基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵及其製作方法與流程
2023-05-11 22:45:06
本發明涉及一種長周期光纖光柵及其製作方法，尤其涉及一種基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵及其製作方法，屬於光纖器件領域。
背景技術：
長周期光纖光柵是一種重要的光纖無源器件，它在某些方面具有比光纖布拉格光柵更好的光學特性，已在通信和傳感領域具有極其重要的地位和許多廣泛的應用，比如用來做光纖放大器的增益平坦、色散補償，以及溫度、應變、生物化學傳感器等。長周期光纖光柵基本的傳光原理是前向傳輸的纖芯模式與同向的各階次高階模式之間進行耦合，由於其對傳導模進行周期性調製，使基模和高階模在滿足諧振條件的情況下發生能量轉換，高階模在傳輸一段距離之後被衰減掉，形成損耗峰。具有插入損耗小、無後向反射、與偏振無關、全兼容於光纖、體積小、能埋入智能材料等優點。
長周期光纖光柵的折射率調製機理根據光柵刻寫方法和光纖特性的不同而存在差異，目前在製作長周期光纖光柵領域提出的光纖折射率調製機理主要有應力釋放、光纖纖芯與包層的擴散、玻璃結構的改變、機械形變、微結構光纖塌陷等。長周期光纖光柵利用了折射率的周期性調製形成較強的諧振峰，調製機理如上述所示，或者是上述幾種方式的結合。在普通單模光纖中折射率調製主要是由應力釋放引起，應力釋放導致在寫入點的纖芯折射率減小。對於摻硼光纖折射率調製的主要原因是玻璃結構的改變，輻照後纖芯材料會經歷體積增加或者玻璃緻密化，若加熱溫度高於纖芯材料的玻璃轉換溫度會導致體積增加，從而折射率減小，相反的加熱溫度低於纖芯材料的玻璃轉換溫度會引起玻璃緻密化，從而折射率增加。微型結構光纖，如PCF光纖的折射率調製往往依靠光纖形變，如光纖周期性塌陷，使得光纖包層向纖芯聚攏，通過減少空氣的微孔的體積來增加光纖包層有效折射率，其他方式還有在光纖包層刻周期性凹槽、雷射掃描包層使空氣孔膨脹等。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵及其製作方法
為達到上述目的，本發明採用下述技術方案：
一種基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵，包括兩根單模光纖和位於兩根單模光纖之間的藍寶石衍生光纖、藍寶石衍生光纖內部存在周期性析晶區域；所述周期性析晶區域由1個以上相同的局部析晶區組合而成。
一種技術方案一所述的基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的製作方法，包括以下步驟：
步驟1：取一根單模光纖，將其一端剝去塗覆且用光纖切割刀切平後放置於熔接機的一個夾具中；
步驟2：取一段藍寶石衍生光纖，將其一端剝去塗覆且用光纖切割刀切平後放置於熔接機的另一個夾具中；
步驟3：對準單模光纖和藍寶石衍生光纖後，利用熔接機進行放電熔接；
步驟4：確定所需的藍寶石衍生光纖的接入長度，用光纖切割刀切除餘下的藍寶石衍生光纖；
步驟5：將切斷後的藍寶石衍生光纖與另一根單模光纖熔接，形成單模光纖—藍寶石衍生光纖—單模光纖的結構。
步驟6：將上述單模光纖—藍寶石衍生光纖—單模光纖結構中的藍寶石衍生光纖放入熔接機的兩電極中間，其一端的單模光纖先用熔接機的一個夾具固定，在另一端的單模光纖上懸掛一個小砝碼，使光纖保持水平，將其固定；
步驟7：調節熔接機放電參數，選定放電模式，執行第一次放電操作，在藍寶石衍生光纖的纖芯內形成局部析晶區；
步驟8：鬆開一端夾具，移動另一個夾具的馬達，移動的距離為光纖折射率調製周期，在鬆開一端的光纖上掛上砝碼，使光纖水平後固定起來，進行第二次放電操作；
步驟9：判斷周期性析晶區域是否達到需要的周期數；如果是，轉向步驟10；否則，轉向步驟8；
步驟10：結束。
所述藍寶石衍生光纖為高濃度氧化鋁摻雜的藍寶石衍生光纖。
所述藍寶石衍生光纖的製備方法包括以下步驟：
步驟A：利用管棒法製作光纖預製棒：套管為一端收實的純石英空心管，芯棒為單晶藍寶石棒；
步驟B：利用石英光纖拉絲工藝，將光纖預製棒拉製成高濃度摻雜氧化鋁的藍寶石衍生光纖2。
在步驟7中析晶區利用熔接機電極高壓放電的熱處理方法形成。
採用上述技術方案，產生的有益效果在於：
本發明克服了現有的長周期光纖光柵在高溫環境時折射率調製容易被擦除，並且在高溫時光柵易發生形變的缺陷，可應用得更穩定，適用範圍更廣的溫度檢測。
附圖說明
圖1是本發明中實施例1的結構圖；
圖2是本發明中實施例1的流程圖；
圖3是本發明中實施例1中析晶區的顯微照片；
圖4是本發明中實施例1的透射譜波形；
