光纖光柵的在線制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖光柵的在線制作方法，包括以下步驟：（1）光敏預(yù)制棒的制作：在預(yù)制棒的純石英纖芯中摻雜GeO2，并在高溫高壓下，對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行載氘氣處理；（2）光纖拉絲過(guò)程：將制成的光敏預(yù)制棒進(jìn)行送棒，預(yù)制棒一端加熱熔融，在牽引力作用下拉絲成光纖；（3）在線刻寫光纖光柵：對(duì)光纖進(jìn)行冷卻，冷卻后的光纖進(jìn)入光纖光柵刻寫區(qū)進(jìn)行光柵刻制；（4）光纖成柵后進(jìn)行涂層涂覆，成柵光纖的涂層將根據(jù)光纖光柵的使用要求選用涂料；（5）最后成柵光纖經(jīng)牽引后，收卷在線盤上。能夠?qū)鹘y(tǒng)的單個(gè)的、分立的光纖成柵技術(shù)與光纖拉絲技術(shù)相結(jié)合，從而成百上千倍地提高光纖光柵的生產(chǎn)效率，極大地降低制作成本。
【專利說(shuō)明】光纖光柵的在線制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種光纖光柵的在線制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，S卩外界入射光子和光纖纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化，從而在光纖纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在光纖纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的透射或反射濾波器或反射鏡。利用這一特性可構(gòu)成許多獨(dú)特性能的光纖無(wú)源器件。例如，利用光纖光柵的窄帶高反射率特性構(gòu)成光纖反饋腔，依靠摻鉺光纖等為增益介質(zhì)即可制成光纖激光器；用光纖光柵作為激光二極管的外腔反射器，可以構(gòu)成外腔可調(diào)諧激光二極管；利用光纖光柵可構(gòu)成Michelson干涉儀型，Mach-Zehnder干涉儀型、以及Fabry-Perot干涉儀型的光纖濾波器；利用非均勻光纖光柵可制成光纖色散補(bǔ)償器等等。此外，利用光纖光柵還可制成用于檢測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)的光纖傳感器和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。
[0003]光纖布拉格光柵(FBG, fiber bragg grating)的基本特性是光纖纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使其透射光譜和反射光譜出現(xiàn)奇異特性。圖1表示光纖光柵區(qū)域的折射率分布情況以及入射光、反射光和透射光的光譜圖。其中，I為光纖光柵，2為光纖包層,3為光纖纖芯，Λ為光柵周期。
[0004]光纖光柵的原理是基于“菲涅爾反射”:當(dāng)光行進(jìn)時(shí)，遇到兩種不同折射率介質(zhì)時(shí)，就會(huì)在界面上發(fā)生反射和折射。當(dāng)光進(jìn)入光纖布拉格光柵中時(shí)，在每一個(gè)折射率變化處，就會(huì)有一小部分光被反射，而在“中心波長(zhǎng)”或稱“布拉格波長(zhǎng)”上，所有反射光相干疊加，從而形成布拉格反射。在入射光譜中的其他波長(zhǎng)的光則不受干擾地透射過(guò)去。
[0005]光纖光柵的反射布拉格波的中心波長(zhǎng)為:λ B=2neff Λ，式中，neff為光纖纖芯光柵區(qū)域有效折射率，亦即光纖光柵區(qū)纖芯的平均折射率。
[0006]世界上第一個(gè)光纖光柵是加拿大渥太華通信研究中心的K.0.Hill等人于1978年在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并用駐波寫入法制成。1989年美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的G.Meltz等人利用摻鍺光纖的光敏特性，用244nm波長(zhǎng)的紫外激光干涉條紋側(cè)面照射纖芯摻鍺的光纖，將相位光柵寫進(jìn)了纖芯，形成光纖布拉格光柵，從而開(kāi)啟了光纖光柵制造的實(shí)用化階段。
