CN113900176B - 浸没式多芯光纤光栅刻写装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浸没式多芯光纤光栅刻写装置，由用于产生线状紫外光斑的线状紫外光斑产生模块、浸没式光栅刻写模块和用于实时监测多芯光纤光栅刻写效果，判定刻写结束条件的刻写监测模块组成，其中，所述浸没式光栅刻写模块由紫外透过窗、相位掩膜版、液体槽、角度可调光纤夹具和折射率匹配液体组成。折射率匹配液体的折射率为[x‑0.457,x+0.54]，x为多芯光纤包层的折射率，角度可调光纤夹具夹持多芯光纤浸没于折射率匹配液体中，且紫外透过窗、相位掩膜版和角度可调光纤夹具均与线状紫外光斑的传播方向垂直。本发明通过折射率匹配液体中消除或减少光纤柱面效应的影响，实现多纤芯的均匀刻写，适用于各种材料、各种直径的多芯光纤。

Description

浸没式多芯光纤光栅刻写装置

技术领域

本发明涉及多芯光纤刻写领域，尤其涉及一种浸没式光纤光栅刻写装技术和刻写装置。

背景技术

光纤光栅是在光纤轴向内建立的周期性折射分布，用于改变或控制光在该区域的传播行为或方式。单模光纤光栅具有体积小、造价低、稳定性好、可植入敏感材料等优点，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，在光纤激光器、光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。几年来，为了满足通讯和传感的需求，多纤芯的光纤被设计和制作出来，开展多芯光纤光栅特性的研究也日益增多。

现有光纤光栅刻写设备中，单模光纤的刻写设备已十分成熟。但是因光纤柱面效应的影响，单模光纤内的光场分布不均匀，不适用于多芯光纤的刻写。多芯光纤光栅刻写设备中，已知有技术在光纤前加入异性透镜实现光场调制，异性透镜通过相位补偿使用于光栅刻写的紫外激光在光纤内均匀分布。

文献(LINDLEY E ,MIN S-S,LEON-SAVAL S ,et al .Demonstration of uniformmulticore 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光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，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和CN112596149A分别提出使用带有半圆条形槽的石英平板和剖面玻璃管作为补偿版与光纤贴合，抵消光纤柱面效应，但对不同直径光纤需要分别加工补偿板，且不同材质的光纤需选用不同材质的补偿板，加工工艺复杂，成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液体相位补偿机制的浸没式多芯光纤光栅刻写装置。该装置可以补偿光纤柱状结构引入的光程差，改善光纤内补光场分布均匀性，实现多芯光纤光栅的刻写。同时，对不同直径光纤具有自适应能力，无需更换组件。

本发明采用的技术方案如下：

浸没式多芯光纤光栅刻写装置，区别于传统光栅刻写装置，本发明所刻写的光纤光栅在液体中进行，有效避免了光纤柱面效应引起的光场分布不均匀问题的出现。具体包括：

线状紫外光斑产生模块，用于产生线状紫外光斑；

浸没式光栅刻写模块，用于对多芯光纤进行紫外光曝光，写入光栅，由液体槽、紫外透过窗、相位掩膜版、光纤夹具和盛放于液体槽内的折射率匹配液体组成，其中，光纤夹具用于夹持多芯光纤，所述折射率匹配液体是稳定且能透过紫外光的盐溶液，折射率匹配液体的折射率为[x-0.457,x+0.54]，x为多芯光纤包层的折射率，光纤夹具夹持多芯光纤浸没于折射率匹配液体中，且紫外透过窗、相位掩膜版和光纤夹具均与线状紫外光斑的传播方向垂直；

和刻写监测模块，用于实时监测多芯光纤光栅刻写效果，判定刻写结束条件。

进一步地，所述线状紫外光斑产生模块由产生紫外光的紫外激光器、用于调整紫外光传播方向和离光学平台距离的紫外反射镜组、扩束镜组、光阑和柱透镜等光学组件搭建而成，其紫外光光路延伸到浸没式光栅刻写模块。紫外激光器的输出光经角度和高度可调的反射镜组调整传播方向和位置，入射到扩束镜组，实现扩束功能。扩束后的紫外光经光阑选择光斑质量较好的区域用作光栅的刻写；光阑选择后的紫外光经柱透镜聚焦成线光斑，传播到所述浸没式光栅刻写模块中。

