一種微納光纖光柵雷射寫入方法及裝置的製作方法

2023-10-24 22:25:22 2

專利名稱：一種微納光纖光柵雷射寫入方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖光柵寫入方法研究領域，特別涉及一種微納光纖光柵雷射寫入方法及裝置。
背景技術：
作為二十世紀最為重要的光子器件之一，光纖布拉格光柵(簡稱光纖光柵)以其體積小、靈敏度高、波長編碼、抗電磁幹擾等優點，在光纖傳感和光纖通信領域中得到廣泛應用。而隨著光纖生物醫學技術的不斷發展，很多研究者將目光瞄準了光纖光柵器件，以作為生物傳感的研究新方向。而傳統的光纖光柵由於隔著很厚的包層，無法利用倏逝場與外界進行交互作用。因此，如何將光纖光柵在外環境折射率探測方向進行應用擴展成為研究白勺義丨、:；^^ ι J ； ^^ °微納光纖(直徑在10微米以下到幾百納米範圍量級的光纖)的出現為上述問題的解決提供契機。憑藉其大比例倏逝場、低彎曲損耗、高非線性等優勢，微納光纖得到了光纖以及光子學界的廣泛關注。由於其微小的尺寸，通過倏逝場效應，微納光纖中傳輸的光很容易同外界發生交互作用，為其外環境折射率探測提供了良好的條件。將微納光纖與光纖光柵技術相結合，一方面可以實現微納光纖大倏逝場與外界進行作用，同時，另一方面也可以充分利用光纖光柵的優勢。因此，微納光纖光柵概念的提出為以上的問題提供了很好的解決方案。最初的方法是，在已經刻寫好的傳統光纖光柵上進行氫氟酸腐蝕，將其直徑縮小到10微米以下。然而，採用腐蝕的辦法，會導致光柵性能的降低同時對光纖本身的機械性能以及結構都會造成不同程度的損傷，不利於未來應用的需要。因此，在拉錐而成的微納光纖上直接刻寫光纖光柵，引入更加精細的周期性結構， 是微納光纖光柵發展的必然要求。在此背景下，如何高效率低成本的刻寫微納光纖光柵已成為微納光纖光柵生物傳感器研究中的熱點和重點。香港理工大學的X. Fang等人，採用飛秒雷射器，其在小空間區域內擁有極大的光能量，以及超短的間歇時間(飛秒量級)，在微納光纖上刻寫出了光纖光柵，所刻制的光纖直徑可以由2 10 μ m，在光纖直徑為2 μ m處，環境折射率值為1. 44時，可獲得最大的靈敏度為231. WRIU0其不足之處在於，利用飛秒雷射器製備光纖光柵工藝複雜，製作成本高，同時，飛秒雷射器刻寫方式屬於石英損傷機制，使得微納光纖光柵非常脆弱，難以保存。聚焦離子束(FIB)蝕刻方式刻寫MFBG也同時被國內外研究者提出，此種方式可以獲得很緊湊的結構，光柵長度往往小於500 μ m。此種方式屬於光纖幾何結構的損傷，同樣會帶來MFBG本身機械性能的降低；同時，此種方式需要對光纖進行預處理，增大了刻寫難度； 而且，光柵長度的緊湊往往帶來FBG反射帶寬的增大，不利於精細傳感的需要。華中科技大學Y. Zhang等人，採用248nm的KrF準分子雷射器，藉助相位掩模板， 在直徑為微米量級的具有光敏性的微納光纖上刻制了光纖布拉格光柵。MFBG具有不同於普通光纖布拉格光柵(TOG)的獨特的反射特性，在其反射譜中，除了具有對應基模的反射峰(類似於普通FBG)外，還有對應於高階模式的反射峰；並且高階模式的反射峰具有靈敏度很高的折射率傳感特性，在實驗中獲得了 102nm/RIU的傳感靈敏度。此種方式需要在特製的、硼鍺共摻的、雙包層光纖拉制而成的微納光纖上進行刻寫，提高了成本，同時載氫和退火技術的引入也加大了研究和未來生產的難度。而且，這種方式的刻寫效率很低，無法觀察到透射譜。很難對刻寫過程中出現的獨特現象加以觀測和解釋，在未來的MFBG的應用上，也將會帶來很大的困難。R. Ahmad等研究者，在硫化物光纖上，採用633nm以及1550nm雷射器刻寫出了 MFBG0採用這種方法，首先，硫化物光纖的獲得比較困難，價格昂貴；其次，硫化物光纖的結構比較特殊，纖芯折射率高達2. 7 (普通光纖一般小於1. 5)，因此與檢測光纖的熔接與耦合也是其問題所在。因此，需要提供一種效率高、成本低、實現方法簡單的微納光纖光柵雷射寫入方法及裝置。

