基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及光纖應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵及其制作系統(tǒng)。所述制作系統(tǒng)包括：加熱裝置，用于加熱所述光子晶體光纖；三維移動平臺，用于移動所述光子晶體光纖；在線監(jiān)測裝置，用于實(shí)時監(jiān)測所寫制的光纖光柵的參數(shù)；加壓裝置，用于向所述光子晶體光纖的包層空氣孔中通入氣壓，并保持氣壓恒定，使得所述加熱裝置加熱所述光子晶體光纖時，該光纖的加熱部位的包層空氣孔在充氣狀態(tài)下受熱膨脹，從而使該加熱部位的纖芯折射率受到調(diào)制；其中：加熱裝置包括：激光器、電弧放電加熱裝置、氫氧焰加熱裝置中的任意一種；在線監(jiān)測裝置包括：激光光源；光譜儀，用于與所述激光光源配合實(shí)時監(jiān)測所寫制的光纖光柵的參數(shù)。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及光纖應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于光子晶體光纖的膨脹型長 周期光纖光柵及其制作系統(tǒng)。 基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵

【背景技術(shù)】
[0002] 光子晶體光纖（PCF)是近十幾年出現(xiàn)的一種新型光纖，其應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了通 信、傳感、激光器以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。光子晶體光纖之所以發(fā)展如此迅速，是由于其 具有一些有別于傳統(tǒng)光纖的奇異特性，包括可控色散特性，無截止單模特性以及高光學(xué)非 線性特性等。在PCF中寫制長周期光纖光柵（LPFG)，可大大提升PCF的性能，擴(kuò)展LPFG在 溫度、應(yīng)力、彎曲以及生化傳感等方面的應(yīng)用，而靈活的包層空氣孔設(shè)計(jì)為寫制LPFG提供 了更多的可能性，可有效提高光柵寫制質(zhì)量。
[0003] 自Eggleton等人第一次在摻鍺纖芯的PCF上寫入LPFG以來，光子晶體光纖光柵 的制備方法及理論分析日益成為人們研究的熱點(diǎn)。目前，在PCF上制備LPFG的方法主要有 ： 紫外曝光法、C02激光照射法、電弧放電加熱法、飛秒激光曝光法、機(jī)械應(yīng)力法以及雙光子吸 收法等。在這些方法中，C0 2激光照射法具有周期可調(diào)、靈活性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且能在 非摻雜的純硅PCF上寫入LPFG，可大大簡化PCF的生產(chǎn)工藝及降低生產(chǎn)成本。目前，利用 C02激光照射法在PCF中形成LPFG的方法主要有殘余應(yīng)力釋放（無結(jié)構(gòu)變形）、玻璃結(jié)構(gòu) 變化（玻璃致密化）以及物理變形（塌陷、拉錐）等?；诓煌瑱C(jī)制形成的光子晶體光纖 光柵具有不同的性質(zhì)，例如，無結(jié)構(gòu)變形LPFG對溫度、應(yīng)力、彎曲不敏感，而塌陷型LPFG對 溫度、外部折射率有較小的敏感度，但對應(yīng)力的敏感度很大，并且有非常大的偏振相關(guān)損耗 (PDL)，因此可用在通信設(shè)備和傳感器中。但是，通過殘余應(yīng)力釋放制作的LPFG由于纖芯和 包層之間粘度較小，所以并不是有效的成柵機(jī)制，而通過周期性的物理變形制作雖然能產(chǎn) 生較大的折射率調(diào)制，但是通過氣孔塌陷或拉錐熔融變形后的光纖機(jī)械強(qiáng)度變?nèi)?，很容?斷。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光 纖光柵及其制作系統(tǒng)，以簡化光纖光柵的制備工藝、提高制備的光纖光柵的機(jī)械強(qiáng)度。本實(shí) 用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵，所述長周期光纖光柵的光柵區(qū) 域具有因包層空氣孔沿光纖軸向周期性膨脹所形成的周期性膨脹結(jié)構(gòu)。
[0006] 進(jìn)一步地，所述周期性膨脹結(jié)構(gòu)形成位置為如下任意一種：
[0007] 所述光纖的一側(cè)；
