制作锥形光纤长周期光栅装置和封装的方法
【专利摘要】本发明涉及一种制作锥形光纤长周期光栅装置和封装的方法。本装置由一台宽带光源（1）、一台输出功率约为1W的二氧化碳激光器（2）、一套二轴控制平台（3）、以及一台光谱分析仪（4）和一台电脑（5）组成。本方法是利用二氧化碳激光在单模光纤进行熔融拉锥后的锥形光纤（6）上写制锥形光纤长周期光栅，最后采用硅橡胶聚合物（8）对LPFG（9）进行涂覆封装并测试封装前后LPFG（9）透射光谱的变化。这对于长周期光纤光栅的光谱特性及其封装研究具有积极作用。属于光通信领域。
【专利说明】制作锥形光纤长周期光栅装置和封装的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制作锥形光纤长周期光栅装置和封装的方法，它是一种用二氧化碳激光器在经过熔融拉锥后的锥形光纤中制作长周期光纤光栅的装置和方法，并提出一种封装锥形光纤长周期光栅(Tapered Fiber Long-Per1d Grating, TFLPG)的方法,属于光通信领域。
【背景技术】
[0002]长周期光纤光栅(Long-Per1d Fiber Grating, LPFG)将光纤纤芯中传输的基模能量耦合到包层模中，是一种理想的带阻传输型滤波器，具有制作工艺简单、插入损耗小、无后向反射和体积小等优点。由于长周期光纤光栅在光纤通信系统的重要价值和在光纤传感等领域的广泛应用前景，对长周期光纤光栅的制作和应用的研究进展十分迅速，已经成为一大技术热点。
[0003]长周期光纤光栅在光纤通信中，常用作掺铒光纤放大器(EDFA)的增益平坦器。长周期光纤光栅是一种传输型带阻滤波器，选择合适的长周期光纤光栅可以用来抑制EDFA在1530 nm附近的放大自发辐射(ASE)实现增益平坦。利用两个相同的长周期光纤光栅紧密平行贴合可以实现波长选择耦合器，用两个这样的波长选择耦合器可以实现光分插复用器。基于长周期光纤光栅的全光光开关也是其重要应用之一，这在全光网络中具有非常大的作用。通过选择不同的光栅周期和不同的纤芯与包层折射率差，可以利用长周期光纤光栅实现模式转换。
[0004]长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器。长周期光纤光栅的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模，而包层模对外界环境的变化非常敏感，因此它具有比光纤布拉格光栅更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度。从而，长周期光纤光栅在光纤传感领域具有广泛的应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种制作锥形光纤长周期光栅(TFLPG)装置和封装的方法。本发明的一个重要内容是制作TFLPG，利用二氧化碳激光分别在不同锥区直径的锥形光纤上制备了 LPFG。以实现更高灵敏度，这将在高灵敏度的传感领域有广泛应用前景。因为不加任何保护的锥形光纤很容易折断，所以用一种高效的封装方法来对TFLPG进行封装，既能起到保护作用，又能起到温度灵敏度增强的作用。
[0006]为达到上述目的，本发明的构思是:
本发明制作TFLPG采用的实验装置包括一台宽带光源、一台输出功率约为I W的二氧化碳激光器、一套二轴控制平台、以及一台光谱分析仪和一台电脑，如见附图2。首先将单模光纤进行拉锥制作不同直径的锥形光纤，然后将锥形光纤放置在二轴控制平台上，利用二氧化碳激光制作TFLPG。光谱分析仪监测TFLPG的透射谱变化，分析在不同直径的锥形光纤中写入LPFG的实验情况。另外本发明采用了硅橡胶聚合物对LPFG进行了涂覆封装，并测试封装前后TFLPG谐振波长的变化以及光栅透射峰随周围温度变化的漂移情况。
