基于相位掩模板的常規(guī)光纖制備弱反射光柵

顧宏燦，姚高飛，黃俊斌，丁 朋

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 武漢 430033)

引 言

光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)是由紫外激光曝光光敏光纖[1]或飛秒激光曝光普通光纖[2]，使纖芯折射率沿軸向永久周期變化制備而成，當(dāng)前已經(jīng)成功應(yīng)用于各個傳感領(lǐng)域[3-4]。弱反射光纖布喇格光柵(weak fiber Bragg grating，WFBG)是反射率較弱的FBG，由于較低的反射率，與普通FBG相比，其復(fù)用能力得到極大增強，適宜構(gòu)建大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、小體積的準(zhǔn)分布式WFBG傳感陣列，在聲波探測等傳感領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景[5-7]。WFBG首次由Talbot干涉法激光單脈沖曝光摻鍺光纖制備而成[8]，后續(xù)出現(xiàn)的紫外激光曝光相位掩模板法[9-10]、飛秒激光直寫技術(shù)[11-12]等推動了WFBG制備方法的多樣化。在線拉絲塔相位掩模板法[13-15]和在線拉絲塔Talbot干涉法[16]，同時進行制備光纖、WFBG和涂覆操作，大大增強了WFBG線陣的機械強度，已經(jīng)成功制備出超大規(guī)模WFBG陣列，這兩種方法制備WFBG均是基于光敏光纖的光致折射率調(diào)制效應(yīng)，所采用的光纖是Ge/B共摻、摻Ge、摻Ce[17]等光敏光纖，存在材料成本高，傳輸損耗大的問題。

本文中提出基于相位掩模板法，直接在常規(guī)單模光纖(conventional single-mode fiber，CSMF)上刻寫WFBG，目的在于探索取代光敏摻雜光纖的可行性，以降低材料成本和傳輸損耗。CSMF為G652D光纖，纖芯含有少量的鍺元素，能夠感應(yīng)紫外光，但光敏性弱，需要高效率的紫外曝光。在參考文獻[18]和參考文獻[19]的基礎(chǔ)上綜合分析紫外準(zhǔn)分子激光平行度，及其與相位掩模板和光纖的位置關(guān)系對FBG中心波長、相位掩模板后衍射光強的影響，以調(diào)節(jié)刻柵系統(tǒng)使照射到CSMF上的干涉光強最大。采用傳輸矩陣法分析相位掩模板長度、折射率調(diào)制深度對FBG反射率和3dB帶寬的影響，指出制備窄帶寬WFBG選用較長的相位掩模板，寬帶寬WFBG則選用較短的相位掩模板。最后，采用248nm紫外準(zhǔn)分子激光器在CSMF上刻制WFBG，分析相位掩模板長度、曝光能量、曝光頻率，曝光次數(shù)對WFBG中心波長、反射率和3dB帶寬的影響，制備出反射率及3dB帶寬分別約為0.0016，0.10nm和0.00006，0.34nm的兩種窄寬WFBG。實驗結(jié)果表明，選用合適的紫外準(zhǔn)分子激光參量和相位掩模板長度可以在CSMF上穩(wěn)定地刻制窄寬兩種WFBG。

1 原 理

1.1 相位掩模板法刻柵系統(tǒng)光場分析

圖1為紫外準(zhǔn)分子激光經(jīng)過相位掩模板照射在待刻光纖上。沿掩模板的平行和法線方向分別建立x軸和z軸，沿光纖的平行和法線方向分別建立s軸和t軸。激光的發(fā)散(會聚)角為Δθ；激光束整體與掩模板的夾角為θ0;光纖與掩模板的夾角為φ0;激光的波矢為KUV，掩模板的光柵波矢為G，掩模板后第m級次衍射光波矢為Km。

Fig.1 UV excimer laser emits on a fiber through a phase mask

理想情況下，激光束平行，并與掩模板垂直，此時：

|Km|=|KUV|

(3)

(Km-KUV-mG)×z=0

(4)

式中，λ為紫外準(zhǔn)分子激光的波長；Λ為占空比是0.5的相位掩模板周期。由(1)式～(4)式可得：

實際情況中，紫外準(zhǔn)分子激光存在發(fā)散或會聚情況，與掩模板并不垂直。由此，(1)式中KUV修正為：

KUV=[KUVsin(θ0+θ),KUVcos(θ0+θ)]

(6)

式中，θ為區(qū)間[-Δθ/2,Δθ/2]內(nèi)的任意值。從而，(5)式中Km修正為：

光纖與掩模板并不平行，m階衍射光Km映射到光纖上，即在s-t坐標(biāo)軸中，

Km,s,t=

[mG-KUVsin(θ0+θ)]sinφ0+

(8)

