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CN106646729A - 基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅及其制作方法 - Google Patents

基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅及其制备方法；光栅包括两根单模光纤和位于两根单模光纤之间的蓝宝石衍生光纤、蓝宝石衍生光纤内部存在周期性析晶区域；所述周期性析晶区域由1个以上相同的局部析晶区组合而成。制备方法为采用高压电极电弧放电的热处理方法，对蓝宝石衍生光纤进行周期性的局部热处理，从而形成折射率的周期性调制。本发明利用其析晶机理引发的折射率调制更稳定，且不易被擦除，可使光栅具有更稳定、更耐高温的性能。

Description

基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种长周期光纤光栅及其制作方法，尤其涉及一种基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅及其制作方法，属于光纤器件领域。
背景技术
长周期光纤光栅是一种重要的光纤无源器件，它在某些方面具有比光纤布拉格光栅更好的光学特性，已在通信和传感领域具有极其重要的地位和许多广泛的应用，比如用来做光纤放大器的增益平坦、色散补偿，以及温度、应变、生物化学传感器等。长周期光纤光栅基本的传光原理是前向传输的纤芯模式与同向的各阶次高阶模式之间进行耦合，由于其对传导模进行周期性调制，使基模和高阶模在满足谐振条件的情况下发生能量转换，高阶模在传输一段距离之后被衰减掉，形成损耗峰。具有插入损耗小、无后向反射、与偏振无关、全兼容于光纤、体积小、能埋入智能材料等优点。
长周期光纤光栅的折射率调制机理根据光栅刻写方法和光纤特性的不同而存在差异，目前在制作长周期光纤光栅领域提出的光纤折射率调制机理主要有应力释放、光纤纤芯与包层的扩散、玻璃结构的改变、机械形变、微结构光纤塌陷等。长周期光纤光栅利用了折射率的周期性调制形成较强的谐振峰，调制机理如上述所示，或者是上述几种方式的结合。在普通单模光纤中折射率调制主要是由应力释放引起，应力释放导致在写入点的纤芯折射率减小。对于掺硼光纤折射率调制的主要原因是玻璃结构的改变，辐照后纤芯材料会经历体积增加或者玻璃致密化，若加热温度高于纤芯材料的玻璃转换温度会导致体积增加，从而折射率减小，相反的加热温度低于纤芯材料的玻璃转换温度会引起玻璃致密化，从而折射率增加。微型结构光纤，如PCF光纤的折射率调制往往依靠光纤形变，如光纤周期性塌陷，使得光纤包层向纤芯聚拢，通过减少空气的微孔的体积来增加光纤包层有效折射率，其他方式还有在光纤包层刻周期性凹槽、激光扫描包层使空气孔膨胀等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅及其制作方法
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅，包括两根单模光纤和位于两根单模光纤之间的蓝宝石衍生光纤、蓝宝石衍生光纤内部存在周期性析晶区域；所述周期性析晶区域由1个以上相同的局部析晶区组合而成。
一种技术方案一所述的基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：取一根单模光纤，将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的一个夹具中；
步骤2：取一段蓝宝石衍生光纤，将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的另一个夹具中；
步骤3：对准单模光纤和蓝宝石衍生光纤后，利用熔接机进行放电熔接；
步骤4：确定所需的蓝宝石衍生光纤的接入长度，用光纤切割刀切除余下的蓝宝石衍生光纤；
步骤5：将切断后的蓝宝石衍生光纤与另一根单模光纤熔接，形成单模光纤—蓝宝石衍生光纤—单模光纤的结构。
步骤6：将上述单模光纤—蓝宝石衍生光纤—单模光纤结构中的蓝宝石衍生光纤放入熔接机的两电极中间，其一端的单模光纤先用熔接机的一个夹具固定，在另一端的单模光纤上悬挂一个小砝码，使光纤保持水平，将其固定；
步骤7：调节熔接机放电参数，选定放电模式，执行第一次放电操作，在蓝宝石衍生光纤的纤芯内形成局部析晶区；
步骤8：松开一端夹具，移动另一个夹具的马达，移动的距离为光纤折射率调制周期，在松开一端的光纤上挂上砝码，使光纤水平后固定起来，进行第二次放电操作；
步骤9：判断周期性析晶区域是否达到需要的周期数；如果是，转向步骤10；否则，转向步骤8；
步骤10：结束。
所述蓝宝石衍生光纤为高浓度氧化铝掺杂的蓝宝石衍生光纤。
所述蓝宝石衍生光纤的制备方法包括以下步骤：
步骤A：利用管棒法制作光纤预制棒：套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为单晶蓝宝石棒；
步骤B：利用石英光纤拉丝工艺，将光纤预制棒拉制成高浓度掺杂氧化铝的蓝宝石衍生光纤2。
在步骤7中析晶区利用熔接机电极高压放电的热处理方法形成。
采用上述技术方案，产生的有益效果在于：