[0007]光纖光柵的傳統(tǒng)制造方式是:采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，可以在幾乎所有種類的光纖上不同程度地寫入光柵。光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現(xiàn)在在波長(zhǎng)為244nm的紫外光的吸收峰附近，所以利用紫外光與光纖纖芯中的鍺離子的相互作用引起折射率的永久性變化，從而在光纖纖芯內(nèi)形成折射率呈周期性變化的空間相位光柵。光纖光柵的制造方式通常分為橫向干涉法及相位掩模法兩大類。前者是利用雙光束干涉所產(chǎn)生的干涉條紋對(duì)光纖曝光以形成光纖光柵；后者是使用一個(gè)相位掩模器，放在紫外光源和光纖之間，紫外激光正向入射穿過(guò)相位掩模器后，其相位被掩模器的相位光柵進(jìn)行了空間調(diào)制，然后通過(guò)衍射形成所需的布拉格光柵的干涉圖形，由于光纖纖芯的光敏性，因而就被這種干涉圖形分布的光子寫進(jìn)了周期性的折射率分布，從而形成布拉格光柵。在制備光纖光柵時(shí)，需去除成柵段光纖的涂層，因?yàn)橥繉訒?huì)吸收紫外光能，影響光纖光柵的刻寫。另外，當(dāng)光纖纖芯吸收氫氣或其同位素(如氘氣)后能增強(qiáng)其紫外線的能力。因此光纖成柵前需進(jìn)行載氫處理，就是在刻寫FBG前,需將普通光纖浸泡在一定溫度下,在氫氣氣壓中一段時(shí)間，使光纖中的氫達(dá)到飽和，這樣可以提高光纖纖芯區(qū)對(duì)UV (紫外光)的吸收率以及提高成品FBG的寬帶。
[0008]在光纖的纖芯區(qū)摻雜Ge兀素來(lái)增加纖芯的折射率從而引入纖芯與包層的折射率差，以構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。例如作為包層的純二氧化硅的折射率為1.458，摻雜三個(gè)百分摩爾的GeO2作為纖芯折射率則增加至1.463，此即G.652匹配型單模光纖的折射率剖面組成。增加Ge的濃度可提高光敏性。Ge原子的存在導(dǎo)致無(wú)氧鍵如S1-Ge的形成，從而造成石英光纖的晶格缺陷。最常見(jiàn)的缺陷就是所謂的GeE缺陷，它形成了帶隙能量為5eV的一個(gè)缺陷禁帶。244nm波長(zhǎng)的激態(tài)激光器的單光分子吸收克服了這種缺陷禁帶，使S1-Ge鍵破裂，釋放的電子在相鄰鍺的晶格位置再被俘獲，重新復(fù)合，形成色譜中心，其吸收峰在紫外波段，這就導(dǎo)致丁摻鍺光纖的紫外區(qū)吸收譜。吸收譜Λ α (ω)的變化引起折射率Λη(ω )的變化。由于折射率的變化只發(fā)生在吸收紫外線光的光纖芯區(qū)，周期變化的條紋就變成了光柵。在1300nnTl600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光纖折射率變化的典型值為10_4，高濃度Ge摻雜時(shí)，此值可達(dá)0.001。
[0009]然而，傳統(tǒng)單個(gè)光纖光柵的制作方法，效率低，周期長(zhǎng)，成本高且一致性差。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光纖光柵的在線制作方法，能夠?qū)鹘y(tǒng)的單個(gè)的、分立的光纖成柵技術(shù)與光纖拉絲技術(shù)相結(jié)合，從而成百上千倍地提高光纖光柵的生產(chǎn)效率，極大地降低制作成本。
[0011]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種光纖光柵的在線制作方法，包括以下步驟:
(O光敏預(yù)制棒的制作:在預(yù)制棒的純石英纖芯中摻雜GeO2,并在高溫高壓下,對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行載氘氣處理；
