超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法与流程

本发明涉及光纤光栅刻写技术领域，具体涉及一种超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法。

背景技术：

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射的光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化，这一特性在纤芯内形成空间相位光栅，其中，超长光纤光栅则是指光栅长度≥10cm的光纤光栅。正是因为它具有许多独特的优点，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景，其制造技术也在不断地完善到现在为止，目前，普遍采用的刻写布拉格光纤光栅的方法为掩膜板写入法。

而随着的检测光纤光栅质量的技术的发展，近几年，在检测超长光纤光栅质量的方面，不断提出了许多新的方法，经统计，检测普通布拉格光纤光栅主要的方案有如下几种：

参考文献1：(罗志会，等.一种超弱光纤光栅阵列的定位方法[J].光学学报，2015,12期.)，介绍了一种在OTDR技术上改进的相位-强度二维定位法实现对目标光栅的精确定位，但该方法是离线检测技术，并没有进行实时在线监测，无法在线获取刻写的光纤光栅信息，并且OTDR的检测方法由于间隔的局限性而不能使用在超长光纤光栅的信号分析上。

参考文献2：(卢辉斌，等.新型带状光纤中阵列光栅刻写方法[J].光学学报，2015,10期.)，介绍了电控3维位移平台对光纤整体施加拉力，使用光谱仪检测光栅的透射谱，该方法能有效控制及监测中心波长，但该方法在刻写超长光纤光栅刻写过程中，并不能对超长光纤光栅位置的波长信息进行检测，并且不能解决光纤与掩膜板水平对光栅刻写所带来的影响。

参考文献3：(张天华，等.Bragg波长精确调控的光纤光栅刻写方法与实验[J].激光与红外，2014,03期.)，介绍了使用拉力传感器控制光纤的拉力，由轴向应力的变化引起光栅中心波长的变化，使用宽带光源上的光环行器与光谱仪检测光栅反射谱与透射谱。该方法对光栅施加的拉力转化为拉力传感器所接受的拉力这一过程存在损耗，使得精确度不高，误差有待减小。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法，利用这种对刻写过程实时监测的装置所制作的光栅精度好、光栅谱形好、一致性高。监测装置可视化地进行监测，易于观察和对比，通过数据分析，避免了一些误差，大大提高了刻写的超长光纤光栅的质量，制作的超长光栅灵活性较高，可以对中心波长、反射率和光栅长度进行控制。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于，它包括第一显微镜、第二显微镜、拉力计、第一水平仪、第二水平仪、OFDR检测器，所述OFDR(光频域反射计)检测器包括可调谐光源、第一耦合器、环形器、第二耦合器和光电探测器，其中，所述第一显微镜和第二显微镜的镜头分别对准光纤光栅刻写装置中被刻写光栅的曝光区域的两端，第一显微镜和第二显微镜用于观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅曝光区域与掩膜板的之间是否平行，所述拉力计用于对被刻写光栅曝光区域的两端提供预设的拉力，并检测被刻写光栅曝光区域两端的拉力值，第一水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具上，第二水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具上，第一水平仪和第二水平仪用于监测被刻写光栅曝光区域的两端是否在同一水平面上，第一光纤夹具和第二光纤夹具用于对被刻写光栅曝光区域的两端进行夹持；

所述可调谐光源的光信号输出端连接第一耦合器的信号输入端，第一耦合器的第一信号输出端连接环形器的第一光通信端，环形器的第二通信端连接光纤光栅刻写装置中的被刻写光纤的端部，环形器的第三通信端连接第二耦合器的第一输入端，第一耦合器的第二输出端连接第二耦合器的第二输入端，第二耦合器的输出端连接光电探测器的光信号输入端；

所述可调谐光源的光信号输出端用于输出线性扫频且光强恒定的连续光。

所述第一水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具的顶端平面，第二水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具的顶端平面。

所述第一光纤夹具设置在光纤光栅刻写装置的第一五维调节架上，第二光纤夹具设置在光纤光栅刻写装置的第二五维调节架上，第一五维调节架和第二五维调节架用于调整被刻写光栅曝光区域的两端，使被刻写光栅曝光区域的两端处于同一水平面上，同时保持被刻写的光栅曝光区域与掩膜板水平。

所述第一五维调节架和第二五维调节架安装在纳米级电动位移平台上，纳米级电动位移平台用于在光纤光栅刻写过程中对光栅进行光栅周期整数倍的平移。

一种上述系统的超长光纤光栅刻写在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：第一光纤夹具和第二光纤夹具将被刻写光栅曝光区域的两端进行夹持；

