CN112596149A - 一种多芯光纤光栅阵列刻写系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，系统包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、掩模板固定装置、光纤夹具、侧抛毛细管、导轨、滑块和支撑杆。本发明提供的多芯光纤光栅阵列刻写装置，通过侧抛毛细管改善了照射到光纤上的光场分布，消除了光纤本身柱面效应带来的影响，提高了刻写质量。同时，利用计算机设定移动滑块的距离，控制滑块的移动，支撑杆上的光纤随之移动，本装置无需手动频繁的装夹光纤就可以实现光栅阵列的刻写。本发明可有效改善刻写光束在光纤横截面上的光场分布，实现高密度多芯光纤及其他异形芯光纤光栅阵列的制备。

Description

一种多芯光纤光栅阵列刻写系统

(一)技术领域

本发明涉及光纤光栅制备技术领域，具体涉及一种多芯光纤光栅阵列刻写系统。

(二)背景技术

光纤光栅是指在光纤纤芯内建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。单模光纤布拉格光纤光栅(FBG)是目前研究较为成熟的光纤光栅，该类光栅具有优异的光学窄带滤波特性与传感特性，因其制作简单、造价低、稳定性好、体积小等诸多优点，已经在光电子领域和光纤传感领域有着广泛的应用。近年来，为了满足通信和传感的需求，很多特殊的光纤结构被设计和制作出来，如大芯径光纤、多芯光纤、环形芯光纤、多包层光纤等，开展特种光纤光栅特性的研究也逐年增多。

相位掩模板法是目前广泛使用的光纤光栅刻写方法，该方法通常使用紫外光照射相位掩模板形成衍射条纹，利用±1级衍射条纹侧面曝光光敏光纤制备FBG。该方法大大减低了对光源的相干性要求，而且制备的FBG的布拉格波长只取决于相位掩模板的条纹周期，减低了光栅制备工艺难度。基于紫外激光的相位掩模板法作为最普遍采用的FBG制备方法，为FBG的实用化与产业化奠定了基础。

基于紫外激光的相位掩模板方法也被尝试用于特殊光纤的光栅刻写，但由于特殊光纤的结构与单模光纤存在很大不同，部分特殊光纤属于异形芯光纤，即这类光纤的波导纤芯未处在光纤中心，而是分布在整个光纤界面内。因此，在采用相位掩模板制备光纤光栅时，由于光纤本身的柱面透镜效应，使得从掩模板出射的±1级衍射光束很难在整个光纤横截面上形成均匀光强分布，因而难以制备出高质量的光纤光栅。文献(LINDLEY E,MIN S-S,LEON-SAVAL S,et al.Demonstration of uniform multicore fiber Bragg gratings[J].Optics Express,2014,22(25):31575.)提出了一种多芯光纤光栅制备方法，选择一段尺寸合适的石英毛细管，将毛细管一侧打磨一定厚度后抛光，将待刻写光纤插入该毛细管内，使相位掩模板的衍射光束从毛细管的侧抛面照射，以消除光纤本身的柱状透镜效应。该方法需要剥除较长的涂覆层，夹持起来较为困难。专利CN 106249348 B提出了一种切趾光纤光栅刻写方法，该方法在刻写光栅的同时旋转待刻写光纤，消除由于大芯径导致的光感折射率调制不对称性。该方法在刻写的同时需旋转待刻写光纤，光路的细微不对称性或旋转马达的轻微震动都会影响到FBG的刻写效果，对环境的要求较为严苛，制作起来较为困难。专利CN111552023A提出了一种半圆形补偿板的制作方法，通过一个半圆形的补偿板与光纤贴合，来抵消掉光纤的柱面效应，但此方法需要在石英平板上制作一个可与光纤贴合的半圆槽，制作工艺较为复杂，成本相对较高。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种多芯光纤光栅阵列刻写系统。该技术可以改善照射到光纤上的光场分布，消除了光纤本身柱面效应带来的影响，提高了刻写光栅的质量，同时，利用计算机控制滑块的移动，实现光栅阵列的刻写，无需频繁的手动装夹光纤，缩短刻写周期，提高刻写效率。

本发明的目的是这样实现的：

发明一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，系统包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、掩模板固定装置、光纤夹具、侧抛毛细管、导轨、滑块和支撑杆。支撑杆安装在导轨上，可以随着导轨移动，滑块可移动的长度要大于所需刻写的光栅阵列的长度。

