CN109839693A

CN109839693A - 一种周期结构形变型光纤光栅器件

Info

Publication number: CN109839693A
Application number: CN201811521259.5A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 邓洪昌; 龚博文
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-06-04

Abstract

本发明提供了一种周期结构形变型光纤光栅器件及其制备方法。所述光纤光栅器件是由输入光纤1、微孔光纤2和输出光纤3组成，其中，输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3主要包含纤芯301和包层302，而微孔光纤2主要包含纤芯201、空气孔202和包层203。空气孔202通过周期性的形变4形成光纤光栅5，从而实现对微孔光纤2传导光波的调制，实现损耗型光滤波或光传感功能。微孔光纤可通过微孔的数量、大小和位置来调控光纤内部光场的传输特性，进而增强周期结构形变型光纤光栅的光滤波或光传感能力。本发明可用于光通信、光滤波、光传感等，具有结构简单、稳定性好、易于制造等优点。

Description

一种周期结构形变型光纤光栅器件

(一)技术领域

本发明涉及一种周期结构形变型光纤光栅器件，可用于光通信、光滤波、光传感等，属于光纤技术领域。具有结构简单、稳定性好、易于制造等优点。

(二)背景技术

自1995年A.M.Vengsarkar等人首次在光纤中成功写入长周期光纤光栅 (LongPeriod Fiber Grating,LPFG)结构以来，LPFG技术得到迅速发展和应用。长周期光纤光栅是一种通过一定方法使光纤长度方向的折射率、形状、应力等参数发生周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。其基本传光原理是向前传输的纤芯模式与同向的各阶次的高阶包层模式之间进行耦合，由于其对传导光场进行周期性调制，使基模和高阶模在满足谐振条件的情况下发生能量转换，高阶模在传输一段距离之后被衰减掉，形成损耗峰。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

长周期光纤光栅的制备方法很多。发明专利CN1309308A和CN1206117A所描述的是采用紫外光源通过光栅振幅掩模板照射光敏光纤，制作长周期光纤光栅的方法。该制作方法可实现光栅的批量制作，但光栅写入需要制作光栅掩模模板，一旦掩模模板结构确定，则光栅写入周期不能调节，而且稳定性不好。发明专利 CN1632634A和CN1316661A所采用的一种利用周期性机械结构在光纤上产生周期性应力形成光纤光栅，这种方法制作的光纤光栅体积大，结构复杂，稳定性差，难以实用化。发明专利CN201210516235.7所描述的一种基于边孔单模光纤的应力长周期光纤光栅液体折射率传感器，通过将光纤的一段置于两块周期性压力槽之间，通过向压力槽施加压力在边孔单模光纤上得到应力长周期光纤光栅。此方法制作的光栅对光纤外部待测物理变量与光纤内部传输光场的调控能力不足，稳定性不好。

为了拓展长周期光纤光栅器件的功能和实现其更加灵活而稳定的光滤波和光传感功能，本发明公开了一种周期结构形变型光纤光栅器件及其制备方法。与在先技术相比，本发明可以通过微孔光纤的空气孔数量、大小和位置来制备出具有多种不同结构的微孔光纤，然后通过空气孔的周期性膨胀、塌陷或螺旋来制备出多种光纤光栅器件。具有在光栅制备上简单，在结构功能上稳定而灵活的优点。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现损耗型光滤波和光传感的周期结构形变型光纤光栅器件。还在于提供一种制作方法简单，结构稳定的周期结构形变型光纤光栅的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

如图1所示，所述光纤光栅器件是由输入光纤1、微孔光纤2和输出光纤3 组成，其中，输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3主要包含纤芯301和包层302，而微孔光纤2主要包含纤芯201、空气孔202和包层203。空气孔202通过周期性的形变4形成光纤光栅5。当宽谱光6通过输入光纤1注入到微孔光纤2后，在光纤光栅5的周期性调制作用下，纤芯201中传输的纤芯模式会与同向的各阶次的高阶包层模式之间进行耦合，使纤芯模式和高阶包层模式在满足谐振条件的情况下发生能量转换，高阶包层模在传输一段距离之后被衰减掉，形成损耗峰7，光波最后通过输出光纤3输出，实现损耗型光滤波功能。若该光纤光栅器件受到外界环境参量(如折射率、应力、温度等)的影响，光纤光栅5的周期性的形变4会发生一定量的变化，进而实现损耗峰7的峰值位置的漂移，这样，通过峰值位置的移动就可检测环境的变化量的大小，实现光传感功能。