步骤2：打开第一水平仪和第二水平仪调整第一五维调节架和第二五维调节架使被刻写光栅曝光区域的两端在同一水平面上；

步骤3：使用第一显微镜和第二显微镜一边观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅曝光区域一边调节第一五维调节架和第二五维调节架，使光纤与掩膜板初始平行；

步骤4：给拉力计设定一个恒定的拉力值对被刻写光栅曝光区域的两端拉伸，并利用光纤光栅刻写装置进行光栅刻写；

可调谐光源输出线性扫频且光强恒定的连续光信号，线性扫频且光强恒定的连续光信号经过第一耦合器分成两路，一路线性扫频且光强恒定的连续光信号通过环形器进入光纤的被刻写光栅曝光区域，并由被刻写光栅进行反射，得到含有光栅特征信息的连续光反射信号，含有光栅特征信息的连续光反射信号通过环形器进入第二耦合器的第一输入端，

同时，另一路线性扫频且光强恒定的连续光信号作为参考信号进入第二耦合器的第二输入端；

含有光栅特征信息的连续光反射信号和参考信号这两个干涉臂光信号在第二耦合器上发生拍频干涉，产生拍频信号，由于线性扫频且光强恒定的连续光信号经过被刻写光栅再返回至环形器时相对参考信号会产生时延，该时延用于表征被刻写光栅各个区域的位置信息；

步骤5：通过光电探测器将拍频信号转换为电信号，分别通过电信号的频率和幅度实现光栅各个区域的位置信息和波长信息的同时解调，从而定位被刻写光栅各个区域的位置，同时监测被刻写光栅的中心波长，实现对光栅刻写效果的监测；

步骤6：启动纳米级电动位移平台将光纤进行步进式平移，每次平移光栅周期的整数倍，在每次平移光栅周期的整数倍后利用步骤4和5进行光栅刻写以及刻写效果的监测，直到光栅刻写完成，如果刻写效果的监测显示被刻写光栅中心波长或者反射率产生偏差时，则利用步骤2和步骤3进行被刻写光栅曝光区域与掩膜板之间的水平校准。

本发明的原理为：超长距离光纤光栅(光栅长度≥10cm)在制作时，光纤光栅对应力，光纤的水平程度及与掩膜板之间的平行程度等，都会成为影响超长光纤光栅质量的重要因素，通过对光纤的应力、水平度和与掩膜板之间平行程度的在线监测，实时记录影响因素的参数变化，能够有效解决刻写出的超长光纤光栅反射谱及中心波长不一致的问题，从而实现对反射率、波长和光栅长度的掌控。

本发明提出的超长光纤光栅刻写在线监测系统，使用OFDR检测系统，由一个可调谐光源输出线性扫频光，进过第一耦合器分成两束，分别进入光纤马赫-曾德干涉仪的信号臂和参考臂，其中入射至信号臂的光信号经过环行器入射到光纤光栅，再经光纤光栅反射后回到信号臂，两干涉臂光信号在第二耦合器上发生拍频干涉产生拍频信号，由于扫频光经过光栅再返回至信号臂会产生时延，时延与光栅各个区域的位置有关，通过光电探测器将经两条光路的光信号转换为电信号，分别通过电信号的频率和幅度实现光纤光栅各个区域的位置信息和波长信息的同时解调，从而精确定位光栅各个区域的位置，同时监测对应的中心波长。此外，利用显微镜实时观测，严格控制光纤与掩膜板相互平行，利用水平仪保持光纤的水平，实现对光纤和掩膜板的位置进行在线精确的校准。

本发明能有效克服刻写超长光纤光栅中心波长的不一致性，以及在刻写过程中对光纤的应力、水平度，与掩膜板的进行实时校准，大幅度减小反射谱中出现的旁瓣，大大提高了超长光纤光栅的质量，系统灵敏度、精度高，可通过对光纤拉力的控制，可制作出波长在以掩膜板所刻写的理想状态下中心波长上下变化3nm内、反射率可控、光栅长度可控的超长光栅。

附图说明

图1为本发明中OFDR检测器的原路示意图；

图2为本发明使用状态下的原理示意图；

图3为本发明监测下刻写的光栅各个区域的位置与归一化振幅之间关系的波形图；

图4中为OFDR检测器波长对应的反射率波形图。

其中，1.1—第一显微镜、1.2—第二显微镜、2—拉力计、3.1—第一光纤夹具、3.2—第二光纤夹具、4.1—第一水平仪、4.2—第二水平仪、5—光纤、6.1—第一五维调节架、6.2—第二五维调节架、7—纳米级电动位移平台、8—OFDR检测器、8.1—可调谐光源、8.2—第一耦合器、8.3—环形器、8.4—第二耦合器、8.5—光电探测器、8.6—数据采集卡、9—光栅