[0007]本发明的工作原理:
锥形光纤是具有锥腰和对称双锥过渡区的特殊波导结构，本发明是基于锥形光纤的优良特性，利用二氧化碳激光在锥形光纤上制作LPFG，通过监测其透射光谱来感知环境变化，结合了锥形光纤与LPFG的高灵敏度特性，进一步提高光纤传感器件的传感灵敏度。相对于二氧化碳激光在普通单模光纤写入的LPFG，这种TFLPG对外界环境变化有更高的灵敏度。通过对TFLPG进行封装，保护TFLPG，同时提高其温度灵敏度。
[0008]根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案:
一种制作锥形光纤长周期光栅装置，包括一台宽带光源、一台二氧化碳激光器、一套二轴控制平台、以及一台光谱分析仪和一台控制电脑，其特征在于所述宽带光源和光谱分析仪分别安置在所述二轴控制平台横向轴的两端外，而所述二氧化碳激光器安置在二轴控制平台的纵向轴的一端外，被加工的光纤被夹紧在二轴控制平台上呈一直线安置。锥形光纤的一端通过单模光纤跳线连接到宽带光源；另一端通过单模光纤跳线连接到光谱分析仪以监测透射谱变化；二氧化碳激光器的激光扫描头垂直接近安置在二轴控制平台上的锥形光纤；有一台电脑连接所述二氧化碳激光器，该电脑控制二氧化碳激光器的输出功率、扫描速度、以及光栅周期等参数。
[0009]本发明封装TFLPG的装置采用不同的硅橡胶聚合物将制备好的TFLPG封装在石英V型槽里。
[0010]一种制作锥形光纤长周期光栅封装的方法，采用上述制作装置进行制作，其特征在于制作的操作步骤如下:
I)制备锥形光纤:可以通过熔融拉锥法来拉制不同直径的锥形光纤。拉制出锥腰直径为1Mm?125Mm的锥形光纤。
[0011]2)锥形光纤上制作长周期光栅:将制备的锥形光纤水平状态放置在二轴控制平台上，并确保光纤轴线与二氧化碳激光焦斑平行；打开控制电脑软件，选择合适的光栅周期大小及长度，并调节激光输出能量等参数，并用电脑控制二氧化碳激光器输出功率不到I W的二氧化碳激光扫描头照射放置在二轴控制平台上的锥形光纤，用光谱仪监测每次激光扫描后长周期光纤光栅的透射谱变化，分析在锥形光纤中写入不同周期的长周期光纤光栅的情况。
[0012]3)采用几种不同的硅橡胶聚合物(HZ-705B室温硫化硅橡胶，HZ-706室温硫化硅橡胶，HT902室温硫化灌封胶)对LPFG进行了涂覆封装，并且测试封装前后LPFG谐振波长的变化。经过一段时间以后硅橡胶封装的部分完全固化，将LPFG直接封装在石英V型槽里，将石英V型槽拿起来随意移动时LPFG的光谱没有变化，起到了较好的保护作用。然后对封装后的LPFG进行温度实验，分析封装后的LPFG透射峰的温度灵敏特性。
[0013]本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点:
(1)结合了光纤熔锥器件和长周期光纤光栅二者的优良特性，可实现更高灵敏度和更好温度稳定性；
(2)所发明的器件结构简单，性能稳定可靠，并可以根据需求，制备不同锥腰直径的长周期光纤光栅；(3)采用硅橡胶聚合物对LPFG进行了涂覆封装，起到保护作用，并且提高了温度灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明中使用熔融拉锥法拉制的锥形光纤示意图。
[0015]图2是本发明中制作和封装TFLPG的装置示意图。
[0016]图3是在普通单模光纤中在写制长周期光栅过程中的光谱图(a)和光栅谐振波长和峰值的动态变化图(b)(注:在光谱图中的图标按数字顺序增加代表光栅随打标次数增加的变化情况，余下的图例与此相同)。
