一种基于机械微弯的长周期光纤光栅及其制备方法与流程

本发明涉及光学元件，尤其是涉及一种机械微弯的长周期光纤光栅及其制备方法。

背景技术：

随着微光纤制备技术的发展，光纤及光子器件制造的不断完善，光纤光栅已成为目前最具有代表性和最具发展前途的光纤无源器件之一。由于微光纤具有优异的力学、光学等性能，基于微光纤开发出一系列的光子学器件，如微光纤谐振腔，微光纤传感器等，受到广泛关注。

长周期光纤光栅作为一种新型无源器件，能够实现纤芯导摸与同向传输不同阶次的包层模之间的能量交换，从而引起特定波长的传输损耗。具有低后向反射，低插入损耗，制备工艺简单，体积小，传感灵敏度高，抗电磁干扰和兼容于光纤等优点。另一方面，由于长周期光纤光栅的耦合性受外界条件影响，其谐振波长和耦合强度均随外界物理参数发生变化，如温度，应变，弯曲，折射率等。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于力学与微光纤结合的长周期光纤光栅，由于这种光纤光栅具有三维立体结构，可以用来集成多种光学元件，如传感器等。

本发明采用的技术方案是：

一种基于机械微弯的长周期光纤光栅，包括光纤棒和微光纤，其中光纤棒由两根以上的单模光纤紧密聚合而成，微光纤绕制在光纤棒的外表面。

上述长周期光纤光栅的制备方法，具体步骤如下：

(1)微光纤拉制：采用氢气加热标准单模光纤拉伸工艺，制备出直径均匀的微光纤；

(2)光纤棒的处理：将两根以上的单模光纤紧密的放在双面胶的同一面，再将固定好的光纤向内卷起，形成一个光纤棒；

(3)微光纤绕制在光纤棒上：利用三维旋转台，将步骤(1)制备的直径均匀的微光纤缠绕在光纤棒表面，形成微弯的光纤光栅，其中微光纤与光纤棒表面紧密接触。

本发明通过将微光纤绕制在特制的光纤棒上，利用单模光纤和微光纤二者相互作用，实现宽带(1200nm-1700nm)光栅的功能。与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)微光纤受到外力影响发生应变，微光纤和单模光纤的接触，这两点都会导致折射率的变化，使得基模的光可以耦合到高阶模中，从而表现出大的传播损耗，实现了光纤光栅的功能。

(2)选用微光纤直径3～10μm，可以达到插入损耗较小，且对比度高的优化设计。

(3)本发明器件线长度较小(取决于光纤棒的直径)。

(4)由于本发明的长周期光纤光栅具有三维立体结构，未来可以用来集成多种光学元件，这在传感方面具有广泛应用前景。

(5)本发明方法制备简单，成品率高，具有低成本、易操作的优点，在传感和光纤通讯等域可以得到很好地应用。

附图说明

图1是本发明实施例中采用的拉制的微光纤结构示意图；

图2是本发明实施例制备的长周期光纤光栅的侧面结构图；

图3是本发明实施例制备的长周期光纤光栅的俯视结构图；

图4是周期为125μm的长周期光栅输出波形图。

具体实施方式

下面进一步阐明本发明实施过程：

如图1所示为采用成熟的氢气加热标准单模光纤拉伸工艺，制备出的微光纤，分为三部分，尾纤1、过渡区2(圆锥状)，稳定区3，中间稳定区3的直径约为3-10μm。本实施例中，将微光纤绕制在光纤棒上时，选用稳定区部分的微光纤。

光纤棒4的半径R，单模光纤5的半径r，光纤棒4的半径与单模光纤5的根数之间的关系可由公式：R＝r+r/sin(360/2n)推算出。从而可以得出光纤棒4的半径，光纤数量以及长周期光栅周期长度之间的关系。如下表所示。

表1光纤棒半径与单模光纤根数的对应关系

本实施例中，选用直径为125μm的单模光纤，多根光纤的直径相同。当光纤个数n趋于无穷大时，长周期光纤光栅的周期约为125μm。光纤棒4要求表面光滑，这样可以降低微光纤绕上去之后弯曲损耗等导致的期间插入损耗增加。本发明采用卷曲方法，先将处理好的单模光纤紧密的排列在双面胶的一面，然后反向向内卷曲，使得光滑没有双面胶的的一面向外。多根单模光纤5紧密聚合形成光纤棒，本实施中选用4根，卷曲后光纤棒4的截面为圆形。当单模光纤5的根数比较多时，可以在光纤棒4的中心加设支撑棒6，起到稳固的作用，单模光纤5紧密排列在支撑棒6周围。本实施例中，支撑棒6采用的是塑料棒。

再利用三维旋转台将制备的微光纤的稳定区3部分缠绕在光纤棒4表面，形成微弯的长周期光栅。要求相邻微光纤间距较大(～0.1mm以上)，避免微光纤之间的相互耦合。

本实施例制备的长周期光栅工作波段为1200nm-1700nm。这种长周期光栅结构的优势在于：(1)微光纤在传输时，很大一部分光场是以倏逝场的形式在微光纤的外边传输的，使得光与周围物质强烈作用。因此基于这种形式的传感器具有较高的灵敏度与较快的响应。(2)微光纤可以把光场束缚在很小的截面里，并传播很长的距离。与此同时强光束缚使得其有着较小的弯曲损耗。利用这个这个性质可以发展低功率损耗的光路和光学器件。(3)微纳光纤有着极好的柔韧性，可以轻易的弯曲和操纵。(4)这里的微光纤保留了单模光纤的输入和输出端，与其他光纤器件可以无损耗连接。

这种方法制备长周期光栅的好处是设备简单廉价，对材料无任何限制，几乎可以在所有的种类光纤中制备长周期光纤光栅器件。