(2)光纖拉絲過(guò)程:將制成的光敏預(yù)制棒進(jìn)行送棒，預(yù)制棒一端加熱熔融，在牽引力作用下拉絲成光纖；
(3 )在線刻寫光纖光柵:對(duì)光纖進(jìn)行冷卻，冷卻后的光纖進(jìn)入光纖光柵刻寫區(qū)進(jìn)行光柵刻制；
(4)光纖成柵后進(jìn)行涂層涂覆，成柵光纖的涂層將根據(jù)光纖光柵的使用要求選用涂
料；
(5)最后成柵光纖經(jīng)牽引后，收卷在線盤上。
[0012]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟(1)中GeO2的摩爾百分比含量為3.5^4.0%。
[0013]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟(1)中載氘氣處理采用氘氣/氮?dú)饣旌蠚怏w，混合氣體中氘氣體積百分比含量為2~4%，氣體流量為f 10M3/h，溫度為60°C，氣壓為0.6Mpa。
[0014]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟(2)中預(yù)制棒一端在195(T2050°C下加熱熔融。
[0015]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟(2)中拉絲速度為1200m/min,拉絲成外徑為120?130μπι 光纖。
[0016]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟(3)中用氦氣對(duì)光纖進(jìn)行冷卻。
[0017]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟(3)中光柵刻制:將光束經(jīng)柱面鏡聚焦成細(xì)長(zhǎng)條后照在光纖側(cè)面，進(jìn)行曝光，刻寫光柵。
[0018]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟(3)中光柵刻制:用掩模，使光束通過(guò)個(gè)狹縫擋板，照射到光纖上進(jìn)行曝光，刻寫光柵。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明將傳統(tǒng)的單個(gè)的、分立的光纖成柵技術(shù)與光纖拉絲技術(shù)相結(jié)合，從而成百上千倍地提高光纖光柵的生產(chǎn)效率，極大地降低制作成本；
2、本發(fā)明將傳統(tǒng)的光纖氣氣處理技術(shù)改為光紆預(yù)制棒的氣氣處理技術(shù)，以與光纖光柵的在線成柵方法相適應(yīng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中:
圖1是光纖光柵區(qū)域的折射率分布情況以及入射光、反射光和透射光的光譜圖；
圖2是光纖拉絲塔示意圖；
附圖中各部件的標(biāo)記如下:1、拉絲塔支架，2、光纖預(yù)制棒送棒系統(tǒng)，3、光纖預(yù)制棒，4、加熱爐體，5、光纖外徑測(cè)量裝置，6、光纖冷卻管，7、光纖光柵刻寫裝置，8、紫外光光源，9、光纖涂層涂覆杯，10、固化爐，11、涂層外徑測(cè)量裝置，12、牽引輪，I 3、收排線裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022]實(shí)施例1
一種光纖光柵的在線制作方法，包括以下步驟:
(1)光敏預(yù)制棒的制作:在預(yù)制棒的純石英纖芯中摻雜GeO2,GeO2的摩爾百分比含量為
3.5%，并在溫度為60°C，氣壓為0.6Mpa，氣體流量為5M3/h下，采用氘氣/氮?dú)饣旌蠚怏w對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行載氘氣處理，混合氣體中氘氣體積百分比含量為3% ；
(2)光纖拉絲過(guò)程:將制成的光敏預(yù)制棒夾持在光纖預(yù)制棒送棒系統(tǒng)2中的送棒裝置上，并往下進(jìn)棒，預(yù)制棒一端在在加熱爐體4內(nèi)1950°C下加熱熔融，加熱爐體4采用石墨感應(yīng)電阻加熱爐，在牽引輪12的牽引力作用下拉絲，拉絲速度為1200m/min，光纖外徑由光纖外徑測(cè)量裝置5檢測(cè)，光纖外徑為120 μ m光纖，并將誤差信號(hào)反饋控制送棒及牽引速度，以保證光纖外徑的精度；
