一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有溫度記憶功能的光纖布拉格光柵,包括一段光纖以及寫制于光纖纖芯的布拉格光柵結構。所述的光纖布拉格光柵具有分別對應于次生光柵和IIa型光柵的兩個反射峰譜線結構，雙峰波長差值對其所經(jīng)受過的最高環(huán)境溫度值具有記憶功能；所述的雙峰波長差的記憶功能只與環(huán)境溫度有關，因此可以排除應變、側向壓力等參量的交叉敏感；所述的光纖布拉格光柵可以在高溫環(huán)境下實現(xiàn)記憶功能。
【專利說明】
一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及光纖光柵傳感領域，特別是一種具有溫度記憶功能的光纖布拉格光柵。
【背景技術】
[0002]光纖布拉格光柵(fiberBragg grating，F(xiàn)BG)，是一種纖芯具有周期性折射率變化的光纖光子學無源器件，具有抗電磁干擾、結構靈活、光纖兼容、波長編碼、譜線簡單易于解調、復用能力強、結構簡單制作方便、體積小巧等特點，在光纖傳感和通信領域中得到了廣泛的應用。
[0003]由于光纖的熱光效應及熱膨脹效應，光纖布拉格光柵的Bragg反射波長會相應的發(fā)生改變，因此，通過波長-溫度的一一對應關系，可以實現(xiàn)FBG對于環(huán)境溫度的傳感功能。
[0004]在FBG溫度傳感的相關研究中，主要分為三個方面:
[0005]—、溫度傳感靈敏度的增敏:可以通過表面涂覆高熱膨脹系數(shù)材料，在高熱光系數(shù)光纖上寫制FBG來實現(xiàn)；
[0006]二、溫度傳感中應變、壓力所帶來等交叉敏感的消除:可以通過參考FBG，偏振雙峰FBG，諧波法等方式實現(xiàn)；
[0007]三、提高光纖布拉格光柵的耐高溫能力:可以通過II型光柵、IIa型光柵、再生光柵、特殊摻雜光纖光柵等方式實現(xiàn)。
[0008]上述方式都是為了FBG對溫度的傳感功能，主要關注于FBG對于環(huán)境溫度變化的響應并實現(xiàn)實時監(jiān)測，而FBG的傳感信號本身對于環(huán)境溫度并不具有記憶性。因此，在實際的應用中往往需要測量和數(shù)據(jù)處理同時進行，這就需要在傳感過程中配備整套的數(shù)據(jù)解調處理系統(tǒng)。然而，在某些應用場合，這種實時監(jiān)測的方式就會受到較大的限制，如野外探測，極端環(huán)境下的探測等。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，利用其雙峰波長差值的方法對其所經(jīng)受過的最高環(huán)境溫度值實現(xiàn)保存與記錄的功能，而且，這種波長差的記憶功能只與環(huán)境溫度有關，因此可以排除應變、側向壓力等參量的交叉敏感。
[0010]本發(fā)明的目的通過以下的技術方案實現(xiàn):一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，帶有次生光柵的IIa型光纖布拉格光柵(后簡稱“次生-1Ia光柵”)，其反射譜線具有雙峰結構，分別為次生光柵和IIa型光柵構成，次生光柵反射峰位于IIa型光柵反射峰的短波長方向。這種獨特的雙峰現(xiàn)象與光纖的雙折射、光柵旁瓣以及高階模耦合無關。
[0011 ]所述雙峰峰值波長對于溫度都具有正向響應，而次生光柵反射峰的溫度響應更大，隨著環(huán)境溫度的提高，次生光柵反射峰在波長上呈現(xiàn)逐漸靠近IIa型光柵反射峰的趨勢。當環(huán)境溫度降溫至常溫時，此雙峰并不會分開至初始狀態(tài)，而是保持在最高溫度時的波長差，因此只要通過對雙峰波長差的追跡，便可以得出光柵所經(jīng)受的最高溫度，以此實現(xiàn)對溫度的記憶功能。