[0017]图4是在锥区直径83 μ m的锥形光纤中写制LPFG过程中的光谱图(a)和光栅谐振波长和峰值的动态变化图动态变化图(b)。
[0018]图5是在锥区直径35 μ m的锥形光纤中写制LPFG过程中的光谱图(a)放大后的几个典型光谱图(b)和光栅谐振波长和峰值的动态变化图动态变化图(C)。
[0019]图6是在锥区直径23 μ m的锥形光纤中写制LPFG过程中的光谱图(a)放大后的几个典型光谱图(b)和光栅谐振波长和峰值的动态变化图动态变化图(C)。
[0020]图7是用硅橡胶聚合物封装LPFG的光谱图(a) HZ-705B (b) HZ-706 (c) HT902。[0021 ] 图8是用HZ-705B室温硫化硅橡胶封装锥区直径为35 μ m的TFLPG的透射峰随周围温度变化的漂移情况(a) (b)和3次温度实验中LPFG透射峰的变化情况(C)。
[0022]图9是用HZ-705B室温硫化硅橡胶封装锥区直径为21 μ m的TFLPG的透射峰随周围温度变化的漂移情况(a) (b)和3次温度实验中LPFG透射峰的变化情况(C)。
【具体实施方式】
[0023]本发明的优选实施例结合【专利附图】
【附图说明】如下:
实施例一:
参见图1和图2，制作锥形光纤长周期光栅装置包括一台宽带光源(I)、一台二氧化碳激光器(2)、一套二轴控制平台(3)、以及一台光谱分析仪(4)和一台控制电脑(5)，其特征在于所述宽带光源(I)和光谱分析仪(4)分别安置在所述二轴控制平台(3)横向轴的两端夕卜，而所述二氧化碳激光器(2)安置在二轴控制平台(3)的纵向轴的一端外，可实现锥形光纤(6)被夹紧在二轴控制平台(3)上呈一直线安置。锥形光纤(6)的一端连接宽带光源(I);另一端连接光谱分析仪(4)以监测光纤的透射谱变化；二氧化碳激光器(I)的激光扫描头(7 )垂直接近安置在二轴控制平台(3 )上的锥形光纤(6 );所述控制电脑(5 )连接所述二氧化碳激光器(2)，该电脑控制二氧化碳激光器(2)的输出功率、扫描速度、以及光栅周期等参数。所述二氧化碳激光器(2)的输出功率为0.6W?1W。
[0024]实施例二:
参见图1和图2，本制作锥形光纤长周期光栅封装的方法，采用上述制作装置进行制作，其制作的操作步骤如下:
I)制备锥形光纤(6):可以通过熔融拉锥法来拉制不同直径的锥形光纤(6)。拉制出锥腰直径为1Mm?125Mm的光纤。
[0025]2)采用二氧化碳激光法在锥形光纤(6)上制备长周期光纤光栅:将制备的锥形光纤(6)水平状态放置在二轴控制平台(2)上，并确保光纤轴线与二氧化碳激光焦斑平行；打开控制电脑(5)中的软件，选择之前预先设好周期大小及长度的光栅，并调节激光输出能量等参数，并用电脑(5)控制二氧化碳激光器(2)的扫描头(7)扫描放置在二轴控制平台(2)上的锥形光纤(6);用光谱仪(4)监测每次激光扫描过程后长周期光纤光栅的透射谱变化，动态分析在锥形光纤(6)中写入不同周期的长周期光纤光栅的情况。
[0026]3)采用几种不同的硅橡胶聚合物(8) (HZ-705B室温硫化硅橡胶，HZ-706室温硫化硅橡胶，HT902室温硫化灌封胶)直接在制备好的LPFG (9)进行涂覆封装，并且测试封装前后LPFG (9)谐振波长的变化。经过一段时间以后，用硅橡胶封装的部分完全固化，LPFG
(9)被直接封装在石英V型槽(10)里，将石英V型槽(10)拿起来随意移动时LPFG (9)的光谱没有变化，起到了较好的保护作用。然后对封装后的LPFG (9)进行温度实验。
[0027]采用上述制作方法的LPFG的光谱图和动态变化图如图3、图4、图5、图6所示，上述采用不同硅橡胶聚合物封装的普通单模光纤LPFG的光谱图如图7所示，上述封装后的锥形光纤LPFG的透射峰随温度变化的漂移情况如图8和图9所示。