(3)在線刻寫光纖光柵:光纖在加熱爐體4出口成型時(shí)還有1600°C左右的高溫，經(jīng)光纖冷卻管6快速冷卻,冷卻管內(nèi)通熱導(dǎo)率高的氦氣對(duì)光纖進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻,光纖溫度降為500C?70°C，冷卻后的光纖進(jìn)入光纖光柵刻寫裝置7的光纖光柵刻寫區(qū)進(jìn)行光柵刻制，將光束經(jīng)柱面鏡聚焦成細(xì)長(zhǎng)條后照在光纖側(cè)面，進(jìn)行曝光，刻寫光柵；
(4)光纖成柵后進(jìn)入光纖涂層涂覆杯9進(jìn)行涂層涂覆，成柵光纖的涂層將根據(jù)光纖光柵的使用要求選用涂料，涂層涂覆后在固化爐10中進(jìn)行固化涂層，然后在涂層外徑測(cè)量裝置11進(jìn)行涂層外徑測(cè)量；
(5)最后成柵光纖經(jīng)經(jīng)牽引輪12牽引后，由收排線裝置13收卷在線盤上。
[0023]實(shí)施例2
一種光纖光柵的在線制作方法，包括以下步驟:
(1)光敏預(yù)制棒的制作:在預(yù)制棒的純石英纖芯中摻雜GeO2,GeO2的摩爾百分比含量為
4.0%，并在溫度為60°C，氣壓為0.6Mpa，氣體流量為10M3/h下，采用氘氣/氮?dú)饣旌蠚怏w對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行載氘氣處理，混合氣體中氘氣體積百分比含量為2% ；
(2)光纖拉絲過(guò)程:將制成的光敏預(yù)制棒夾持在光纖預(yù)制棒送棒系統(tǒng)2中的送棒裝置上，并往下進(jìn)棒，預(yù)制棒一端在在加熱爐體4內(nèi)2050°C下加熱熔融，加熱爐體4采用石墨感應(yīng)電阻加熱爐，在牽引輪12的牽引力作用下拉絲，拉絲速度為1200m/min，光纖外徑由光纖外徑測(cè)量裝置5檢測(cè)，光纖徑為130 μ m光纖，并將誤差信號(hào)反饋控制送棒及牽引速度，以保證光纖外徑的精度；
(3)在線刻寫光纖光柵:光纖在加熱爐體4出口成型時(shí)還有1600°C左右的高溫，經(jīng)光纖冷卻管6快速冷卻,冷卻管內(nèi)通熱導(dǎo)率高的氦氣對(duì)光纖進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻,光纖溫度降為500C?70°C，冷卻后的光纖進(jìn)入光纖光柵刻寫裝置7的光纖光柵刻寫區(qū)進(jìn)行光柵刻制，用掩模，使光束通過(guò)個(gè)狹縫擋板，照射到光纖上進(jìn)行曝光，刻寫光柵；
(4)光纖成柵后進(jìn)入光纖涂層涂覆杯9進(jìn)行涂層涂覆，成柵光纖的涂層將根據(jù)光纖光柵的使用要求選用涂料，涂層涂覆后在固化爐10中進(jìn)行固化涂層，然后在涂層外徑測(cè)量裝置11進(jìn)行涂層外徑測(cè)量；
(5)最后成柵光纖經(jīng)經(jīng)牽引輪12牽引后，由收排線裝置13收卷在線盤上。
[0024]實(shí)施例3
一種光纖光柵的在線制作方法，包括以下步驟:
(1)光敏預(yù)制棒的制作:在預(yù)制棒的純石英纖芯中摻雜GeO2,GeO2的摩爾百分比含量為
3.8%，并在溫度為60°C，氣壓為0.6Mpa，氣體流量為lM3/h下，采用氘氣/氮?dú)饣旌蠚怏w對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行載氘氣處理，混合氣體中氘氣體積百分比含量為4% ；
(2)光纖拉絲過(guò)程:將制成的光敏預(yù)制棒夾持在光纖預(yù)制棒送棒系統(tǒng)2中的送棒裝置上，并往下進(jìn)棒，預(yù)制棒一端在在加熱爐體4內(nèi)2000°C下加熱熔融，加熱爐體4采用石墨感應(yīng)電阻加熱爐，在牽引輪12的牽引力作用下拉絲，拉絲速度為1200m/min，光纖外徑由光纖外徑測(cè)量裝置5檢測(cè)，光纖外徑為125 μ m光纖，并將誤差信號(hào)反饋控制送棒及牽引速度，以保證光纖外徑的精度；
