CN114966953B - 光纤光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了光纤光栅的制作方法。该制作方法包括：使光纤的表面涂覆感光涂层；使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于所述光纤的纤芯；以驱动所述光纤在该干涉光的入射方向上直线往复移动的方式，使该光纤被该干涉光作用，直至在该光纤的纤芯写入光栅。本技术方案解决了刻写光栅时，去掉涂覆层光纤机械强度较低的问题。与此同时，本申请能准确在光纤纤芯处写入光栅，解决了激光难以对准纤芯的问题。

Description

光纤光栅的制作方法

技术领域

本申请涉及光纤通信的技术领域，尤其涉及光纤光栅的制作方法。

背景技术

随着光纤通信领域不断发展，光纤光栅成为了光纤通信领域中的研究热点之一。

使用相位掩模法制备光纤光栅，其原理为飞秒激光器发出一束激光，利用1/2波片和偏振棱镜的组合连续调节飞秒激光的强度，采用柱面透镜将圆形激光束聚焦为片状激光束，经-1，+1级抑制的相位掩模板衍射，在相位掩模板后衍射光形成近场干涉条纹，光纤贴近相位掩模板放置，距离不超过5mm，且通过移动三维微位移平台将光纤严格置于干涉光的焦平面。激光通过相位掩模板后发生衍射并在光纤纤芯处形成明暗相间的条纹，在相应的飞秒激光作用下纤芯折射率受到调制，本质是在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射镜。相位掩模法刻写光纤光栅具有制备工艺简单、重复性和成品率高等优点。

在光纤中写入光栅有如下问题：

(1)在通过相位掩模法写入光栅的过程中通常剥去涂覆层,使纤芯裸露，光纤的机械强度减小。

(2)光纤固有直径小，要使激光对准纤芯比较困难，需要高精度的定位系统。去除涂覆层后，直径进一步减小，使激光对准光纤纤芯更加困难。

(3)在不去掉涂覆层的情况下，当使用大功率激光器在光纤上刻写光栅时，光纤中传输的光子流将低能级电子激发到高能级，其中的能量将被电子吸收，造成了入射光的能量损耗。强度发生弱化，写入光栅损耗较大。

针对相关技术中存在的对光纤纤芯定位困难，精准度小的问题，目前尚未提出非常有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本申请提供光纤光栅的制作方法，能够提高光栅写入的精准性。

本申请提供一种光纤光栅的制作方法，包括：

使光纤的表面涂覆感光涂层；

使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于所述光纤的纤芯；

以驱动所述光纤在该干涉光的入射方向上直线往复移动的方式，使该光纤被该干涉光作用，直至在该光纤的纤芯写入光栅。

可选地，驱动光纤直线往复移动的移动距离大于涂覆感光涂层后光纤的直径。

可选地，所述“使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于所述光纤的纤芯”具体为：

获得表面涂覆感光涂层的光纤的半径；

使所述干涉光的焦平面与光纤表面大体重合；

在该干涉光的入射方向上驱动光纤移动该半径的距离。

可选地，所述“使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于所述光纤的纤芯”之前，还包括：使光纤被固定。

以上提供的光纤光栅的制作方法，解决了刻写光栅时，去掉涂覆层光纤机械强度较低的问题。

与此同时，本申请能准确在光纤纤芯处写入光栅，解决了激光难以对准纤芯的问题。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供的制作方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的光纤被相位掩模板所产生干涉光作用时的结构示意图。

图3为为本申请一实施例提供的激光加工装置的结构示意图。

图4为为本申请另一实施例提供的激光加工装置的结构示意图。

其中，图中元件标识如下：

1-激光器；2-1/2波片；3-偏振分光棱镜；4-视觉系统；5-反射镜；6-光阑；7-柱面透镜；8-相位掩模板；9-光纤；10-三维移动平台；11-光纤夹持器；12-分路器；13-光谱分析仪；14-宽带光源；15-计算机；17-感光涂层；18-包层；19-纤芯。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

参考图1-图4，本申请提供的光纤光栅的制作方法，包括：

使光纤9的表面涂覆感光涂层17；

使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于上述光纤9的纤芯19；

以驱动上述光纤9在该干涉光的入射方向上直线往复移动的方式，使该光纤9被该干涉光作用，直至在该光纤9的纤芯19写入光栅。

上述感光涂层17，可以采用感光涂料对光纤9浸渍来实现。感光涂层17具有感光特性，在视觉系统4下可观察光致发光强弱。将待刻光栅的一段光纤9放入溶液里面，均匀涂抹，使涂抹了溶液的光纤9直径尽可能均匀。使用螺旋测微器测量光纤9直径。

