光纤光栅的在线制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤光栅的在线制作方法，包括以下步骤：（1）光敏预制棒的制作：在预制棒的纯石英纤芯中掺杂GeO2，并在高温高压下，对预制棒进行载氘气处理；（2）光纤拉丝过程：将制成的光敏预制棒进行送棒，预制棒一端加热熔融，在牵引力作用下拉丝成光纤；（3）在线刻写光纤光栅：对光纤进行冷却，冷却后的光纤进入光纤光栅刻写区进行光栅刻制；（4）光纤成栅后进行涂层涂覆，成栅光纤的涂层将根据光纤光栅的使用要求选用涂料；（5）最后成栅光纤经牵引后，收卷在线盘上。能够将传统的单个的、分立的光纤成栅技术与光纤拉丝技术相结合，从而成百上千倍地提高光纤光栅的生产效率，极大地降低制作成本。
【专利说明】光纤光栅的在线制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤【技术领域】，特别是涉及一种光纤光栅的在线制作方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]光纤布拉格光栅(FBG, fiber bragg grating)的基本特性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1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，I为光纤光栅，2为光纤包层,3为光纤纤芯，Λ为光栅周期。
[0004]光纤光栅的原理是基于“菲涅尔反射”:当光行进时，遇到两种不同折射率介质时，就会在界面上发生反射和折射。当光进入光纤布拉格光栅中时，在每一个折射率变化处，就会有一小部分光被反射，而在“中心波长”或称“布拉格波长”上，所有反射光相干叠加，从而形成布拉格反射。在入射光谱中的其他波长的光则不受干扰地透射过去。
[0005]光纤光栅的反射布拉格波的中心波长为:λ B=2neff Λ，式中，neff为光纤纤芯光栅区域有效折射率，亦即光纤光栅区纤芯的平均折射率。
[0006]世界上第一个光纤光栅是加拿大渥太华通信研究中心的K.0.Hill等人于1978年在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并用驻波写入法制成。1989年美国联合技术研究中心的G.Meltz等人利用掺锗光纤的光敏特性，用244nm波长的紫外激光干涉条纹侧面照射纤芯掺锗的光纤，将相位光栅写进了纤芯，形成光纤布拉格光栅，从而开启了光纤光栅制造的实用化阶段。
[0007]光纤光栅的传统制造方式是: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。光纤光栅的制造方式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；后者是使用一个相位掩模器，放在紫外光源和光纤之间，紫外激光正向入射穿过相位掩模器后，其相位被掩模器的相位光栅进行了空间调制，然后通过衍射形成所需的布拉格光栅的干涉图形，由于光纤纤芯的光敏性，因而就被这种干涉图形分布的光子写进了周期性的折射率分布，从而形成布拉格光栅。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(如氘气)后能增强其紫外线的能力。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的宽带。
[0008]在光纤的纤芯区掺杂Ge兀素来增加纤芯的折射率从而引入纤芯与包层的折射率差，以构成介质光波导结构。例如作为包层的纯二氧化硅的折射率为1.458，掺杂三个百分摩尔的GeO2作为纤芯折射率则增加至1.463，此即G.652匹配型单模光纤的折射率剖面组成。增加Ge的浓度可提高光敏性。Ge原子的存在导致无氧键如S1-Ge的形成，从而造成石英光纤的晶格缺陷。最常见的缺陷就是所谓的GeE缺陷，它形成了带隙能量为5eV的一个缺陷禁带。244nm波长的激态激光器的单光分子吸收克服了这种缺陷禁带，使S1-Ge键破裂，释放的电子在相邻锗的晶格位置再被俘获，重新复合，形成色谱中心，其吸收峰在紫外波段，这就导致丁掺锗光纤的紫外区吸收谱。吸收谱Λ α (ω)的变化引起折射率Λη(ω )的变化。由于折射率的变化只发生在吸收紫外线光的光纤芯区，周期变化的条纹就变成了光栅。在1300nnTl600nm波长范围内，光纤折射率变化的典型值为10_4，高浓度Ge掺杂时，此值可达0.001。
[0009]然而，传统单个光纤光栅的制作方法，效率低，周期长，成本高且一致性差。
【发明内容】
[0010]本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤光栅的在线制作方法，能够将传统的单个的、分立的光纤成栅技术与光纤拉丝技术相结合，从而成百上千倍地提高光纤光栅的生产效率，极大地降低制作成本。
[0011]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种光纤光栅的在线制作方法，包括以下步骤:
