CN103412360A

CN103412360A - 高频二氧化碳激光辅助湿腐蚀法制作非对称波状长周期光纤光栅

Info

Publication number: CN103412360A
Application number: CN2013103785771A
Authority: CN
Inventors: 张伟刚; 刘芳; 崔治权; 严铁毅; 王丽
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明提供一种非对称波状长周期光纤光栅制作方法，该方法加工简单，成本低，设计灵活，可根据不同需要进行光栅结构设计和研制。其制作步骤为：首先利用高频二氧化碳激光逐点烧蚀光纤涂覆层，然后再进行化学腐蚀使光纤表面沿轴向形成非对称波状结构，最后清洗光纤表面完成制作过程。当对光纤施加一定的轴向作用时，因弹光效应使光纤在不同直径处产生不同应变，导致光纤沿轴向的折射率受到调制，从而形成光栅。调节轴向作用(如应力、压力、弯曲、扭转等)，可以改变折射率调制区间及深度，形成不同的透射光谱(或损耗光谱)。这种新型光纤光栅具有宽的光谱和灵活的调谐特性，在光纤通信和光纤传感领域具有良好的应用价值。

Description

高频二氧化碳激光辅助湿腐蚀法制作非对称波状长周期光纤光栅

技术领域

本发明属于光纤通信和光纤传感信技术领域，具体涉及到一种非对称波状长周期光纤光栅的制作方法。

背景介绍

长周期光纤光栅(Long-period fiber grating，简称LPFG)具有***损耗低、反射小、抗电磁干扰及与通信光纤完全兼容等优点，因其在厘米、毫米甚至微米尺度上可实现对光信号直接控制，故在光纤通信和光纤传感领域已被广泛应用。目前，有关长周期光纤光栅的制作，已有多种方法提出并在使用，如紫外(UV)曝光法、二氧化碳(CO₂)激光热激法、飞秒激光刻蚀法、电弧放电法、声光调制法、机械压制法等，这些方法为制作结构多样、性能优良的LPFG提供了可能。采用不同的写制方法，其制作的LPFG可能具有其不同的特性。因此，探索新的制作方法和技术，对于光纤光栅的结构创新和优异功能的实现，具有非常重要的实际价值。

波状长周期光纤光栅(Corrugated Long-period Fiber Grating，简称CLPFG)是LPFG的一种重要形式，其特点是折射率调制具有轴向波状结构，即光栅区域的直径呈沿轴向呈周期性变化。当对CLPFG施加轴向作用(如应力、压力、弯曲、扭转等)时，由于弹光效应导致折射率产生周期性调制。因此，通过对CLPFG轴向作用(强度及方向)的改变，可以灵活调节CLPFG谐振峰的大小及其位置，利用其丰富的谱形、多种带宽以及谢振峰波段，获得不同的光学性能，设计并研制可用于光纤通信和光纤传感的可调谐CLPFG带阻滤波器(波长和损耗均变)、CLPFG传感测量器件等。

形成轴向波状结构是制作CLPFG的前提，其关键环节在于将光纤周期性腐蚀变细或周期性变厚，一般常选用前者。目前，制作CLPFG主要有以下四种方法，下面分别加以简述。

1.镀膜腐蚀法

首先，将光纤置于真空环境中，在旋转光纤的同时，使用喷涂设备在光纤表面周期性喷涂Cr、Ag、Au等，形成一层金属膜。这样一部分光纤就被保护起来；然后，将被金属膜周期性涂覆的光纤放入氢氟酸(HF)溶液中腐蚀，使未涂覆部分被腐蚀变细，而涂覆部分则被保护。于是，可使光纤表面产生周期性粗细变化，形成轴向波状结构，完成CLPFG制作。

2.腐蚀光刻法

第一步，使用缓冲氧化腐蚀溶液[BOE、HF和氟化铵(NH₃F)混合溶液]，腐蚀一段70μm的单模光纤。第二步，首先在硅基片上喷涂一层200nm的铜作为牺牲层；然后，在铜上喷涂一层67μm的SU-8材料；最后，使用光刻机在SU-8材料上制作出光栅样式的支撑结构。第三步，首先，将第一步腐蚀的单模光纤置于支撑结构并固定；然后，在光纤上方喷涂一层67μm厚的SU-8材料作为第二层；最后，使用光刻机在光纤上方制作出光栅结构。第四步，用45％的氯化铁溶液浸泡，将作为牺牲层的铜溶解掉。于是，可得到一根夹在SU-8中间的CLPFG。该方法能够周期性地加厚光纤直径。