[0008] 所述光纖對稱的兩側(cè)；
[0009] 所述光纖的一周。
[0010] -種基于上述任意一種基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵的制作系統(tǒng)， 包括： toon] 加熱裝置，用于加熱所述光子晶體光纖；
[0012] 三維移動平臺，用于移動所述光子晶體光纖；
[0013] 在線監(jiān)測裝置，用于實(shí)時監(jiān)測所寫制的光纖光柵的參數(shù)；
[0014] 加壓裝置，用于向所述光子晶體光纖的包層空氣孔中通入氣壓，并保持氣壓恒定， 使得所述加熱裝置加熱所述光子晶體光纖時，該光纖的加熱部位的包層空氣孔在充氣狀態(tài) 下受熱膨脹，從而使該加熱部位的纖芯折射率受到調(diào)制；
[0015] 其中：
[0016] 加熱裝置包括：激光器、電弧放電加熱裝置、氫氧焰加熱裝置中的任意一種；
[0017] 在線監(jiān)測裝置包括：
[0018] 激光光源；
[0019] 光譜儀，用于與所述激光光源配合實(shí)時監(jiān)測所寫制的光纖光柵的參數(shù)。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本實(shí)用新型提出技術(shù)方案制備長周期光纖光柵，制備方法 簡便、成本低廉、可重復(fù)性好、適用性強(qiáng)，制備的光纖具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，性能穩(wěn)定。采用 本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案制作的沿光纖軸向具有周期性膨脹結(jié)構(gòu)的長周期光纖光柵在 光纖通信和光傳感領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1 :本實(shí)用新型提供的基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵的制作方法 流程示意圖；
[0022] 圖2 :本實(shí)用新型提供的基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵的制作系統(tǒng) 組成示意圖；
[0023] 圖3 :本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵的制 作系統(tǒng)組成示意圖；
[0024] 圖4 :本實(shí)用新型提供的基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵的制作過程 示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0026] 參考圖1，本實(shí)用新型提供的基于光子晶體光纖1的膨脹型長周期光纖光柵的制 作方法流程如下：
[0027] 步驟S1 :向光子晶體光纖1的包層空氣孔101通入氣壓，并保持氣壓；
[0028] 步驟S2 :沿所述光子晶體光纖1的軸向方向，每隔一個預(yù)設(shè)的光柵周期的長度，利 用熱源對所述光纖進(jìn)行一次徑向掃描，使掃描部位的包層空氣孔101在充氣壓的狀態(tài)下受 熱膨脹（如圖4所示），從而使該掃描部位的纖芯折射率受到調(diào)制，直到掃描完設(shè)定的光柵 周期數(shù)，形成長周期光纖光柵；
[0029] 步驟S3 :循環(huán)執(zhí)行步驟2,同時，實(shí)時監(jiān)測所形成的長周期光纖光柵的參數(shù)，并通 過調(diào)節(jié)掃描部位的包層空氣孔101的膨脹程度的方式調(diào)節(jié)所述參數(shù)，直到所形成的長周期 光纖光柵滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)要求，完成所述長周期光纖光柵的寫制。
[0030] 基于上述方法流程，本實(shí)用新型提供了一種基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光 纖光柵的制作系統(tǒng)。參考圖2,該系統(tǒng)包括：加熱裝置9,用于加熱光子晶體光纖1 ;
[0031] 三維移動平臺7,用于移動光子晶體光纖1 ;
[0032] 在線監(jiān)測裝置，用于實(shí)時監(jiān)測所寫制的光纖光柵的參數(shù)；
