一种基于预刻写的FBG波长精确刻写方法与流程

本发明涉及刻写光纤光栅的技术领域，特别涉及一种光纤预刻写方法，依次实现光纤光栅波长的准确刻写。

背景技术：

光纤布拉格光栅(Fiber Braag Grating，以下简称FBG)，是光纤发明以来近半个世纪中，发展出的最为重要的光子器件之一，其具有灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，在光纤激光器、光纤通信和光纤传感等领域中得到了广泛应用。

目前常见的FBG制作方法有如下几种：双光束全息干涉横向写入法、点光源写入法和相位掩模板法。

相位掩模板法:通过制作出不同的相位掩模板，然后将光纤至于相位掩模板后，采用紫外激光对光纤曝光，从而得出不同带宽的FBG。该方法优点是：工艺简单，重复性好，成品率高，便于大规模生产；光栅周期与曝光用的光源波长无关。缺点是，此方法的制作成本昂贵，每制作一种带宽的FBG需配置一块对应的相位掩模板。为了降低相位掩模板法的生产成本，通常会使用预紧力技术来实现使用一块相位掩膜版刻写出不同Bragg反射波长的FBG。这是目前常用的FBG量产方法。

在现有的使用相位掩模板的FBG刻写方法中，施加的预紧力一般为经验数值，通过实验找出光纤施加预紧力与刻写波长之间的关系。在通过插值方法计算指定波长所需的预紧力大小。插值计算出来的预紧力与实际情况会有偏差，因此，现有方法刻写FBG的Bragg反射波长不确定度较大，一般为±0.5nm。

技术实现要素：

本发明中提供一种预刻写的方法，实现对指定波长所需的预紧力大小的精确施加，减小刻写出FBG的Bragg反射波长不确定度。

本发明采用的技术方案是：一种基于预刻写的FBG波长精确刻写方法，该方法采用的结构装置由准分子脉冲紫外光源、光束整形光路、光栅相位掩膜板、光纤定位系统和光纤刻写在线监测系统组成，所述的光纤定位系统包括光纤夹具，三维调整架和预紧力施加装置，该刻写方法包括以下步骤：

1)光纤待刻写部分进行窗口剥除，并将光纤两端接入光纤刻写监测系统；所述的窗口剥除是将光纤表面的紫外线硬化树脂软化去除涂覆层。

2)将光纤安装至光纤定位系统上，并施加预紧力，所述的预紧力通过手动施加，确保光纤绷直即可；

3)进行预刻写，光纤刻写监测系统监测FBG反射波，记录反射中心波长λ_P1；预刻写的刻写过程是通过控制准分子脉冲紫外光源以最小输出功率输出1个脉冲实现对光纤的预刻写；

4)将光纤从光纤定位系统中取出，光纤刻写监测系统监测FBG反射波，记反射中心波长λ_P2；光纤从定位系统取出，需要保持松弛状态；

5)根据所需刻写FBG的Bragg反射波长λ_B并计算预紧力改变后的反射中心波长λ_P3；反射中心波长λ_P3用式(1)表示；

6)将光纤安装至光纤定位系统上，通过预紧力施加装置施加预紧力改变刻写反射峰的反射中心波长至λ_P3为止；

7)进行正常刻写，光纤刻写在线监测系统监测FBG的反射谱/透射谱，直至其满足FBG的Bragg反射波长λ_B；正常刻写的刻写过程是通过控制准分子脉冲紫外光源以正常输出功率输出若干个脉冲实现对光纤的正常刻写；当满足FBG刻写要求，停止准分子脉冲紫外光源输出。

8)将光纤从光纤定位系统中取出，监测并记录其Bragg反射波长；光纤从定位系统取出，需要保持松弛状态。

优选的，所述的光纤刻写在线监测系统包括：ASE宽带光源、环形器、1x2光开关、光谱分析仪和部件之间的连接跳线，所述的环形器是三端口环形器，所述的ASE宽带光源、1x2光开关和光谱分析仪通过连接跳线分别与环形器的三个端口连接；光纤刻写在线系统实时监测反射中心波长，所述的ASE宽带光源用于提供监测光路光源；环形器用于将监测光路光源引入刻写中的FBG，并将反射光引入1x2光开关；1x2光开关用于切换FBG的反射光谱和透射光谱；光谱分析仪用于分析FBG的光谱并实施显示出相关的Bragg反射波长。

优选的，所述的准分子脉冲紫外光源发射预定波长的激光。

优选的，所述的光束整形光路用于将脉冲紫外光扩束并聚焦到光栅相位掩膜板上。

优选的，所述的光纤定位系统用于对光纤空间位置进行定位和对光纤预紧力进行调整，所述的光纤夹具用于夹持光纤并与三维调整架固定连接，三维调整架用于对光纤高度和光栅相位掩膜板距离调节，预紧力施加装置用于对光纤纵向拉力进行调整。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，使用预刻写方法，实现对指定波长所需的预紧力大小的精确施加，得到指定反射波长的FBG。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明刻写装置结构框图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