3.光刻腐蚀法

此方法与腐蚀光刻法不同的是，光纤在光刻之前未被腐蚀，而是在光刻之后腐蚀，即没有覆盖光刻胶的部分被腐蚀变细，腐蚀之后将光刻胶剥离。于是，光纤直径沿轴向产生了周期性变化，它并不依靠光刻胶改变厚度。该方法可灵活控制光纤被腐蚀部分的直径大小，调节被腐蚀区域的尺寸及深度，可以设计并研制均匀及非均匀CLPFG。

4.压印腐蚀法

该方法使用弹性模具，基底材料采用具有抗HF腐蚀特性且热胀系数比光纤高的聚碳酸酯。由于采用气压直接压印产生均匀压力技术，因此克服了接触不紧密问题。首先，将基底材料加热到180℃，该温度高于基底材料的熔化温度；然后，用10倍大气压将压住裸光纤的弹性材料压印于基底上面10分钟(裸光纤被弹性材料压入到基底材料中，只有与弹性材料接触的部分露出来)；最后，通过调节气压大小控制光纤被保护部分，从而控制腐蚀后光纤的非对称程度，完成CLPFG制作。

上述几种CLPFG制作方法，采用了镀膜、光刻和压印等技术，存在设备造价昂贵、加工过程复杂，设计不灵活、制作环境苛刻等缺点。因此，对制作特种CLPFG(如相移CLPFG、超结构CLPFG以及级联CLPFG等)会受到一定限制。

发明内容

本发明提供一种非对称波状长周期光纤光栅制作方法。

非对称CLPFG的特征是：沿光纤轴向形成非对称波状结构，由于该结构本身产生的折射率调制很小而不影响纤芯，因此当光纤未受到轴向作用(如应力或压力)时，不形成光栅。当光纤受到轴向作用时，由于弹光效应使光纤不同直径处的应变不同，导致折射率调制也不同，从而形成非对称CLPFG。对于非对称CLPFG，当其受到轴向作用(如应力或压力)时，会产生周期性微弯结构，这就大大增强了光纤折射率的调制强度，同时亦增大了长波段的光损耗。

非对称CLPFG制作方法如下：1)在高频CO₂激光刻制***中，将一段未剥除涂覆层的单模光纤(Coring SMF-28)用酒精擦拭后一端固定，另一端挂一5g砝码使其平直。2)根据预先设计的光栅图样，启动高频CO₂激光刻制***逐点烧蚀光纤涂覆层；调节CO₂激光聚焦位置和强度，保证光纤涂覆层烧蚀但对光纤不造成损坏。3)将经过涂覆层烧蚀的光纤浸泡在40％的HF酸溶液中进行化学腐蚀；控制腐蚀时间，使光纤表面沿轴向形成非对称波状结构。4)使用蒸馏水或者清洁溶液清洗腐蚀光纤表面，完成光栅制作过程。当对该光纤施加一定的轴向作用时，因弹光效应使光纤在不同直径处产生不同应变，导致光纤沿轴向的折射率受到调制，从而形成非对称CLPFG。

本发明的技术效果是：非对称CLPFG加工简单，成本低，设计灵活，可根据不同需要进行光栅结构设计和研制。调节光纤轴向作用(如应力、压力、弯曲、扭转等)，可以改变折射率调制区域及深度，形成不同的透射光谱(或损耗光谱)。非对称CLPFG具有宽的光谱和灵活的调谐特性，在光纤通信和光纤传感领域具有良好的应用价值。

附图说明

图1为非对称波状长周期光纤光栅结构示意图；

图2为高频CO₂激光烧蚀光纤涂覆层示意图；

图3为高频CO₂激光烧蚀光纤涂覆层实物显微图，周期为600μm。图3(a)为侧视图；图3(b)为俯视图；

图4为HF酸腐蚀涂覆层后的光纤实物显微图。图4(a)为侧视图；图4(b)为俯视图；

图5为非对称波状长周期光纤光栅随轴向应力变化的透射光谱图；

图6为相移非对称波状长周期光纤光栅随轴向应力变化的透射光谱图；

图7为非对称波状长周期光纤光栅谐振峰波长的温度测量响应曲线；

图8为非对称波状长周期光纤光栅谐振峰波长的折射率测量响应曲线；

图9为非对称波状长周期光纤光栅谐振峰波长的扭转测量响应曲线。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

