CN112068238A - 一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法 - Google Patents

一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，所述的单应力元光纤是包层中存在单个应力元的特种光纤。其特征是将准分子激光器、反射镜、扩束镜、柱透镜、掩模板和单应力元光纤依次按序放入刻写光路中，再使用折射率匹配液、显微镜和光纤旋转夹具调整光纤，使单应力元不遮挡紫外激光；纤芯和掩模板平行，且垂直于掩模板栅线，即可使用刻写均匀光纤布拉格光栅的方法，得到啁啾光纤布拉格光栅。本发明可用于单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅的制备，可广泛用于光纤器件技术领域。

Description

一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，属于光纤器件技术领域。
(二)背景技术
啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)是一种折射率或栅格周期沿轴向发生变化的光纤布拉格光栅(FBG)，由于其小体积、低损耗、具有较宽的反射带宽和稳定的色散，被广泛的用于光纤色散补偿和宽带滤波器。
当光纤布拉格光栅栅区内的折射率或栅格周期不同时，满足某一栅区布拉格条件的波长也不相同，因此使得光纤布拉格光栅具有啁啾效应，即为啁啾光纤布拉格光栅。针对此成栅特点，目前有直接和间接两类制作啁啾光纤布拉格光栅的方法。(1)直接法是通过啁啾相位掩模版直接在光纤中写入啁啾光纤布拉格光栅，其传统制作工艺使用啁啾相位掩模版，进行曝光或扫描以实现在光纤中写入啁啾光纤布拉格光栅。这种工艺最大的缺点是必须使用啁啾相位掩模版，且制作出的啁啾光纤布拉格光栅的啁啾度由啁啾相位掩模版的参数决定，导致制作不同啁啾度的啁啾光纤布拉格光栅只能通过使用不同的啁啾相位掩模版，大大增加了生产成本。(2)间接法是对均匀的光纤布拉格光栅进行啁啾调制，使其产生啁啾效应。在啁啾调制的过程中需要对光纤持续作用，稳定性较直接法略差，且会影响到光纤的使用寿命。
直接法如专利CN106842415A，其使用扫描刻写的方式，实现使用均匀光纤布拉格光栅相位掩模版来写入啁啾光纤布拉格光栅。但由于光纤布拉格光栅的栅距为微米量级，所以较难精确操控扫描的步进，且刻写过程受外界因素如震动的影响较大。或者在光纤不平行掩模板的情况下，写入的光纤布拉格光栅也具有啁啾效应，但此时光纤刻写部位没有都在刻写光的焦线上，导致折射率调制深度不同，且在拉远光纤一端时，容易引入倾斜，影响光栅质量。间接法如专利CN105137533.A，其使用形状记忆合金对均匀光纤布拉格光栅进行啁啾调制，通过常温下固定光纤布拉格光栅，加热使其恢复成所需的形状来弯曲光纤布拉格光栅，达到应力调制啁啾的效果。但由于记忆合金恢复形状需要到达转变温度，加热过程会对光纤寿命和性能造成影响，且其自身存在的变形误差和光纤的抗弯过程也会直接影响到啁啾调制的效果。
为了克服现有工艺的缺点，本发明提出一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法。该方法基于单应力元光纤，使用均匀光栅掩膜板，可在光纤平行掩模板的情况下，制备啁啾光纤布拉格光栅。
(三)发明内容
本发明的目的在于通过给出一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，进而给出一种非对称光纤布拉格光栅及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅的组成部分包括单应力元光纤和其纤芯内写入的啁啾光纤布拉格光栅。
所述的单应力元光纤是围绕纤芯设置一个应力元的特种光纤。
所述的应力元是热膨胀系数不等于石英基体热膨胀系数的材料。
所述的单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅的啁啾效应是通过纤芯折射率不均匀分布实现。
其制备方法是使用均匀光纤布拉格光栅掩模板，在单应力元光纤纤芯内写入的啁啾光纤布拉格光栅。
制备方法包括以下步骤：