下面将以具有三个空气孔的微孔光纤为例，详细阐述周期结构形变型光纤光栅工作原理。设微孔光纤的纤芯半径、空气孔半径、包层半径和纤芯与空气孔的间距分别表示为：r_c、r_h、r_cl、d_h，而纤芯和包层的折射率分别表示为：n_co和n_cl，如图2(a)所示。在柱坐标(r,φ,z)中，其三孔包层带有微孔的光纤横截面折射率分布可等效表示如下：

在式(1)中，Δn为折射率调制大小，k_s＝2π/Λ_s为光纤的扭转率(Λ_s为扭转周期，主要指热融法周期性螺旋扭转形成的周期结构)，k_t＝2π/Λ_t为光纤纵向的结构变化率(Λ_t为调制周期，主要指由热融法周期性塌缩/膨胀技术在光纤纵向形成的周期性结构)。当k_s＝0并且k_t≠0时，光纤为周期性塌缩(如图3) 或者膨胀结构(见图1)，其等效折射率分布为：

当k_s≠0并且k_t＝0时，光纤为周期性螺旋结构(如图4)，其等效折射率分布为：

此外，ρ和w分别表示三孔形成的结构轮廓函数的常数项和三阶微绕项。这里，其轮廓函数的傅里叶级数展开如下：

这里，

在公式(1)中，r(θ)是光纤实际的三孔轮廓(包层)形状函数。这样，利用公式(4)就可以算出该光纤轮廓形状的傅里叶级数展开系数，如图2(b)所示。在参数r_c、r_h、d_h下，求得在式(1)中ρ＝A₀和w＝A₃，并带入到式(1)就可求得包层带有微孔的光纤因三个空气孔引起的折射率变化。值得注意的是，通过空气孔的大小、数量和位置等参数可以对空气孔轮廓函数进行调整，从而通过这些参数可以构造出多种不同周期形变结构的光纤光栅器件。

对于长周期光纤光栅，由角动量和能量守恒可得到如下的光栅条件公式：

这里，M_j和M_k分别为模式j和模式k的方位角数，β_j和β_k分别为模式j和模式k的传输常数。当k_s＝0并且k_t≠0时，光纤为周期性塌缩或者膨胀结构；在公式(7)中，光纤由于仅在纵向上受到折射率调制cos(k_tz)，而在横向上没有受到调制，因此k_x＝k_t，m＝0，n＝1。也就是说，光纤纤芯基模传输常数β_co和包层模传输常数β_cl满足如下关系：-β_co+β_cl+k_t＝0。光纤纤芯基模LP₀₁与包层LP_0n模式发生相互耦合，实现长周期光纤光栅功能。另一方面，当k_s≠0并且k_t＝0时，光纤为周期性扭转螺旋结构；在公式(7)中，光纤由于螺旋折射率分布 cos[3(φ-k_sz)[，在横向上和纵向上都有调制，因此k_x＝k_s，m＝n＝3。也就是说，光纤纤芯基模传输常数β_co和包层模传输常数β_cl满足如下关系： -β_co+β_cl+3k_s＝0。由角动量守恒可知，光纤纤芯基模LP₀₁与包层LP_3n模式发生相互耦合，实现长周期光纤光栅功能。

(四)附图说明

图1是周期结构形变型光纤光栅器件结构示意图。

图2是具有三个空气孔的微孔光纤:(a)横截面示意图；(b)三个空气孔的轮廓傅里叶变换。

图3是微孔光纤预制棒的制作方法。

图4是微孔光纤拉丝示意图。

图5是周期结构形变型光纤光栅：(a)制作示意图；(b)微孔光纤热膨胀变形仿真图。

图6是其他类型微孔光纤：(a)含有两个微孔；(b)含有五个大小一致微孔；(c)含有五个大小不一致微孔；(d)含有五个大小一致，位置不一致的微孔。

图7是其他周期结构形变型光纤光栅：(a)塌陷型周期结构形变性光纤光栅；(b)螺旋型周期结构形变性光纤光栅。

图8是基于周期结构形变型光纤光栅的力传感示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1和图7，本发明实施方式由输入光纤1、微孔光纤2和输出光纤3 组成，其中，输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3主要包含纤芯301和包层302，而微孔光纤2主要包含纤芯201、空气孔202和包层203。空气孔202通过周期性的形变4形成光纤光栅5。当宽谱光6通过输入光纤1注入到微孔光纤2后，在光纤光栅5的周期性调制作用下，纤芯201中传输的纤芯模式会与同向的各阶次的高阶包层模式之间进行耦合，使纤芯模式和高阶包层模式在满足谐振条件的情况下发生能量转换，高阶包层模在传输一段距离之后被衰减掉，形成损耗峰7，光波最后通过输出光纤3输出，实现损耗型光滤波功能。若该光纤光栅器件受到外界环境参量(如折射率、应力、温度等)的影响，光纤光栅5的周期性的形变4会发生一定量的变化，进而实现损耗峰7的峰值位置的漂移，这样，通过峰值位置的移动就可检测环境的变化量的大小，实现光传感功能。