实施例1

本发明提供了一种基于预刻写的FBG波长精确刻写方法，其结构由准分子脉冲紫外光源、光束整形光路、光栅相位掩膜板、光纤定位系统和光纤刻写在线监测系统组成，准分子脉冲紫外光源产生脉冲紫外光，经光束整形光路聚焦到光栅相位掩膜板上，相位掩模板产生±l级衍射光，衍射光形成的干涉光对被光纤进行曝光刻写FBG。在刻写过程中，首先进行预刻写，控制准分子脉冲紫外光源以最小输出功率输出1个脉冲，光纤刻写在线监测系统监测FBG的反射谱，监测预刻写反射峰的反射中心波长；然后根据需要的刻写波长，通过计算，施加预紧力使得该反射峰中心波长漂移到指定位置(计算出的反射中心波长位置)，进行正常刻写。

图1示意性示出了本发明刻写装置结构框图。如图1所示：刻写装置由准分子脉冲紫外光源101、光束整形光路102、光栅相位掩膜板103、光纤定位系统104和光纤刻写在线监测系统105组成。准分子脉冲紫外光源101产生的脉冲紫外光，经光束整形光路102扩束并聚焦到光栅相位掩膜板103上，光束通过光栅相位掩膜板103产生±l级衍射光，衍射光形成的干涉光对被光纤进行曝光刻写FBG。具体的刻写步骤如下所示：

步骤1)光纤上待刻写部分进行窗口剥除，并将光纤两端接入光纤刻写在线监测系统。

窗口剥除是将光纤表面的紫外线硬化树脂软化，去除涂覆层，剥除涂覆层方法：手动剥除、自动剥除、化学剥除和激光剥除。

光纤刻写在线监测系统包括ASE宽带光源、环形器、1x2光开关、光谱分析仪以及个部件之间的连接跳线，所述的环形器是三端口环形器，所述的ASE宽带光源、1x2光开关和光谱分析仪通过连接跳线分别与环形器的三个端口连接；ASE宽带光源用于提供监测光路光源；环形器用于将监测光路光源引入刻写中的FBG，并将反射光引入1x2光开关；1x2光开关用于切换FBG的反射光谱和透射光谱，光谱分析仪用于分析FBG的光谱并实施显示出相关的Bragg反射波长。

去除涂覆层的光纤通过耦合器与ASE宽带光源和光谱仪连接，在刻写过程中实时监测反射波中心波长和其他参数包括光纤的谱线特征和制作光纤光栅刻写过程中的熔接损耗等。

步骤2)光纤安装至光纤定位系统上，并施加微小的预紧力，预紧力大小确保光纤绷直。

光纤定位系统用于对光纤空间位置进行定位和对光纤预紧力进行调整，光纤定位系统包括：光纤夹具，三维调整架，预紧力施加装置；光纤夹具用于夹持光纤并与三维调整架固定连接，三维调整架用于对光纤高度与光栅相位掩膜板距离调节；预紧力施加装置用于对光纤纵向拉力进行调整。

所述的预紧力施加装置与升降台连接，通过微分头调节升降台高度，改变预紧力施加装置作用在光纤上的作用力。

步骤3)控制准分子脉冲紫外光源以最小输出功率输出1个脉冲，对光纤进行预刻写，同时，使用光纤刻写在线监测系统监测FBG的反射谱，监测到一个微弱的预刻写反射峰，记录反射中心波长为λ_P1。

预刻写具体实施过程是：激光发射的预定波长的激光光束经过光束整形，扩束并聚焦到光栅相位掩膜板；调整三维调节架，使定位系统上的光纤的曝光区域中心与光栅相位掩膜板中心一致；控制准分子脉冲紫外光源以最小输出功率输出1个脉冲，调节升降台高度，通过手动对光纤施加微弱纵向拉力；光束通过光栅相位掩膜板产生±l级衍射光，衍射光形成的干涉光对光纤进行曝光刻写，同时光纤刻写在线监测系统监测FBG的反射谱，监测到一个微弱的预刻写反射峰。

步骤4)将光纤从光纤定位系统中取出，并保持松弛状态，同时，监测反射中心波长为λ_P2。

步骤5)根据所需刻写FBG的Bragg反射波长λ_B并计算预紧力改变后的反射中心波长λ_P3，其中λ_P3用式(1)表示。

步骤6)监测在线监测系统预刻写反射峰的反射中心波长，控制预紧力施加装置，施加预紧力改变刻写反射峰的反射中心波长至λ_P3为止。

步骤7)控制准分子脉冲紫外光源以正常输出功率输出若干个脉冲，对光纤进行刻写，同时，使用光纤刻写在线监测系统监测FBG的反射谱/透射谱，直至其满足FBG刻写参数要求，停止准分子脉冲紫外光源输出。

步骤8)将FBG光纤定位系统中取出，并保持松弛状态，检测并记录其Bragg反射波长等相关参数。

本发明使用了预刻写方法，通过调节预紧力的大小，实时监测反射波中心波长，减小刻写FBG的Bragg反射波长的不确定度。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。