非对称波状长周期光纤光栅的制作原理：沿光纤轴向形成非对称波状结构，这是制作非对称CLPFG的前提，图1为波状LPFG结构示意图。利用CO₂激光对光纤涂覆层进行周期性烧蚀，再通过HF溶液对烧蚀处的光纤包层进行化学腐蚀，即可形成沿光纤轴向的非对称波状结构。当对这种具有非对称波状结构光纤施加轴向作用(如应力或压力)时，由力的平衡定律可知，光纤各处的应变大小反比于该处的横截面积，因此可形成沿轴向的周期性折射率调制。调节轴向应力(或压力)可以改变折射率调制的区域和深度，从而有效调控非对称CLPFG的光学性能。

非对称波状长周期光纤光栅的制作步骤：1)如图2所示，高频CO₂激光器(HANS'S LASER，CO₂-H10)通过电脑控制进行二维扫描刻蚀，该激光器工作波长10.6μm，最大输出功率10W，脉冲重复频率5kHz，光斑直径50μm。激光器参数设置：有效矢量步长1μm，有效矢量步间延时为100μs，Q释放时间为20μs。利用该激光器对一段单模光纤(Coring SMF-28)进行涂覆层烧蚀，形成周期性的涂覆层凹槽，如图3所示(放大倍数为10倍)。其中，图3(a)所示的涂覆层烧蚀周期为600μm，图3(b)所示的涂覆层烧蚀宽度为143μm，涂覆层烧蚀的边缘光滑，图样清晰。通过改变激光器能量输出或者改变扫描图样，可以控制涂覆层烧蚀的面积和图样。2)将涂覆层周期性烧蚀的光纤放入40％的HF溶液中，腐蚀70分钟取出。期间通过光谱仪(OSA：AQ6317B)实时监测，并对腐蚀光纤施加一定应力，待光谱仪出现光栅透射谱后，将腐蚀的光纤取出清洗风干，放到显微镜下观察，如图4所示。其中，图4(a)所示的未被烧蚀涂覆层区域直径为75.7μm；被烧蚀涂覆层区域直径为51.21μm，且呈现明显非对称性；图4(b)所示的双锥形区域，其长度约310.21μm。

利用本发明的制作方法，可以在普通单模光纤(如康宁SMF-28)及其他类型光纤(如双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤、微结构光纤)上制作均匀或非均匀的波状长周期光纤光栅以及波状超长周期光纤光栅。此外，还可用于制作特种类型的长周期光纤光栅(如相移波状长周期光纤光栅、超结构波状长周期光纤光栅以及级联波状长周期光纤光栅等)。

图5给出了周期为660μm的非对称CLPFG位于1547.85nm处的谐振峰随轴向应力变化的透射光谱演化图。该光栅应力变化范围为0-0.35N，每增加0.05N记录一组数据。当对CLPFG未施加轴向应力时，没有产生谐振峰。在过耦合条件之下，随着应力的增大，其谐振峰深度呈二次方形式逐渐加深，且谐振峰位置基本不变。

图6给出了周期为580μm、在光栅中部引入π相移的非对称波状长周期光纤光栅随轴向应力变化的透射光谱演化图。其中，所设计的光栅图样中包含61个栅格，中间栅格长度为290μm，两边对称分布着30个周期为580μm的栅格。该光栅应力范围为0.05N-1.2N，每增加0.05N记录一组光谱数据。当应力大于0.25N时，相移CLPFG透射光谱在谐振峰中心位置发生了劈裂。

图7给出了周期为600μm、栅格数为60的非对称CLPFG位于1547.53nm处的谐振峰波长随温度变化的实验测量曲线。测量时，光栅被放入温控箱中，温度范围为20℃～100℃，每升高10℃记录一组光谱数据。结果表明，在此测量范围内，光栅谐振峰波长与温度呈良好的线性关系(线性拟合度为0.9969)，温度灵敏度为51.6pm/℃。

图8给出了周期为600μm、栅格数为60的非对称CLPFG位于1547.53nm处的谐振峰波长随溶液折射率变化的实验测量曲线。测量时，将栅区全部浸没在溶液之中，并使光栅轴向应力固定为0.6N，测试温度为20℃，溶液折射率范围为1.32～1.4432。在此测量范围内，光栅谐振波长随折射率增加发生蓝移，其灵敏度逐渐增大。当溶液折射率大于包层折射率时，波长发生急剧红移，这与普通LPFG的性质相一致。