进一步地，所述光学组件搭建的线状紫外光斑产生模块中，紫外激光器可以为功率可调的激光器，输出波长可以选择248 nm。

进一步地，所述浸没式光栅刻写模块对多芯光纤进行紫外光曝光，用于写入光栅。具体地，所述线状紫外光斑产生模块输出的线光斑经过紫外透过窗进入液体槽；液体槽中盛放有足量的折射率匹配液体；相位掩膜版、角度可调光纤夹具以及刻写的多芯光纤均浸没于折射率匹配液体中。紫外光通过折射率匹配液体垂直照射在掩膜版上；利用相位掩膜版的±1级衍射形成干涉条纹，曝光光敏多芯光纤制备光纤光栅。

进一步地，所述紫外透过窗位于液体槽顶部且与所述液体槽密封，防止所盛放折射率匹配液体泄露。

进一步地，所述盐溶液可以是NaCl、KCl、GaCl₂、NaNO₃、KNO₃、Ga(NO₃)₂等稳定金属盐中一种或多种按比例混合组成的盐溶液。所述折射率匹配液的所述盐溶液可以通过改变浓度调整折射率，适配不同材料的光纤。

进一步地，所述光纤夹具为角度可调光纤夹具，角度调整范围为垂直于光纤轴方向与平行于相位掩膜版方向之间。所述角度可调光纤夹具沿光纤轴旋转到向上方向，方便光纤安放，沿光纤轴旋转到平行于相位掩膜版方向，方便光栅刻写。

进一步地，所述刻写监测模块可以由宽光谱光源、光谱分析仪、第一单模光纤、第二单模光纤、第一光纤连接器和第二光纤连接器组成。

进一步地，所述宽光谱光源发射宽光谱光，经第一单模光纤导出；第一单模光纤通过第一光纤连接器与多芯光纤连接；多芯光纤中传导的宽光谱光受所刻写光栅调控，透射光经第二光纤连接器耦合进第二单模光纤中；透射光进一步传导进光谱分析仪中，根据光谱分析仪检测的光谱信息判定光栅刻写情况。

进一步地，所述单模光纤中传导的宽光谱光可以耦合进多芯光纤的中间纤芯，也可以耦合进其余纤芯中。

进一步地，所述刻写监测模块也可以由光栅解调仪、单模光纤、光纤连接器或扇入扇出模块组成，所述光栅解调仪、单模光纤、光纤连接器与多芯光纤依次连接。

进一步地，所述光栅解调仪可基于可调谐激光器原理解调。由光栅解调仪中的可调谐激光器发射波长可调的激光，经单模光纤导出；单模光纤通过光纤连接器与多芯光纤连接；多芯光纤中传导的宽光谱光受所刻写光栅调控，反射光经光纤连接器耦合进单模光纤中；反射光进一步传导进光栅解调仪中，根据光栅解调仪检测的光谱信息判定光栅刻写情况。

进一步地，所述光栅解调仪也可以基于阵列波导光栅原理解调。由光栅解调仪中的ASE光源发射光，经单模光纤导出；单模光纤通过光纤连接器或扇入扇出模块与多芯光纤连接；多芯光纤中传导的宽光谱光受所刻写光栅调控，反射光经光纤连接器耦合进单模光纤中；反射光进一步传导进光栅解调仪中，经阵列波导光栅和光探测器阵列解调和后给出光谱，根据光谱信息判定光栅刻写情况。

进一步地，所述多芯光纤指同一包层内有一个或多个纤芯。

进一步地，所述多个纤芯可以是一个、三个、四个、六个、七个、八个、十二个、十三个、十九个或其他数目。

进一步地，所述光栅可以是均匀光纤光栅、啁啾光纤光栅、相移光栅、取样光栅、闪耀光纤光栅或长周期光纤光栅。

传统光纤光栅刻写装置中，相位掩膜版和光纤置于空气中。照射在光纤上的平行光在光纤柱面效应影响下发生偏折。这种偏折不会对单芯光纤产生不利影响，但会导致多芯光纤的各纤芯受光强度不均匀，甚至造成部分纤芯不受光照，导致光栅刻写失败。在刻写光栅串时，不均匀的光照还会导致光栅串上各光栅的反射功率差异巨大，导致光栅串无法正常工作。

区别于传统光纤光栅刻写装置，本发明的浸没式多芯光纤光栅刻写装置将光纤或和相位掩膜版等同时浸没于液体中。相位掩膜版的±1级衍射形成干涉条纹，当折射率匹配液体与多芯光纤的包层折射率接近时，干涉条纹垂直进入多芯光纤，几乎不受柱面效应的影响。

