芯包復(fù)合光纖光柵的飛秒激光制備及其溫度特性

張 雯， 熊 潔， 何 巍， 祝連慶,

(1. 北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100016; 2. 北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

0 引 言

光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating, FBG）是一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠的無(wú)源光纖器件，具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾、抗腐蝕、易于集成復(fù)用等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在微機(jī)械結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)療、海洋探測(cè)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。FBG器件及其陣列可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、折射率、相對(duì)濕度、壓強(qiáng)等多參數(shù)測(cè)量，已成為研究熱點(diǎn)之一[5-9]。其中，溫度是重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象，也是其他物理量傳感的技術(shù)基礎(chǔ)。

在制備工藝方面，自1978年Hill等利用駐波法研制出第一根FBG后[10]，其制作工藝得到了快速發(fā)展，目前主要工藝包括紫外曝光法、飛秒激光刻寫等[11-12]。紫外曝光依賴光敏效應(yīng)誘導(dǎo)光纖材料發(fā)生折射率變化，而飛秒脈沖寫入機(jī)制是多光子吸收效應(yīng)[13-15]。與紫外曝光技術(shù)不同，飛秒激光制備無(wú)需光纖載氫，且可透過(guò)光纖涂覆層進(jìn)行刻寫，無(wú)需刻寫前去除涂覆層、刻寫完畢后再次重涂覆，簡(jiǎn)化了FBG制備過(guò)程，增強(qiáng)了器件可靠性。在器件結(jié)構(gòu)方面，不同結(jié)構(gòu)的光纖光柵，如光纖布拉格光柵、啁啾光纖光柵、相移光纖光柵、傾斜光纖光柵等，都基于周期性反射結(jié)構(gòu)，近年來(lái)已有廣泛關(guān)注與研究[16-18]。然而上述光柵的柵區(qū)都只存在于纖芯內(nèi)，這是由于纖芯通過(guò)摻鍺等稀土元素，提高了光敏特性，使其易受紫外曝光，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)折射率調(diào)制。包層結(jié)構(gòu)一般無(wú)摻雜，因而在包層中采用紫外曝光法制備FBG難度較大，鮮有相關(guān)研究報(bào)道。

芯包復(fù)合光纖光柵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是柵區(qū)同時(shí)存在于纖芯和包層區(qū)域中，隨著飛秒激光刻寫技術(shù)不斷發(fā)展[19-21]，瞬時(shí)功率提高、光斑尺寸減小、刻寫路徑靈活，使得芯包復(fù)合光纖光柵的制備成為可能。相比于傳統(tǒng)的FBG，此類結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生具有雙峰結(jié)構(gòu)的反射光譜，實(shí)現(xiàn)單傳感結(jié)構(gòu)、雙靈敏系數(shù)的功能性擴(kuò)展，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值與潛力，但尚缺乏針對(duì)該結(jié)構(gòu)的溫度傳感理論分析及飛秒激光制備研究，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)缺乏理論依據(jù)與工藝參考。綜上所述，本文首先從理論驗(yàn)證了這一設(shè)想，進(jìn)而利用飛秒激光逐線刻寫技術(shù)，透過(guò)聚酰亞按涂覆層同時(shí)刻寫在光纖纖芯與包層內(nèi)部，形成兩組周期性反射結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)器件制備，并對(duì)該傳感器在50～410 ℃范圍內(nèi)的溫度特性進(jìn)行了研究。

1 芯包復(fù)合光纖光柵傳感原理

本文提出的芯包復(fù)合光纖光柵結(jié)構(gòu)如圖1所示。為激發(fā)包層內(nèi)的光能量傳播，使用單模光纖（single mode fiber, SMF）與細(xì)芯光纖（thin core fiber, TCF）熔接，纖芯/包層直徑分別為9/125 μm和6.4/125 μm，形成纖芯失配。光傳播時(shí)入射光被分成兩束：一束注入TCF纖芯，另一束耦合到TCF包層。飛秒脈沖激光透過(guò)聚酰亞胺涂層聚焦至TCF纖芯，采用激光逐線刻寫方式，形成覆蓋纖芯與包層的光柵結(jié)構(gòu)。

圖1 芯包復(fù)合光纖光柵傳感原理

光纖光柵是折射率沿光纖軸向周期性永久變化的產(chǎn)物。由耦合模理論可知，寬帶光在FBG中傳播時(shí)，反射特性遵守布拉格條件，即：

neff——光柵纖芯的有效折射率；

芯包復(fù)合光纖光柵直接覆蓋光纖纖芯與包層，單次刻寫形成了兩個(gè)光柵結(jié)構(gòu)，有：

且光纖的纖芯與包層的有效折射率不同。依布拉格條件(1)，有：

因此，芯包復(fù)合光纖光柵結(jié)構(gòu)的反射譜將產(chǎn)生兩處布拉格諧振，且：

注意到與纖芯的有效折射率相比，包層的有效折射率較低，因此包層的布拉格諧振波長(zhǎng)較小。

光纖布拉格光柵的溫度傳感特性可表示為：

本文提出的芯包復(fù)合光纖光柵結(jié)構(gòu)中，纖芯與包層產(chǎn)生布拉格諧振的光柵常數(shù)相同，有效折射率、摻雜濃度不同。

對(duì)于α而言，從數(shù)量級(jí)上比β小10倍，由式(5)可知，β是光柵結(jié)構(gòu)溫度靈敏度ST的主導(dǎo)參數(shù)，則：