1)将准分子激光器、反射镜、扩束镜、柱透镜、掩模板和单应力元光纤依次按序放入刻写光路中；
2)使用U型槽、包层折射率匹配液、显微镜和光纤旋转夹具调整光纤中应力元位置，使单应力元不遮挡紫外激光照射纤芯；
3)使用紫外激光在纤芯中写入啁啾光纤布拉格光栅；
4)再涂覆或封装单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅。
所述的制备方法中，光纤平行或不平行于均匀光纤布拉格光栅掩模板，均可制备啁啾光纤布拉格光栅。啁啾光纤布拉格光栅的成栅特点在于折射率和栅格周期的变化，那么仅让不同栅格的折射率发生不同变化，也可实现啁啾效应。借助于微积分的思想，当纤芯折射率分布具有较大范围的横向变化时，将折射率横向变化的纤芯按折射率近似相等划分为多个网格。在紫外激光通过一块均匀光栅掩膜板辐照其上时，空间上纤芯的每个部分光场变化和周期尺度都相同，但由于纤芯折射率分布本身存在较大范围的横向变化，每个划分网格的折射率调制都不尽相同。此时，对于整个光纤布拉格光栅而言，纤芯内每一个小局域网格对于整体布拉格反射所贡献的反射波长也会各不相同，使得反射光谱中出现啁啾现象。因为每一个网格产生的弱反射对总体布拉格反射的贡献与纤芯折射率的横向分布有关，所以要实现啁啾效应，在使用一块均匀光栅掩膜板基础上，只需实现纤芯折射率的不同分布即可。进一步，若纤芯折射率横向分布是线性的，就得到线性啁啾光栅；若是非线性的，就会得到非线性啁啾光栅，若是没有变化，就得到均匀的标准光纤布拉格光栅，由此可实现仅通过一块均匀光栅掩膜板制作多种光谱的光纤布拉格光栅。
目前常见的光纤布拉格光栅，因光纤纤芯内折射率的分布情况，大多是均匀对称的，如基于单模光纤和保偏光纤的光纤布拉格光栅。单模光纤，如图1(a)所示，该种光纤在其横截面上关于截面的x轴和y轴是轴对称的，并且关于截面圆心O是中心对称的，所以单模光纤纤芯受应力的情况都是均匀的，这也使得光纤包层、芯层的折射率分布均匀。这种均匀性使得纤芯内导模的偏振态不会发生变化，且写入的光纤布拉格光栅同样具有均匀性。而对保偏光纤来说，如图1(b)所示的熊猫型保偏光纤，该种光纤在其横截面上关于截面的x轴和y轴是轴对称的，但关于截面圆心O不是中心对称的，其应力单元是对称分布在纤芯两侧的包层中，二者会对纤芯施加应力，使得均匀性被打破，但由于应力单元的对称分布，导致纤芯的折射率分布也具有对称的特点。这种对称性使得保偏光纤可以传输两个正交的偏振模。本发明基于的单应力元光纤，光纤横截面如如图1(c)所示，横截面径向折射率分布示意图如图9所示，光纤模型如图2所示，其中2-1是光纤包层，2-2是应力元，2-3是光纤纤芯。该种光纤在其横截面上关于截面的x轴对称，但关于y轴不对称，并且关于截面圆心O也是不对称的。单个应力元只会对纤芯施加一个大方向上的应力，导致纤芯折射率的分布存在关于应力元中心和纤芯中心连线的对称分布。这使得单应力元光纤纤芯会像保偏光纤纤芯一样具有双折射效应，但因不同于保偏光纤纤芯折射率分布有两个轴对称，其一个轴对称折射率分布不均匀致使的双折射效应，会导致纤芯内传输一个偏振态和一个畸变态。这种控制纤芯折射率的倾斜二维分布状态下的非对称设计，只会维持传输模的部分偏振性。因此写入光纤布拉格光栅时，会先出现两个反射峰，此时若持续刻写，两个峰会持续展宽，并随着折射率调制加深，使啁啾效应加强，最后导致两峰合并成一个平顶峰。
本发明至少具备以下的几项突出的有益效果：
(1)、本发明通过给出基于单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅，进而给出一种非对称光纤布拉格光栅及其制备方法，适用于光纤纤芯位于光纤几何中心的非对称光纤布拉格光栅的制备。
(2)、本发明使用均匀光纤布拉格光栅掩模板制备啁啾光纤布拉格光栅，节省了购买啁啾光纤布拉格光栅掩模板的成本。
(四)附图说明
图1为单模光纤、保偏光纤以及单应力元光纤的截面示意图，(a)为单模光纤，(b)为熊猫保偏光纤，(c)为单应力元光纤。
图2为单应力元光纤的模型，2-1为单应力元光纤包层，2-2为应力元，2-3为单应力元光纤纤芯。
