一種熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構測量溫度的方法與流程

2023-05-26 00:34:31

本發明涉及光纖測量技術領域，特別涉及一種熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構測量溫度的方法。

背景技術：

光纖光柵在光纖雷射器和光纖傳感領域的研究和應用非常重要，光柵周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵(Long period fiber grating,LPFG)，其特點是同向傳輸的纖芯基模和包層模之間耦合，基本無後向反射光，屬於透射型帶阻濾波器。與光纖布拉格光柵相比(Fiber Bragg grating,FBG)，長周期光纖光柵的諧振波長和諧振強度對外界環境的變化非常敏感，具有更大的溫度靈敏度係數，作為溫度傳感器能夠對800℃的高溫進行測量；同時，在光纖雷射器領域，利用其敏感特性可以對透射譜峰進行調諧，作為可調諧濾波器能夠實現波長可切換雷射輸出。因此，長周期光纖光柵具有更多的優點，在光纖傳感和光纖雷射領域具有更大的發展潛力和應用前景。

相比於以上介紹的長周期光纖光柵的傳統製備方法，利用飛秒雷射光源，採用逐點刻寫方法在各種光纖內製作布拉格光柵用於光纖傳感和光纖雷射等領域的研究已經成為熱點。飛秒雷射加工技術具有傳統雷射加工技術中加工精高度、操作簡便、效率高的技術特點，又憑藉其飛秒量級的超短脈寬和帕瓦量級的超強峰值功率在光纖微納材料的高精密、高解析度和低損傷的加工中顯示出其獨特的優勢。現在飛秒雷射製備光纖光柵主要是掩模法，掩模法是指將掩模板放置於光纖上方，採用飛秒雷射照射工作波長為800nm的掩模板，使光纖纖芯發生折射率變化。雖然該方法成柵一致性較好，但是由於掩模板成本較高，且製備長周期光纖光柵靈活性較差。另外，長周期光纖光柵透射譜較寬，在實際測量中容易受到環境變化的影響，容易對溫度測量的精確度造成誤差。

因此，需要一種有效降低透射譜的寬度，提高測量的精確度的熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構測量溫度的方法。

技術實現要素：

本發明的一個方面在於提供一種熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構測量溫度的方法，所述溫度測量方法包括如下步驟：

a、搭接雙程MZ結構，所述雙程MZ結構包括光源、第一光耦合器、第二光耦合器以及第一光纖、第二光纖、第三光纖和第四光纖；其中

所述第一光纖與第二光纖熔接在所述第一光耦合器與第二光耦合器之間，所述第三光纖和第四光纖的一端與第二光耦合器連接；

b、將長周期光纖光柵熔接到所述雙程MZ結構中，其中將長周期光纖光柵的光纖兩端分別與第三光纖和第四光纖熔接，所述長周期光纖光柵構成雙程馬赫曾德結構的反射端，其中

第三光纖和第四光纖選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖；

c、將b熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構整體結構置於溫控箱中，改變溫控箱的溫度，選取長周期光纖光柵的波谷為採樣點，利用光譜儀監測波長移動；

d、利用步驟c監測到的波長移動繪製波長與溫度變化的關係曲線，利用所述關係曲線對待測溫度進行測量。

優選地，通過長周期光纖光柵直寫系統製備所述長周期光纖光柵。

優選地，所述改變溫控箱的溫度採用逐漸升高溫度或逐漸降低溫度的方式。

優選地，所述長周期光纖光柵進行溫度曾敏處理。

本發明的另一個方面在於提供一種長周期光纖光柵直寫系統，所述長周期光纖光柵直寫系統包括光纖雷射、波分復用器、摻銩光纖、單模光纖、高精度移動平臺、飛秒雷射器和光譜儀，所述單模光纖搭接在所述高精度移動平臺上，一端連接光纖雷射、另一端連接光譜儀，在所單模光纖的刻寫區域熔接細芯光纖。