(3)在線刻寫光纖光柵:光纖在加熱爐體4出口成型時(shí)還有1600°C左右的高溫，經(jīng)光纖冷卻管6快速冷卻,冷卻管內(nèi)通熱導(dǎo)率高的氦氣對(duì)光纖進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻,光纖溫度降為500C?70°C，冷卻后的光纖進(jìn)入光纖光柵刻寫裝置7的光纖光柵刻寫區(qū)進(jìn)行光柵刻制，將光束經(jīng)柱面鏡聚焦成細(xì)長(zhǎng)條后照在光纖側(cè)面，進(jìn)行曝光，刻寫光柵； (4)光纖成柵后進(jìn)入光纖涂層涂覆杯9進(jìn)行涂層涂覆，成柵光纖的涂層將根據(jù)光纖光柵的使用要求選用涂料，涂層涂覆后在固化爐10中進(jìn)行固化涂層，然后在涂層外徑測(cè)量裝置11進(jìn)行涂層外徑測(cè)量；
(5)最后成柵光纖經(jīng)經(jīng)牽引輪12牽引后，由收排線裝置13收卷在線盤上。
[0025]本發(fā)明光纖光柵的在線制作方法的有益效果:
(1)本發(fā)明將傳統(tǒng)的單個(gè)的、分立的光纖成柵技術(shù)與光纖拉絲技術(shù)相結(jié)合，從而成百上千倍地提高光纖光柵的生產(chǎn)效率，極大地降低制作成本；
(2)本發(fā)明將傳統(tǒng)的光纖氘氣處理技術(shù)改為光紆預(yù)制棒的氘氣處理技術(shù)，以與光纖光柵的在線成柵方法相適應(yīng)。
[0026](3)本發(fā)明也完全適用于制作長(zhǎng)周期光纖光柵和折射率空間分布與光纖軸有一個(gè)小角度的閃耀(Blazed)光柵。
[0027]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)光敏預(yù)制棒的制作:在預(yù)制棒的純石英纖芯中摻雜GeO2,并在高溫高壓下,對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行載氘氣處理； (2)光纖拉絲過(guò)程:將制成的光敏預(yù)制棒進(jìn)行送棒，預(yù)制棒一端加熱熔融，在牽引力作用下拉絲成光纖； (3 )在線刻寫光纖光柵:對(duì)光纖進(jìn)行冷卻，冷卻后的光纖進(jìn)入光纖光柵刻寫區(qū)進(jìn)行光柵刻制； (4)光纖成柵后進(jìn)行涂層涂覆，成柵光纖的涂層將根據(jù)光纖光柵的使用要求選用涂料； (5)最后成柵光纖經(jīng)牽引后，收卷在線盤上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，步驟(1) 中GeO2的摩爾百分比含量為3.5^4.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，步驟(1)中載氘氣處理采用氘氣/氮?dú)饣旌蠚怏w,混合氣體中氘氣體積百分比含量為2~4%，氣體流量為f IOM3/h，溫度為60°C，氣壓為0.6Mpa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，步驟(2)中預(yù)制棒一端在195(T2050°C下加熱熔融。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，步驟(2)中拉絲速度為1200m/min，拉絲成外徑為120-?30μπι光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，步驟(3)中用氦氣對(duì)光纖進(jìn)行冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，步驟(3)中光柵刻制:將光束經(jīng)柱面鏡聚焦成細(xì)長(zhǎng)條后照在光纖側(cè)面，進(jìn)行曝光，刻寫光柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵的在線制作方法，其特征在于，步驟(3)中光柵刻制:用掩模，使光束通過(guò)個(gè)狹縫擋板，照射到光纖上進(jìn)行曝光，刻寫光柵。
【文檔編號(hào)】C03B37/012GK103869409SQ201410110073
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】陳炳炎, 石明, 於茹敏 申請(qǐng)人:江蘇南方通信科技有限公司