图3为刻写单应力元光纤光纤布拉格光栅以及非对称光纤布拉格光栅的系统示意图，3-1为准分子激光器，3-2为反射镜部，3-3为扩束镜部，3-4为柱透镜部，3-5为小型龙门架，3-6为集成光源的CCD组件，3-7为光纤布拉格光栅相位掩模版部，3-8为U型槽，3-9为光纤旋转夹具部，3-10为单应力元光纤，3-11为宽带光源，3-12为光谱仪。
图4为确定单应力元光纤内纤芯和应力元相对位置的操作，所需部件的示意图，4-1为小型龙门架，4-2为集成光源的CCD组件，4-3为光纤旋转夹具，4-4为单应力元光纤，4-5为U型槽，4-6/4-7为Z轴升降台，4-8为转接板，4-9为XY位移台。
图5为确定单应力元光纤内纤芯和应力元相对位置操作时的示意图，5-1为U型槽，5-2为折射率和单应力元光纤包层折射率一致的匹配液，5-3为单应力元光纤包层，5-4为单应力元光纤纤芯，5-5为单应力元光纤内的应力元，5-6为紫外激光，h为单应力元光纤纤芯和应力元边缘的距离。
图6为调整好单应力元光纤内纤芯和应力元相对位置的光纤轴向示意图，6-1为U型槽，6-2为折射率和单应力元光纤包层折射率一致的匹配液，6-3为单应力元光纤包层，6-4为单应力元光纤纤芯，6-5为单应力元光纤内的应力元，6-6为紫外激光，h为单应力元光纤纤芯和应力元边缘的最大距离。
图7为光纤布拉格光栅相位掩模版部的结构示意图，7-1为旋转盘底座，7-2为旋转盘，7-3为光纤布拉格光栅相位掩模版，7-4为光纤布拉格光栅相位掩模版内的栅区，7-5为单应力元光纤，7-6为XYZR四轴位移台。
图8为将单应力元光纤光纤布拉格光栅作为透射式器件的传感头结构示意图，8-1为输入单模光纤，8-2为单应力元光纤包层，8-3为单应力元，8-4为单应力元光纤纤芯，8-5为写入光纤布拉格光栅的单应力元光纤纤芯，8-6为输出单模光纤。
图9为单应力元光纤端的径向截面一维折射率分布示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅的制备方法
优选的，本实施例中，应力元的直径可以为32微米，其几何中心距离光纤几何中心可以为26微米。
本发明使用的啁啾光纤布拉格光栅刻写系统如图3所示，制备步骤如下：
步骤1：设置准分子激光器3-1的刻写参数，并调整刻写系统内反射镜部3-2、扩束镜部3-3和柱透镜部3-4的相对位置准直紫外激光束，使其能准确聚焦到待写入的单应力元光纤3-10的纤芯位置；
步骤2：选取参数合适的光纤布拉格光栅相位掩模版，置于掩模版夹具上组成光纤布拉格光栅相位掩模版部3-7；
步骤3：完全去除单应力元光纤上待刻写光纤布拉格光栅区域和左右两侧嵌入U型槽区域的涂覆层，并放入光纤旋转夹具3-9内固定，在左右夹具之间，分别升起两个可包嵌单应力元光纤的U型槽3-8，槽内滴入与单应力元光纤包层折射率一致匹配液；
步骤4：先使用小型龙门架3-5将集成光源的CCD组件3-6移至一侧U型槽3-8正上方，开光观测光纤内应力元和纤芯的相对位置，正反旋转同侧的旋转光纤夹具3-9，至相对于紫外激光入射方向，应力元处于纤芯后侧，且和纤芯之间出现最大的距离时停止，记录此时旋转夹具的刻度，另一侧重复进行相同操作；
步骤5：此时应力元和纤芯相对位置已经确定，可通过同时按刻度旋转光纤旋转夹具3-9调整二者的相对位置，以满足制备不同光纤布拉格光栅的需要；
步骤6：将单应力元光纤3-10一端接入宽带光源3-11，另一端接入光谱仪3-12，开启准分子激光器3-1，经准直扩束压缩成细窄平行光后，通过光纤布拉格光栅相位掩模版部3-7进行曝光，并通过光谱仪3-12实时监测写入过程，达到所需的光谱时停止曝光；
步骤7：断开单应力元光纤3-10和宽带光源3-11与光谱仪3-12的连接，打开光纤旋转夹具3-9，取下单应力元光纤3-10，并进行封装。
在步骤2中，调整光纤布拉格光栅相位掩模版的详细操作如下：(1)调整光纤布拉格光栅相位掩模版栅线和单应力元光纤的夹角。如图7所示，光纤布拉格光栅相位掩模版7-3固定在旋转盘7-2上，可通过旋转盘7-2边缘的刻度，决定光纤布拉格光栅相位掩模版的旋转角度。该旋转角度也同样会是光纤布拉格光栅相位掩模版栅线7-4和单应力元光纤7-5的夹角。(2)调整紫外激光入射到光纤布拉格光栅相位掩模版的入射角。如图7所示，光纤布拉格光栅相位掩模版固定在XYZR四轴旋转位移台7-6上，可以通过旋转XYZR四轴旋转位移台7-6，轻易调整紫外激光入射到光纤布拉格光栅相位掩模版上的夹角。