上述对光纤9作用的激光可以是分秒激光，激光系统中飞秒激光器波长为800nm，脉宽100fs。诱导的光纤9折射率变化较大，温度稳定性较高，热效应较小，并且当刻写光栅的激光功率高于一定强度时，仅仅需要曝光数秒即能得到优质的光栅结构，对上述光纤9加工后的损耗和强度影响小。

上述光纤9的结构属于本领域公知的形式，光纤9包括包层18和纤芯19。光纤9的类型可以示范地为有源光纤9或者其它类型等。

可选地，驱动光纤9直线往复移动的移动距离大于涂覆感光涂层17后光纤9的直径。

参考图1，在一个典型的实施方案中，上述“使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于上述光纤9的纤芯19”具体为：

获得表面涂覆感光涂层17的光纤9的半径；这里，获得半径可以通过诸如螺旋测微器等测量工具来获得。

使上述干涉光的焦平面与光纤9表面大体重合；

在该干涉光的入射方向上驱动光纤9移动该半径的距离。

在一个典型的实施方案中，上述“使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于上述光纤9的纤芯19”之前，还包括：使光纤9被固定。以此，光纤9被光纤夹持器11固定，并保持光纤9上有预拉力。

作为用以实现本申请光纤光栅的制作方法的所采用激光加工装置的一种可示范地实现方式，其包括：飞秒激光器1、/2波片2、偏振分光棱镜3、视觉系统4、反射镜5、光阑6、柱面透镜7、相位掩模板8、有源光纤9、三维移动平台10、光纤夹持器11、分路器12、光谱分析仪13、宽带光源14、计算机15。1/2波片2、偏振分光棱镜3、视觉系统4、反射镜5、光阑6、柱面透镜7依次排列组成光学系统，可用其控制激光方向，功率大小及能量密度。

在激光加工装置的实现方式中，上述飞秒激光器发出激光束，上述1/2波片控制上述飞秒激光束的振动面发生相应的偏振。

上述偏振分光棱镜，用以将激光束分成两路。

视觉系统4，用以观察到光致发光在光纤9表面的最大值。

上述激光通过上述掩模板后发生衍射，并在光纤9的纤芯19上产生干涉条纹。相位掩模板8与光纤9之间距离不超过5mm。

光谱分析仪，用以实时监测写入光栅的反射谱中心波长和光栅反射率。

三维加工平台，用以按照程序移动，诱导光纤9纤芯19周期性的折射率变化，移动过程中，激光扫描路径上的单个光斑大小区域内存在多个激光脉冲共同作用，光斑互相交叠。

计算机用以编写程序而控制三维移动平台移动，选择合适的飞秒激光强度和持续时间即可在光纤9中成功写入光栅。

现在通过以下实施例的形式，针对几个常见的应用场景更好地阐述本申请光纤光栅制作的操作过程。应当注意的是，此常见的实施方案不可作为理解本申请所声称所要解决技术问题的必要性特征认定的依据，其仅仅是示范而已。

实施例1

参考图3和图4。其中包括飞秒激光器1、1/2波片2、偏振分光棱镜3，视觉系统4、反射镜5、光阑6、柱面透镜7、相位掩模板8、有源光纤9，三维移动平台10、光纤夹持器11、分路器12、光谱分析仪13、宽带光源14，计算机15。

参考图1，将待刻光栅的一段光纤放入感光树脂丙烯酸酯酚醛树脂季铵盐溶液里面均匀涂抹，晾干，静置后得到感光涂层17。使用螺旋测微器测量光纤直径。再将光纤放在光纤夹持器11上，固定在三维移动平台10中。

激光器1发出的激光经过1/2波片后能量发生改变，激光通过反射镜5后方向改变，从水平传输转变为垂直传输，经过反射镜5的激光入射到光阑6中，光阑用于调节激光束功率大小。激光通过相位掩模板8后发生衍射，使用视觉系统4观察光致发光强弱，缓慢移动三维移动平台10直到干涉光对准光纤9表面。控制三维移动平台10沿着干涉光入射方向移动，移动距离为螺旋测微器所测距离的一半，干涉光焦平面即可聚焦到光纤纤芯处。当纤芯被移动到干涉光焦平面后，使用计算机控制三维位移平台，使光纤9迅速脱离干涉光焦平面，将光纤移动到即将刻写光栅的那一段光纤的最左端，使干涉光焦点在光纤纤芯上方；之后将光纤沿竖直上下(即干涉光入射方向)移动，移动距离大于光纤直径。由于干涉光焦平面与光纤纤芯的位置总是重合，竖直上下移动的过程中，干涉光总能在光纤纤芯上形成明暗相间的条纹。然后，计算机控制三维位移平台10移动，使光纤迅速脱离干涉光焦平面，再把光纤水平向右移动有干涉光条纹长度的距离，之后，计算机控制使干涉光焦点在光纤纤芯上方，接着将光纤9竖直上下移动，移动距离大于光纤直径。上述步骤循环往复，直至干涉光刻蚀到光栅长度的末端。光谱分析仪13用于实时监测写入光栅的反射谱中心波长和光栅反射率，进一步反馈调节预拉力﹑光纤竖直上下移动的次数和光纤水平向右移动刻蚀的距离，从而达到光纤光栅的具体指标。在计算机15上写入程序控制三维移动平台10的移动，光谱分析仪13用于实时监测写入光栅的反射谱中心波长和光栅反射率。

