机械式啁啾长周期光纤光栅的制作方法

本发明涉及光纤传感领域、通信领域与光纤光栅制备领域，尤其一种机械式啁啾长周期光纤光栅。

技术背景

啁啾长周期光纤光栅(clpfg)是一种周期在光纤轴向变化的特殊类型的长周期光纤光栅(lpfg)。相对于普通的lpfg，clpfg由于其具有较宽的带宽、透射谱中可以实现多波长的带阻、适用于多波长滤波的特性，在通信领域具有很大的竞争优势。在实际通信应用中，clpfg既可用作edfa增益平坦滤波器，也可以级联作为波分复用隔离滤波器。此外，clpfg对外界环境(压力、温度、折射率)的变化响应灵敏，在传感测量方面也具有较好的发展前景。

啁啾长周期光纤光栅(clpfg)的工作原理与长周期光纤光栅(lpfg)相同，通过纤芯导模与同向传输的包层模的耦合，使满足相位匹配条件的导模耦合到包层中成为光纤中的辐射模从而逃逸掉，实现滤波功能。通过改变clfpg的交叉耦合常数k能够实现clfpg在带通滤波器与带阻滤波器之间的转换。

目前用于制作clpfg的常用方法为非周期性幅值掩模法。其利用透过非周期性振幅掩模板的紫外光，对载氢光纤以一定能量曝光写入clpfg。该制作方法具有带外损耗小，且性能稳定的特点。但制作完成后需要对其进行退火处理，导致制作时间长，制作成本高。也有将激光聚焦成小于光栅周期的光束，再通过精密电机控制光纤运动位移，每隔一个周期进行一次曝光写入clpfg。该方法有制作过程灵活的优点，但是其机械位移的精度难以控制，同时其对于激光的聚焦要求极高。离子注入法也是一种制作clpfg的有效方法，它将加速后的高能量he²⁺粒子通过非周期性金属掩模板注入光纤形成clpfg。

目前clpfg的制作机理以光纤产生化学变化为主，在光栅制作中对光纤会造成不可逆影响，不可实现光纤的重复利用，同时还存在制作时间长、制作条件要求高等缺点。clpfg的生产工艺仍存在较大的可改进空间。

技术实现要素：

为了克服现有的啁啾长周期光纤光栅制作设备复杂、制作困难、可重复性差的不足，本发明提出了一种制作简单、方便，可重复性良好的机械式啁啾长周期光纤光栅。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种机械式啁啾长周期光纤光栅，包括施力装置、上压板和下固定底座，所述施力装置是任何一种可以提供机械压力的装置，所述上压板具有设定周期数n、固定周期大小为λ的v型槽(锯齿)，所述下固定底座有不同曲率半径的u型槽，光纤固定在所述u型槽内使得所述光纤保持以一定曲率半径r弯曲。

进一步，所述u型槽包括不同半径r的u型槽。

再进一步，所述u型槽包括相同半径r，不同长度的u型槽。

光栅周期的变化由弯曲光纤与上压板v型槽的夹角变化决定。假设光栅相邻位置的夹角变化为那么对应的啁啾系数为其中l为对应周期的光栅长度。由此可见，所述机械式啁啾长周期光纤光栅的第i(i≤n)个周期为：

clpfg透射谱带宽从λ1～λn，其中λ1对应光栅周期为λ1的谐振波长……λn对应光栅周期为λn的谐振波长。

本发明的技术构思为：clpfg不同于lfpg，其光栅周期不是常数，变化率由啁啾系数c决定，啁啾系数表示光栅周期随着clpfg单位长度的变化。本发明中clpfg可以看作是n个不同周期的lpfg的叠加，从而实现宽光谱的滤波。clpfg光栅周期的变化由弯曲光纤与上压板v型槽的夹角变化决定。假设光栅相邻位置的夹角变化为那么对应啁啾系数为其中l为对应周期的光栅长度。由此可见，clpfg的第i个周期(i≤n)为：

clpfg的透射谱带宽从λ1～λn，其中λ1对应光栅周期为λ1的谐振波长……λn对应光栅周期为λn的谐振波长，从而实现宽光谱的滤波效果。本发明能通过改变光纤的弯曲半径r来改变clpfg的啁啾系数，实现相同周期数、不同啁啾系数clpfg的制作，得到不同滤波带宽。同时，本发明能够通过光纤长度的变化，改变clpfg的周期数n，实现不同周期数、同啁啾系数clpfg的制作，得到对clpfg滤波效率的控制。

本发明是将光纤与机械式结构结合，通过光纤啁啾性的位置受力产生clpfg。

本发明的有益效果主要表现在：1)目前啁啾长周期光纤光栅制作完成后，不能再改变其光栅啁啾系数，本发明中的机械式啁啾长周期光纤光栅很好地解决了这一问题。通过不同的光纤弯曲，光纤与上压板周期性锯齿的夹角连续变化，从而实现不同啁啾系数的clpfg。2)在同一弯曲半径时，改变光纤的受力长度，本发明能实现同一啁啾系数时光栅周期数的变化。3)区别于一般的clpfg制作方式，本发明以机械压力制作光栅，能通过压力大小控制滤波效果，且对同一光纤可进行多次压制，实现光纤的重复利用。4)本发明的另一优点是制作过程灵活方便，且制作时间短，可操控性强。

附图说明

图1是机械式啁啾长周期光纤光栅制备用的下固定底座以及锯齿状上压板结构示意图。

图2为机械式啁啾长周期光纤光栅具体工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种机械式啁啾长周期光纤光栅，包括施力装置、上压板2和下固定底座1，所述施力装置是任何一种可以提供机械压力5的装置，所述上压板2具有设定周期数n、固定周期大小为λ的v型槽，所述下固定底座1包括不同曲率半径和长度的u型槽，光纤固定在所述u型槽内使得所述光纤保持以一定曲率半径r弯曲。

本实施例中，1为下固定底座(u型槽)，用于固定光纤弯曲且保障制作过程中的稳定性。2为上压板(v型槽)，其为周期性变化的锯齿状板，用于提供稳定的压力。3为下固定底座不同半径r的u型槽，各u型槽作用为固定光纤，使光纤在制作过程中保持一定曲率的弯曲，从而改变对应位置的周期大小。光纤不同的曲率半径对应clpfg不同的啁啾系数，即不同曲率半径时，同一条v型槽处的周期大小不同。通过调整光纤的弯曲半径实现clpfg的不同滤波谱宽。4为下固定底座中半径r相同、长度不同的u型槽，可通过改变光纤摆放的u型槽来控制clpfg的周期数n。5为施力装置对压板的机械压力，通过控制压力大小来控制clpfg的耦合效率，实现不同的滤波损耗。

图2为机械式clpfg的工作示意图。通过宽带光源bbs6产生如9的宽带光信号，传输进入单模光纤之中。7表示运用机械式结构实现的clpfg，光纤弯曲固定在下固定底座u型槽中，光纤弯曲的曲率半径r决定了所制作光栅的周期λi。通过锯齿状上压板对光纤施加压力，使光纤不同位置的纤芯、包层折射率变化，实现满足波长条件的纤芯导模耦合到辐射模中进入包层，不满足波长条件的光依旧沿光纤纤芯传输。clpfg可以看作是由n个均匀lpfg组成，其滤波特性满足由光谱分析仪8接收显示传输信号，10为一种理想宽光谱滤波效果。通过控制不同的光纤弯曲半径和光纤放置的u型槽能控制clpfg的啁啾系数和周期数n，以实现不同需求的宽光谱滤波。