CN1355440A - 长周期光纤光栅制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
长周期光纤光栅制造方法,利用聚焦高频CO2激光脉冲1－10KHz对光纤进行多次曝光,其中CO2激光被聚焦到50－60μm左右以增加单位面积光能量,CO2激光脉冲宽度在10－20μs之间,以提高瞬间光能量。所用装置由聚焦高频CO2脉冲激光器、连在被加工光纤两端的宽带光源和光谱分析仪构成。本方法和装置的原理与现有技术有着本质的不同,解决了现有技术不能近一步提高带阻比这一关键指标的难题,对于加工不用参数的光纤光栅灵活性非常好。
Description
本发明涉及一种光纤无源器件，具体涉及一种基于高频CO2脉冲激光器制造长周期光纤光栅的方法与装置，属于光纤通信和传感领域。
光纤通信技术使信息的传输容量急剧增加，目前64×10Gbit/s的长距离传输系统已经商用化，但是仍然不能满足人们对信息爆炸式地增长的需求，特别是因特网的急速发展而带来的宽带需求。随着高速光通信网的飞速发展，对光纤无源器件也提出了新的要求。近几年来，周期在几十至几百微米之间的长周期光纤光栅(Long PeriodFiber Grating，简称LPFG)引起了人们极大的兴趣，这种新颖的光纤器件可以把芯区传输的导模能量耦合到包层模中从而造成与波长相关的传输损耗，是一种非常好的带阻滤波器，具有易于制作、附加损耗低，后向反射小，与偏振无关及体积小等优点。LPFG可广泛应用在光纤通信和传感中，如作为抑制光纤放大器自发辐射(ASE)噪声的带阻滤波器、光纤放大器的增益平坦器，模式转换器以及多种光纤传感器，具有广阔的市场前景。目前普遍采用的是利用光纤的光敏性用紫外光加模板来写入LPFG，最近二年著名的美国贝尔实验室发明了一种用连续CO2激光器对光纤进行局部加热通过残余应力释放(或光纤玻璃密度变化)而获得折射率发生变化的制造方法，该方法与紫外光写入法相比具有更简单，成本低，可用标准单模光纤代替光敏光纤等优点，但是该方法受原理所限，很难再提高带阻比这一关键指标，另外需要装夹光纤的精密微动台与激光曝光脉冲同步，所以操作较复杂，在加工不同参数的光纤光栅时灵活性较差。
本发明的目的在于从原理上及装置上克服现有方法的不足，提供一种基于高频CO2脉冲激光制造长周期光纤光栅的方法与装置。
长周期光纤光栅(LPFG)的形成机理：本发明利用聚焦高频CO2激光脉冲(1KHz～10KHz)对光纤进行多次曝光，由于单位时间内的瞬间能量比现有的方法要高近千倍，因此所产生的热冲击效应就引起光纤玻璃晶格结构产生缺陷，并有结构重组现象发生，这样就引起光纤被加热点处的光纤玻璃密度变化从而带来相应比较大的折射率变化，因此本发明的LPFG形成机理就与前人利用低频脉冲(几Hz)释放残余应力(或引起光纤玻璃密度变化)的方法有着原理上的不同。
本发明采用的装置由CO2激光器、宽带光源、和光谱分析仪构成(见图1)，CO2激光器前加装二维光学扫描仪，其X向摆镜和Y向摆镜通过聚焦镜将激光聚焦于光纤上，被加工光纤置于宽带光源和光谱分析仪之间。本CO2激光器的频率为1-10KHz，该频率段为光纤石英玻璃类材料最好的热吸收频率段，因此增加了光纤吸收热的效率，另外CO2激光被聚焦到50～60μm左右以增加单位面积上的光能量，CO2激光脉冲宽度很窄，在10～20μs之间，这样瞬间光能量就很高，达每秒数千瓦，比现有的方法要高近千倍。为充分照射光纤纤芯，CO2激光光斑以一个微米的步长连续走过光纤横截面(即沿X方向)，该扫描由一个装在CO2激光器前方的二维光学扫描器中的X向摆镜部分来完成。对于下一个周期的制造，二维光学扫描器中的y向摆镜部分通过计算机程序设定的间距进行移动，这样依次就可完成预定周期数的加工而无需移动台来移动光纤(见图2)。LPFG的光谱特性可通过由宽带光源及光谱分析仪组成的实时测量系统来监控。由于计算机控制的二维光学扫描器可实现任意图形的制造，因此灵活性非常好，通过选择不同的栅距与周期数可加工任意参数的LPFG。