優選地，所述飛秒雷射器設置在所述高精度移動平臺上方，使所述飛秒雷射器發射的雷射與所述細芯光纖相互垂直，在所述飛秒雷射器雷射發射口設置光閘。

優選地，所述所述細芯光纖的纖芯直徑為10/125微米。

優選地，所述光纖雷射的波段選取1500～1620nm。

本發明由於雙程MZ結構具有較窄的梳狀譜密度，而長周期光纖光柵的透射譜通常較寬，兩者結合，能夠有效降低透射譜的寬度，提高測量的精確度。

應當理解，前述大體的描述和後續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，並不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出本發明長周期光纖光柵直寫系統；

圖2示出了本發明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構；

圖3示出了本發明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構測量溫度的方法的流程圖；

圖4示出了本發明長周期光纖光柵波長與溫度變化的關係曲線。

具體實施方式

通過參考示範性實施例，本發明的目的和功能以及用於實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明並不受限於以下所公開的示範性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

下文中闡釋本發明的一個實施例，具體而言本實施例中首先製備需要熔接在雙程MZ結構中的長周期光纖光柵。應當理解的是，這裡所述的雙程MZ結構是雙程馬赫曾德結構。

如圖1所示本發明長周期光纖光柵直寫系統，本實施例中根據本發明提供的本發明長周期光纖光柵直寫系統100刻寫長周期光纖光柵，所述長周期光纖光柵直寫系統包括包括光纖雷射101、波分復用器102、摻銩光纖104、單模光纖103、高精度移動平臺105、飛秒雷射器107和光譜儀106，其中

單模光纖103搭接在高精度移動平臺105上，單模光纖103的一端通過波分復用器102連接光纖雷射101、另一端連接光譜儀106，在單模光纖103的刻寫區域110熔接細芯光纖111，飛秒雷射器107設置在所述高精度移動平臺105上方，使所述飛秒雷射器107發射的飛秒雷射與細芯光纖111相互垂直，在飛秒雷射器107的雷射發射口108前端設置光閘109用於對飛秒雷射光路進行調整，飛秒雷射器107發射飛秒雷射並進行調製後，飛秒雷射進入高精度移動平臺105在細芯光纖111上刻寫形成長周期光纖光柵。本實施例中飛秒雷射器107可以是在前、後、左、右四個方向移動，調節飛秒雷射與細心光纖111的相對位置。

利用本發明實施例的上述長周期光纖光柵直寫系統刻寫過程中，單模光纖103的另一端連接光譜儀106對長周期光纖光柵的刻寫過程進行實時監測，保證長周期光纖光柵刻寫的準確性。

本實施例中優選細芯光纖的纖芯直徑為10/125微，光纖雷射101的波段選取1500～1620nm。本實施例刻寫的長周期光纖光柵的透射波長在1.5微米波段，將刻寫好的長周期光纖光柵與雙程MZ結構結合進行溫度標定和測量。

如圖2所示本發明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構，熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構包括雙程MZ結構和一段長周期光纖光柵208，這裡的長周期光纖光柵208由本發明提供的長周期光纖光柵直寫系統製備，從而實現與雙程MZ結構配套熔接，其中

雙程MZ結構包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纖203、第二光纖204、第三光纖206和第四光纖207。

第一光纖203與第二光纖204熔接在所述第一光耦合器202與第二光耦合器205之間，所述第三光纖206和第四光纖207的一端與第二光耦合器205連接。長周期光纖光柵208熔接到所述雙程MZ結構中構成熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構，其中

熔接方式為：長周期光纖光柵208的光纖兩端分別與第三光纖206和第四光纖207熔接，長周期光纖光柵208構成雙程MZ結構的反射端。本實施例中第三光纖207和第四光纖208選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖，從而保證與纖芯直徑為10/125微的長周期光纖光柵配套熔接。

