專利名稱：帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感，特別是一種帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵及其制作方法。
斜邊光纖光柵的制作技術(shù)已有一些報(bào)道。在先技術(shù)之一，A.D.Kersey等人(《Fiber gratingsensors》J.Lightwave Technol.15(8)pp1442-1463 1997)采用光纖彎曲法制作斜邊光纖光柵，這種方法制作的斜邊光柵的斜邊線性度比較差。在先技術(shù)之二，Y Liu等人(《Fabricating fibreedge filters with arbitrary spectral response based on tilted chirped grating structures》Meas.Sci.Technol.10 ppL1-L3 1999)制作了傾斜啁啾光纖光柵，利用傾斜光柵輻射模的損耗效應(yīng)實(shí)現(xiàn)斜邊濾波器功能。同樣，這種方法制作的斜邊光柵的斜邊線性度不夠好，而且傾斜光纖光柵對(duì)彎曲和外界環(huán)境敏感，需要很好的封裝，這就增加了光柵的制作成本。在先技術(shù)之三，M.A.Putnam等人(《Fabrication of tapered，strain-gradent chirped fibre Bragg gratings》Electron.Lett.31(4)pp309-310 1995)采用腐蝕光柵施加應(yīng)變的方法制作了帶寬可調(diào)的啁啾光纖光柵，但是在文獻(xiàn)中沒(méi)有涉及制作帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵。
在先技術(shù)之一，在先技術(shù)之二制作的斜邊光纖光柵的斜邊帶寬大小都不可調(diào)，為了使斜邊光纖光柵能適應(yīng)不同傳感范圍的應(yīng)用，提高斜邊光纖光柵的實(shí)用性和靈活性，有必要在斜邊光纖光柵制作完成后繼續(xù)調(diào)節(jié)其斜邊帶寬大小。到目前為止，還沒(méi)出現(xiàn)有關(guān)斜邊帶寬大小可調(diào)的光纖光柵斜邊濾波器的報(bào)道。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵，其特點(diǎn)是在一調(diào)諧機(jī)構(gòu)上安裝一段外徑變化的光纖上制作有斜邊光纖光柵而構(gòu)成。
具體地說(shuō)，它將一段外徑變化的光纖上制作有斜邊光纖光柵安裝在孔徑略大于光纖涂覆外徑的導(dǎo)軌中，該光纖和導(dǎo)軌用膠固定在支座上，該支座固定在底座上，光纖的另外一端通過(guò)支座固定在一維精密平移臺(tái)上，該一維精密平移臺(tái)用微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵的制作要點(diǎn)是用紫外激光幅照方法制作纖芯折射率分布呈斜邊三角函數(shù)形式變跡的啁啾光纖光柵，獲得具有斜邊三角形光譜的光纖光柵；在該光纖光柵部位的外表面通過(guò)腐蝕方法制作直徑單調(diào)減小的光纖截面；采用機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)光纖光柵施加精密可控的拉力，獲得斜邊帶寬大范圍可調(diào)的斜邊光纖光柵。
所述的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的制作方法的具體步驟如下①斜邊光纖光柵制造采用具有光敏性的光纖安排，采用紫外激光幅照的工藝制造，寫入事先設(shè)計(jì)控制的三角形分布的折射率調(diào)制和啁啾量的光纖光柵(1)；②將斜邊光纖光柵的外徑按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行腐蝕腐蝕槽采用耐腐蝕的聚乙烯材料制成分層結(jié)構(gòu)，腐蝕槽由內(nèi)槽和外槽，內(nèi)槽中安置了兩個(gè)隔板，其中上隔板可以是平板，或是倒漏斗形，在內(nèi)槽及二個(gè)隔板的中心，開有直徑略大于光纖涂覆層外徑的小孔；在內(nèi)槽的底部和內(nèi)外槽之間注滿重油，在內(nèi)槽的上下隔板之間注滿腐蝕液，在內(nèi)槽上隔板上面注入輕油，腐蝕液是以氫氟酸為基礎(chǔ)的水溶液，在腐蝕工藝過(guò)程中，先將光纖穿過(guò)三個(gè)小孔，并安裝在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。然后注入重油和輕油，最后用聚乙烯管注入腐蝕液，使其充滿在二隔板之間，注入腐蝕液后，就開始啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使其按可控的速度向上提拉光纖；完成腐蝕后，即時(shí)取出光纖，用水和有機(jī)溶劑清洗；