本制造方法和装置的原理与现有方法及装置有着本质的不同，解决了现有技术不能近一步提高带阻比这一关键指标的难题，使长周期光纤光栅用途更广阔，此外，本方法所采用的装置更简单，所以操作方便，对于加工不用参数的光纤光栅灵活性非常好。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
图1为本长周期光纤光栅制造装置图；
图2为本发明方法生产长周期光纤光栅的原理图；
图3为利用本发明方法及装置生产出的长周期光纤光栅的透射光谱图。
实施例：
参见图1，本装置由一个聚焦高频CO2脉冲激光器和宽带光源4、光谱分析仪5组成，聚焦高频CO2脉冲激光器由一个5KHz的高频CO2脉冲激光器1和一个装于其前方向二维光学扫描器2构成，被加工光纤3连接于宽带光源4和光谱分析仪5之间。参见图2，加工光纤时，CO2激光被聚焦到50μm左右，CO2激光脉冲宽度在10-20μs之间，让CO2激光光斑6以一个微米的步长连接走过光纤3横截面，该扫描由二维光学扫描器的X向摆镜来完成，当光纤横截面被加工完毕。二维光学扫描器的Y向摆镜通过计算机程序设定的间距进行移动，移动至下一个周期段，再由X向摆镜来扫描，进行加工，这样依次就可完成预定周期数的加工。而光纤光栅的光谱特性可通过由宽带源及光谱分析仪组成的实时测量系统来监控。图中7表示的是折射率变化。
利用本发明已经制造出了具有国际领先水平的LPFG，插入损耗小于0.2dB，带阻比高达25dB，参见图3，比美国贝尔实验室报道的要高。另外中心波长及带宽可分别通过调整光纤光栅栅距及周期数目来进行控制。目前已研制出用于减小1.55μm掺铒光纤放大器自发辐射噪声(ASE)的带阻滤波器以及用于宽带DWDM用光纤放大器的增益均衡器，由于是在线器件，比采用于涉滤波片的同类器件具有损耗低，成本低两大突出优点，因此将会逐步取代这些分离元件构成的ASE去噪滤波器及增益均衡器，具有十分广阔的市场前景，按全球每年生产10万台光纤放大器，每个光纤放大器需要至少一个LPFG来估算，则需要10万个LPFG器件，若每个售价为500美元左右(为目前干涉滤波片器件售价的一半左右)，则可有5千万美元的产值，利润可达2千万美元，因此LPFG作为未来光纤放大器必不可少的在线关键器件将会带来十分可观的经济效益。
Claims (4)
1.长周期光纤光栅制造方法，其特征在于本方法是利用聚焦高频CO2激光脉冲1-10KHz对光纤进行多次曝光，其中CO2激光被聚焦到50-60μm左右以增加单位面积光能量，CO2激光脉冲宽度在10-20μs之间，以提高瞬间光能量。
2.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制造方法，其特征在于：
①CO2激光光斑以一个微米的步长连续走过光纤横截面，该扫描由一个装在CO2激光器前方的二维光学扫描器中的X向摆镜完成；
②二维光学扫描器中的Y向摆镜按设定的间距沿光纤轴向移动扫描，依次完成预定周期数的加工。
3.根据权利要求1或2所述的长周期光纤光栅制造方法，其特征在于高频脉冲最好选5KHz左右，CO2激光被聚焦到50μm左右。
4.利用权利要求1或2所述的方法制造长周期光纤光栅的装置，该装置设有对准被加工光纤的激光器，还设有分别连在被加工光纤两端的宽带光源和光谱分析仪，其特征在于所述激光器为1KHz-10KHz的聚焦高频CO2脉冲激光器，由一个高频CO2脉冲激光器和一个装于其前方的二维光学扫描器构成，二维光学扫描器有X向摆镜和Y向摆镜。
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