本发明克服了现有的长周期光纤光栅在高温环境时折射率调制容易被擦除，并且在高温时光栅易发生形变的缺陷，可应用得更稳定，适用范围更广的温度检测。
附图说明
图1是本发明中实施例1的结构图；
图2是本发明中实施例1的流程图；
图3是本发明中实施例1中析晶区的显微照片；
图4是本发明中实施例1的透射谱波形；
其中：1-单模光纤，2-蓝宝石衍生光纤，3-周期性析晶区域，4-析晶区。
具体实施方法
本发明的优选实施例并结合附图说明如下：
实施例1：
参见图1，一种基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅，包括两根单模光纤1和位于两根单模光纤之间的蓝宝石衍生光纤2、蓝宝石衍生光纤2内部存在周期性析晶区域3；所述周期性析晶区域3由1个以上相同的局部析晶区4组合而成。所述的单模光纤1内径9μm外径，125μm，蓝宝石衍生光纤2内径18μm，外径125μm。
实例1的制备流程：
参见图2，一种实施例1所述的基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：取一根单模光纤1，将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的左边夹具中；
步骤2：取一段蓝宝石衍生光纤2，将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的右边夹具中；
步骤3：对准单模光纤1和蓝宝石衍生光纤2后，利用熔接机进行放电熔接；
步骤4：确定所需的蓝宝石衍生光纤2的接入长度，用光纤切割刀切除余下的蓝宝石衍生光纤；
步骤5：将切断后的蓝宝石衍生光纤2与另一根单模光纤1熔接，形成单模光纤1—蓝宝石衍生光纤2—单模光纤1的结构。
步骤6：将上述单模光纤1—蓝宝石衍生光纤2—单模光纤1结构中的蓝宝石衍生光纤2放入熔接机的两电极中间，其中一个单模光纤1先用熔接机的左边夹具固定，在右端的单模光纤1上悬挂一个2g小砝码，使光纤保持水平，将光纤右端固定；
步骤7：调节熔接机放电参数，选定放电模式，执行第一次放电操作，在蓝宝石衍生光纤的纤芯内形成局部析晶区4；
步骤8：松开一端夹具，移动另一个夹具的马达500μm，移动的距离即光纤折射率调制周期，在松开一端的光纤上挂上砝码，使光纤水平后固定起来，进行第二次放电操作；
步骤9：判断周期性析晶区域3是否达到需要的周期数；如果是，转向步骤10；否则，转向步骤8；本实施例中需要的周期数为4；
步骤10：结束。此时形成4个相同的局部析晶区，完成基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅的制备。
所述蓝宝石衍生光纤2为高浓度氧化铝掺杂的石英光纤。
所述蓝宝石衍生光纤2的制备方法包括以下步骤：
步骤A：利用管棒法制作光纤预制棒：套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为单晶蓝宝石棒；
步骤B：利用石英光纤拉丝工艺，将光纤预制棒拉制成高浓度掺杂氧化铝的蓝宝石衍生光纤2。
在步骤7中析晶区4利用熔接机电极高压放电的热处理方法形成。参见图3，通过高压电极电弧放电对蓝宝石衍生光纤进行热处理，制备析晶区4，从而实现纤芯折射率的调制。高压电弧使高浓度氧化铝掺杂蓝宝石衍生光纤在经历快速升温和快速降温的过程后，出现明显的析晶现象。析晶区域的折射率发生明显增大，折射率调制增量约为0.01。
参见图4，利用常规宽带光源结合光纤光谱仪的透射光谱测试方法，对图1所示的基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅的光谱进行了测试，可以观测强谐振光谱。
本发明的折射率调制机理采用了光纤纤芯材料析晶的方式。利用高压电弧对蓝宝石衍生光纤进行热处理。高浓度氧化铝掺杂的蓝宝石衍生光纤在快速升温和快速降温的过程中，经历了从固态转变为熔融态又转变为固态的过程。在热处理工艺之前，高浓度氧化铝掺杂石英光纤的纤芯为无定形非晶态，纤芯中氧化铝呈纳米级掺杂状态，均匀的分布在二氧化硅基底中。在快速升温后，纤芯材料转变为熔融状态，此时氧化铝粘度较小，受到分子间作用力的影响后，氧化铝纳米粒子迅速聚集形成大颗粒氧化铝晶体。降温后，生长后的氧化铝颗粒就镶嵌在纤芯中，从而实现热处理析晶现象。非晶态是一种不定形态，排列无序，晶态是一种定性态，排列有序。在析晶过程中，局域氧化铝分子重新排列，由杂乱无章转变为局域有序的结构，局域材料密度增加，同时折射率也相应地增大。在本实施例中，拉制后的蓝宝石衍生光纤的纤芯折射率为1.53，经过析晶调制后，折射率增加0.01，纤芯折射率变为1.54。
本实施例的基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅，采用的耦合模式理论为前向传输的纤芯模之间的耦合，当单模中的光传输进入蓝宝石衍生光纤，激发出更高阶的纤芯模，低阶纤芯模与高阶纤芯模在传输过程中发生耦合。当在蓝宝石衍生光纤上刻写长周期光栅后，诱发了更多的低阶模转换为高阶模式，能量转换远大于折射率调制之前。高阶模式的能量，又在耦合回另一段单模光纤的过程中消失，因此产生了谐振峰，相位匹配条件公式为λ＝(n01-nnm)Λ，其中λ为谐振峰出现的波长，n01、nnm分别为低阶模和高阶模的有效折射率，Λ为长周期光纤光栅的周期。