③調(diào)諧機(jī)構(gòu)安裝將完成第②步制作的斜邊光纖光柵的光纖安裝在孔徑略大于光纖涂覆外徑的導(dǎo)軌中，該光纖和導(dǎo)軌用膠固定在支座上，支座固定在底座上，光纖的另外一端通過(guò)支座固定在一維精密平移臺(tái)上，該維精密平移臺(tái)與微型電機(jī)相連，形成驅(qū)動(dòng)關(guān)系。
所述的光纖為經(jīng)過(guò)高壓載氫后的光纖，或是高摻鍺光敏光纖等。
所述的斜邊光纖光柵可采用變跡相位板法、掃描法、光源光纖移動(dòng)擾動(dòng)法來(lái)寫入。
所述的底座和支座由一種低膨脹系數(shù)的材料制作，它可以是陶瓷材料、或者是微晶玻璃材料、或者是低膨脹系數(shù)的合金材料。
所述的膠可以采用紫外固化膠、也可以采用穩(wěn)定性良好的環(huán)氧樹脂。
本發(fā)明的帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵的優(yōu)點(diǎn)是1、光纖光柵反射譜的斜邊帶寬大，線性度好；2、帶寬可動(dòng)態(tài)調(diào)諧，調(diào)諧范圍大；3、斜邊光纖光柵的制作工藝比較簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性較好，成品率較高。
本發(fā)明的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的工作原理如下光纖光柵的光譜形狀由其折射率調(diào)制分布形式?jīng)Q定，采用斜邊三角形調(diào)制光纖光柵可以獲得具有斜邊三角形光譜的光纖光柵。三角形調(diào)制函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為 這里L(fēng)是光柵的長(zhǎng)度，z代表光柵的位置。p值為一個(gè)控制參數(shù)。光纖光柵中折射率的周期可以采用不同啁啾量或無(wú)啁啾的分布，以獲得帶寬大范圍可調(diào)的斜邊光纖光柵。理論模擬的光柵反射譜如圖2所示。本發(fā)明調(diào)節(jié)帶寬的原理是對(duì)外徑變化的光纖光柵施加應(yīng)力，使不同部位的光纖光柵受到不同的應(yīng)變。光纖光柵峰值波長(zhǎng)的應(yīng)變關(guān)系為λB(ε)≈λB(0)(1+0.78ε) (2)光柵在拉力F作用下，產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)艦棣牛紽/ES＝F/[πER2(z)] (3)這里，E是光纖的揚(yáng)氏模量，S是光柵的橫截面積。可見ε與S成反比關(guān)系，當(dāng)S沿光柵軸向逐漸變化時(shí)，在一定的F下，ε沿光柵軸向也將逐漸變化，從而在光柵的軸向建立應(yīng)變梯度，即對(duì)光柵引入了啁啾。F不一樣，對(duì)光柵引入的啁啾量的大小也不同。從(2)、(3)式可見，要對(duì)光纖光柵引入線性啁啾，光纖半徑沿光柵長(zhǎng)度的分布應(yīng)滿足R(z)=((1RL2-1R02)zL+1R02)-1/2---(4)]]>這里，R0，RL是光柵z＝0，z＝L處橫截面半徑。因此，對(duì)這種光纖光柵施加不同的拉力，可獲得帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵。圖2給出了不同拉力下光纖光柵反射譜的模擬計(jì)算結(jié)果。
本發(fā)明的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的具體制作方法如下1、制備斜邊光纖光柵1a可采用多種具有光敏性的光纖2，比如普通單模光纖經(jīng)過(guò)高壓載氫后的光纖，或是高摻鍺光敏光纖等；光纖光柵采用紫外激光幅照的工藝制造?？梢栽谥谱鬟^(guò)程中采用變跡相位板法、掃描法、光源光纖移動(dòng)擾動(dòng)法等，寫入事先設(shè)計(jì)控制的三角形分布的折射率調(diào)制和啁啾量的光纖光柵，包括啁啾量為零的均勻光纖光柵。