[0012]所述次生-1Ia光柵對于寫制光纖的具體要求是:光纖纖芯直徑必須小于6微米，優(yōu)選的，為3微米，纖芯鍺離子含量大于10 %。
[0013]所述次生-1Ia光柵反射器的制造方法具體是:采用準分子激光器結合相位掩膜板，對上述有源光纖直接進行曝光，實現(xiàn)周期性折射率調制。
[0014]所述準分子激光光源僅采用193納米紫外準分子激光器，避免額外的光纖載氫等增敏手段實現(xiàn)直接刻寫，同時可以提供較大的空間Talbot長度。
[0015]所述相位掩膜板，可以通過改變相位掩膜板的周期來實現(xiàn)光柵反射波長的設計，優(yōu)選的，光柵反射波長設計于C波段。
[0016]所述次生-1Ia光柵在曝光調制中的傳輸譜線衍化特征為:首先，初生光柵隨著曝光量的積累，光柵反射率逐漸增大，同時光柵的布拉格反射波長隨著折射率正改變向長波方向漂移，體現(xiàn)典型的I型光柵衍化特征。當初生光柵反射率接近飽和時，次生光柵開始從光譜上顯現(xiàn)出來，位于初生光柵短波長方向。隨后，初生光柵達到飽和后，隨著曝光量的繼續(xù)積累，反射強度逐漸消退開始衰減并達到最小值，而其反射波長依舊向長波方向漂移。在這個過程中，次生光柵的反射率逐漸增大且向長波方向移動，次生光柵的反射率將超過初生光柵，呈現(xiàn)雙反射峰結構。最后，隨著曝光量的繼續(xù)累積，在長波長方向出現(xiàn)一個新的反射峰，且反射率不斷增大的同時反射波長向短波方向漂移，體現(xiàn)折射率負變化，為IIa型光柵的衍化特征，而次生光柵反射率繼續(xù)增強并向長波方向移動，初生光柵完全消退，因此形成一個新的次生光柵-1Ia型光柵的雙峰結構，次生光柵的反射率始終強于IIa型光柵，并處于短波長方向。在此過程中兩個反射峰的波長移動方向相反，呈現(xiàn)相向移動。光柵的譜線最終狀態(tài)是兩個反射峰，具有一定的波長差。其波長差初始值取決于累積曝光量以及光柵寫制時加載在光纖兩端的預應力。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0018]1、本發(fā)明的次生-1Ia型光纖布拉格光柵不僅具有傳統(tǒng)的布拉格光柵的溫度傳感能力，還具備特殊的溫度記憶功能，因此可以在測量時擺脫復雜的監(jiān)測儀器的需求，達到測量與數(shù)據(jù)處理的分立化，從而實現(xiàn)便攜式探測的目的，實施方法簡單，可以應用于野外探測、航空安全等領域。
[0019]2、本發(fā)明的次生-1Ia型光纖布拉格光柵的制作無需載氫和退火，同時所述的光纖載體具有高摻鍺，小纖芯等特點，具有高效制備的能力，更具經(jīng)濟效益。
[0020]3、本發(fā)明的次生-1Ia型光纖布拉格光柵的雙峰波長差對溫度的記憶功能只與環(huán)境溫度有關，不受應變、側壓力等光纖本征敏感參量的影響，避免了交叉敏感。
[0021]4、本發(fā)明的次生-1Ia型光纖布拉格光柵可以在高溫環(huán)境下正常工作。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實施例1的次生-1Ia型光纖布拉格光柵的結構圖；
[0023]圖2是本發(fā)明中上述次生-1Ia型光纖布拉格光柵在193nm準分子激光結合相位掩膜板進行寫制過程中光柵傳輸光譜典型衍化特征；
[0024]圖3是本發(fā)明上述次生-1Ia型纖布拉格光柵在環(huán)境溫度升溫至一定溫度，然后溫度降溫回常溫后的傳輸光譜對比；
[0025]其中:1-光纖纖芯;2-光纖包層;3-次生-1Ia型光纖布拉格光柵結構。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0027]實施例1
