光纖布拉格光柵寫制技術(shù)研究

姜暖　孫雅琴　王旺

摘要：光纖光柵廣泛應用于光纖傳感和光纖通信領(lǐng)域，不同的應用場合對光纖光柵的特征參量提出了不同的要求。本文通過調(diào)節(jié)光纖光柵相位掩模法制作參數(shù)，測定不同參數(shù)對光纖光柵光譜特性的影響規(guī)律并分析其原因，進而通過寫制參數(shù)控制光纖光柵的光譜形狀，對制作確定光譜參數(shù)的光纖光柵具有指導意義。

關(guān)鍵詞：光纖光學；光纖光柵；制作技術(shù)

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0092-03

1 引言

相位掩模法[1]是制作光纖布拉格光柵最常用的方法，在商業(yè)化的大批量生產(chǎn)中，一般通過制作大量光纖光柵，從中選取符合設(shè)計要求的使用。對于大規(guī)模光纖光柵傳感陣列[2-4]，需要在單根光纖上制作多個具有確定性能的光纖光柵，這需要精確控制制作參數(shù)以保證寫制光纖光柵的性能符合設(shè)計要求。光纖光柵新型器件[5-12]的制作需要將光纖光柵寫在不同的波導結(jié)構(gòu)上，同樣需要對光柵寫制參數(shù)的精確控制，因此，研究光纖光柵寫制參數(shù)對其性能的影響規(guī)律具有重要的實用價值。

本文通過分析影響光纖光柵光譜特性的主要參數(shù)，搭建光柵寫制實驗測試平臺，通過調(diào)節(jié)準分子激光器的重復頻率、脈沖能量、曝光時間及改變待刻柵光纖兩端的預應力，測試寫制參數(shù)對光纖光柵光譜特性的影響規(guī)律，為寫制確定光譜特性的光纖光柵以及光纖光柵寫制過程中的調(diào)整提供指導。

2 寫制參數(shù)控制實驗

實驗采用248nm準分子激光器曝光相位掩模板寫入法，圖1就是相位掩模法制作光纖光柵的示意圖。

通過相位掩模法制作光纖光柵的工藝過程分析，有一些工藝制作因素對實際制作的光纖光柵性能影響頗為明顯，我們選取準分子激光器的脈沖能量、重復頻率和曝光時間、施加在光纖兩端的預應力等寫制參數(shù)作為研究對象，搭建光纖光柵制作系統(tǒng)，測試上述參數(shù)對光纖光柵光譜特性的影響規(guī)律，實驗測試及分析過程如下：

2.1 曝光能量

選用載氫三周的普通抗彎光纖作為研究對象，寫入光柵長度6mm，設(shè)定準分子激光器脈沖重復頻率10Hz，光纖兩端施加恒定0.5N的預拉力，用同一塊相位掩模板，依次調(diào)節(jié)激光器輸出能量為19kv、22kv、26kv、30kv，測試不同脈沖能量下寫入光柵的特性差異。

從寫制過程可看出，隨著脈沖能量增大，刻寫相同反射率光纖光柵所需的曝光時間減少，所能達到的最大反射率增大。由圖2可得，隨著脈沖能量增大，寫入光纖光柵的中心波長紅移，3dB帶寬展寬，同時透射峰頂部出現(xiàn)明顯的不平坦并展寬。

可見較大能量寫制光纖光柵時，寫入速度快，較易達到飽和狀態(tài)，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的典型特征是透射光譜中透射凹陷的頂端變得不平坦且明顯展寬，同時出現(xiàn)各種雜亂的線譜。因此當折射率調(diào)制深度較大時，應采用較小能量寫制光纖光柵以獲得完美的譜形，而且達到所需的反射率后應立即停止曝光，避免過度曝光導致反射光譜飽和、展寬、不平坦。

2.2 脈沖頻率和曝光時間

待寫入光柵的光纖類型不變，寫入光柵長度6mm，準分子激光器輸出能量為26kv，光纖兩端施加恒定0.5N的預拉力，改變寫制曝光時間，測試不同曝光時間下寫入光纖光柵的特性差異。

如圖3所示，左側(cè)第一個最小的透射凹陷為曝光100個脈沖得到的光纖光柵透射光譜，每曝光100個脈沖測試一次透射光譜，從左到右的透射凹陷逐漸增大的透射光譜依次為100-1000個曝光脈沖得到的10個光譜。比較10個透射光譜，可看出隨著曝光時間增加，寫制光纖光柵的中心波長紅移，反射率增加，3dB帶寬展寬。

2.3 預拉力

設(shè)定準分子激光器輸出能量26kv，其它條件不變，改變光纖兩端施加的預拉力值，實驗設(shè)定值為0.1N、0.5N，測試不同預拉力條件下寫入光纖光柵的特性差異。

從寫制過程可看出，預拉力大光柵寫入速度快。由圖4可得，預拉力越大，所寫制光纖光柵的中心波長越小，兩種不同預拉力下寫制的光纖光柵中心波長相差0.605nm，0.5N預拉力下寫制的光纖光柵基本達到飽和，反射率高，帶寬大，而0.1N的還沒有達到最高反射率。因此在制作光纖光柵時，要精確控制光纖兩端施加的預拉力。分析其原因在于：同樣的光纖長度受不同大小的預拉力作用時，大的預拉力會獲得大的應變，對光纖光柵寫制過程而言，寫入周期是相同的，預拉力釋放后光纖恢復原長度，應變大的恢復后周期會較小，因此其波長會向短波方向漂移。

3 結(jié)語

光纖光柵因其優(yōu)異的性能在光纖傳感和光纖通信領(lǐng)域得到了廣泛應用，其光譜譜形的精確控制對發(fā)揮其優(yōu)勢具有重要意義。本文選取準分子激光器的脈沖能量、重復頻率和曝光時間、施加在光纖兩端的預應力等寫制參數(shù)作為研究對象，得到了寫制參數(shù)對光纖光柵光譜特性的影響規(guī)律。從寫制過程看，曝光能量越大，寫入速度越快；預拉力越大，寫入速度越快。從寫制光纖光柵的光譜特性看，曝光能量越大，曝光時間越長，中心波長紅移，帶寬展寬，反射率增加。預拉力越大，中心波長藍移，帶寬展寬，反射率增加。在制作光纖光柵時，可根據(jù)不同光纖光柵特性需求設(shè)計相應的寫制參數(shù)，也可根據(jù)需求在寫制過程中對光纖光柵進行調(diào)整。

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