图9给出了周期为600μm、栅格数为60的非对称CLPFG位于1547.53nm处的谐振峰波长随扭转率变化的实验测量曲线。测量时，将光栅置于两转盘中间且保证准直。两转盘中间的光纤长度为20cm，每扭转40°记录一次数据(记录间隔为3.41rad/m)。在0～31.41rad/m测量范围内，光栅谐振波长与扭转率呈良好的线性关系(线性拟合度为0.9970)，扭转灵敏度为328pm·m/rad。顺时针和逆时针扭转测量表明，在上述测量范围内，扭转率增大则光栅谐振波长均向短波方向漂移，其扭转灵敏度与扭转方向无关。CLPFG扭转灵敏度高于高频CO₂激光直接写制的LPFG，其主要原因是扭转时光纤折射率改变量反比于光纤直径，而且应力集中于直径突变处，造成包层折射率改变量大于纤芯折射率改变量。

虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，但本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型和等效设置。

应用前景：本发明提供一种非对称波状长周期光纤光栅的制作方法。该方法加工简单，成本低，设计灵活，可根据不同需要进行均匀与非均匀、对称与非对称的CLPFG结构设计，并且可以在多种类型的光纤(如单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤等)上研制，这就进一步丰富了新型光纤光栅的创新空间。由于CLPFG具有的波状结构以及弹光效应成栅机理，使得通过调节光纤轴向作用(如应力、压力、弯曲、扭转等)，均可以改变其折射率调制区域及深度，获得所需要的透射光谱(或损耗光谱)。当CLPFG受轴向作用时，腐蚀较深的栅区会产生微弯，这使得该区域的折射率调制能够得到很大的增强。利用这一特性，可望研制出用于光纤通信、光纤传感领域的宽光谱和高灵敏的CLPFG型滤波器、耦合器、模式转换器、衰减器以及功能调谐器等。

Claims

1.一种长周期光纤光栅制作方法，其特征在于：沿光纤轴向形成非对称波状结构，即采用二氧化碳(CO₂)激光热激法周期性烧蚀光纤涂覆层，并利用腐蚀法对光纤包层进行化学腐蚀，使光纤沿轴向产生形成非对称波状结构，实现光纤折射率调制，从而制作出非对称波状长周期光纤光栅。

2.根据权利要求1所述非对称波状长周期光纤光栅，其制作方法是：1)利用高频CO₂激光逐点烧蚀光纤涂覆层，形成周期性的涂覆层凹槽；2)将具有涂覆层凹槽的光纤放入40％的HF溶液中，通过光谱仪实时监测，并对腐蚀光纤施加一定应力；3)当光谱仪出现光栅透射谱后，将腐蚀的光纤取出，清洗并风干定型，完成非对称波状长周期光纤光栅制作过程。

3.根据权利1要求所述非对称波状长周期光纤光栅制作方法，其特征在于：周期性烧蚀光纤涂覆层采用高频CO₂激光法，或者电弧放电法；腐蚀光纤包层采用HF溶液或者可腐蚀光纤的化学溶液；清洗液采用蒸馏水或者清洁溶液。

4.根据权利要求1所述非对称波状长周期光纤光栅，其特征在于：光栅结构的非对称是指热激腐蚀形成的栅格在光纤横截面上与纤芯不对称，或者沿光纤轴向的具有螺旋结构。

5.根据权利要求1所述非对称波状长周期光纤光栅，其特征在于：光栅制作所使用的光纤可为各种类型的光纤，如标准单模光纤、双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤、微结构光纤等。

6.根据权利1要求所述非对称波状长周期光纤光栅制作方法，其特征在于：该方法可用于制作波状长周期光纤光栅和波状超长周期光纤光栅；可用制作均匀波状长周期光栅和非均匀波状长周期光纤光栅；还可用于制作特种类型的长周期光纤光栅(如相移波状长周期光纤光栅、超结构波状长周期光纤光栅以及级联波状长周期光纤光栅等)。

7.根据权利1要求所述非对称波状长周期光纤光栅，其特征在于：这种光纤光栅具有较高的扭转灵敏度和较低的温度、折射率灵敏度。因其波状结构及弹光效应成栅机理，故通过改变光栅轴向作用(如应力、压力、弯曲、扭转等)，可灵活改变折射率调制区域及深度，形成可调谐透射光谱(或损耗光谱)。