在步骤3和步骤4中，以一侧U型槽为例，确定单应力元光纤内纤芯和应力元的确切位置的详细操作如下：如图4所示，在将单应力元光纤4-4进行前期处理，并放置于光纤旋转夹具4-3后，利于Z轴位移台4-7将U型槽4-5升起至包嵌单应力元光纤4-4，再于U型槽4-5中滴入与单应力元光纤包层折射率一致匹配液。使用小型龙门架4-1将集成光源的CCD组件4-2移至U型槽4-5正上方，开光观测光纤内应力元和纤芯的相对位置。Z轴升降台4-6可以在步骤1里调整光纤的高度；转接板4-8可以保证光纤旋转夹具4-3和U型槽4-5同时跟随XY位移台4-9运动。
观测的情况如图5所示，开始观测时，如图5(a)所示单应力元光纤的纤芯5-4和应力元5-5会出现随机的初始位置，二者的边缘距离h可用CCD上观测到的像素点来标定。旋转图4中的光纤旋转夹具4-3，h也会随之变化，当h达到最大值hmax，且单应力元光纤纤芯5-4、应力元5-5和紫外激光5-6三者的相对位置如图5(b)所示时，单应力元光纤纤芯5-4和应力元5-5的相对位置即可确定。此时从侧面看的结果如图6所示，单应力元光纤纤芯6-4和应力元6-5的几何中心联线会平行于刻写系统所在光学平台。对另一侧使用相同操作，标定好单应力元光纤纤芯和应力元位置后，即可旋转光纤旋转夹具，以满足制备单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅时的相对位置要求。
制备完成的单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅如图8所示。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些实例性实施方式。具体术语仅作为通用性和说明性意义，并非为了限制本发明受保护的范围。

Claims (7)

1.一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，其特征在于：单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅的组成部分包括单应力元光纤和其纤芯内写入的啁啾光纤布拉格光栅。
2.根据权利要求1所述的一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，其特征在于：所述的单应力元光纤是围绕纤芯设置一个应力元的特种光纤。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，其特征在于：所述的应力元是热膨胀系数不等于石英基体热膨胀系数的材料。
4.根据权利要求1所述的一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，其特征在于：所述的单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅的啁啾效应是通过纤芯折射率不均匀分布实现。
5.一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，其特征在于：其制备方法是使用均匀光纤布拉格光栅掩模板，在单应力元光纤纤芯内写入的啁啾光纤布拉格光栅。
6.根据权利要求5所述的一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤：
1)将准分子激光器、反射镜、扩束镜、柱透镜、掩模板和单应力元光纤依次按序放入刻写光路中；
2)使用U型槽、包层折射率匹配液、显微镜和光纤旋转夹具调整光纤中应力元位置，使单应力元不遮挡紫外激光照射纤芯；
3)使用紫外激光在纤芯中写入啁啾光纤布拉格光栅；
4)再涂覆或封装单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅。
7.根据权利要求5所述的一种单应力元光纤啁啾光纤布拉格光栅及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法中，光纤平行或不平行于均匀光纤布拉格光栅掩模板，均可制备啁啾光纤布拉格光栅。
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