CN110426779A - 一种毛细管光纤内壁光栅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光栅技术领域，具体涉及一种毛细管光纤内壁光栅及其制备方法。该光纤光栅为内壁光栅结构，外表面无物理损伤，机械强度高；可通过调节超声波波长改变光栅周期的大小，通过调节氢氟酸溶液的浓度和腐蚀时间来改变光栅的刻蚀深度；该光纤光栅中央空气孔提供封闭空间，便于引入功能材料以实现光纤光栅实时调谐功能；本发明具有免封装、可调谐、制备方法简单、造价低廉等优点，同时易于与其它光纤器件连接，解决了光纤光栅机械强度低、使用寿命低的问题，具有广阔的发展前景。

Description

一种毛细管光纤内壁光栅及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤光栅技术领域，具体涉及一种毛细管光纤内壁光栅及其制备方法。

背景技术

光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏效应，使光纤芯区长度方向上产生折射率的周期性改变而制成的一种光纤光子器件。由于光纤光栅具有插入损耗小、体积小、消光比高等优点，其谐振波长对温度、应变、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。近年来，光纤光栅在写入技术、理论研究和应用方面也都获得了迅猛的发展。

目前，制作光纤光栅的方法主要分为两大类：一类是利用刻蚀技术，即在包层和纤芯附近的倏逝场位置留下“刻痕”，从而形成物理光栅；另一类方法是利用光纤对某些特定波长光信号有强烈吸收的光敏性特性，在特定条件下使纤芯的折射率沿着纤芯轴向呈周期分布，从而形成折射率型光纤光栅。

随着光纤光栅应用领域日益广泛，越来越多学者投入到光纤光栅的研究中。如专利号为CN201510115832A的“一种光纤光栅的制备方法”和专利号为CN201510114462A的“一种在线光纤光栅制备系统”等，其共同特征需采用紫外激光器和相位掩模法在光纤外表面制备光栅，在光纤拉丝过程中引入光栅后进行二次涂覆。尽管如此，由于光纤外表面的物理损伤仍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、机械强度低、使用寿命低。

发明内容

本发明的目的在于提供外表面无物理损伤，可调谐的一种毛细管光纤内壁光栅。本发明通过如下技术方案实现：包括环形包层，环形包层内部开有空气孔，沿开空气孔处环形包层的内壁上设有光栅。

本发明还可以包括：

所述的纤芯位于环形包层中。

所述的纤芯为环形波导芯。

所述的纤芯位于环形包层的中央。

所述的环形包层内部围绕纤芯开有多个相同的空气孔。

所述的空气孔位于环形包层的中央。

所述的空气孔内填充有功能材料。

本发明的目的还在于提供制造出的光纤光栅外表面无物理损伤，光栅周期大小及刻蚀深度可调节的一种毛细管光纤内壁光栅的制备方法。本发明通过如下技术方案实现：包括以下步骤：

步骤一：将毛细管光纤固定；

步骤二：将氢氟酸溶液注入空气孔后密封；

步骤三：将超声波源贴合在光纤表面，超声波源产生的超声波在盛有氢氟酸的空气孔的密闭空间内沿光纤长度方向形成超声驻波，致使在环形包层内形成周期性包层缺陷，即形成内壁光栅；

步骤四：取出氢氟酸溶液，并在空气孔内中空处填充功能材料，实现内壁光栅实时调谐。

本发明的有益效果在于：

本发明提出一种毛细管光纤内壁光栅及其制备方法，该光纤光栅为内壁光栅结构，外表面无物理损伤，机械强度高；可通过调节超声波波长改变光栅周期的大小，通过调节氢氟酸溶液的浓度和腐蚀时间来改变光栅的刻蚀深度；该光纤光栅中央空气孔提供封闭空间，便于引入功能材料以实现光纤光栅实时调谐功能；本发明具有免封装、可调谐、制备方法简单、造价低廉等优点，同时易于与其它光纤器件连接，解决了光纤光栅机械强度低、使用寿命低的问题，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1(a)为本发明具有单芯的毛细管光纤内壁光栅横截面结构示意图。

图1(b)为本发明具有单芯的毛细管光纤内壁光栅剖面结构示意图。

图2(a)为本发明双孔毛细管光纤内壁光栅横截面结构示意图。

图2(b)为本发明双孔毛细管光纤内壁光栅剖面结构示意图。

图3(a)为本发明环形波导层的毛细管光纤内壁光栅横截面结构示意图。

图3(b)为本发明具有环形波导层的毛细管光纤内壁光栅剖面结构示意图。

图4(a)为光栅周期为500nm的单芯毛细管光纤内壁光栅仿真反射光谱图。

图4(b)为光栅周期为700nm的单芯毛细管光纤内壁光栅仿真反射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

一种毛细管光纤内壁光栅及其制备方法，属于光纤光栅技术领域。光栅位于环形包层内壁上，保证纤芯与内壁光栅互偶作用，空气孔引入功能材料以实现内壁光栅实时可调谐。其制备方法采用超声波辅助与氢氟酸腐蚀技术相结合，利用低浓度氢氟酸溶液作为腐蚀液，将其注入中央空气孔处，腐蚀环形包层内壁；同时将超声波引入腐蚀液中，在中央空气孔密闭空间内沿光纤长度方向形成超声驻波，致使在环形包层内壁形成周期性包层缺陷，即形成内壁光栅，光栅周期由超声波驻波波长控制。本发明提出的毛细管光纤内壁光栅由于具有内壁光栅和内置封闭空间的特点，其具有免封装、可调谐、制备方法简单、造价低廉等优点，可用于光纤传感、可调谐光纤器件等领域。