基于周期结构形变型光纤光栅器件制备过程可分为以下三个步骤：

步骤1、光纤预制棒制作(见图3)。在纯石英包层预制棒8中加工多个微孔9，然后嵌入纤芯预制棒插件10，形成微孔光纤预制棒11。

步骤2、光纤拉制(见图4)。将制备好的微孔光纤预制棒11放置在光纤拉丝塔上，并固定在预制棒夹具12上，微孔光纤预制棒11经过加热炉13加热熔融并在垂直牵引力14的作用下拉丝。最终拉制成包层含有多个空气孔的微孔光纤2。在光纤的拉制过程中，要精确控制炉温、拉丝速度和预制棒孔内部的平衡压力。

步骤3、光纤光栅制备。如图5(a)所示，将制备好的微孔光纤2固定在精密位移平台上，该平台可实现光纤沿长度方向(纵向)移动15，微孔光纤2内部空气孔202的气压通过外部气压控制装置16控制。采用加热装置17对微孔光纤 2进行局部高温加热，当光纤处于熔融状态时，通过外部气压控制装置16调整空气孔202内的气压(例如正压)，实现微孔光纤2的局部形变4(例如膨胀)。图5(b)给出了光纤膨胀的仿真图，其中灰度值表示光纤受热膨胀的形变量。重复以上步骤，就在光纤周期性地制作出局部形变4，形成微孔光纤光栅结构。

此外，在光纤制备过程中，可以通过控制光纤预制棒微孔的数量、大小和位置来制备出具有多种不同结构的微孔光纤及相应的周期结构形变型光纤光栅器件，如图6所示。在光纤光栅制备过程中，也可通过提供空气孔202内负压，制备周期塌陷型的微孔光纤光栅，如图7(a)所示。还可以加入扭转来制备螺旋型的微孔光纤光栅，如图7(b)所示。

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

步骤1、光纤制备：按照实施方式的光纤制备方法制作一段微孔光纤2；

步骤2、光栅制备：按照实施方式的光栅制备方法在制备好的微孔光纤2上制作周期结构形变型光纤光栅5；

步骤3、光栅器件制备：在周期结构形变型光纤光栅5两端分别焊接输入光纤1和输出光纤2，输入光纤1的另一端接入宽谱光源18，而输出光纤3另一端连接有光谱仪19，这样就制备好完整的周期结构形变型光纤光栅器件；

步骤4、传感应用举例：将制备好的光纤光栅器件放置在压力仓20内，压力仓20与压力泵21相连，通过光谱仪19输出的光栅调制光谱的峰值平移量就可以探测到压力仓20内的气压，实现压力传感。

Claims

1.一种周期结构形变型光纤光栅器件。其特征是：所述光纤光栅器件是由输入光纤1、微孔光纤2和输出光纤3组成，其中，输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3主要包含纤芯301和包层302，而微孔光纤2主要包含纤芯201、空气孔202和包层203。空气孔202通过周期性的形变4形成光纤光栅5，从而实现对微孔光纤2传导光波的调制，实现滤波功能。

2.根据权利要求1所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的周期结构形变型光纤光栅的制备方法如下：(1)先在包层预制棒中打若干个空气孔，并嵌入纤芯预制棒插件，形成光纤预制棒；(2)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行热融拉丝，制作出微孔光纤；(3)采用加热子对制备好的微孔光纤进行局部加热，同时通过气压控制设备向微孔光纤的空气孔注入气压，这样在一定的加热温度下加热区域的微孔光纤就会发生受热形变；(4)光纤每纵向移动一定长度后，重复步骤(3)，得到周期性形变结构，形成周期结构形变型光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的周期性的形变可以是周期性膨胀、周期性塌陷、膨胀和塌陷周期性交替的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的光纤光栅的周期可以为均匀的也可以非均匀的。

5.根据权利要求1所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的空气孔的数量可以为一个、两个或者多个。

6.根据权利要求3所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的两个或多个空气孔的直径可以是相等也可以不相等。

7.根据权利要求3所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的两个或多个空气孔可以是环绕纤芯均匀分布或非均匀分布。

8.根据权利要求3所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的两个或多个空气孔距微孔光纤纤芯的距离可以相等也可以不等。

9.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种周期结构形变型光纤光栅器件，其特征是：所述的空气孔可以为螺旋也可以为非螺旋结构。