2、制備外徑變化光纖采用以氫氟酸為基礎(chǔ)的化學(xué)腐蝕技術(shù)制作，為了獲得設(shè)計(jì)要求的外徑分布，腐蝕槽采用耐腐蝕的聚乙烯材料，并設(shè)計(jì)成分層結(jié)構(gòu)；采用不同比重的油性液體保護(hù)不需要腐蝕的光纖部位；采用微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)牽引光纖，以獲得所需的外徑變化。腐蝕裝置如圖3所示。腐蝕槽由內(nèi)槽3和外槽4構(gòu)成。內(nèi)槽中安置了兩個(gè)隔板5；其中上隔板可以是平板，如圖3(a)所示，或是倒漏斗形，如圖3(b)所示。倒漏斗形隔板的目的是在縱向形成不同的腐蝕速度。在內(nèi)槽及二個(gè)隔板的中心，開有直徑略大于光纖涂覆層外徑的小孔。
在內(nèi)槽的底部和內(nèi)外槽之間注滿重油6。在內(nèi)槽的上下隔板之間注滿腐蝕液7。在內(nèi)槽上隔板上面注入輕油8。腐蝕液是以氫氟酸為基礎(chǔ)的水溶液。其比重接近水的比重。所采用的重油和輕油的比重分布大于和小于腐蝕液。在腐蝕工藝過(guò)程中，先將光纖2穿過(guò)三個(gè)小孔，并安裝在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸10上。然后注入重油6和輕油8。最后用聚乙烯管9注入腐蝕液7，使其充滿在二隔板之間。在注入這些液體過(guò)程中，要注意調(diào)節(jié)和控制液面高低位置。注入腐蝕液后，就開始啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)10，使其按可控的速度向上提拉光纖。完成腐蝕后，即時(shí)取出光纖，用水和有機(jī)溶劑清洗。
3、本發(fā)明的調(diào)諧機(jī)構(gòu)如圖4所示。已制作了斜邊光纖光柵1的光纖2，被安裝在孔徑略大于光纖涂覆外徑的導(dǎo)軌11中。該導(dǎo)軌11采用中國(guó)實(shí)用新型專利[專利號(hào)ZL 01 2 55004.3]提供的技術(shù)制作。光纖2和導(dǎo)軌11用膠14固定在支座151、152、153、154上。支座151、152、153固定在底座16上。光纖的另外一端通過(guò)支座154固定在一維精密平移臺(tái)18上。一維精密平移臺(tái)18用微型電機(jī)17驅(qū)動(dòng)。
在本調(diào)諧機(jī)構(gòu)中，底座16和支座15由一種低膨脹系數(shù)的材料制作，它可以是陶瓷材料、或者是微晶玻璃材料、或者是低膨脹系數(shù)的合金材料；膠14可以采用紫外固化膠、也可以采用穩(wěn)定性良好的環(huán)氧樹脂，以保證應(yīng)力調(diào)諧時(shí)的穩(wěn)定性。
在本調(diào)諧機(jī)構(gòu)中，微型電機(jī)可以用微電腦控制的驅(qū)動(dòng)器來(lái)推動(dòng)，以獲得斜邊光纖光柵精密可控、穩(wěn)定的反射光譜。
采用相位掩膜板和孔徑掃描方法，在經(jīng)過(guò)高壓載氫敏化處理的商用康寧SMF28單模光纖上，寫入折射率調(diào)制分布形式為三角形的光纖光柵，獲得了如圖5所示的反射光譜。進(jìn)一步優(yōu)化控制程序，將可以獲得具有大的斜邊的光譜。將該樣品固定在一個(gè)應(yīng)變可控的懸臂梁上，測(cè)量了該三角形光纖光柵的透射和反射信號(hào)隨應(yīng)變的變化，得到如圖6所示的關(guān)系。光信號(hào)經(jīng)電路放大處理后，通過(guò)透射和反射信號(hào)的比值，可以靈敏地反映懸臂梁的應(yīng)變，分辨率為1.5微應(yīng)變。
權(quán)利要求
1.一種帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵，其特征在于它是在一調(diào)諧機(jī)構(gòu)上安裝一段外徑變化的光纖(2)上制作有斜邊光纖光柵(1a)而構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵，其特征在于它將一段外徑變化的光纖(2)上制作有斜邊光纖光柵(1a)安裝在孔徑略大于光纖涂覆外徑的導(dǎo)軌(11)中，該光纖(2)和導(dǎo)軌(11)用膠(14)固定在支座(151、152、153、154)上，支座(151、152、153)固定在底座(16)上，光纖(2)的另外一端通過(guò)支座(154)固定在一維精密平移臺(tái)(18)上，該一維精密平移臺(tái)(18)用微型電機(jī)(17)驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的制作