毛细管光纤纤芯数量可为单芯、双芯或多芯，也可以为环形波导芯。

毛细管光纤大尺寸空气孔可为单孔、双孔或多孔

制作过程中通过调节超声波的波长改变光栅周期的大小，通过调节氢氟酸溶液浓度和腐蚀时间来改变光栅的刻蚀深度，最终实现毛细管光纤内壁光栅的制作。

本发明提出毛细血管光纤内壁光栅为内壁光栅结构，外表面无物理损伤，机械强度高；可通过调节超声波波长改变光栅周期的大小，通过调节氢氟酸溶液的浓度和腐蚀时间来改变光栅的刻蚀深度；本发明具有免封装、可调谐、制备方法简单、造价低廉等优点，同时易于与其它光纤器件连接，解决了光纤光栅机械强度低、使用寿命低的问题，具有广阔的发展前景。

实施例1：

如图1(a)和图1(b)所示为单芯毛细管光纤内壁光栅的实施方案；包括四层结构：环形包层1、纤芯2、内壁光栅3、大尺寸空气孔4，其中纤芯2位于环形包层1中，光栅3位于环形包层1内壁，空气孔4位于中央处。具体制备方法如下：

步骤1.1、将一段待写入光栅的单芯毛细管光纤固定；

步骤1.2、将氢氟酸溶液注入中央空气孔4后密封；

步骤1.3、将超声波源5贴合在光纤表面，超声波源5产生的超声波在盛有氢氟酸的空气孔4的密闭空间内、沿光纤长度方向形成超声驻波，使在环形包层内形成周期性包层缺陷；

步骤1.4、在单芯毛细管光纤内壁形成光栅，光栅周期由超声波驻波波长控制，之后在中空处填充功能材料以实现光栅实时调谐。

图4(a)和图4(b)所示为本实施例1中不同周期的光纤光栅仿真反射谱。

而且，通过在纤芯周围围绕多个相同的封闭空气孔，可实现光栅阵列在光纤径向的拓展。

实施例2：

如图2(a)和图2(b)所示为双孔毛细管光纤内壁光栅。纤芯1位于中央处，光栅3位于包层空气孔内壁上，双空气孔置于纤芯两侧并呈对称结构，便于引入功能材料于该孔处以实现光栅实时可调谐。该实施例中不局限于双孔，可为多孔，空气孔的数目决定光栅阵列数目，每个空气孔容纳并负责调谐一个光栅阵列。具体制备方法如下：

步骤2.1、将一段待写入光栅的双孔毛细管光纤固定；

步骤2.2、将氢氟酸溶液注入对称的两个空气孔4后密封；

步骤2.3、将超声波源5贴合在光纤表面，超声波源5产生的超声波在盛有氢氟酸的空气孔4的密闭空间内、沿光纤长度方向形成超声驻波，使在包层内形成周期性包层缺陷；

步骤2.4、在双孔毛细管光纤孔内壁形成光栅，光栅周期由超声波驻波波长控制，之后在孔处填充功能材料以实现光栅实时调谐，每个孔容纳并负责一个光栅阵列的实时调控。

实施例3：

如图3(a)和图3(b)所示为具有环形波导层的毛细管光纤内壁光栅，包括四层结构：环形包层1、环形波导层6、内壁光栅3、中央空气孔4。环形波导层由环形波导纤芯构成。环形波导层6位于环形包层1壁中，光栅3位于环形包层1内壁上，空气孔4位于中央处。具体制备方法如下：

步骤3.1、将一段待写入光栅的环形波导层的毛细管光纤固定；

步骤3.2、将氢氟酸溶液注入中央空气孔4后密封；

步骤3.3、将超声波源5贴合在光纤表面，超声波源5产生的超声波在盛有氢氟酸的空气孔4的密闭空间内、沿光纤长度方向形成超声驻波，使在环形包层内壁上形成周期性包层缺陷；

步骤3.4、在环形波导层毛细管光纤内壁形成光栅，光栅周期由超声波驻波波长控制，之后在中央空气孔处填充功能材料以实现光栅实时调谐。

Claims (10)

1.一种毛细管光纤内壁光栅，包括环形包层，环形包层内部开有空气孔，其特征在于：沿开空气孔处环形包层的内壁上设有光栅。

2.根据权利要求1所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：还包括纤芯；所述的纤芯位于环形包层中。

3.根据权利要求2所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：所述的纤芯为环形波导芯。

4.根据权利要求2或3所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：所述的纤芯位于环形包层的中央。

5.根据权利要求4所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：所述的环形包层内部围绕纤芯开有多个相同的空气孔。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：所述的空气孔位于环形包层的中央。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：所述的空气孔内填充有功能材料。

8.根据权利要求5所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：所述的空气孔内填充有功能材料。

9.根据权利要求6所述的一种毛细管光纤内壁光栅，其特征在于：所述的空气孔内填充有功能材料。

10.一种毛细管光纤内壁光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将毛细管光纤固定；

步骤二：将氢氟酸溶液注入空气孔后密封；

步骤三：将超声波源贴合在光纤表面，超声波源产生的超声波在盛有氢氟酸的空气孔的密闭空间内沿光纤长度方向形成超声驻波，致使在环形包层内形成周期性包层缺陷，即形成内壁光栅；

步骤四：取出氢氟酸溶液，并在空气孔内中空处填充功能材料，实现内壁光栅实时调谐。