發明內容
本發明的主要目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種微納光纖光柵雷射寫入方法，該方法是在普通多模光纖拉制而成的微納光纖上刻寫光纖光柵，無需對光纖進行額外的處理，同時保持光纖的機械強度和韌性，方法簡單，成本低廉；同時，刻寫效率高， 帶寬窄且方式可控，重複率高。本發明另一目的是提供一種實現上述方法的微納光纖光柵雷射寫入裝置。本發明的主要目的通過以下的技術方案實現一種微納光纖光柵雷射寫入方法， 包括以下步驟(1)拉錐將多模光纖的外塗覆層除去，然後將光纖兩端固定於光纖夾具之上，用高溫熱源對去掉塗覆層的光纖區域進行預熱，待光纖進入熔融狀態後，用左右兩端的光纖夾具對光纖進行拉伸，同時高溫熱源以預熱區為中心左右往返移動，拉伸後的光纖分為兩個部分，一個是直徑漸變過渡區，另一個是微納光纖區；(2)寫入將步驟(1)所形成光纖的微納光纖區固定於相位掩模板前方，193nm紫外雷射通過相位掩模板對微納光纖區曝光。優選的，所述步驟(1)中，所述多模光纖為62.5/125μπι標準多模光纖或 50/125 μ m標準多模光纖。優選的，所述步驟(1)中，所述高溫熱源為丁烷噴槍或二氧化碳雷射器或高壓電弧，產生高溫為1000°C以上。優選的，所述步驟(1)和O)中，所述光纖兩端固定於光纖夾具之上時，一端與寬帶光源連接，另一端與光譜儀連接，用於在拉錐和刻寫時檢測微納光纖的尺寸特性和譜線特性。例如在拉錐過程中，觀測譜線的平整度以及功率損耗，一旦達到一定值，即停止拉錐。優選的，所述步驟(1)、(2)中，所述微納光纖區的的直徑在ΙΟμπι以下。優選的，所述步驟O)中，在光纖一端接入有紅色可見雷射，雷射入射進入微納光纖，通過微納光纖區向外散射判斷微納光纖的位置與狀態。例如判斷光纖是否平行於相位模板。優選的，所述步驟O)中，所述相位掩模板前置一柱面透鏡，所述柱面透鏡對193nm紫外雷射進行匯聚，以提高雷射能量密度。一種實現上述方法的微納光纖光柵雷射寫入裝置，包括光纖夾具以及依次設置的出射193nm紫外雷射的ArF準分子雷射器、45度全功率反射鏡、柱面透鏡、相位掩模板，經拉錐後的光纖固定在光纖夾具上，光纖的微納光纖區平行設置於相位掩模板前方，ArF準分子雷射器發射的193nm紫外雷射經45度全功率反射鏡發射後垂直射向柱面透鏡，相位掩模板設置在柱面透鏡前方。所述光纖夾具兩端還分別設置有寬帶光源和光譜儀，且均與光纖相連。優選的，在光纖一端還接入有紅色可見雷射器，紅色可見雷射器所發射雷射照射在光纖上。更進一步的，所述寬帶光源和紅色可見雷射器通過3dB耦合器與光纖連接。本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果1、本發明採用普通通信用多模光纖進行微納光纖的拉錐製作。相比其他的方法， 多模光纖的熔接損耗較低，纖芯能量大，調製區域大，同時具有很好的刻寫條紋可見度，因此，具有高效率寫入的充分條件。