Claims (5)

1.一种基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅，其特征在于：包括两根单模光纤（1）和位于两根单模光纤之间的蓝宝石衍生光纤（2）、蓝宝石衍生光纤（2）内部存在周期性析晶区域（3）；所述周期性析晶区域（3）由1个以上相同的局部析晶区（4）组合而成。
2.一种权利1所述的基于纤芯材料析晶的长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：取一根单模光纤（1），将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的一个夹具中；
步骤2：取一段蓝宝石衍生光纤（2），将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的另一个夹具中；
步骤3：对准单模光纤（1）和蓝宝石衍生光纤（2）后，利用熔接机进行放电熔接；
步骤4：确定所需的蓝宝石衍生光纤（2）的接入长度，用光纤切割刀切除余下的蓝宝石衍生光纤；
步骤5：将切断后的蓝宝石衍生光纤（2）与另一根单模光纤（1）熔接，形成单模光纤（1）—蓝宝石衍生光纤（2）—单模光纤（1）的结构；
步骤6：将上述单模光纤（1）—蓝宝石衍生光纤（2）—单模光纤（1）结构中的蓝宝石衍生光纤（2）放入熔接机的两电极中间，其一端的单模光纤（1）先用熔接机的一个夹具固定，在另一端的单模光纤（1）上悬挂一个小砝码，使光纤保持水平，将其固定；
步骤7：调节熔接机放电参数，选定放电模式，执行第一次放电操作，在蓝宝石衍生光纤的纤芯内形成局部析晶区（4）；
步骤8：松开一端夹具，移动另一个夹具的马达，移动的距离为光纤折射率调制周期，在松开一端的光纤上挂上砝码，使光纤水平后固定起来，进行第二次放电操作；
步骤9：判断周期性析晶区域（3）是否达到需要的周期数；如果是，转向步骤10；否则，转向步骤8；
步骤10：结束。
3.根据权利2所述的制备方法，其特征在于：所述蓝宝石衍生光纤（2）为高浓度氧化铝掺杂的石英光纤。
4.根据权利2所述的制备方法，其特征在于：所述蓝宝石衍生光纤（2）的制备方法包括以下步骤：
步骤A：利用管棒法制作光纤预制棒：套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为单晶蓝宝石棒；
步骤B：利用石英光纤拉丝工艺，将光纤预制棒拉制成高浓度掺杂氧化铝的蓝宝石衍生光纤（2）。
5.根据权利2所述的制备方法，其特征在于：在步骤7中析晶区（4）利用熔接机电极高压放电的热处理方法形成。
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