由以上分析可知，芯包復(fù)合光纖光柵結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)兩個(gè)布拉格諧振峰，分別對(duì)應(yīng)纖芯諧振、包層諧振。且兩處諧振的溫度靈敏度不同，包層諧振的溫度靈敏度更高。

2 器件制備

采用Fujikura 80S熔接機(jī)的纖芯對(duì)準(zhǔn)模式，使不同尺寸光纖熔接時(shí)的纖芯失配最小，本文中SMFTCF熔接損耗控制在0.01 dB以內(nèi)。

飛秒激光刻寫系統(tǒng)如圖2所示，其中，鈦藍(lán)寶石飛秒激光器（coherent asterlla）能實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)800 nm、脈寬35 fs、峰值能量1.5 mJ、激光重復(fù)頻率1 kHz的飛秒脈沖輸出。由飛秒激光器出射的超窄脈寬飛秒激光經(jīng)聚焦物鏡（Zeiss Plan-Apochromat，63×）聚焦至細(xì)芯光纖纖芯，上位機(jī)控制三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)和光斑閉合，通過(guò)寬帶光源和高精度光譜分析儀（Yokogawa AQ6370D）實(shí)現(xiàn)刻寫過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為避免光纖柱面透鏡效應(yīng)引起的焦距畸變，刻寫時(shí)物鏡鏡頭與光纖都浸入折射率液滴中，如圖3所示。

圖2 飛秒激光刻寫系統(tǒng)示意圖

圖3 飛秒激光刻寫平臺(tái)

采用逐線刻寫方式，光柵刻寫始點(diǎn)與熔接點(diǎn)相距5 cm。飛秒激光刻寫功率1 μW，光柵柵距533 nm，柵線長(zhǎng)度10 μm，柵區(qū)長(zhǎng)度2 000 μm。為驗(yàn)證芯包復(fù)合光纖光柵的特性，另取相同光纖、相同工藝參數(shù)，制備僅在纖芯內(nèi)的FBG、僅在包層內(nèi)的FBG，以作對(duì)比。

飛秒激光刻寫前后光纖的顯微圖片如圖4所示，放大倍數(shù)63倍，由刻寫鏡頭直接拍攝。刻寫前，細(xì)芯光纖完好，如圖4(a)所示，可觀察到纖芯-包層-涂覆層及其邊界，直徑尺寸分別為6.4/125/155 μm。飛秒激光垂直于光纖軸面入射，刻寫后的芯包復(fù)合FBG、纖芯FBG、包層FBG分別如圖4(b)～(d)所示。

圖4 飛秒激光刻寫FBG顯微圖像

刻寫時(shí)使用光譜分析儀對(duì)三種FBG的反射特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，光譜范圍1 520～1 565 nm，分辨率0.05 nm，采樣點(diǎn)9 001，光譜如圖5～圖7所示。分別記錄三次光譜的布拉格波長(zhǎng)與-3 dB帶寬，列入表1進(jìn)行光譜特性參數(shù)分析。

表1 3種FBG反射光譜特征參數(shù)

圖5 僅在纖芯的FBG反射光譜

由圖7可知，芯包復(fù)合FBG有兩處布拉格諧振波長(zhǎng)，分別為1 540.09 nm和1 542.07 nm。結(jié)合式(4)，由于纖芯的有效折射率高于包層的有效折射率，因此纖芯的布拉格諧振波長(zhǎng)大，包層的布拉格諧振波長(zhǎng)小。

對(duì)比圖5與圖7，當(dāng)FBG只刻寫在纖芯中時(shí)，布拉格波長(zhǎng)為1 541.98 nm，對(duì)應(yīng)芯包復(fù)合FBG右側(cè)的包層布拉格諧振（1 542.07 nm）。類似地，由圖6～7可知，當(dāng)FBG只刻在包層中時(shí)，布拉格波長(zhǎng)為1 540.09 nm，對(duì)應(yīng)芯包復(fù)合FBG左側(cè)的纖芯布拉格諧振（1 540.22 nm）。這表明，芯包復(fù)合FBG同時(shí)具備兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)的特性。

圖6 僅在包層的FBG反射光譜

圖7 芯包復(fù)合FBG反射光譜

此外，纖芯FBG的-3 dB帶寬為0.60 nm，包層FBG的-3 dB帶寬為1.15 nm；而對(duì)于芯包復(fù)合FBG，兩處布拉格諧振波長(zhǎng)的-3 dB帶寬都有變化：纖芯布拉格諧振的帶寬變大（1.26 nm）、包層布拉格諧振的帶寬變小（1.09 nm）。這是由于芯包復(fù)合FBG相鄰空間內(nèi)，纖芯模和包層模之間出現(xiàn)了模間串?dāng)_。