本发明的浸没式多芯光纤光栅刻写装置具有以下有益效果：

（1）折射率匹配液体中消除或减少光纤柱面效应的影响，实现多纤芯的均匀刻写。

（2）折射率匹配液体可完全包裹各种直径的光纤，形成良好的适配。

（3）通过调整盐溶液种类和浓度，刻适配各种材料的光纤。

（4）可以在包括单纤芯在内的多芯光纤中刻写光栅和光栅串。

附图说明

图1示出为本发明的浸没式多芯光纤光栅刻写装置框图；

图2示出为本发明的线状紫外光斑产生模块示意图；

图3示出为本发明的浸没式光栅刻写模块；

图4示出为本发明的一种刻写监测模块；

图5示出为本发明的另一种包含一（a）或多（b）根第一单模光纤的刻写监测模块；

图6示出为本发明的单模光纤与多芯光纤耦合方式（a）和单模光纤与多根多芯光纤耦合方式（b）示意图；

图7示出为传统光纤光栅刻写技术的光纤柱面效应光传播仿真示意图；

图8示出为本发明折射率匹配液体浸没消除光纤柱面效应的示意图，仿真参数为：光纤包层折射率1.46，纤芯折射率1.468，折射率匹配液体折射率1.46；

图9示出为本发明相位掩膜版刻写多芯光纤光栅示意图，仿真参数为：光纤包层折射率1.46，纤芯折射率1.468，折射率匹配液体折射率1.46；

图10示出为本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置用于七芯、十三芯和十九芯光纤光栅刻写的仿真示意图，仿真参数为：光纤包层折射率1.46，纤芯折射率1.468，折射率匹配液体折射率1.46；

图11示出为本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置用于七芯光纤光栅刻写时光纤不同转动角度下的仿真示意图，仿真参数为：光纤包层折射率1.46，纤芯折射率1.468，折射率匹配液体折射率1.46；

图12示出为一组本发明所刻写七芯光纤光栅串各纤芯（a-g）的反射光谱图；

符号说明

1-线状紫外光斑产生模块，11-紫外光光路，12-紫外激光器，13-紫外反射镜组，14-扩束镜组，15-光阑，16-柱透镜，2-浸没式光栅刻写模块，21-紫外透过窗，22-相位掩膜版，23-液体槽，24-角度可调光纤夹具，25-折射率匹配液体，3-刻写监测模块，31-宽光谱光源，32-光谱分析仪，331-第一单模光纤、332-第二单模光纤，341-第一光纤连接器、342-第二光纤连接器，35-光栅解调仪，4-多芯光纤，5-参考坐标系。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳的实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明公开了一种浸没式多芯光纤光栅刻写装置，由线状紫外光斑产生模块1、浸没式光栅刻写模块2和刻写监测模块3组成，整套装置在光学平台上搭建。其中，线状紫外光斑产生模块1产生线状紫外光斑，其紫外光光路11延伸到浸没式光栅刻写模块2。浸没式光栅刻写模块2对多芯光纤4进行紫外光曝光，用于刻写光栅。在制备光栅的同时，通过刻写监测模块3实时监测光栅刻写效果。区别于传统光栅刻写装置，本发明所刻写的光纤光栅在液体中进行，有效避免了光纤柱面效应引起的光场分布不均匀问题的出现。

如图2所示，本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置的线状紫外光斑产生模块1由紫外光光路11、紫外激光器12、紫外反射镜组13、扩束镜组14、光阑15和柱透镜16组成。其中，紫外激光器12为功率可调的激光器，输出波长248 nm；输出光经角度和高度可调的反射镜组13调整传播方向和离光学平台距离，沿参考坐标系5所示−Y方向传播；传播方向改变的紫外光经扩束镜组14改变光束大小，实现扩束；扩束后的紫外光经光阑15选择光斑质量较好的区域用作光栅的刻写；光阑选择后的紫外光经柱透镜16聚焦成线光斑，传播到浸没式光栅刻写模块2中。