方法，其特征在于包括如下步驟①斜邊光纖光柵制造采用具有光敏性的光纖(2)，采用紫外激光幅照的工藝制造，寫入事先設(shè)計(jì)控制的三角形分布的折射率調(diào)制和啁啾量的光纖光柵(1)；②將斜邊光纖光柵(1a)的外徑按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行腐蝕腐蝕槽采用耐腐蝕的聚乙烯材料制成分層結(jié)構(gòu)，腐蝕槽由內(nèi)槽(3)和外槽(4)，內(nèi)槽(3)中安置了兩個(gè)隔板(5)，其中上隔板可以是平板，或是倒漏斗形，在內(nèi)槽(3)及二個(gè)隔板的中心，開有直徑略大于光纖涂覆層外徑的小孔；在內(nèi)槽的底部和內(nèi)外槽之間注滿重油(6)，在內(nèi)槽的上下隔板之間注滿腐蝕液(7)，在內(nèi)槽上隔板上面注入輕油(8)，腐蝕液是以氫氟酸為基礎(chǔ)的水溶液，在腐蝕工藝過(guò)程中，先將光纖(2)穿過(guò)三個(gè)小孔，并安裝在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸(10)上。然后注入重油(6)和輕油(8)，最后用聚乙烯管(9)注入腐蝕液(7)，使其充滿在二隔板之間，注入腐蝕液后，就開始啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(10)，使其按可控的速度向上提拉光纖；完成腐蝕后，即時(shí)取出光纖，用水和有機(jī)溶劑清洗；③調(diào)諧機(jī)構(gòu)安裝將完成第②步制作的斜邊光纖光柵(1a)的光纖(2)安裝在孔徑略大于光纖涂覆外徑的導(dǎo)軌(11)中，該光纖(2)和導(dǎo)軌(11)用膠(14)固定在支座(151、152、153、154)上，支座(151、152、153)固定在底座(16)上，光纖(2)的另外一端通過(guò)支座(154)固定在一維精密平移臺(tái)(18)上，該維精密平移臺(tái)(18)與微型電機(jī)(17)相連，形成驅(qū)動(dòng)關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的制作方法，其特征在于所述的光纖為經(jīng)過(guò)高壓載氫后的光纖，或是高摻鍺光敏光纖等。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的制作方法，其特征在于所述的斜邊光纖光柵(1a)可采用變跡相位板法、掃描法、光源光纖移動(dòng)擾動(dòng)法來(lái)寫入。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的制作方法，其特征在于所述的底座(16)和支座(151、152、153、154)由一種低膨脹系數(shù)的材料制作，它可以是陶瓷材料、或者是微晶玻璃材料、或者是低膨脹系數(shù)的合金材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶寬可調(diào)斜邊光纖光柵的制作方法，其特征在于所述的膠(14)可以采用紫外固化膠、也可以采用穩(wěn)定性良好的環(huán)氧樹脂。
全文摘要
一種帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵及其制作方法，該帶寬可調(diào)的斜邊光纖光柵是在一調(diào)諧機(jī)構(gòu)上安裝一段外徑變化的光纖上制作有斜邊光纖光柵而構(gòu)成。其制作步驟包括①斜邊光纖光柵制造②將斜邊光纖光柵的外徑按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行腐蝕③調(diào)諧機(jī)構(gòu)安裝。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是光纖光柵反射譜的斜邊帶寬大，線性度好；帶寬可動(dòng)態(tài)調(diào)諧，調(diào)諧范圍大；斜邊光纖光柵的制作工藝比較簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性較好，成品率較高。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1455226SQ0312893
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者黃銳, 瞿榮輝, 方祖捷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所