3 溫度特性實(shí)驗(yàn)與討論

在千級(jí)潔凈室中對(duì)芯包復(fù)合光纖光柵的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。使用高溫爐（FNS TMX-6-18）對(duì)光纖器件進(jìn)行50～410 ℃測(cè)試，反射光譜以20 ℃為步長(zhǎng)記錄，調(diào)至固定溫度后待20 min測(cè)量，以保證熱平衡。測(cè)試所得的溫度特性曲線如圖8所示。

當(dāng)溫度從50 ℃上升到410 ℃時(shí)，芯包復(fù)合光纖光柵光譜向長(zhǎng)波方向漂移，出現(xiàn)紅移，如圖8(a)所示。為深入研究溫度特性，分別對(duì)包層布拉格諧振、纖芯布拉格諧振進(jìn)行分析，如圖8(b)、(c)所示。進(jìn)一步對(duì)雙布拉格諧振進(jìn)行波長(zhǎng)-溫度線性擬合，如圖8(d)所示。可得包層布拉格諧振的溫度靈敏度為10.45 pm/℃，線性系數(shù)為0.998 8；纖芯布拉格諧振的溫度靈敏度為10.22 pm/℃，線性系數(shù)為0.998 7；這一現(xiàn)象與式(7)的理論分析是一致的。

圖8 芯包復(fù)合光纖光柵的溫度特性

特別地，注意到圖8(a)～(c)中，包層布拉格諧振峰的能量隨溫度升高逐漸下降，而纖芯布拉格諧振未觀測(cè)到類似趨勢(shì)。為明確輸出光強(qiáng)的下降原因，另選取與芯包復(fù)合光纖光柵種類、尺寸、熔接方式相同的一段未刻寫光纖，端面切平后進(jìn)行溫度特性測(cè)試，系統(tǒng)組成、測(cè)試范圍、記錄步長(zhǎng)等實(shí)驗(yàn)條件均與芯包復(fù)合光纖光柵的溫度實(shí)驗(yàn)相同。由于復(fù)合光柵的包層布拉格諧振位于1 540.09 nm處，故選擇無(wú)柵光纖1 540 nm左右的輸出功率進(jìn)行比較，如圖9所示。由圖中可看出，輸出光強(qiáng)在4 dB下降范圍內(nèi)，兩條曲線下降趨勢(shì)一致，部分區(qū)域重合。這表明，是包層材料的能量泄漏或折射率變化導(dǎo)致了芯包復(fù)合光纖光柵的輸出光強(qiáng)下降，而非光柵結(jié)構(gòu)。

圖9 溫度變化下有無(wú)芯包復(fù)合光柵的輸出光強(qiáng)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了芯包復(fù)合光纖光柵的雙波長(zhǎng)布拉格諧振現(xiàn)象，建立了該特殊結(jié)構(gòu)的雙諧振波長(zhǎng)與溫度傳感模型，利用飛秒激光逐線直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了器件制備，并對(duì)該傳感器的溫度特性進(jìn)行研究，具體結(jié)論如下：

1）利用纖芯失配激發(fā)包層內(nèi)能量傳輸，基于經(jīng)典布拉格衍射條件，建立芯包復(fù)合光纖光柵的布拉格諧振方程組，預(yù)測(cè)雙波長(zhǎng)諧振位置。結(jié)合熱膨脹系數(shù)與熱光系數(shù)的光學(xué)特性，建立雙諧振波長(zhǎng)的溫度傳感模型，并分析不同諧振的溫度靈敏度差異。

2）使用波長(zhǎng)800 nm、脈寬35 fs、重頻1 kHz的飛秒激光，在1 μW刻寫功率下，逐線刻寫實(shí)現(xiàn)了芯包復(fù)合光纖光柵結(jié)構(gòu)制備，且光柵柵距533 nm、柵線長(zhǎng)度10 μm、柵區(qū)長(zhǎng)度2 000 μm。監(jiān)測(cè)反射光譜可知，纖芯與包層布拉格諧振分別位于1 542.07 nm、1 540.09 nm，符合雙諧振波長(zhǎng)模型。

3）在溫度范圍50～410 ℃、步長(zhǎng)20 ℃的測(cè)試條件下研究芯包復(fù)合光纖光柵的溫度特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙布拉格諧振波長(zhǎng)均隨溫度升高而產(chǎn)生紅移，但纖芯諧振的溫度靈敏度為10.22 pm/℃，包層諧振的溫度靈敏度為10.45 pm/℃，符合雙波長(zhǎng)溫度傳感模型。

綜上所述，本文提出的芯包復(fù)合光纖光柵能產(chǎn)生具有雙峰結(jié)構(gòu)的反射光譜，實(shí)現(xiàn)單傳感結(jié)構(gòu)、雙靈敏系數(shù)的功能性擴(kuò)展，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值與潛力，同時(shí)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的多參數(shù)耦合測(cè)量與解耦也具有重要的參考價(jià)值。