如图3所示，本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置的浸没式光栅刻写模块2由紫外透过窗21、相位掩膜版22、液体槽23、角度可调光纤夹具24和折射率匹配液体25组成，其中相位掩膜版22、角度可调光纤夹具24以及固定在角度可调光纤夹具24的多芯光纤4均与入射光传播方向−Y垂直。线状紫外光斑产生模块1输出的线光斑经过紫外透过窗21进入液体槽23；液体槽23中盛放有足量的折射率匹配液体25，如纯水或盐溶液，其折射率与多芯光纤4的包层折射率接近，范围为[x-0.457,x+0.54]，x为多芯光纤包层的折射率，优选为1.003-2.0；相位掩膜版22、角度可调光纤夹具24以及刻写的多芯光纤4均浸没于折射率匹配液体25中。紫外光通过折射率匹配液体25垂直照射在掩膜版22上；利用相位掩膜版的±1级衍射形成干涉条纹，曝光光敏多芯光纤4制备光纤光栅。所述角度可调光纤夹具的角度调整范围为垂直于光纤轴方向与平行于相位掩膜版方向之间。

本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置的刻写监测模块3的一种实施方式如图4所示，由宽光谱光源31，光谱分析仪32，第一单模光纤331、第二单模光纤332和第一光纤连接器341、第二光纤连接器342组成。宽光谱光源31发射宽光谱光，经第一单模光纤331导出；第一单模光纤331通过第一光纤连接器341与多芯光纤4连接，第一单模光纤331中传导的宽光谱光可以耦合进多芯光纤4的中间纤芯，也可以耦合进其余纤芯中，如图6中的a所示；多芯光纤4中传导的宽光谱光受所刻写光栅调控，透射光经第二光纤连接器342耦合进第二单模光纤332中；透射光进一步传导进光谱分析仪32中，根据光谱分析仪32检测的光谱信息判定光栅刻写情况。

本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置的刻写监测模块3的另一种实施方式如图5所示，由光栅解调仪35、一或多根第一单模光纤331、第一光纤连接器341或扇入扇出模块组成。光栅解调仪35的测试通道可发射波长可调的激光，经第一单模光纤331导出；第一单模光纤331通过第一光纤连接器341（图5中的a）或扇入扇出模块（图5中的b）与多芯光纤4连接，第一单模光纤331中传导的宽光谱光可以耦合进多芯光纤4的中间纤芯，也可以耦合进其余纤芯中，如图6中的a所示；还可以利用多根第一单模光纤331通过扇入扇出模块分别耦合进每根纤芯中，如图6中的b所示；多芯光纤4中传导的宽光谱光受所刻写光栅调控，反射光经光第一纤连接器341耦合进第一单模光纤331中；反射光进一步传导进光栅解调仪35中，根据光谱信息判定光栅刻写情况。其中，光栅解调仪35可以基于可调谐激光器原理解调或基于阵列波导光栅原理解调等。

传统光纤光栅刻写装置中，相位掩膜版和光纤置于空气（折射率为1.0029）中。照射在光纤上的平行光在光纤柱面效应影响下发生偏折，如图7所示。这种偏折不会对单芯光纤产生不利影响，但会导致多芯光纤的各纤芯受光强度不均匀，甚至造成部分纤芯不受光照，导致光栅刻写失败。在刻写光栅串时，不均匀的光照还会导致光栅串上各光栅的反射功率差异巨大，导致光栅串无法正常工作。

区别于传统光纤光栅刻写装置，本发明的浸没式多芯光纤光栅刻写装置将光纤和相位掩膜版浸没于液体中，如图8所示。相位掩膜版的±1级衍射形成干涉条纹，当折射率匹配液体25与多芯光纤4的包层折射率接近时，干涉条纹垂直进入多芯光纤4，几乎不受柱面效应的影响，如图9所示。

图10示出本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置用于七芯、十三芯和十九芯光纤光栅刻写时的光线仿真结果。可见，浸没于折射率匹配液体25中的多芯光纤各纤芯的光基本均匀，少量不均匀来源于纤芯与包层的折射率差异引起的折射。各纤芯均匀受光可保证各纤芯刻写光栅的一致性。

图11示出本发明浸没式多芯光纤光栅刻写装置用于七芯光纤光栅刻写时，光纤不同转动角度下的仿真结果。可见，浸没于折射率匹配液体25中的多芯光纤在发生任意角度旋转时仍能保持各纤芯受光基本均匀，为多芯光纤光栅串的高一致性刻写提供了保障。

本发明具体实施的关键是选择紫外透过的折射率匹配液体。传统的折射率匹配液工作于可见光或近红外光附近，无法用作本发明的折射率匹配液体。经实验证明，纯水或是盐溶液可以作为本发明的折射率匹配液体，本实施例选用20wt%氯化钠溶液作为折射率匹配液体，利用本发明刻写装置实施多芯光栅刻写，具体步骤如下：