[0033] 加壓裝置10,用于向光子晶體光纖1的包層空氣孔中通入氣壓，并保持氣壓恒定， 使得加熱裝置9加熱光子晶體光纖1時，該光纖的加熱部位的包層空氣孔101在充氣狀態(tài) 下受熱膨脹，從而使該加熱部位的纖芯折射率受到調(diào)制。
[0034] 其中，加熱裝置9包括激光器、電弧放電加熱裝置、氫氧焰加熱裝置中的任意一 種。在線監(jiān)測裝置包括激光光源5及光譜儀6。光譜儀6用于與激光光源5配合實(shí)施監(jiān)測 所寫制的光纖光柵的參數(shù)。
[0035] 如圖3所示，在本實(shí)施例中，加熱裝置9包括激光器，激光器采用C02激光器901， 也可以采用其他類型激光器。激光光源5產(chǎn)生的激光光路上依次設(shè)置有氣室11、三維移動 平臺7、光譜儀6。加熱裝置9還包括：沿C0 2激光器901產(chǎn)生的激光光路依次設(shè)置的反射 鏡902、擴(kuò)束鏡903、快門904、聚焦透鏡905。加壓裝置10用于向氣室11通入氣壓。加壓 裝置10為高壓氣泵，也可以采用高壓氣瓶或氣缸等。
[0036] 步驟S1具體包括如下步驟：
[0037] 參考圖4,將光子晶體光纖1的一端與空心玻璃管2的一端熔接，使光子晶體光纖 1的包層空氣孔101與空心玻璃管2的內(nèi)部連通。熔接時，注意調(diào)節(jié)熔接參數(shù)，避免空心玻 璃管2和光子晶體光纖1的包層空氣孔101產(chǎn)生塌陷。根據(jù)具體需要，在熔接時可以使光 子晶體光纖1的全部或任意部分包層空氣孔101與空心玻璃管2的內(nèi)部連通，可以使制作 出的長周期光纖光柵具有不同的特性。根據(jù)國內(nèi)光子晶體光纖的一般規(guī)格，一般選擇內(nèi)徑 75um，外徑127um空心玻璃管2與之熔接，根據(jù)光子晶體光纖1的規(guī)格的不同，可選擇不同 規(guī)格的空心玻璃管2與之熔接?？招牟ＡЧ?用于向光子晶體光纖1的各包層空氣孔101 通入氣壓，因此，還需在空心玻璃管2的管壁開一通孔201，具體可采用飛秒激光開孔，通孔 201作為氣壓通道使氣壓可以通過空心玻璃管2進(jìn)入包層空氣孔101中。
[0038] 將空心玻璃管2的另一端與第一單模光纖3熔接，使通過第一單模光纖3的激光 可通過空心玻璃管2耦合進(jìn)光子晶體光纖1。將光子晶體光纖1的另一端與第二單模光纖 4熔接，使通過光子晶體光纖1的激光可耦合進(jìn)第二單模光纖4。上述兩端單模光纖中，第 一單模光纖3作為激光輸入端與激光光源5連接，第二單模光纖4作為激光輸出端與光譜 儀6連接。光譜儀6用于實(shí)時監(jiān)測激光光源5產(chǎn)生的激光經(jīng)過所制作的光纖光柵調(diào)節(jié)后的 激光的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對所制作的光纖光柵參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。
[0039] 需要指出的是，根據(jù)上述各步驟的具體方案可以看出，上述各步驟并不需要嚴(yán)格 按照上述描述的順序執(zhí)行。
[0040] 上述各步驟完成后，將空心玻璃管2放入氣室11，并將氣室11兩端口密封。密封 時，可采用AB膠，AB膠為兩液混合硬化膠的別稱，一液為本膠，另一液為硬化劑，兩液相混 才能硬化，粘性好，密封性強(qiáng)。氣室11兩端口密封后，利用高壓氣泵向氣室11內(nèi)充入氣壓， 并保持，氣壓通過空心玻璃管2的通孔201進(jìn)入與空心玻璃管2內(nèi)部連通的各包層空氣孔 101。
[0041] 參考圖3,執(zhí)行步驟S2時，C02激光器9產(chǎn)生C02激光脈沖作為熱源。C02激光器9 產(chǎn)生的C02激光脈沖依次經(jīng)過反射鏡12、擴(kuò)束鏡13、快門14,最后經(jīng)聚焦透鏡15聚焦后產(chǎn) 生焦斑，用于對光子晶體光纖1進(jìn)行加熱。除了 C02激光脈沖之外，還可以利用電弧放電或 氫氧焰作為熱源。參考圖4,首先，在光子晶體光纖1上選取一個位置h，然后，將C0 2激光 脈沖的焦斑對準(zhǔn)位置Oi，從位置Oi起，沿光纖徑向進(jìn)行掃描（如圖4中弧形箭頭所示，可通 過扭曲光纖的方式實(shí)現(xiàn)）。為保證制作的長周期光纖光柵始終處于直線狀態(tài)，在第二單模光 纖4上懸掛一輕物8,輕物8的重量大約5g。同時，由于輕物8的重量恒定并且很輕，因此 輕物8引起的光纖光柵軸向應(yīng)變對扭曲特性的影響可以忽略。掃描部位的包層空氣孔101 因受熱及氣壓的作用而發(fā)生膨脹，從而改變該掃描部位的折射率，形成第一個光柵周期。