[0028]如圖1所示，一種實現(xiàn)溫度記憶功能的光纖布拉格光柵，包括:光纖纖芯I，以及寫制于光纖纖芯I上的次生-1Ia型光纖布拉格光柵結構2;光纖纖芯I的外面包覆著光纖包層3。
[0029]典型值為，光纖纖芯I的直徑為3微米，光纖包層3的直徑為125微米，光纖纖芯I的鍺離子摻雜濃度為10%及以上，只要光纖纖芯I的直徑小于6微米，且滿足纖芯的鍺離子摻雜濃度的光纖都適用于本實施例。
[0030]次生-1Ia型光纖布拉格光柵結構2是采用193納米紫外準分子激光器結合相位掩膜板法在光纖纖芯I上形成的周期性折射率改變而形成，準分子激光典型值為:的重復頻率設置為200赫茲，激光單位能量為120毫焦耳/平方厘米，相位掩膜板的周期為1067納米。
[0031]如圖2所示，為實施例1在制作過程中的典型衍化傳輸光譜，衍化方向為“曝光時間I”至“曝光時間5” ο其特征為:首先，初生光柵反射率逐漸增大，同時光柵的布拉格反射波長隨著折射率正改變向長波方向漂移，體現(xiàn)典型的I型光柵衍化特征，為“曝光時間I”所示；當初生光柵反射率接近飽和時，次生光柵開始從光譜上顯現(xiàn)出來，位于初生光柵短波長方向，為“曝光時間2”所示；隨后，初生光柵達到飽和后，反射強度逐漸消退開始衰減而其反射波長依舊向長波方向漂移，次生光柵的反射率逐漸增大且向長波方向移動，在這個過程中，次生光柵的反射率將超過初生光柵，在長波長方向會出現(xiàn)一個新的反射峰為IIa型光柵，如“曝光時間3”所示。隨后，初生光柵繼續(xù)衰減至完全淹沒于背景功率之中，IIa型光柵且反射率不斷增大的同時反射波長向短波方向漂移，體現(xiàn)折射率負變化，而次生光柵反射率繼續(xù)增強并向長波方向移動，形成一個新的“次生光柵-1Ia型光柵”的雙峰結構，次生光柵的反射率始終強于IIa型光柵，并處于短波長方向，在此過程中兩個反射峰的波長移動方向相反，呈現(xiàn)相向化移動;光柵的譜線最終狀態(tài)為兩個反射峰，如“曝光時間4”所示，其波長差和譜線形態(tài)取決于累積曝光量以及光柵寫制時加載在光纖兩端的預應力，曝光時間的典型值為10分鐘，預應力典型值為0.2牛頓。
[0032]如圖3所示，為實施例1中，初始雙峰波長差為0.44納米(常溫:25攝氏度)的次生_IIa型光纖布拉格光柵在各個溫度下以及回到常溫后的譜線對比情況。在溫度達到200攝氏度時，雙峰波長差減小為0.42納米，隨后當溫度重新降溫至常溫(25攝氏度)，雙峰波長差依舊為0.42納米，說明200攝氏度溫度被記錄；當溫度達到300攝氏度時，雙峰波長差減小為
0.38納米，隨后當溫度重新降溫至常溫(25攝氏度)，雙峰波長差依舊為0.38納米，說明300攝氏度溫度被記錄；當溫度達到400攝氏度時，雙峰波長差減小為0.35納米，隨后當溫度重新降溫至常溫(25攝氏度)，雙峰波長差依舊為0.35納米，說明400攝氏度溫度被記錄；當溫度達到500攝氏度時，雙峰波長差減小為0.3納米，隨后當溫度重新降溫至常溫(25攝氏度)，雙峰波長差同樣為0.3納米，說明500攝氏度溫度被記錄；當溫度達到600攝氏度時，雙峰完全疊加，波長差為0，隨后當溫度重新降溫至常溫(25攝氏度)，譜線形狀完全相同，波長差為O，說明600攝氏度溫度被記錄；
