专利名称：光纤光栅的在线制作装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤通信和光纤传感领域的光纤无源器件，尤其涉及一种光纤光
栅的制作装置。
背景技术：
光纤光栅是近年来发展最为迅速的光无源器件之一，鉴于它的许多独特的优点， 因而在光纤通信和光纤传感领域均有极为广阔的前景。由于光纤光栅的出现，使许多复杂 全光通信和传感方式成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，S卩外界入射光子和光纤纤芯内锗离子相互作 用引起折射率的永久性变化，从而在光纤纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在光 纤纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能 的光纤无源器件。例如，利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤 等为增益介质即可制成光纤激光器；用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成 外腔可调谐激光二极管；利用光纤光栅可构成Michelson干涉仪型、Mach-Zehnder干涉仪 型、以及Fabry-Perot干涉仪型的光纤滤波器；利用非均匀光纤光栅可制成光纤色散补偿 器等等。此外，利用光纤光栅还可制成用于检测应力、应变、温度等参数的光纤传感器和光 纤传感网络。 光纤布拉格光栅(FBG， fiber Bragg grating)的原理是光纤纤芯区折射率周期 变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使其透射光谱 和反射光谱出现奇异特性.图l表示光纤光栅区域的折射率分布情况以及入射光、反射光 和透射光的光谱图。其中，rn为光纤包层折射率，1!2为光纤纤芯初始折射率，1!3为光致折射 率变化函数，A为光栅周期。光纤光栅的反射布拉格波的中心波长为AB = 2nrffA式中，
nrff为光纤纤芯光栅区域有效折射率。 光纤光栅的传统制造方法是采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有 种类的光纤上不同程度地写入光栅。光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在在波长为 244nm的紫外光的吸收峰附近，所以利用紫外光与光纤纤芯中的锗离子的相互作用引起折 射率的永久性变化，从而在光纤纤芯内形成折射率呈周期性变化的空间相位光栅。光纤光 栅的制造方法通常分为横向干涉法及相位掩模法两大类。前者是利用双光束干涉所产生的 干涉条纹对光纤曝光以形成光纤光栅，后者是使用一个周期为A的相位掩模器，对衍射光 束进行分离，当紫外光垂直照射到相位掩模器上时，在其后面即得到节距为A/2的光纤衍 射图样，从而在紫外光敏光纤中形成节距为A/2的光纤布拉格光栅。在制备光纤光栅时， 需去除成栅段光纤的涂层，因为涂层会吸收紫外光能，影响光纤光栅的刻写。另外，当光纤 纤芯吸收氢气或其同位素(如氖气)后能增强其吸收紫外线的能力。因此光纤成栅前需进 行载氢处理，就是在刻写FBG前，需将普通光纤浸泡在一定温度下，在氢气和氦气混合气压 中一段时间，使光纤中的氢达到饱和，这样可以提高光纤纤芯区对UV(紫外光)的吸收率以 及提高成品FBG的带宽和反射率。通常在100标准大气压，IO(TC温度下，需载氢48小时，如增大压力、增高温度可减少载氢时间，反之亦然。 上述光纤成栅方法有下列缺点；首先是光纤光栅均为单个制作，手工量大，生产效 率低，成本高；其次在成栅工艺中，去除光纤涂层将导致光纤强度的严重下降，成栅后需再 次涂敷，而涂敷工艺对光纤光栅的光学特性具有显著影响，随机非均匀涂敷将造成FBG器 件工作参数的随机漂移，影响系统的重复性和稳定性。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种制作效率高、成本低、涂层均匀的光纤 光栅在光纤拉丝过程中的在线制作装置。 