激光器发出的光经紫外反射镜改变光的传播方向，通过扩束镜扩大光斑的面积，由光阑选择光斑质量较好的区域作为刻写光束。紫外光通过柱透镜后，光斑被聚焦成为线状光斑。掩模板放在掩模板固定装置中，侧抛毛细管放置在掩模板后方，平面的一侧靠近掩模板，如图2所示，光纤剥除涂覆层后紧贴毛细管的内壁放置，由光纤夹具夹持，进行光栅刻写。为了消除由于光纤悬浮带来的影响，所述系统包括采用两组光纤夹具，一组位于支撑杆上，用于控制光纤的移动；另一组置于气浮台上，靠近掩模板，用于刻写时对光纤进行固定。

在进行光栅阵列刻写时，首先剥除光栅阵列区域的涂覆层，通过计算机控制导轨上滑块的移动，使支撑杆上的光纤随之移动，可以实现在同一根光纤上进行光栅阵列的刻写，避免了频繁的手动装夹光纤，节省了刻写的时间。

在刻写不同波长的光栅阵列使，需对掩模板进行更换，系统中所用的掩模板固定装置可以是传统的手动更换固定装置，也可以是由计算机控制的阵列型固定装置，如圆盘阵列型、线性阵列型等。

所述的紫外激光器光源波长为248nm，频率可调，光斑直径0.5mm，可通过改变电压实现输出能量的调节。

所述的紫外反射镜放置在激光器紫外光的输出方向，其248nm波长的反射率不小于95％。反射镜与入射光成45°角，用来改变光束的传输方向。

所述的柱透镜位于光阑后方，用来对刻写光束进行聚焦，使紫外光聚焦成线状光斑。

所述的光栅掩模板可选用各种适用于光栅刻写的相位掩模板，紫外光照射相位掩模板形成衍射条纹，光纤放置在掩模板后方的线状光斑上，利用±1级衍射形成的干涉条纹实现光栅的制备，如图3所示。

所述的侧抛毛细管位于掩模板的后方，其由石英毛细管两侧抛磨制成，石英毛细管内壁光滑，内径不小于光纤直径。从毛细管径向观察，泡沫后的毛细管一侧为抛磨掉一半的毛细管，另一侧抛磨成平面，平面的长度大于毛细管的内直径，如图2所示。

所述的侧抛毛细管放置在一个三维调节架上，该调节架可以利用计算机控制实现三维调节，也可以通过手动调节实现对侧抛毛细管的位置调节。

作为本发明的进一步改进，其中一个位于气浮台上光纤夹具可与一拉力计相连，该夹具可以通过一个三维调节架进行调节。通过对拉力的监测，可以实现光栅刻写中心波长的一致性；同时，通过增加对光纤的拉力，可以实现一块掩模板对不同中心波长的光栅的刻写。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过增加侧抛毛细管改善了因光纤柱面效应引起的光纤截面光场不均匀性，可实现大芯径光纤、高密度多芯光纤、环形芯光纤等特种光纤光栅的刻写。

(2)本发明无需使用匹配液等材料，同时不需要贴合掩模板，对光栅掩模板起到一定的保护作用，增加了掩模板的使用寿命。

(3)本系统中增加了导轨和滑块，利用计算机控制滑块的移动，实现光栅阵列的刻写，无需频繁的手动装夹光纤，缩短刻写周期，提高刻写效率。

(4)通过对本装置进行微调整可以由一块掩模板实现不同中心波长和不同倾斜角度的光纤光栅的刻写。

(四)附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为侧抛毛细管结构示意图；

图3为利用掩模板制备光栅的示意图；

图4为导轨、滑块及支撑杆部分示意图；

图5(a)传统7芯光纤光栅刻写系统仿真示意图、(b)为侧抛毛细管7芯光纤光栅刻写仿真示意图；

图中：1-紫外激光器、2-紫外反射镜、3-扩束镜、4-光阑、5-柱透镜、6-光栅掩模板固定装置、7-光纤、801-光纤夹具、802-光纤夹具、803-光纤夹具、804-光纤夹具、9-侧抛毛细管、10-导轨、11-滑块、12-支撑杆。

(五)具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在没有去做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，系统包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、掩模板固定装置、光纤夹具、侧抛毛细管、导轨、滑块和支撑杆。

本发明的技术路线是基于相位掩模板光栅刻写法设计了一套新的多芯光纤光栅阵列制备系统。掩模板放在掩模板固定装置中，侧抛毛细管放置在掩模板后方，平面的一侧靠近掩模板并与掩模板保持平行，光纤剥除涂覆层后紧贴毛细管的内壁放置，由光纤夹具夹持，进行光栅刻写。该技术可以改善照射到光纤上的光场分布，消除了光纤本身柱面效应带来的影响，提高了刻写光栅的质量，同时，利用计算机控制滑块的移动，实现光栅阵列的刻写，无需频繁的手动装夹光纤，缩短刻写周期，提高刻写效率。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种多芯光纤光栅阵列刻写系统。包括紫外激光器1、紫外反射镜2、扩束镜3、光阑4、柱透镜5、光栅掩模板6、光纤7、光纤夹具801、802、803、804、擦炮毛细管9、导轨10、滑块11、支撑杆12。