1階衍射光的光強最大，且在刻柵過程中起主要作用，在此只討論±1階衍射光相互干涉情況，干涉光的電場強度為：

式中，I1和I-1分別為±1階衍射光的直流光強，跟衍射效率有關(guān)，此處假設(shè)均為0.5；K1,s和K1,t分別為1階衍射光波失在s方向和t方向上的分量；K-1,s和K-1,t分別為-1階衍射光波失在s方向和t方向上的分量；f(θ)為紫外光束在Δθ內(nèi)呈高斯分布的分布函數(shù)，即：

則±1階衍射光共同作用的干涉光強為：

exp(iK-1,ss)exp(iK-1,tt)][exp(iK1.ss)exp(iK1,tt)+

exp(iK-1,ss)exp(iK-1,tt)]*f(θ)dθ

(11)

將θ看作自變量，采用1階泰勒函數(shù)展開的方法，由 (8) 式～(11)式可得：

其中，

(13)

由(12)式可知，紫外準(zhǔn)分子激光無論是發(fā)散或是會聚(Δθ取正值或負(fù)值)，干涉光強均會減小。

將(13)式中s的系數(shù)記為ws，即：

WFBG的反射波長為：

式中，neff為纖芯的有效折射率；Λ±1為±1階衍射光干涉條紋周期。

由 (14) 式、(15)式可知，隨著掩模板與光纖的夾角變大(φ0小角度變大)，WFBG反射波長向長波長方向移動；隨著紫外準(zhǔn)分子激光與掩模板夾角變大(θ0小角度變大)，WFBG反射波長同樣往長波長方向移動。

將(13)式中t的系數(shù)記為wt，即：

由(12) 式、(13) 式、(16) 式可知，當(dāng)θ0小角度增大時，干涉光強減??；當(dāng)φ0小角度增大時，干涉光強同樣減小。

綜上所述，紫外準(zhǔn)分子激光會聚或發(fā)散都將引起±1級衍射光的干涉光強降低，從而引起FBG反射率減小。紫外光與掩模板相互垂直，干涉光強最大，發(fā)生斜入射后，干涉光強降低，波長向長波長方向移動。掩模板與光纖相互平行，干涉光強最大，發(fā)生傾斜后，干涉光強降低，波長向長波長方向移動。此外，把θ看作自變量，采用1階泰勒函數(shù)展開，導(dǎo)致Δθ與中心波長的變化無關(guān)，實際上，紫外激光發(fā)散導(dǎo)致中心波長向長波長漂移；會聚導(dǎo)致中心波長向短波長方向漂移[20]。因此，為使刻柵系統(tǒng)效率最大，必須調(diào)節(jié)紫外準(zhǔn)分子激光束平行，激光束與相位掩模板垂直，相位掩模板與待刻光纖平行。

1.2 傳輸矩陣法分析FBG

把柵長為L的FBG平均分為M段(Δz=L/M)，第k個分段的傳輸矩陣為[21]：

Fk=

(17)

式中，δ為歸一化頻率失諧量,δ=β-π/Λ=2πneff(1/λ-1/λB)，λ為光源入射波長，λB為FBG的設(shè)計波長,σ和κ分別為直流和交流耦合系數(shù)：

整段FBG傳輸矩陣即為：

整段FBG功率反射率即為：

由上述理論分析得出，采用相位掩模板法刻制WFBG，需要調(diào)節(jié)紫外準(zhǔn)分子激光束平行，并與相位掩模板垂直，且相位掩模板與光纖平行。若刻制窄帶寬FBG需要較長的相位掩模板，刻制寬帶寬FBG需要較窄的相位掩模板。

Fig.2 Reflection spectra of FBGs with different grating lengths

2 WFBG刻制

2.1 窄帶寬WFBG制備

圖3顯示為窄帶寬WFBG刻柵與實時顯示系統(tǒng)?？號畔到y(tǒng)中，激光器(型號：Coherent COMPexPro 110)出射248nm的紫外準(zhǔn)分子激光；采用兩個焦距分別為150mm和300mm的平凸柱透鏡(L1，L2)實現(xiàn)橫向2倍激光準(zhǔn)直擴束，以及一個焦距為50mm的平凸柱鏡(L3)壓縮曝光光束縱向尺寸，從而聚焦縱向激光能量；相位掩模板的長度為10mm，周期為1058.74nm，零級衍射效率為1.1%；待刻寫光纖采用長飛公司G652D單模階躍光纖。在線監(jiān)測系統(tǒng)中，寬帶光由環(huán)形器端口1注入，經(jīng)端口2所接WFBG反射后，由端口3輸出至光譜儀。

Fig.3 WFBG fabrication and real time display system

為估算WFBG的反射率，采用一個與WFBG同波長的、已知反射率的FBG進行參考計算。分別將參考FBG和待測WFBG連接在環(huán)形器的端口2上，得到反射光譜(如圖4所示)。假設(shè)兩次測量的光源光強無變化，則由兩者的反射光強比值即可計算得WFBG的反射率，如下：

