CN112925056B - 抑制高阶谐振和散射损耗的ii型长周期光纤光栅 - Google Patents

抑制高阶谐振和散射损耗的ii型长周期光纤光栅 Download PDF

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Abstract

抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，包括光纤，通过飞秒激光直写技术在光纤的纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写沿光纤轴向直线分布的长周期光纤光栅，以抑制散射损耗；长周期光纤光栅的折射率调制随光栅长度的变化为类正弦，以避免高阶谐振的发生，其中飞秒激光所带来的折射率调制为负。本发明可有效的降低飞秒激光造成的折射率变化区域对基模的散射损耗，有效的避免高阶谐振。

Description

抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅
技术领域
本发明涉及光纤光栅技术领域，特别涉及一种抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅。
背景技术
长周期光纤光栅能实现同向传输模式的耦合，在满足相位匹配的条件下，纤芯模式通过长周期光纤光栅可耦合至包层模进行传输，其在光纤激光器中可作为滤波器件，如拉曼滤除器，提升激光器的性能，此外，包层模式对外界因素较为敏感，长周期光纤光栅在光纤传感中也扮演着重要角色。
制备长周期光纤光栅的方法很多，但都存在一些缺陷，比如：(1)通过周期性的应力场可实现长周期光纤光栅，但在无应力场的情况下，长周期光纤光栅也不存在。(2)通过CO2激光器可在光纤包层表面刻出周期性结构，从而实现长周期光纤光栅，但由于包层结构受到破坏这周长周期光纤光栅通常较为脆弱，且当这种光栅用于高功率激光器时，在包层传输的泵浦光会因此大量泄漏。(3)紫外曝光法可刻写高质量的长周期光纤光栅，但光纤需要预先载氢，且需要比较繁琐的退火处理，若处理不当也会对光栅性能造成影响，从而影响激光器的性能。
飞秒激光可聚焦在纤芯中刻写长周期光纤光栅，光纤无需载氢，光栅性质也较为稳定。按照光栅的性质分类，通过飞秒所刻写的光栅主要分为两大类，第一类是光栅折射率调制为正的I型光栅，这类光栅插损较小，但在高温情况下这类光栅也会退化。第二类是高度局域化且折射率调制为负的II型光栅，这种光栅性质非常稳定，即使是1000℃的高温，光栅也很稳定，但这种光栅存在较大的插损，对于一些特殊的用途，如大功率光纤激光器系统，既需要光栅能承受一定的高温，也需要其插损小，因此研制低插损的II型光栅是非常必要的。另外，通常利用飞秒激光制备的长周期光纤光栅的方法是在纤芯中刻写线段，其耦合系数随光栅长度变化的函数为方波，谐波成分带来的高阶谐振同样也会存在，这也是本领域技术人员需要解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅。本发明采用低插损飞秒激光逐点刻写低插损长周期光纤光栅，其耦合系数函数为正弦，可有效的避免高阶谐振，且光栅分布区域为纤芯正中心到纤芯包层交接的界面处，可有效的抑制散射损耗。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，包括光纤，通过飞秒激光直写技术在光纤的纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写沿光纤轴向直线分布的长周期光纤光栅，以抑制散射损耗；长周期光纤光栅的折射率调制随光栅长度的变化为类正弦，以避免高阶谐振的发生，其中飞秒激光所带来的折射率调制为负。
进一步地，长周期光纤光栅由一系列线段形式的光栅单元组成，光栅单元的长度相等且相邻光栅单元之间的间距相等。
进一步地，整个长周期光纤光栅的长度在4cm以上，光栅插损在0.5dB以内，可满足高功率激光器的应用需求。
进一步地，飞秒激光的每个脉冲的强度都受到了外界调制信号的调制。
进一步地，外界调制信号可以为多个不同频率的正弦信号叠加而成。当外界调制信号为多个不同频率的正弦信号叠加而成时，根据外界调制信号中多个不同频率的正弦信号的频率差以及光栅的长度，可实现重叠光栅刻写以及实现光栅切趾，光栅的插损同样能保持在0.5dB以内。
进一步地，外界调制信号带有一定的啁啾。当外界调制信号带有一定的啁啾时，可实现啁啾光栅的刻写，该长周期啁啾光栅可在数百纳米的范围内实现纤芯模向包层模的转换。
本发明的有益技术效果如下：
本发明所刻写的光栅分布于纤芯正中间与纤芯包层交界面之间，可有效的降低飞秒激光造成的折射率变化区域对基模的散射损耗。光栅的折射率调制随光栅长度的变化(或耦合系数随光栅长度的变化)为类正弦，可有效的避免高阶谐振。
本发明采用低插损飞秒激光逐点刻写II型长周期光纤光栅，其插损远低于常规飞秒逐线刻写的II型长周期光纤光栅，满足激光器领域应用的需求。此外，光栅透射谱中不存在高阶谐振，可方便的进行模式控制，且II型光栅本身就具有耐高温的特性，在光纤传感系统存在应用的前景。
本发明的光栅光谱的形状受到外界调制信号的控制，可根据实际应用背景，调整外界调制信号的波形，如当外界调制信号为两个正弦信号叠加的情况时，光栅的透射谱也是两种正弦信号所对应的光谱的叠加，这一技术使得光子集成更加便利。
本发明当外界调制信号带有一定的啁啾时，可实现啁啾光栅的刻写。本发明通过调整外界调制信号，可灵活的进行啁啾光栅的刻写，方便于大波长范围的滤波需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是飞秒激光逐点刻写长周期光纤光栅的示意图；