实际加工过程中激光相互重叠，扫描路径上的单个光斑大小区域内存在多个激光脉冲共同作用。

实施例2

参考图1、图3和图4，先制备感光溶液(例如，感光树脂丙烯酸酯酚醛树脂季铵盐溶液，)将其均匀涂在将要刻写光栅的一段光纤的表面，晾干、静置一段时间后得到感光涂层17。用螺旋测微器测量上述被涂光纤的直径。将光纤固定在光纤夹持器上，固定时保持光纤上有预拉力。然后固定在三维移动平台10中。控制计算机15打开激光器1，控制激光器1出光。

激光器1发出的激光束经过1/2波片2后能量发生改变，继续通过柱面透镜7后被整形，圆形激光被聚焦为片状激光，整形的激光通过相位掩模板8后发生衍射，在光纤上产生干涉光，使用视觉系统4观察光致发光强弱，缓慢控制计算机15使三维移动平台10移动直到干涉光对准光纤表面，当强度最大时，干涉光焦平面与光纤表面重合。再控制三维移动平台10移动，移动距离为螺旋测微器所测距离的一半，使干涉光焦平面从光纤表面向光纤中心移动，直至到达纤芯。当纤芯被移动到干涉光焦平面后，使用计算机控制三维位移平台，使光纤9迅速脱离干涉光焦平面，将光纤移动到即将刻写光栅的那一段光纤的最左端，使干涉光焦点在光纤纤芯上方；之后将光纤竖直上下(即干涉光入射方向)移动，移动距离大于光纤直径。由于干涉光焦平面与光纤纤芯的位置总是重合，竖直上下移动的过程中，干涉光总能在光纤纤芯上形成明暗相间的条纹。然后，计算机控制三维位移平台10移动，使光纤迅速脱离干涉光焦平面，再把光纤水平向右移动有干涉光条纹长度的距离，之后，计算机控制使干涉光焦点在光纤纤芯上方，接着将光纤9竖直上下移动，移动距离大于光纤直径。上述步骤循环往复，直至干涉光刻蚀到光栅长度的末端。光谱分析仪用于实时监测写入光栅的反射谱中心波长和光栅反射率。实际加工过程中光斑相互重叠，扫描路径上的单个光斑大小区域内存在多个激光脉冲共同作用。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光纤光栅的制作方法，其特征在于，包括：

使光纤的表面涂覆感光涂层；

使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于所述光纤的纤芯；

以驱动所述光纤在该干涉光的入射方向上直线往复移动的方式，使该光纤被该干涉光作用，直至在该光纤的纤芯写入光栅；

所述“使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于所述光纤的纤芯”具体为：

获得表面涂覆感光涂层的光纤的半径；

使所述干涉光的焦平面与光纤表面重合；

在该干涉光的入射方向上驱动光纤移动该半径的距离；

使用视觉系统观察光致发光强弱，缓慢移动三维移动平台直到干涉光对准光纤表面，控制三维移动平台沿着干涉光入射方向移动，移动距离为螺旋测微器所测距离的一半，使干涉光焦平面聚焦到光纤纤芯处；当纤芯被移动到干涉光焦平面后，使用计算机控制三维位移平台，使光纤迅速脱离干涉光焦平面，将光纤移动到即将刻写光栅的那一段光纤的最左端，使干涉光焦点在光纤纤芯上方；之后将光纤沿干涉光入射方向移动，移动距离大于光纤直径。

2.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于，驱动光纤直线往复移动的移动距离大于涂覆感光涂层后光纤的直径。

3.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于，所述“使激光被相位掩膜板所衍射产生的干涉光聚焦于所述光纤的纤芯”之前，还包括：使光纤被固定。

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