(O光敏预制棒的制作:在预制棒的纯石英纤芯中掺杂GeO2,并在高温高压下,对预制棒进行载氘气处理；
(2)光纤拉丝过程:将制成的光敏预制棒进行送棒，预制棒一端加热熔融，在牵引力作用下拉丝成光纤；
(3 )在线刻写光纤光栅:对光纤进行冷却，冷却后的光纤进入光纤光栅刻写区进行光栅刻制；
(4)光纤成栅后进行涂层涂覆，成栅光纤的涂层将根据光纤光栅的使用要求选用涂
料；
(5)最后成栅光纤经牵引后，收卷在线盘上。
[0012]在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中GeO2的摩尔百分比含量为3.5^4.0%。
[0013]在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中载氘气处理采用氘气/氮气混合气体，混合气体中氘气体积百分比含量为2~4%，气体流量为f 10M3/h，温度为60°C，气压为0.6Mpa。
[0014]在本发明一个较佳实施例中，步骤(2)中预制棒一端在195(T2050°C下加热熔融。
[0015]在本发明一个较佳实施例中，步骤(2)中拉丝速度为1200m/min,拉丝成外径为120?130μπι 光纤。
[0016]在本发明一个较佳实施例中，步骤(3)中用氦气对光纤进行冷却。
[0017]在本发明一个较佳实施例中，步骤(3)中光栅刻制: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。
[0018]在本发明一个较佳实施例中，步骤(3)中光栅刻制:用掩模，使光束通过个狭缝挡板，照射到光纤上进行曝光，刻写光栅。
[0019]本发明的有益效果是:
1、本发明将传统的单个的、分立的光纤成栅技术与光纤拉丝技术相结合，从而成百上千倍地提高光纤光栅的生产效率，极大地降低制作成本；
2、本发明将传统的光纤氣气处理技术改为光纡预制棒的氣气处理技术，以与光纤光栅的在线成栅方法相适应。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中:
图1是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；
图2是光纤拉丝塔示意图；
附图中各部件的标记如下:1、拉丝塔支架，2、光纤预制棒送棒系统，3、光纤预制棒，4、加热炉体，5、光纤外径测量装置，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，I 3、收排线装置。
【具体实施方式】
[0021]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]实施例1
一种光纤光栅的在线制作方法，包括以下步骤:
(1)光敏预制棒的制作:在预制棒的纯石英纤芯中掺杂GeO2,GeO2的摩尔百分比含量为
3.5%，并在温度为60°C，气压为0.6Mpa，气体流量为5M3/h下，采用氘气/氮气混合气体对预制棒进行载氘气处理，混合气体中氘气体积百分比含量为3% ；
(2)光纤拉丝过程:将制成的光敏预制棒夹持在光纤预制棒送棒系统2中的送棒装置上，并往下进棒，预制棒一端在在加热炉体4内1950°C下加热熔融，加热炉体4采用石墨感应电阻加热炉，在牵引轮12的牵引力作用下拉丝，拉丝速度为1200m/min，光纤外径由光纤外径测量装置5检测，光纤外径为120 μ m光纤，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；
(3)在线刻写光纤光栅:光纤在加热炉体4出口成型时还有1600°C左右的高温，经光纤冷却管6快速冷却,冷却管内通热导率高的氦气对光纤进行强迫冷却,光纤温度降为500C?70°C，冷却后的光纤进入光纤光栅刻写装置7的光纤光栅刻写区进行光栅刻制，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；
(4)光纤成栅后进入光纤涂层涂覆杯9进行涂层涂覆，成栅光纤的涂层将根据光纤光栅的使用要求选用涂料，涂层涂覆后在固化炉10中进行固化涂层，然后在涂层外径测量装置11进行涂层外径测量；
(5)最后成栅光纤经经牵引轮12牵引后，由收排线装置13收卷在线盘上。
[0023]实施例2
一种光纤光栅的在线制作方法，包括以下步骤:
(1)光敏预制棒的制作:在预制棒的纯石英纤芯中掺杂GeO2,GeO2的摩尔百分比含量为
4.0%，并在温度为60°C，气压为0.6Mpa，气体流量为10M3/h下，采用氘气/氮气混合气体对预制棒进行载氘气处理，混合气体中氘气体积百分比含量为2% ；
(2)光纤拉丝过程:将制成的光敏预制棒夹持在光纤预制棒送棒系统2中的送棒装置上，并往下进棒，预制棒一端在在加热炉体4内2050°C下加热熔融，加热炉体4采用石墨感应电阻加热炉，在牵引轮12的牵引力作用下拉丝，拉丝速度为1200m/min，光纤外径由光纤外径测量装置5检测，光纤径为130 μ m光纤，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；