为了克服背景技术中存在的缺陷，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案 是一种光纤光栅的在线制作装置，包括安装在拉丝塔支架上的光纤预制棒送棒器、加热 炉、冷却管、光纤光栅刻写装置、光纤涂层涂覆杯、UV固化炉、牵引轮以及收排线装置，其中， 光纤预制棒送棒器、加热炉、冷却管、光纤光栅刻写装置、光纤涂层涂覆杯、UV固化炉与牵引 轮平行设置，加热炉与冷却管之间设置有光纤外径测量装置，UV固化炉与牵引轮之间设置 有涂层外径测量装置。 根据本实用新型的另一个实施例，光纤光栅的在线制作装置进一步包括所述加热 炉内的温度2000°C。 根据本实用新型的另一个实施例，光纤光栅的在线制作装置进一步包括所述加热 炉内的温度2000°C。 根据本实用新型的另一个实施例，光纤光栅的在线制作装置进一步包括所述光纤 光栅刻写装置与冷却管之间设置有V型导轮。 本发明提出的光纤光栅在光纤拉丝过程中的在线制作装置，与传统的光纤光栅的 单个制作相比，其制作效率高，生产速度成百上千倍地提高，因而成本大大降低，工艺灵活， 涂层均匀，是实现光纤光栅规模化生产的比较可行的装置。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是现有技术中光纤光栅及光谱响应图； 图2是MCVD沉积工艺图； 图3是光纤拉丝塔结构示意图； 其中1、拉丝塔支架，2、预制棒，3、送棒器，4、加热炉体，5、外径测量装置，6、光纤 冷却管，7、光纤光栅刻写装置，8、紫外光光源，9、光纤涂层涂覆杯，10、固化炉，11、涂层外径 测量装置，12、牵引轮，13、收排线装置。
具体实施方式现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简 化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关 的构成。 通常，光纤制造 为光纤预制棒制作和光纤拉丝两部份。本发明的光敏光纤予预制棒制作采用改进的化学气相沉积法即MCVD(ModifiedChemical V即or D印osition)法。 其过程如下(参见图2):将一根石英基管放在玻璃车床上旋转，用超纯氧气作为载气通过 存有SiCl4， GeCl4等纯化学原料的鼓泡瓶(bubble) ， 02载气将SiCl4， GeCl4的饱和蒸气一 起带进石英基管内，当温度为1400-160(TC的氢氧焰加热石英基管的外壁时，通过热传导， 在管内的气相原料在高温下发生氧化反应，反应式为 SiCl4+02 — Si02+2C12个 GeCl4+02 — Ge02+2C12个 生成的Si02， Ge02等氧化物在高温区气流下游的管壁内壁上形成多孔玻璃粉尘的 沉积层，当氢氧焰的高温区经过此处时，玻璃粉尘被烧结成沉积在内壁上的均匀透明的玻 璃层.氢氧火炬从左到右缓慢移动一次形成一层相应的沉积层，然后快速退回到起点，进 行第二次沉积，如此往复直到完成所规定的沉积为止。反应产生的氯气和没有反应完的气 相材料则从石英基管的出口排出，进行中和处理。这里石英(纯SiO》基管将成为光纤包 层的一部份，而掺锗沉积部份将成为光纤纤芯部份。沉积完成后，中心还有小孔，然后停止 原料气流进入，火焰温度升高到180(TC左右，将石英管烧縮成实心的光纤预制棒。专为制作 光纤光栅的光纤预制棒，可根据设计要求，提高锗的掺杂量，以提高预制棒的光敏特性。并 将预制棒进行载氢处理，这将比上述单个制作光纤光栅的载氢工艺大大节约制作成本。 如图3所示，一种光纤光栅的在线制作装置，包括安装在拉丝塔支架1上的光纤预 制棒2的送棒器3、加热炉4、冷却管6、光纤光栅刻写装置7、光纤涂层涂覆杯9、 UV固化炉
10、 牵引轮12以及收排线装置13，其中，光纤预制棒2送棒器3、加热炉4、冷却管6、光纤光 栅刻写装置7、光纤涂层涂覆杯9、UV固化炉10与牵引轮12平行设置，加热炉4与冷却管6 之间设置有光纤外径测量装置5， UV固化炉10与牵引轮12之间设置有涂层外径测量装置11。 光纤光栅的在线制作工艺过程说明如下将制成的光敏预制棒2夹持在送棒器3 上，并往下进棒，预制棒2 —端在加热炉4内2000°C的高温下熔融，在牵引轮12的牵引力作 用下，被拉成外径为125 ii m的光纤，光纤外径由测径仪5检测，并将误差信号反馈控制送棒 及牵引速度，以保证光纤外径的精度。光纤在加热炉出口成型时还有160(TC左右的高温，因 而需经冷却管6快速冷却，冷却管6内通热导率高的氦气对光纤进行强迫冷却。冷却后的光 纤进入光纤光栅刻写区进行光栅刻制，为保证光栅刻写精度，光纤需经一对V型槽导轮定 位。