图2是一实施例中所刻写的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅电镜图(部分)；
图3是一实施例中所采用的外界调制信号图；
图4是一实施例中所采用的外界调制信号图；
图5是一实施例中所刻写的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅及其光谱图；
图6是一实施例中所采用的外部调制信号时序图以及所刻写的重叠长周期光纤长周期光栅光谱图；其中图6(a)是外部调制信号时序图，图6(b)是利用图6(a)所示外部调制信号所刻写的重叠长周期光纤长周期光栅光谱图；
图7是一实施例中所采用的外部调制信号时序图以及所刻写的切趾光纤长周期光栅光谱图；其中图7(a)是外部调制信号时序图，图7(b)是利用图7(a)所示外部调制信号所刻写的切趾光纤长周期光栅光谱图；
图8是一实施例中所采用的外部调制信号时序图以及所刻写的啁啾光纤长周期光栅的光谱图；其中图8(a)是外部调制信号时序图，图8(b)是利用图8(a)所示外部调制信号所刻写的啁啾光纤长周期光栅的光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
参照图1，为是飞秒激光逐点刻写长周期光纤光栅的示意图。本发明一实施例中，通过飞秒激光直写技术刻写能够同时抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅。飞秒激光刻写系统中所使用的Pharos Light Conversion飞秒激光器，激光波长为515nm，在刻写过程中激光的重频保持为1kHz，飞秒激光的脉宽为190fs，激光的单脉冲能量受到外界调制信号的控制。
在图1中，光纤被置于三维电动位移平台上，三维电动位移平台带动光纤在水平方向以恒定的速度1mm/s移动，飞秒激光的重频为1kHz，理论上两个点之间的间距为1μm，但在飞秒激光刻写系统中，所用的100倍显微物镜1为干镜，整个刻写过程不需要匹配油的参与，但由于光纤表面柱透镜的特性，单脉冲所造成的折射率改变区域并不是一个点。飞秒激光聚焦于纤芯2正中心与纤芯包层3交界处之间的区域，所刻写的光栅4分布于纤芯正中间与纤芯包层交界面之间，该方式可有效的降低飞秒激光造成的折射率变化区域对基模的散射损耗。光栅的折射率调制随光栅长度的变化为类正弦，以避免高阶谐振的发生。
图2，为一实施例中所刻写的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅(部分)电镜图，通过飞秒激光直写技术在光纤的纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写沿光纤轴向直线分布的光栅。长周期光纤光栅由一系列线段形式的光栅单元组成，光栅单元的长度相等且相邻光栅单元之间的间距相等。长周期光纤光栅的长度在4cm以上，光栅插损在0.5dB以内。在单脉冲能量为150nJ的情况下，单个线段形光栅单元的长度约为5μm，因此相邻两个脉冲所造成的折射率调制区是部分重叠在一起的。由于飞秒激光刻写系统中的激光器的单脉冲能量受到外界调制信号的控制，光栅的周期亦受到外界模拟信号的控制，例如，当需要周期为560μm的光纤长周期光栅，所施加的外界调制信号为3所示，其平均值为7V，峰峰值为2V，周期为560ms，该外界调制信号所对应的能量变化为图4所示，在此时变的能量信号下，在一个光栅周期内共有560个点，所形成的光栅周期也恰好为560μm，即光栅周期为三维电动位移平台水平方向的移动速度与外界调制信号频率的比值(Λ＝v/f)。
参照图5，为一实施例中所刻写的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅及其光谱图；采用飞秒激光直写技术分别在在光纤的纤芯正中心、纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写低插损高度局域化的II型长周期光纤光栅。由于飞秒激光造成折射率变化是一个非线性过程，折射率的变化与单脉冲能量并不是线性关系，所以当在纤芯正中心刻写一条II型长周期光纤光栅的情况，光谱较为混乱受到了高阶谐振的影响，如虚线光谱所示，此时光栅的整体插损较大，当II型长周期光纤光栅分布于纤芯中心与纤芯包层交界面之间时，所形成的光栅插损较小，光谱上无高阶谐振。
本发明一实施例中，提供一种抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，包括光纤，通过飞秒激光直写技术在光纤的纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写长周期光纤光栅，以抑制散射损耗；光栅的折射率调制随光栅长度的变化为类正弦，以避免高阶谐振的发生。其中飞秒激光的每个脉冲的强度都受到了外界调制信号的调制，外界调制信号为多个不同频率的正弦信号叠加而成，以实现重叠光栅的刻写。参照图6，图6是一实施例中所采用的外部调制信号时序图以及所刻写的重叠长周期光纤长周期光栅光谱图；其中图6(a)是外部调制信号时序图，图6(b)是利用图6(a)所示外部调制信号所刻写的重叠长周期光纤长周期光栅光谱图。外界调制信号为不同频率的正弦信号叠加时，所形成的光栅是各正弦信号所对应周期的光栅相叠加。如当外界所输入的调制信号分别为频率1.6667Hz、峰峰值为1V和频率为2Hz、峰峰值为1V的正弦信号相叠加的形式时，所对应的光栅周期分别为600μm和500μm，其时序信号为图6(a)所示，其光谱为图6(b)中的实线所示，频率为1.6667Hz以及2Hz所对应的光谱为图6(b)中点状线和虚线所示，实线光谱所对应的谐振波长正好为点状线和虚线光谱中所有的谐振波长。