本發明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構測量溫度的方法藉助熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構對溫度進行測量，為了更加清楚的說明，本實施例示例性的本發明的溫度測量方法進行闡釋，如圖3所示本發明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構測量溫度的方法的流程圖，具體而言，所述溫度測量方法包括如下步驟：

步驟S101、搭接雙程MZ結構，所述雙程MZ結構包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纖203、第二光纖204、第三光纖206和第四光纖207；其中

第一光纖203與第二光纖204熔接在所述第一光耦合器202與第二光耦合器205之間，所述第三光纖206和第四光纖207的一端與第二光耦合器205連接。

步驟S102、雙程MZ結構中熔接長周期光纖光柵208，將長周期光纖光柵208熔接到所述雙程MZ結構中，其中將刻有長周期光纖光柵的光纖兩端分別與第三光纖206和第四光纖207熔接，使長周期光纖光柵208構成雙程MZ結構的反射端，其中

第三光纖206和第四光纖207選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖，對熔接的長周期光纖光柵進行溫度曾敏處理。

步驟S103、將步驟S102中熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構整體結構置於溫控箱中，改變溫控箱的溫度，選取長周期光纖光柵的波谷為採樣點，利用光譜儀監測波長移動。改變溫控箱的溫度採用逐漸升高溫度或逐漸降低溫度的方式，本實施例優選採用逐漸升高溫度的方式。

步驟S104、利用步驟步驟S103監測到的波長移動，繪製波長與溫度變化的關係曲線，利用所述關係曲線對待測溫度進行測量。

為了對本發明的內容做出更加清楚的說明，下面對MZ結構的幹涉原理做具體說明：

光源發射光強為I的光進入MZ結構，其中光強I滿足

其中I1、I2和分別為細芯光纖中纖芯和包層的光強和相移差，且

其中，n1和n2分別為纖芯和包層的有效折射率，L1和L2分別為光束在纖芯和包層中傳輸的長度。由於幹涉臂長度相等，且存在折射率差Δn，則有

由公式(1)和公式(3)可知，傳輸譜中的峰值發生在滿足下式的波長處，其中m為整數

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

經過簡化，公式(4)表示為

m＝LΔn/λ (5)

對公式(5)中λ進行求導可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ2 (6)

取Δm＝1，得到在波長λ處傳輸譜中相鄰峰值的波長間隔為

|Δλ|＝λ2/LΔn (7)

由公式(7)可知，MZ結構的梳狀譜中，相鄰峰值的波長間隔與中心波長有關。當中心波長一定時，相鄰峰值的波長間隔是細芯光纖長度和纖芯與包層間折射率差的函數。

本發明的實施例在MZ結構幹涉原理的基礎上，採用了雙程MZ結構，雙程MZ的透射光譜調製深度是單程MZ的2倍，具有較窄的梳狀譜密度。

實施中的上述溫度測量方法將長周期光纖光柵與雙程MZ結構熔接進行長周期光纖光柵溫度標定。標定過程中，熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構整體結構置於溫控箱中，光由光源201發射有第一耦合器202分成兩束，分別進入第一光纖203和第二光纖204，經過第二耦合器205將兩束光進行耦合後再次分成兩束後，分別進入第三光纖206和第四光纖207，之後由長周期光纖光柵208反射。

同時，改變溫控箱的溫度，隨著溫度升高長周期光纖光柵的波長向長波方向移動，選取長周期光纖光柵的波谷為採樣點，繪製長周期光纖光柵與溫度之間的關係曲線，如圖4所示本發明長周期光纖光柵波長與溫度變化的關係曲線。對待測環境溫度測量時，將熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結構置於環境中，通過光譜儀採集波長移動，通過繪製的曲線得到待測環境溫度。

本發明中由於雙程MZ結構具有較窄的梳狀譜密度，而長周期光纖光柵的透射譜通常較寬，因此將兩者結合，能夠有效降低透射峰的寬度，提高測量的準確度。

結合這裡披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對於本領域技術人員都是易於想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正範圍和主旨均由權利要求所限定。