(该导轮未在图中示出)。光纤在两个V型槽导轮之间，其空间几何位置十分稳定。光 栅刻制就在此段进行。通常采用单脉冲光源系统，紫外光源8采用KrF准分子激光器，光纤 光栅刻写装置7可有两种方法一是将光束经柱面镜聚焦成细长条后照在光纤侧面，进行 曝光，刻写光栅。二是采用掩模，使光束通过一个狭缝挡板，照射到光纤上进行曝光，刻写光 栅。激光器波长为248nm，每个脉冲的平均能量约240mJ。光栅周期A由激光器的脉冲周 期T和光纤拉丝速度v来决定S卩A = T w。如拉丝速度为1200m/min，脉冲周期为25ns， 则可得光栅周期A为0. 5 ii m。此时，如光栅区有效折射率nrff为1. 5时，反射波长A B则 为1500nm。在连续在线制作光纤光栅工艺中，每个光栅的长度，即每个光栅的周期数N乘以 周期A，以及每个光栅之间的距离是由光路系统中的光开关控制线路来实现的(图中未示 出)。光纤成栅后进入涂覆杯9进行涂层涂覆，与常规的通信光纤不同，成栅光纤的涂层将 根据光纤光栅的使用要求选用各种不同的涂料。特别是当光纤光栅用作传感器时，光纤涂层实际上即是其衬底材料，因而可以通过控制涂层材料的力学参数来实现光纤光栅的增敏 或去敏要求，这对于光纤光栅的应用有极为重要的意义。这些参数包括涂层材料的弹性模 量，泊松比，热膨胀系数及涂层厚度等。因此本发明的拉丝工艺中的涂层涂覆工艺将灵活可
变，以适应不同涂层的要求。固化炉io可以是uv固化炉用于uv固化涂层，也可以是热固
化炉用于热固化涂层。成栅光纤最后经牵引轮12牵引后，由收排线装置13收巻在线盘上。 本发明可制成的光纤数据为，但不限于光纤纤芯直径约为lOym ;光纤包层外径 为125 ii m ;数值孔径为0. 12 ;截止波长为1250nm。 本发明的在线成栅方法也完全适用于制作长周期光纤光栅和折射率空间分布与 光纤轴有一个小角度的闪耀(Blazed)光栅。 为保证上述在线光纤光栅的制作精度，必须配备极其稳定的光源和光路系统；必 须保证拉丝速度的极其稳定，这需通过装备高精度的电气控制系统及机械传动装置来实 现。还必须保证拉丝塔环境条件的极其稳定，这些条件包括环境温度和湿度，净化度，震动 和噪声等，这比常规的光纤拉丝塔的要求高得多。 以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人 员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实 用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术 性范围。
权利要求一种光纤光栅的在线制作装置，其特征在于包括安装在拉丝塔支架上的光纤预制棒送棒器、加热炉、冷却管、光纤光栅刻写装置、光纤涂层涂覆杯、UV固化炉、牵引轮以及收排线装置，其中，光纤预制棒送棒器、加热炉、冷却管、光纤光栅刻写装置、光纤涂层涂覆杯、UV固化炉与牵引轮平行设置，加热炉与冷却管之间设置有光纤外径测量装置，UV固化炉与牵引轮之间设置有涂层外径测量装置。
2. 如权利要求1所述的光纤光栅的在线制作装置，其特征在于所述加热炉内的温度2000°C。
3. 如权利要求1所述的光纤光栅的在线制作装置，其特征在于所述光纤光栅刻写装置采用紫外光源，所述紫外光源为一准分子激光器，波长为248nm。
4. 如权利要求1所述的光纤光栅的在线制作装置，其特征在于所述光纤光栅刻写装 置与冷却管之间设置有V型导轮。
专利摘要本实用新型涉及一种光纤光栅的在线制作装置，包括安装在拉丝塔支架上的光纤预制棒送棒器、加热炉、冷却管、光纤光栅刻写装置、光纤涂层涂覆杯、UV固化炉、牵引轮以及收排线装置，其中，光纤预制棒送棒器、加热炉、冷却管、光纤光栅刻写装置、光纤涂层涂覆杯、UV固化炉与牵引轮平行设置，加热炉与冷却管之间设置有光纤外径测量装置，UV固化炉与牵引轮之间设置有涂层外径测量装置。本实用新型提出的光纤光栅在光纤拉丝过程中的在线制作装置，与传统的光纤光栅的单个制作相比，其制作效率高，生产速度成百上千倍地提高，因而成本大大降低，工艺灵活，涂层均匀，是实现光纤光栅规模化生产的比较可行的装置。
文档编号G02B6/02GK201477226SQ200920187260
公开日2010年5月19日 申请日期2009年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者石明, 陈炳炎 申请人:常州南方通信科技有限公司