[0028]图3示出用二氧化碳激光器在普通单模光纤中写入周期为520 μ m,周期数为60的LPFG的光谱图和动态变化图。写制过程中，所用二氧化碳激光能量密度为4.72 J/mm2,光栅有3个较明显的谐振峰，且能达到的最大峰值约为12.81 dB，我们以最明显的1585 nm附近的透射峰为例进行分析。可以看出，在写入过程中，谐振波长随着扫描次数的增加向短波方向移动，透射峰对比度随着扫描次数的增加而增加。
[0029]图4示出用二氧化碳激光器在锥区直径83 μ m的锥形光纤中写入周期为520 μ m,周期数为60的LPFG的光谱图和动态变化图。写制该长周期光纤光栅时，所用二氧化碳激光能量密度为3.31 J/mm2，光栅有2个较明显的谐振峰，且能达到的最大峰值约为21.06 dB,我们以最明显的1250 nm附近的透射峰为例进行分析。可以看出，在写入过程中，谐振波长随着扫描次数的增加向长波方向移动，透射峰对比度随着扫描次数的增加而增加。
[0030]图5示出用二氧化碳激光器在锥区直径35 μ m的锥形光纤中写入周期为520 μ m,周期数为60的LPFG的光谱图和动态变化图。写制该长周期光纤光栅时，所用二氧化碳激光能量密度为2.33 J/mm2，光栅有3个较明显的谐振峰，且能达到的最大峰值约为8.71 dB,我们以最明显的1350 nm附近的透射峰为例进行分析。可以看出，在写入过程中，谐振波长随着扫描次数的增加向长波方向移动，透射峰对比度随着扫描次数的增加而增加。
[0031]图6示出用二氧化碳激光器在锥区直径23 μ m的锥形光纤中写入周期为520 μ m,周期数为60的LPFG的光谱图和动态变化图。写制该长周期光纤光栅时，所用二氧化碳激光能量密度为2.04 J/mm2，光栅有3个较明显的谐振峰，且能达到的最大峰值约为17.34 dB,我们以最明显的1250 nm附近的透射峰为例进行分析。可以看出，在写入过程中，谐振波长随着扫描次数的增加向短波方向移动，透射峰对比度随着扫描次数的增加先增加后减小。
[0032]图7示出周期为520 μ m周期数为60的普通单模LPFG的封装后的光谱图。当分别涂上HZ-705B室温硫化硅橡胶、HZ-706室温硫化硅橡胶、HT902室温硫化灌封胶这三种聚合物后，我们发现光栅的透射峰向短波方向发生了不同程度的漂移。以1550 nm附近的透射峰为例，HZ-705B封装的光栅的透射峰向短波方向漂移了 5.4 nm，而其峰值和波形基本保持不变；HZ-706封装的光栅的透射峰和HT902封装的光栅的透射峰都向短波方向漂移了6 nm，但是HZ-706封装的光栅的对比度从22.34 dB减小至19.12 dB，而HT902封装的光栅的对比度从20.11 dB减小至16.06 dB，如图7所示。在图7中有多条曲线，曲线I代表裸露在空气中的光栅的透射峰，曲线21代表涂覆封装后不同时间段的光栅的透射峰，曲线2为刚封装后的光栅透射峰，曲线8为封装2小时后的光栅透射峰。分别对封装前后的LPFG进行了温度实验，裸光栅的透射峰波长随温度变化的灵敏度约为0.05 nm/°C。HZ-705B封装的光栅的透射峰随温度变化的灵敏度约为0.08 nm/°C，峰值基本保持不变。HZ-706和HT902封装的光栅的透射峰随温度变化的灵敏度分别是0.075 nm/°C和0.072 nm/°C，且光栅对比度随着温度的增高而增大。
[0033]图8示出用HZ-705B硅橡胶封装后的周期为520 μ m周期数为60的锥区直径35 μ m锥形光纤LPFG的透射峰随温度变化的漂移情况，从图8中可以看出锥区直径35 μ m锥形光纤上写的LPFG的透射峰在温度逐渐升高的过程中同样向长波方向漂移而且其峰值基本保持不变，但是比较3次温度试验的结果我们可以发现其温度灵敏度提高到了 0.163 nm/°C,这相对于普通单模光纤上写的LPFG的温度灵敏度提高了一倍。