然 后，通過三維移動平臺7將光纖沿其軸向移動一個預(yù)設(shè)的光柵周期的長度（長周期光纖光 柵的周期一般為300-700um)，到達(dá)位置0 2，并按照前述相同參數(shù)，再次進(jìn)行掃描，掃描完成 后，再次將光纖沿其軸向按照前述相同的方向移動相同長度，到達(dá)位置〇 3，并再次按照前述 相同參數(shù)進(jìn)行掃描。按照前述方法掃描完設(shè)定個數(shù)個光柵周期的長度，形成長周期光纖光 柵。〇) 2激光脈沖的最大功率為控制在10W以內(nèi)，功率穩(wěn)定性為±2%，激光聚焦光斑為控 制在30-50 μ m，可使制作的光纖光柵周期更加準(zhǔn)確。而掃描方式方面，可以采用如圖4所示 的那樣只對光纖的一側(cè)進(jìn)行掃描，也可以對稱地掃描光纖的兩側(cè)，使光纖的兩側(cè)對稱地形 成膨脹結(jié)構(gòu)，還可以掃描光纖的一周，使光纖的一周都形成膨脹結(jié)構(gòu)。不同的掃描方式可以 形成不同特性的長周期光纖光柵。
[0042] 上述掃描過程結(jié)束后，即完成了一個掃描周期。由于很難做到只通過一個掃描周 期就制作出滿足參數(shù)要求的長周期光纖光柵，因此，需要進(jìn)行多個周期的循環(huán)掃描。步驟S3 即為該循環(huán)掃描步驟。在循環(huán)掃描過程中，通過光譜儀6實(shí)時監(jiān)測所形成的長周期光纖光 柵的參數(shù)，并通過在各掃描周期逐步調(diào)節(jié)掃描部位的包層空氣孔101的膨脹程度的方式逐 步調(diào)節(jié)所形成的長周期光纖光柵的參數(shù)，直到所形成的長周期光纖光柵滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)要 求時完成所述長周期光纖光柵的寫制。如果C0 2激光脈沖的功率設(shè)置過大，則可能出現(xiàn)在 第一個掃描周期就使包層空氣孔101膨脹過度的情況，因此，在每一個掃描周期中，C0 2激 光脈沖的功率需控制在足夠小的程度，使包層空氣孔101在每一個掃描周期中膨脹一定幅 度，從而使制作的長周期光纖光柵的參數(shù)在每個掃描周期中變化一定幅度，最終在經(jīng)過若 干個掃描周期后，使制作的長周期光纖光柵滿足參數(shù)要求。
[0043] 在上述各掃描周期中，除了調(diào)節(jié)C02激光脈沖的功率之外，還可以通過調(diào)節(jié)氣壓強(qiáng) 度的方式對包層空氣孔101在每個掃描周期的膨脹程度進(jìn)行控制，從而控制長周期光纖光 柵的參數(shù)在每個掃描周期的變化幅度。
[0044] 制作完成后的長周期光纖光柵在光柵區(qū)域具有因包層空氣孔101沿光纖軸向周 期性膨脹所形成的周期性膨脹結(jié)構(gòu)。根據(jù)制作過程所采用的掃描方式的不同，該周期性的 膨脹結(jié)構(gòu)可以只形成與光纖的一側(cè)，也可以形成于光纖對稱的兩側(cè)，還可以形成于光纖的 一周。
[0045] 以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本 實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵，其特征在于，所述長周期光纖光 柵的光柵區(qū)域具有因包層空氣孔沿光纖軸向周期性膨脹所形成的周期性膨脹結(jié)構(gòu)； 所述周期性膨脹結(jié)構(gòu)形成位置為如下任意一種： 所述光纖的一側(cè)； 所述光纖對稱的兩側(cè)； 所述光纖的一周。
2. -種基于權(quán)利要求1所述的基于光子晶體光纖的膨脹型長周期光纖光柵的制作系 統(tǒng)，其特征在于，包括： 加熱裝置，用于加熱所述光子晶體光纖； 三維移動平臺，用于移動所述光子晶體光纖； 在線監(jiān)測裝置，用于實(shí)時監(jiān)測所寫制的光纖光柵的參數(shù)； 加壓裝置，用于向所述光子晶體光纖的包層空氣孔中通入氣壓，并保持氣壓恒定，使得 所述加熱裝置加熱所述光子晶體光纖時，該光纖的加熱部位的包層空氣孔在充氣狀態(tài)下受 熱膨脹，從而使該加熱部位的纖芯折射率受到調(diào)制； 其中： 加熱裝置包括：激光器、電弧放電加熱裝置、氫氧焰加熱裝置中的任意一種； 在線監(jiān)測裝置包括： 激光光源； 光譜儀，用于與所述激光光源配合實(shí)時監(jiān)測所寫制的光纖光柵的參數(shù)。
【文檔編號】G02B6/02GK203894432SQ201420209917
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】王義平, 鐘曉勇, 廖常銳, 劉申 申請人:深圳大學(xué)