(3)在线刻写光纤光栅:光纤在加热炉体4出口成型时还有1600°C左右的高温，经光纤冷却管6快速冷却,冷却管内通热导率高的氦气对光纤进行强迫冷却,光纤温度降为500C?70°C，冷却后的光纤进入光纤光栅刻写装置7的光纤光栅刻写区进行光栅刻制，用掩模，使光束通过个狭缝挡板，照射到光纤上进行曝光，刻写光栅；
(4)光纤成栅后进入光纤涂层涂覆杯9进行涂层涂覆，成栅光纤的涂层将根据光纤光栅的使用要求选用涂料，涂层涂覆后在固化炉10中进行固化涂层，然后在涂层外径测量装置11进行涂层外径测量；
(5)最后成栅光纤经经牵引轮12牵引后，由收排线装置13收卷在线盘上。
[0024]实施例3
一种光纤光栅的在线制作方法，包括以下步骤:
(1)光敏预制棒的制作:在预制棒的纯石英纤芯中掺杂GeO2,GeO2的摩尔百分比含量为
3.8%，并在温度为60°C，气压为0.6Mpa，气体流量为lM3/h下，采用氘气/氮气混合气体对预制棒进行载氘气处理，混合气体中氘气体积百分比含量为4% ；
(2)光纤拉丝过程:将制成的光敏预制棒夹持在光纤预制棒送棒系统2中的送棒装置上，并往下进棒，预制棒一端在在加热炉体4内2000°C下加热熔融，加热炉体4采用石墨感应电阻加热炉，在牵引轮12的牵引力作用下拉丝，拉丝速度为1200m/min，光纤外径由光纤外径测量装置5检测，光纤外径为125 μ m光纤，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；
(3)在线刻写光纤光栅:光纤在加热炉体4出口成型时还有1600°C左右的高温，经光纤冷却管6快速冷却,冷却管内通热导率高的氦气对光纤进行强迫冷却,光纤温度降为500C?70°C，冷却后的光纤进入光纤光栅刻写装置7的光纤光栅刻写区进行光栅刻制，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； (4)光纤成栅后进入光纤涂层涂覆杯9进行涂层涂覆，成栅光纤的涂层将根据光纤光栅的使用要求选用涂料，涂层涂覆后在固化炉10中进行固化涂层，然后在涂层外径测量装置11进行涂层外径测量；
(5)最后成栅光纤经经牵引轮12牵引后，由收排线装置13收卷在线盘上。
[0025]本发明光纤光栅的在线制作方法的有益效果:
(1)本发明将传统的单个的、分立的光纤成栅技术与光纤拉丝技术相结合，从而成百上千倍地提高光纤光栅的生产效率，极大地降低制作成本；
(2)本发明将传统的光纤氘气处理技术改为光纡预制棒的氘气处理技术，以与光纤光栅的在线成栅方法相适应。
[0026](3)本发明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。
[0027]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)光敏预制棒的制作:在预制棒的纯石英纤芯中掺杂GeO2,并在高温高压下,对预制棒进行载氘气处理； (2)光纤拉丝过程:将制成的光敏预制棒进行送棒，预制棒一端加热熔融，在牵引力作用下拉丝成光纤； (3 )在线刻写光纤光栅:对光纤进行冷却，冷却后的光纤进入光纤光栅刻写区进行光栅刻制； (4)光纤成栅后进行涂层涂覆，成栅光纤的涂层将根据光纤光栅的使用要求选用涂料； (5)最后成栅光纤经牵引后，收卷在线盘上。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，步骤(1) 中GeO2的摩尔百分比含量为3.5^4.0%。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，步骤(1)中载氘气处理采用氘气/氮气混合气体,混合气体中氘气体积百分比含量为2~4%，气体流量为f IOM3/h，温度为60°C，气压为0.6Mpa。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，步骤(2)中预制棒一端在195(T2050°C下加热熔融。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，步骤(2)中拉丝速度为1200m/min，拉丝成外径为120-?30μπι光纤。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，步骤(3)中用氦气对光纤进行冷却。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，步骤(3)中光栅刻制: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。
8.根据权利要求1所述的光纤光栅的在线制作方法，其特征在于，步骤(3)中光栅刻制:用掩模，使光束通过个狭缝挡板，照射到光纤上进行曝光，刻写光栅。
【文档编号】C03B37/012GK103869409SQ201410110073
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】陈炳炎, 石明, 於茹敏 申请人:江苏南方通信科技有限公司