其中：1-單模光纖，2-藍寶石衍生光纖，3-周期性析晶區域，4-析晶區。
具體實施方法
本發明的優選實施例並結合附圖說明如下：
實施例1：
參見圖1，一種基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵，包括兩根單模光纖1和位於兩根單模光纖之間的藍寶石衍生光纖2、藍寶石衍生光纖2內部存在周期性析晶區域3；所述周期性析晶區域3由1個以上相同的局部析晶區4組合而成。所述的單模光纖1內徑9μm外徑，125μm，藍寶石衍生光纖2內徑18μm，外徑125μm。
實例1的製備流程：
參見圖2，一種實施例1所述的基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的製作方法，包括以下步驟：
步驟1：取一根單模光纖1，將其一端剝去塗覆且用光纖切割刀切平後放置於熔接機的左邊夾具中；
步驟2：取一段藍寶石衍生光纖2，將其一端剝去塗覆且用光纖切割刀切平後放置於熔接機的右邊夾具中；
步驟3：對準單模光纖1和藍寶石衍生光纖2後，利用熔接機進行放電熔接；
步驟4：確定所需的藍寶石衍生光纖2的接入長度，用光纖切割刀切除餘下的藍寶石衍生光纖；
步驟5：將切斷後的藍寶石衍生光纖2與另一根單模光纖1熔接，形成單模光纖1—藍寶石衍生光纖2—單模光纖1的結構。
步驟6：將上述單模光纖1—藍寶石衍生光纖2—單模光纖1結構中的藍寶石衍生光纖2放入熔接機的兩電極中間，其中一個單模光纖1先用熔接機的左邊夾具固定，在右端的單模光纖1上懸掛一個2g小砝碼，使光纖保持水平，將光纖右端固定；
步驟7：調節熔接機放電參數，選定放電模式，執行第一次放電操作，在藍寶石衍生光纖的纖芯內形成局部析晶區4；
步驟8：鬆開一端夾具，移動另一個夾具的馬達500μm，移動的距離即光纖折射率調製周期，在鬆開一端的光纖上掛上砝碼，使光纖水平後固定起來，進行第二次放電操作；
步驟9：判斷周期性析晶區域3是否達到需要的周期數；如果是，轉向步驟10；否則，轉向步驟8；本實施例中需要的周期數為4；
步驟10：結束。此時形成4個相同的局部析晶區，完成基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的製備。
所述藍寶石衍生光纖2為高濃度氧化鋁摻雜的石英光纖。
所述藍寶石衍生光纖2的製備方法包括以下步驟：
步驟A：利用管棒法製作光纖預製棒：套管為一端收實的純石英空心管，芯棒為單晶藍寶石棒；
步驟B：利用石英光纖拉絲工藝，將光纖預製棒拉製成高濃度摻雜氧化鋁的藍寶石衍生光纖2。
在步驟7中析晶區4利用熔接機電極高壓放電的熱處理方法形成。參見圖3，通過高壓電極電弧放電對藍寶石衍生光纖進行熱處理，製備析晶區4，從而實現纖芯折射率的調製。高壓電弧使高濃度氧化鋁摻雜藍寶石衍生光纖在經歷快速升溫和快速降溫的過程後，出現明顯的析晶現象。析晶區域的折射率發生明顯增大，折射率調製增量約為0.01。
參見圖4，利用常規寬帶光源結合光纖光譜儀的透射光譜測試方法，對圖1所示的基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的光譜進行了測試，可以觀測強諧振光譜。
本發明的折射率調製機理採用了光纖纖芯材料析晶的方式。利用高壓電弧對藍寶石衍生光纖進行熱處理。高濃度氧化鋁摻雜的藍寶石衍生光纖在快速升溫和快速降溫的過程中，經歷了從固態轉變為熔融態又轉變為固態的過程。在熱處理工藝之前，高濃度氧化鋁摻雜石英光纖的纖芯為無定形非晶態，纖芯中氧化鋁呈納米級摻雜狀態，均勻的分布在二氧化矽基底中。在快速升溫後，纖芯材料轉變為熔融狀態，此時氧化鋁粘度較小，受到分子間作用力的影響後，氧化鋁納米粒子迅速聚集形成大顆粒氧化鋁晶體。降溫後，生長後的氧化鋁顆粒就鑲嵌在纖芯中，從而實現熱處理析晶現象。非晶態是一種不定形態，排列無序，晶態是一種定性態，排列有序。在析晶過程中，局域氧化鋁分子重新排列，由雜亂無章轉變為局域有序的結構，局域材料密度增加，同時折射率也相應地增大。在本實施例中，拉制後的藍寶石衍生光纖的纖芯折射率為1.53，經過析晶調製後，折射率增加0.01，纖芯折射率變為1.54。
本實施例的基於纖芯材料析晶的長周期光纖光柵，採用的耦合模式理論為前向傳輸的纖芯模之間的耦合，當單模中的光傳輸進入藍寶石衍生光纖，激發出更高階的纖芯模，低階纖芯模與高階纖芯模在傳輸過程中發生耦合。當在藍寶石衍生光纖上刻寫長周期光柵後，誘發了更多的低階模轉換為高階模式，能量轉換遠大於折射率調製之前。高階模式的能量，又在耦合回另一段單模光纖的過程中消失，因此產生了諧振峰，相位匹配條件公式為λ＝(n01-nnm)Λ，其中λ為諧振峰出現的波長，n01、nnm分別為低階模和高階模的有效折射率，Λ為長周期光纖光柵的周期。