[0033]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，包括光纖纖芯，以及寫制于光纖纖芯上的次生-1Ia型光纖布拉格光柵結構，其特征在于，所述次生-1Ia型光纖布拉格光柵結構具有雙峰反射譜線，且雙峰波長的差值具有溫度記憶功能。2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述雙峰反射譜線分別對應于次生光柵和IIa型光柵，所述次生光柵反射峰位于所述IIa型光柵反射峰的短波長方向。3.根據(jù)權利要求2所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述次生光柵峰和所述IIa型光柵反射峰的峰值波長對于溫度都具有正向響應，而所述次生光柵反射峰的溫度響應大于所述IIa型光柵反射峰的溫度響應，同時隨著環(huán)境溫度的提高，所述次生光柵反射峰在波長上呈現(xiàn)逐漸靠近所述IIa型光柵反射峰的趨勢，當環(huán)境溫度降溫至常溫時，此雙峰并不會分開至初始狀態(tài)，而是保持在最高溫度時的波長差，通過對雙峰波長差的追跡得出光柵所經(jīng)受的最高溫度，以此實現(xiàn)對溫度的記憶功能。4.根據(jù)權利要求1所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述光纖纖芯直徑小于6微米，纖芯鍺離子含量大于10%。5.根據(jù)權利要求1所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述次生-1Ia型光纖布拉格光柵結構采用準分子激光器結合相位掩膜板，對所述光纖纖芯直接進行曝光，實現(xiàn)周期性折射率調制。6.根據(jù)權利要求5所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述準分子激光器采用193納米紫外準分子激光器。7.根據(jù)權利要求5所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述相位掩膜板通過改變相位掩膜板的周期來實現(xiàn)光柵反射波長的設計，其光柵反射波長設計于C波段。8.根據(jù)權利要求5所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述對所述光纖纖芯直接進行曝光，實現(xiàn)周期性折射率調制中的傳輸譜線衍化過程為:首先，初生光柵隨著曝光量的積累，光柵反射率逐漸增大，同時光柵的布拉格反射波長隨著折射率正改變向長波方向漂移，體現(xiàn)典型的I型光柵衍化特征，當初生光柵反射率接近飽和時，次生光柵開始從光譜上顯現(xiàn)出來，位于初生光柵短波長方向；隨后，初生光柵達到飽和后，隨著曝光量的繼續(xù)積累，反射強度逐漸消退開始衰減并達到最小值，而其反射波長依舊向長波方向漂移，上述過程中次生光柵的反射率逐漸增大且向長波方向移動，次生光柵的反射率將超過初生光柵，呈現(xiàn)雙反射峰結構；最后，隨著曝光量的繼續(xù)累積，在長波長方向出現(xiàn)一個新的反射峰，且反射率不斷增大的同時反射波長向短波方向漂移，體現(xiàn)折射率負變化，為IIa型光柵的衍化特征，而次生光柵反射率繼續(xù)增強并向長波方向移動，初生光柵完全消退，形成一個新的次生光柵-1Ia型光柵的雙峰結構，次生光柵的反射率始終強于IIa型光柵，并處于短波長方向，上述過程中兩個反射峰的波長移動方向相反，呈現(xiàn)相向移動，光柵的譜線最終狀態(tài)是兩個反射峰，具有一定的波長差，其波長差初始值取決于累積曝光量以及光柵寫制時加載在光纖兩端的預應力。9.根據(jù)權利要求1至8任一所述的一種具有溫度記憶性的光纖布拉格光柵，其特征在于，所述光纖纖芯的外面包覆著光纖包層。
【文檔編號】G02B6/02GK105954831SQ201610227564
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】冉洋, 馮福榮, 關柏鷗, 金龍
【申請人】暨南大學