2、本發明採用193nm紫外雷射作為刻寫光源。不同於飛秒雷射、聚焦離子束的燒蝕方式，本方法不會對微納光纖造成結構損傷，保證了微納光纖光柵的穩定性和機械性能， 提高了魯棒性；另外，不同於對811111紫外雷射刻寫方法，本方法屬於雙光子吸收效應，可以直接進行刻寫工作，無需特種光纖(如硼鍺共摻、雙包層、硫化物光纖等等)，而且無需對光纖進行預處理，降低了成本，簡化了步驟，而且大大提高了刻寫效率。3、本發明中在光纖兩側設置了寬帶光源和光譜儀，通過光源光譜儀檢測法實現微納光纖拉錐過程的檢測，以此判斷微納光纖的尺寸特性和譜線特性。4、本發明中通過將連續紅色可見雷射輸入微納光纖，來觀測肉眼很難分辨的微納光纖固定後的位置與狀態，以保證刻寫的質量和效果。


圖1是本發明寫入裝置的結構原理圖。圖2是本發明微納光纖拉錐系統的結構示意圖；其中1-寬帶光源；2-裸多模光纖；3-纖芯；4-直徑緩變過渡區；5-微納光纖區； 6-光纖夾具；7-光譜儀；8-火焰噴槍；9-ArF準分子雷射器；10-193nm紫外雷射；11-45度全功率反射鏡；12-柱面透鏡；13-相位掩模板；14-3dB耦合器；15-紅色可見雷射器。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。實施例1如圖1所示，一種實現上述方法的微納光纖光柵雷射寫入裝置，包括光纖夾具6以及依次設置的出射193nm紫外雷射的ArF準分子雷射器9、45度全功率反射鏡11、柱面透鏡 12、相位掩模板13，經拉錐後的光纖固定在光纖夾具6上，光纖的微納光纖區5平行設置於相位掩模板13前方，ArF準分子雷射器9發射的193nm紫外雷射10經45度全功率反射鏡11發射後垂直射向柱面透鏡12，相位掩模板13設置在柱面透鏡12前方。所述光纖夾具6 兩端還分別設置有寬帶光源1和光譜儀7，且均與光纖相連。在光纖一端還接入有紅色可見雷射器15，紅色可見雷射器15所發射雷射入射到光纖上。所述寬帶光源1和紅色可見雷射器15通過3dB耦合器14與光纖連接。3dB耦合器14有兩個埠，一個埠接入寬帶光源 1，一端接入紅色可見雷射器15 ；打開紅色可見雷射器15後，出射紅色可見雷射進入微納光纖區5，微納光纖區5的光纖部分散射，可顯示肉眼不易分辨的光纖形狀，以此來調整微納光纖區5與相位掩模板13的位置，同時判斷微納光纖區狀態是否伸直以及是否與相位掩模板平行，以利於刻寫。一種微納光纖光柵雷射寫入方法，包括以下步驟(1)拉錐將多模光纖的外塗覆層除去，然後將光纖兩端固定於光纖夾具之上，用高溫熱源對去掉塗覆層的光纖區域進行預熱，待光纖進入熔融狀態後，用左右兩端的光纖夾具對光纖進行拉伸，同時高溫熱源以預熱區為中心左右往返移動，拉伸後的光纖分為兩個部分，一個是直徑漸變過渡區，另一個是微納光纖區；(2)寫入將步驟(1)所形成光纖的微納光纖區固定於193nm相位掩模板前方， 193nm紫外雷射通過相位掩模板對微納光纖區曝光。本實施例中，採用的多模光纖為62. 5/125 μ m標準多模光纖。所述步驟(1)中，所述火焰噴槍8為丁烷噴槍，火焰溫度為1000°C以上。所述步驟 (1)和O)中，所述光纖兩端固定於光纖夾具之上時，一端與帶寬為1200-1600nm的寬帶光源1連接，另一端與光譜儀7連接，用於在拉錐和刻寫時檢測微納光纖的尺寸特性和譜線特性。在拉錐過程中，觀測譜線的平整度以及功率損耗，一旦達到一定值，即停止拉錐。本實施例中得到的微納光纖區的直徑在10 μ m以下。