紫外激光器1输出可调谐紫外光，波长248nm，输出能量和频率可调，光斑直径0.5mm；输出的光经紫外反射镜2反射后改变光的传播方向，反射镜与光束的角度可调；反射后的紫外光入射到扩束镜3上，经扩束镜后光斑的面积变大，经由光阑4选择光斑质量较好的区域用作光栅的刻写，光阑的孔径小于扩大后光斑的大小。通过光阑选择后的紫外光照射到柱透镜5上，光斑被聚焦成为线状光斑，聚焦后的光斑照射到由光栅固定装置6夹持的相位掩膜板上。紫外光通过掩模板后形成衍射，利用±1级衍射形成的干涉条纹，在掩模板侧面曝光光敏光纤制备光纤光栅，如图3所示。

传统方法制备光栅时，光纤放置在掩膜板的后方，紫外光照射到光纤上时，由于光纤本身的结构会导致柱面效应，导致光束的聚焦，刻写光束并不能均匀的照射到光纤上，其射线轨迹的仿真结果如图5(a)所示。当刻写高密度多芯光纤光栅、大芯径光纤光栅及其他异形芯光纤光栅式，很难保证光栅的质量。

本系统增加了一个侧抛毛细管，通过对材质与光纤包层相同的厚壁毛细管两侧进行抛磨，得到我们所需的结构。首相将毛细管一侧进行抛磨至漏出毛细管内孔，使光纤可以推入其中；其次将另一侧进行抛磨掉一部分，并将表面抛光，使紫外光在其表面不发生漫反射，抛磨后的结构如图2所示。侧抛毛细管放置在掩膜板的后方，其位置由一个三维位移台控制，当紫外光通过毛细管照射到光纤上时，由于毛细管和光纤包层材质相同，紫外光并不会发生折射，其射线轨迹的仿真结果如图5(b)所示，保证了入射到光纤上的光场是均匀的，消除光纤结构带来的柱面效应，提高了光栅的刻写质量。

在进行光纤光栅阵列刻写时，首先将光纤剥除涂覆层，装夹在光纤移动装置上。该装置结构如图4所示，由导轨10、滑块11、支撑杆和光纤夹具803、804组成，夹具各803、804置于一个电动位移台上，可以通过计算机控制夹具的移动，用于调整光纤的相对位置。调整夹具803和804，使将装夹好的光纤紧贴在毛细管的内壁上，同时，在刻写较长的光栅阵列时，为了消除由于光纤悬浮带来的影响，本系统采用另外一组光纤夹具801、802在刻写时对光纤进行固定。在需要刻写不同波长的光栅阵列时，需要对掩膜板进行更换，本实施例采用线性阵列的掩膜板固定装置，装置由不同中心的掩膜板阵列组成，通过计算机可以控制各掩膜板的位置。

通过计算机控制各位移台、滑块及掩膜板固定装置的移动，可以实现半自动光纤光栅阵列的刻写，在刻写过程中无需频繁的手动装夹光纤，缩短刻写周期，提高刻写效率。

Claims (5)

1.一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，其特征是：装置包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、掩模板固定装置、光纤夹具、侧抛毛细管、导轨、滑块和支撑杆；

激光器发出的光经紫外反射镜改变传播方向，经扩束镜放大光斑面积，由光阑选择光斑质量较好的区域，通过柱透镜后，光斑被聚焦成为线状光斑；侧抛毛细管放置在掩模板后方，光纤剥除涂覆层后紧贴毛细管的内壁放置，由光纤夹具夹持；控制导轨上滑块的移动，使支撑杆上的光纤随之移动，实现同一根光纤上光栅阵列的刻写。

2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，其特征是：所述的侧抛毛细管由石英毛细管两面侧抛制成，内壁光滑，内径不小于光纤直径。

3.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，其特征是：所述的侧抛毛细管从径向观察，一面抛磨掉一半的毛细管，另一面抛磨成平面，平面的长度大于毛细管的内直径。

4.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，其特征是：所述的滑块由步进电机控制。

5.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅阵列刻写系统，其特征是：所述的掩模板固定装置可以是手动更换掩模板的单一固定装置，也可以是由计算机控制的阵列型掩模板固定装置。

Images