式中，IWFBG,RFBG,IFBG分別為WFBG的最大反射光強、FBG的反射率和FBG的最大反射光強，計算過程中需要把光強單位dBm轉(zhuǎn)換為mW。另外，觀察WFBG的反射光譜細(xì)節(jié)，譜型較為對稱，邊模抑制比較高。

Fig.4 Spectra of reference FBG and WFBG

固定紫外準(zhǔn)分子激光的曝光頻率為30Hz、脈沖能量為90mJ，曝光次數(shù)分別設(shè)置為100次、200次、300次、400次、500次、1000次和2000次，制備了7根WFBG(見圖5)。WFBG的反射率從0.00017遞增至0.0033，確定系數(shù)為0.9806。分析斜率小的原因主要為所曝光的光纖為普通單模光纖，光敏性不及摻雜、載氫光纖。

曝光400次時，WFBG的反射率約為0.001。固定曝光頻率30Hz、能量90mJ、曝光次數(shù)400次，刻寫7根WFBG，反射光譜如圖6所示。

圖6中7根WFBG的相關(guān)參量如表1所示。7根WFBG的中心波長范圍為1531.973nm～1532.046nm，

Fig.5 Spectra of 7 WFBGs with different exposure times

Fig.6 Spectra of 7 WFBGs with narrow bandwidth under exposure of 400 times

Table 1 Related parameters of 7 WFBGs under exposure of 400 times

平均值為1532.027nm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.023nm；反射率變化范圍為0.0007～0.0021，平均值為0.0016，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0004；3dB帶寬變化范圍為0.08nm～0.12nm，平均值為0.096nm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.013nm。由此，7根WFBG的3dB帶寬較窄，適合波長解調(diào)使用，且反射率較為一致，雖然中心波長差別較大，但對波長解調(diào)不會有影響。

2.2 寬帶寬WFBG制備

由第1.2節(jié)可知，縮短FBG的長度，可以增大FBG的3dB帶寬，但反射率會降低，可以通過增大光纖的平均折射率變化來提高反射率?；诖?，在圖3刻柵系統(tǒng)中插入2mm長的光窗，使照射到相位掩模板上的紫外激光寬度為2mm，制備寬帶寬WFBG，現(xiàn)場照片如圖7所示。

Fig.7 WFBG with wide bandwidth fabrication process display

固定紫外準(zhǔn)分子激光的曝光頻率為30Hz、脈沖能量為90mJ，曝光次數(shù)設(shè)置為5000次,刻寫了6根WFBG，反射光譜如圖8所示。由圖可知，反射光譜的譜型較為對稱。

圖8中6根WFBG的相關(guān)參量如表2所示。由表2可知，6根WFBG中心波長變化范圍為1538.77nm～1538.92nm，平均值為1538.8533nm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0534nm。

Table 2 Related parameters of 6 WFBGs under exposure of 5000 times

反射率變化范圍為0.000048～0.000079，平均值為0.000061，標(biāo)準(zhǔn)差為0.00001。3dB帶寬變化范圍為0.316nm～0.386nm，平均值為0.3433nm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0227nm。由此，6根WFBG的3dB帶寬較寬，適合匹配干涉解調(diào)使用，且反射率較為一致。

綜上所述，基于相位掩模板法，采用曝光頻率為30Hz、脈沖能量為90mJ的248nm紫外準(zhǔn)分子激光器在CSMF上制備WFBG，其中采用10mm相位掩模板，曝光400次制備出窄帶寬WFBG，平均中心波長為1532.0289nm，反射率為0.001629，3dB帶寬為0.09517nm；采用2mm光窗遮擋相位掩模板，曝光5000次制備出寬帶寬WFBG，平均中心波長為1538.8533nm，反射率為0.000061，3dB帶寬為0.3433nm。

3 結(jié) 論

利用相位掩模板在CSMF上制備出了窄帶寬和寬帶寬2種WFBG。為調(diào)節(jié)相位掩模板刻柵系統(tǒng)，綜合分析了紫外準(zhǔn)分子激光平行度及其與相位掩模板和光纖的位置關(guān)系對照射在光纖上干涉光場的影響，為刻柵系統(tǒng)調(diào)節(jié)提供了理論支撐。采用傳輸矩陣法分析了FBG長度和光纖平均折射率變化對FBG中心波長、反射率和3dB帶寬的影響，為相位掩模板的選用提供了理論依據(jù)。采用相位掩模板和光窗由248nm紫外準(zhǔn)分子激光多脈沖曝光CSMF刻寫WFBG，制備出了反射率約為0.0016、3dB帶寬約為0.10nm的窄帶寬WFBG和反射率約為0.00006、3dB帶寬約為0.34nm的寬帶寬WFBG。該刻柵方法優(yōu)勢在于取代了光敏摻雜光纖制備WFBG，降低了材料成本和光纖傳輸損耗，但刻寫過程需要紫外激光多脈沖曝光，效率不及單脈沖在線刻柵技術(shù)。