所述步驟O)中，在光纖一端接入有紅色可見雷射，雷射入射微納光纖，通過微納光纖區向外散射判斷微納光纖的位置與狀態。根據圖1所示，微納光纖區固定完成後，打開ArF準分子雷射器9，出射193nm紫外雷射10，以光斑形狀為3mm*6mm為例，193nm紫外雷射10經過45度全功率反射鏡11後，進入刻寫光路；通過柱面透鏡12將193nm紫外雷射豎直方向聚焦，將矩形光斑聚焦成為直線光斑，本實施例中直線長度為3mm，而後經過相位掩模板13，分成士 1級衍射光斑，交替形成幹涉條紋，照射於微納光纖區5之上；與此同時，微納光纖區5的另一端尾纖連接光譜儀7， 對刻寫情況進行觀測，直至完成刻寫工作，得到微納光纖光柵。對於拉錐部分，如圖2所示，將普通多模光纖的外塗覆層除去得到裸多模光纖2， 以直徑125微米為例，一端連接寬帶光源1，裸光纖結構包括大直徑纖芯3，以纖芯直徑62. 5 微米為例，將光纖兩端固定於光纖夾具6上，光纖夾具6設置於一個滑動軌道之上；將火焰溫度1000°C以上的丁烷火焰噴槍8設置於另一滑動軌道之上；將火焰外焰對準裸多模光纖中心位置進行預熱；經過幾秒預熱時間後裸多模光纖成熔融狀態，將裸多模光纖兩端的光纖夾具6向相反方向拉動，如箭頭A所示；裸多模光纖2經過拉伸後，首先出現直徑緩變過渡區4，而後，將火焰噴槍8通過滑軌以加熱中心為原點左右滑動，如箭頭B所示，並不斷將光纖夾具6向相反方向拉動，形成直徑一致的微納光纖區5 (光纖直徑小於10微米)；同時， 通過光譜儀7和寬帶光源1對微納光纖區5進行檢測，直到譜線平整(起伏小於IdB)，損耗較低(小於IdB)，得到直徑統一，譜線性能良好的微納光纖。
本發明採用普通通信用多模光纖進行微納光纖的拉制，具有如下優點普通通信用單模光纖(SMF-28)的典型直徑為9 μ m/125 μ m。光纖直徑拉錐至10 μ m以下時，單模光纖的纖芯直逕往往小於1 μ m，所能接受紫外曝光折射率調製的摻鍺光敏區域非常小，同時纖芯導模能量也大大降低，很難得到刻寫效率很高的微納光纖光柵(一般很難觀察到明顯的透射譜線)。由於普通通信用多模光纖具有較大的纖芯直徑，典型值為62. 5 μ m(纖芯直徑直徑)/125 μ m(包層直徑)，因此在光纖拉錐到10 μ m以下時，纖芯依舊具有一定的直徑，相比較於單模光纖拉制而成的微納光纖，具有更大的摻鍺光敏區域，可以得到更大的折射率調製範圍。同時，纖芯導模能量的提高也對刻寫效率的提升給予很大的貢獻。而且相對於硫化物光纖以及其他特殊光纖，通信用多模光纖與信號傳導光纖(單模光纖)具有很好的匹配性，可由包層對準方式直接低損耗熔接，100米多模光纖與單模光纖的插入損耗很低，一般典型值為1.5dB。多模微納光纖具有更大的折射率調製區域，有利於刻寫效率的提高。多模微納光纖的導模能量密度隨著光纖直徑的縮小，變化很小，而單模微納光纖的導模能量密度隨著光纖直徑的縮小，變化非常劇烈。以7. 7μπι微納光纖為例，多模微納光纖的能量密度值可達66%，而單模微納光纖的能量密度降為了 1.7%，相差38倍。多模微納光纖的這種特性同樣有利於刻寫效率的提高。而且，在光纖拉細之後，增大了相位模板法刻寫光纖光柵時產生的條紋可見度。因此，獲得的相同反射率透射譜生長時間甚至少於普通的多模光纖光柵的刻寫。採用193nm紫外準分子雷射器作為微納光纖光柵刻寫手段的優點是由於193nm 紫外雷射器作用於石英上屬於雙光子吸收效應，其效率很高，可以在非光敏性光纖上完成直接刻寫，無需對光纖進行其他額外的諸如載氫或者預塗覆等處理，簡化了步驟。而且，所刻寫的微納光纖光柵結構良好，無任何損傷，光譜穩定性好，無需常規光纖光柵刻寫所必須的退火步驟。