本发明一实施例中，提供一种抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，包括光纤，通过飞秒激光直写技术在光纤的纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写长周期光纤光栅，以抑制散射损耗；光栅的折射率调制随光栅长度的变化为类正弦，以避免高阶谐振的发生。其中飞秒激光的每个脉冲的强度都受到了外界调制信号的调制，外界调制信号为多个不同频率的正弦信号叠加而成，以实现重叠光栅的刻写。根据多个不同频率的正弦信号的频率差以及光栅的长度，能够实现重叠光栅刻写以及实现光栅切趾。图7是一实施例中所采用的外部调制信号时序图以及所刻写的切趾光纤长周期光栅光谱图；其中图7(a)是外部调制信号时序图，图7(b)是利用图7(a)所示外部调制信号所刻写的切趾光纤长周期光栅光谱图。本发明可以实现重叠光栅的刻写，控制两个正弦信号的频率以及光栅的长度，亦可实现切趾光纤长周期光栅。图7(b)中的实线为根据以上所描述的方法，当频率为2Hz，即周期为500μm时光纤长周期光栅的光谱(光栅长度为2cm)，在第一个谐振波长的短波处存在较大的插损，该损耗源于谐振波长附近的旁瓣，当外界调制信号的频率分别1.975Hz与2.025Hz，且峰值都为1V时，其时序信号如图7(a)所示，其大包络所对应的频率为0.025Hz，其半周期为20秒，对应的光栅的长度正好为2cm，即通过该方式可实现余弦切趾，余弦切趾光纤长周期光栅的光谱如图7(b)中的虚线所示，通过该方式可实现较好的切趾，第一个谐振波长的短波处的插损有非常明显的降低。
本发明一实施例中，提供一种抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，包括光纤，通过飞秒激光直写技术在光纤的纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写长周期光纤光栅，以抑制散射损耗；光栅的折射率调制随光栅长度的变化为类正弦，以避免高阶谐振的发生。其中飞秒激光的每个脉冲的强度都受到了外界调制信号的调制。外界调制信号带有一定的啁啾，能够实现啁啾光栅的刻写。参照图8，图8(a)为外界输入的调制信号，在0-40秒的范围内，模拟信号的频率由1.6667Hz线性增加到2Hz，即该啁啾光栅的周期为500-600μm，啁啾光纤长周期光栅的透射谱如图8(b)所示，在波长为1300-1600nm的范围内，光谱都处于2dB以下，该光栅存在明显的啁啾效果，该器件适用于大波长范围的滤波。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，包括光纤，其特征在于：通过飞秒激光直写技术在光纤的纤芯正中心与纤芯包层交界处之间的区域刻写沿光纤轴向直线分布的长周期光纤光栅，以抑制散射损耗；长周期光纤光栅的折射率调制随光栅长度的变化为类正弦，以避免高阶谐振的发生，其中飞秒激光所带来的折射率调制为负。
2.根据权利要求1所述的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，其特征在于：长周期光纤光栅由一系列线段形式的光栅单元组成，光栅单元的长度相等且相邻光栅单元之间的间距相等。
3.根据权利要求2所述的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，其特征在于：长周期光纤光栅的长度在4cm以上，光栅插损在0.5dB以内。
4.根据权利要求1、2或3所述的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，其特征在于：飞秒激光的每个脉冲的强度都受到了外界调制信号的调制。
5.根据权利要求4所述的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，其特征在于：外界调制信号为多个不同频率的正弦信号叠加而成。
6.根据权利要求5所述的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，其特征在于：根据多个不同频率的正弦信号的频率差以及光栅的长度，能够实现重叠光栅刻写以及实现光栅切趾。
7.根据权利要求4所述的抑制高阶谐振和散射损耗的II型长周期光纤光栅，其特征在于：外界调制信号带有一定的啁啾，能够实现啁啾光栅的刻写。
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Address after: Room 516, Building B1, Lugu Science and Technology Innovation and Entrepreneurship Park, No. 1698, Yuelu West Avenue, Changsha High-tech Development Zone, Changsha, Hunan Province 410221

Applicant after: Changsha Chaolei Intelligent Technology Co.,Ltd.

Address before: 410000 room 1007, building 9, East District, phase II, Yulong Tianxia Jiayuan, North Jinxing Road, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province

Applicant before: Wu Wuming

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