（1）将所述角度可调光纤夹具沿光纤轴旋转到向上方向，固定七芯光纤（光纤包层折射率1.46，纤芯折射率1.468）后沿光纤轴旋转到液体槽内浸没于20wt%氯化钠溶液（折射率1.46）中且平行于相位掩膜版方向，同时将七芯光纤与刻写监测模块连接。

（2）调整线状紫外光斑产生模块的紫外光光路，使其产生线状紫外光斑，同时调整紫外透过窗、相位掩膜版、角度可调光纤夹具，使其与紫外光光路垂直。

（3）打开紫外激光器开始刻写，同时刻写监测模块实时监测多芯光纤光栅刻写效果，判定刻写结束条件。

图12示出本发明所刻写七芯光纤光栅串的反射光谱。任意芯的光栅串均展示出良好的均匀性、高于-20 dBm的反射功率。同时，各纤芯上刻写的光栅之间也具有良好的均匀性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，包括：

线状紫外光斑产生模块，用于产生线状紫外光斑；

浸没式光栅刻写模块，用于对多芯光纤进行紫外光曝光，写入光栅，由液体槽、紫外透过窗、相位掩膜版、光纤夹具和盛放于液体槽内的折射率匹配液体组成，其中，光纤夹具用于夹持多芯光纤，所述折射率匹配液体是稳定且能透过紫外光的盐溶液，折射率匹配液体的折射率为[x-0.457,x+0.54]，x为多芯光纤包层的折射率，光纤夹具夹持多芯光纤浸没于折射率匹配液体中，且紫外透过窗、相位掩膜版和光纤夹具均与线状紫外光斑的传播方向垂直；所述盐溶液是NaCl、KCl、GaCl₂、NaNO₃、KNO₃、Ga(NO₃)₂中一种或多种按比例混合组成的盐溶液；

和刻写监测模块，用于实时监测多芯光纤光栅刻写效果，判定刻写结束条件。

2.根据权利要求1所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述线状紫外光斑产生模块由产生紫外光的紫外激光器、用于调整紫外光传播方向和离光学平台距离的紫外反射镜组、扩束镜组、光阑和用于聚焦的柱透镜搭建而成。

3.根据权利要求2所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述紫外激光器为功率可调的激光器，输出波长为248 nm。

4.根据权利要求1所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述紫外透过窗位于液体槽顶部且与所述液体槽密封。

5.根据权利要求1所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述光纤夹具为角度可调光纤夹具，角度调整范围为垂直于光纤轴方向与平行于相位掩膜版方向之间。

6.根据权利要求1所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述刻写监测模块由宽光谱光源、光谱分析仪、第一单模光纤、第二单模光纤、第一光纤连接器和第二光纤连接器组成；所述宽光谱光源发射宽光谱光，经第一单模光纤导出；第一单模光纤通过第一光纤连接器与多芯光纤连接；多芯光纤中传导的透射光经第二光纤连接器耦合进第二单模光纤中；第二单模光纤与光谱分析仪的输入端口连接；根据光谱分析仪检测的光谱信息判定光栅刻写情况。

7.根据权利要求1所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述刻写监测模块由光栅解调仪、单模光纤、光纤连接器或扇入扇出模块组成，所述光栅解调仪、单模光纤、光纤连接器与多芯光纤依次连接。

8.根据权利要求7所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述光栅解调仪基于可调谐激光器原理解调；由光栅解调仪中的可调谐激光器发射波长可调的激光，经单模光纤导出；单模光纤通过光纤连接器与多芯光纤连接；多芯光纤中传导的宽光谱光受所刻写光栅调控，反射光经光纤连接器耦合进单模光纤中；反射光进一步传导进光栅解调仪中，根据光栅解调仪检测的光谱信息判定光栅刻写情况。

9.根据权利要求7所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述光栅解调仪基于阵列波导光栅原理解调；由光栅解调仪中的ASE光源发射光，经单模光纤导出；单模光纤通过光纤连接器或扇入扇出模块与多芯光纤连接；多芯光纤中传导的宽光谱光受所刻写光栅调控，反射光经光纤连接器耦合进单模光纤中；反射光进一步传导进光栅解调仪中，经阵列波导光栅和光探测器阵列解调和后给出光谱，根据光谱信息判定光栅刻写情况。

10.根据权利要求1所述浸没式多芯光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述多芯光纤指同一包层内有一个或多个纤芯；刻写的光纤光栅为均匀光纤光栅、啁啾光纤光栅、相移光栅、取样光栅、闪耀光纤光栅或长周期光纤光栅。

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