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種微納光纖光柵雷射寫入方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)拉錐將多模光纖的外塗覆層除去，然後將光纖兩端固定於光纖夾具之上，用高溫熱源對去掉塗覆層的光纖區域進行預熱，待光纖進入熔融狀態後，用左右兩端的光纖夾具對光纖進行拉伸，同時高溫熱源以預熱區為中心左右往返移動，拉伸後的光纖分為兩個部分，一個是直徑漸變過渡區，另一個是微納光纖區；(2)寫入將步驟(1)所形成光纖的微納光纖區固定於相位掩模板前方，193nm紫外雷射通過相位掩模板對微納光纖區曝光。
2.根據權利要求1所述的微納光纖光柵雷射寫入方法，其特徵在於，所述步驟(1)中， 所述高溫熱源為丁烷噴槍或二氧化碳雷射器或高壓電弧，產生高溫為1000°C以上。
3.根據權利要求1所述的微納光纖光柵雷射寫入方法，其特徵在於，所述步驟(1)中， 所述多模光纖為62. 5/125 μ m標準多模光纖或50/125 μ m標準多模光纖。
4.根據權利要求1所述的微納光纖光柵雷射寫入方法，其特徵在於，所述步驟(1)、(2) 中，所述微納光纖區的直徑在ΙΟμπι以下。
5.根據權利要求1所述的微納光纖光柵雷射寫入方法，其特徵在於，所述步驟(1)、(2) 中，所述光纖兩端固定於光纖夾具之上時，一端與寬帶光源連接，另一端與光譜儀連接，用於在拉錐和刻寫時檢測微納光纖的尺寸特性和譜線特性。
6.根據權利要求1所述的微納光纖光柵雷射寫入方法，其特徵在於，所述步驟O)中， 所述相位掩模板前置一柱面透鏡，所述柱面透鏡對193nm紫外雷射進行匯聚。
7.根據權利要求1所述的微納光纖光柵雷射寫入方法，其特徵在於，所述步驟O)中， 在光纖一端接入有紅色可見雷射，雷射入射進入微納光纖，通過微納光纖區向外散射判斷微納光纖的位置與狀態。
8.一種實現權利要求1所述方法的微納光纖光柵雷射寫入裝置，其特徵在於，包括光纖夾具以及依次設置的出射193nm紫外雷射的ArF準分子雷射器、45度全功率反射鏡、柱面透鏡、相位掩模板，經拉錐後的光纖固定在光纖夾具上，光纖的微納光纖區平行設置於相位掩模板前方，ArF準分子雷射器發射的193nm紫外雷射經45度全功率反射鏡發射後垂直射向柱面透鏡，相位掩模板設置在柱面透鏡前方。
9.根據權利要求8所述的微納光纖光柵雷射寫入裝置，其特徵在於，所述寬帶光源和紅色可見雷射器通過3dB耦合器與光纖連接。
全文摘要
本發明公開了一種微納光纖光柵雷射寫入方法及裝置，該方法是對普通多模光纖進行拉錐，製作微納光纖，然後採用193nm紫外雷射作為刻寫手段。該裝置包括光纖夾具以及依次設置的出射193nm紫外雷射的ArF準分子雷射器、45度全功率反射鏡、柱面透鏡、相位掩模板，經拉錐後的光纖固定在光纖夾具上，光纖的微納光纖區平行設置於相位掩模板前方，ArF準分子雷射器發射的193nm紫外雷射經45度全功率反射鏡發射後垂直射向柱面透鏡，相位掩模板設置在柱面透鏡前方。本發明無需對光纖進行額外的處理，保持了光纖的機械強度和韌性，成本低廉，刻寫效率高，帶寬窄、方式可控，重複率高。
文檔編號B23K26/42GK102540322SQ20111045998
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者關柏鷗, 冉洋, 李 傑, 金龍 申請人:暨南大學