的稳定性。光纤光栅写入过程中在线监测光栅的透射谱线，观察透射谱线深度达到饱和后，关闭紫外光源。其透射深度约为99％(约0.04dB)。再经过正常的退火程序后即可得到性能稳定的反射率为0.1％的弱反射率光栅。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种弱反射率光纤光栅的制作方法，其特征在于：
步骤1：将掺锗单模光纤放入氢气装置内，压力设置为不超过8Mpa，时间不超过24小时；
步骤2：将氢气装置压力下调至4Mpa以内，不超过72小时，将光纤取出；
步骤3：将光纤放入烤箱内烘烤，温度不超过85度，时间不超过两小时；
步骤4：激光器设置：频率在20Hz以内，功率在2.5mJ/Pulse以内；
步骤5：进行光栅写入，在线监测深度至写入达饱和状态，透射深度不再增加为止；
步骤6：将光栅放入烤箱内，进行退火处理；
步骤7：最终测试，光栅制作完成。
2.根据权利要求1所述的一种弱反射率光纤光栅的制作方法，其特征在于：所述步骤1中，压力设置为6至8Mpa。
3.根据权利要求1所述的一种弱反射率光纤光栅的制作方法，其特征在于：所述步骤1中，时间为20至24小时。
4.根据权利要求1所述的一种弱反射率光纤光栅的制作方法，其特征在于：所述步骤2中，将氢气装置压力下调至3至4Mpa，时间为60至72小时。
5.根据权利要求1所述的一种弱反射率光纤光栅的制作方法，其特征在于：所述步骤3中，将光纤放入烤箱内烘烤，温度为70至85度，时间为1.5至2小时。
6.根据权利要求1所述的一种弱反射率光纤光栅的制作方法，其特征在于：所述步骤4中，激光器设置：频率在15至20Hz，功率在2.0至2.5mJ/Pulse。
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