[0034]图9示出用HZ-705B硅橡胶封装后的周期为520 μ m周期数为60的锥区直径21 μ m锥形光纤LPFG的透射峰随温度变化的漂移情况，从图9中可以发现锥区直径21 μ m锥形光纤上写的LPFG的传感特性与大直径锥形光纤上的LPFG的不同！首先从图(b)中我们可以清楚的看到当温度逐渐升高时LPFG的透射峰是向短波方向漂移的，而不是像之前提到的普通单模光纤以及较大锥区直径锥形光纤上写的LPFG —样向长波方向漂移。其次，锥区直径21 μ m锥形光纤上写的LPFG的温度灵敏度也有了大幅度的提升，为0.753 nm/°C，是普通单模光纤长周期光栅的温度灵敏度的9倍之多。
【权利要求】
1.一种制作锥形光纤长周期光栅装置，包括一台宽带光源(I)、一台二氧化碳激光器(2)、一套二轴控制平台(3)、以及一台光谱分析仪(4)和一台控制电脑(5)，其特征在于:所述宽带光源(I)和光谱分析仪(4)分别安置在所述二轴控制平台(3)横向轴的两端外，而所述二氧化碳激光器(2 )安置在二轴控制平台(3 )的纵向轴的一端外，可实现锥形光纤(6 )被夹紧在二轴控制平台(3)上呈一直线安置；锥形光纤(6)的一端连接宽带光源(I);另一端连接光谱分析仪(4)以监测光纤的透射谱变化；二氧化碳激光器(2)的激光扫描头(7)垂直接近安置在二轴控制平台(3 )上的锥形光纤(6 );所述控制电脑(5 )连接所述二氧化碳激光器(2)，该电脑控制二氧化碳激光器(2)的输出功率、扫描速度、以及光栅周期参数。
2.根据权利要求1所述的制作锥形光纤长周期光栅的装置，其特征在于:所述二氧化碳激光器(2)输出功率为0.6W?1W。
3.制作锥形光纤长周期光栅和封装的方法，采用根据权利要求1所述的制作锥形光纤长周期光栅装置进行制作，其特征在于制作的操作步骤如下: 1)制备锥形光纤(6):通过熔融拉锥法拉制不同直径的锥形光纤(6)，拉制出锥腰直径为1Mm?125Mm的光纤； 2)采用二氧化碳激光法在锥形光纤(6)上制备长周期光纤光栅:将制备的锥形光纤(6)水平状态放置在二轴控制平台(2)上，并确保光纤轴线与二氧化碳激光焦斑平行；打开控制电脑(5)中的控制软件，选择光栅周期大小与光栅长度写入参数，并调节激光打标的能量参数，并用电脑(5)控制二氧化碳激光器(2)的激光扫描头(7)，扫描放置在二轴控制平台(2)上的锥形光纤(6);用光谱仪(4)监测每次激光扫描过程后长周期光纤光栅的透射谱变化，动态分析在锥形光纤(6)中写入不同周期的长周期光纤光栅的情况； 3)采用几种不同的硅橡胶聚合物(8)——HZ-705B室温硫化硅橡胶，HZ-706室温硫化硅橡胶，HT902室温硫化灌封胶，直接对制备好的LPFG (9)进行涂覆封装，并且测试封装前后LPFG (9)谐振波长的变化；经过一段时间固化稳定以后，LPFG (9)被直接封装在一个石英V型槽(10 )里的，将石英V型槽(10 )拿起来随意移动时LPFG (9 )的光谱没有变化，说明封装起到了较好的保护作用；然后对封装后的LPFG (9)进行温度实验； 4)对封装后的LPFG(9)进行温度传感特性研究，发现当锥形光纤(6)的锥区直径逐渐减小时，锥形光纤长周期光栅的透射峰随温度升高向长波方向漂移，但是当锥区直径减小到21 μ m时LPFG的透射峰随温度升高向短波方向漂移，且其温度灵敏度大幅提高。
【文档编号】G02B6/02GK104238000SQ201410493274
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】刘云启, 赵云鹤, 武昭弟, 华阳, 张小贝, 王廷云 申请人:上海大学