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的超长光纤光栅刻写在线监测系统，如图1和图2所示，它包括第一显微镜1.1、第二显微镜1.2、拉力计2、第一水平仪4.1、第二水平仪4.2、OFDR检测器8，所述OFDR检测器8包括可调谐光源8.1、第一耦合器8.2、环形器8.3、第二耦合器8.4和光电探测器8.5，其中，所述第一显微镜1.1和第二显微镜1.2的镜头分别对准光纤光栅刻写装置中被刻写光栅9的曝光区域的两端，第一显微镜1.1和第二显微镜1.2用于观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅9曝光区域与光纤光栅刻写装置中的掩膜板的之间是否平行，所述拉力计2用于对被刻写光栅9曝光区域的两端提供预设的拉力，并检测被刻写光栅9曝光区域两端的拉力值，第一水平仪4.1设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具3.1上，第二水平仪4.2设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具3.2上，第一水平仪4.1和第二水平仪4.2用于监测被刻写光栅9曝光区域的两端是否在同一水平面上，第一光纤夹具3.1和第二光纤夹具3.2用于对被刻写光栅9曝光区域的两端进行夹持；

所述可调谐光源8.1的光信号输出端连接第一耦合器8.2的信号输入端，第一耦合器8.2的第一信号输出端连接环形器8.3的第一光通信端，环形器8.3的第二通信端连接光纤光栅刻写装置中的被刻写光纤5的端部，环形器8.3的第三通信端连接第二耦合器8.4的第一输入端，第一耦合器8.2的第二输出端连接第二耦合器8.4的第二输入端，第二耦合器8.4的输出端连接光电探测器8.5的光信号输入端；

所述可调谐光源8.1的光信号输出端用于输出线性扫频且光强恒定的连续光。

上述技术方案中，当需要被刻写光栅9的中心波长为1550nm时，所述可调谐光源8.1输出线性扫频且光强恒定的连续光的波长扫描范围为1540～1560nm。

上述技术方案中，由于光纤5过于纤细不利于放置第一水平仪4.1和第二水平仪4.2，因此将所述第一水平仪4.1设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具3.1的顶端平面，第二水平仪4.2设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具3.2的顶端平面。第一水平仪4.1和第二水平仪4.2的测量精度为0.01度。

上述技术方案中，所述第一光纤夹具3.1设置在光纤光栅刻写装置的第一五维调节架6.1上，第二光纤夹具3.2设置在光纤光栅刻写装置的第二五维调节架6.2上，第一五维调节架6.1和第二五维调节架6.2用于调整被刻写光栅9曝光区域的两端，使被刻写光栅9曝光区域的两端处于同一水平面上，同时保持被刻写的光栅曝光区域与掩膜板水平。

上述技术方案中，所述第一五维调节架6.1和第二五维调节架6.2安装在纳米级电动位移平台7上，纳米级电动位移平台7用于在光纤光栅刻写过程中对光栅9进行光栅周期整数倍的平移。

上述技术方案中，安置光纤5的装置在纳米级电动位移平台7上，在移动光纤5位置时，需对光纤与掩膜板的水平进行及时的调整和校准。

上述技术方案中，被刻写的光栅9的刻写周期为掩膜板周期的一半。

上述技术方案中，所述OFDR检测器8还包括数据采集卡8.6，所述光电探测器8.5的电信号输出端连接数据采集卡8.6的信号输入端，数据采集卡8.6将信号传入上位机中进行数据处理。

上述技术方案中，OFDR检测器8由激光器输出线性扫频且光强恒定的连续光，经参考臂透射的本振光信号从第一耦合器8.2到第二耦合器8.4的时延由参考臂长度决定，同理，经光栅9反射的光信号透射至第二耦合器8.4对应的时延与光栅9各个区域的位置有关，两干涉臂光信号在第二耦合器8.4上发生拍频产生拍频信号，光栅9各个区域的位置与拍频频率有关，通过对光电探测器8.5检测到的时域信号进行FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)处理得到频域信号，也就得到了光纤5上所有光栅9各个区域的位置信息，而光栅9对应拍频信号的包络为其反射光强度随时间变化的曲线，由于可调谐光源8.1输出光频与随时间线性变化，通过横坐标换算即可得到光栅9的反射光谱，包络曲线中心时间点对应的可调谐光源8.1输出波长即为光栅9的布拉格波长。

刻写光栅9时光纤5的应力和水平度是重要影响因素，还有光纤5的水平程度，以及和掩膜板之间保持的距离，要保持时刻相互平行，这些变化值都会影响之后超长光纤光栅中心波长的一致性和反射谱。本发明能对上述因素进行准确的监测，保证光栅的刻写效果。该发明能有效解决光栅中心波长不一致的问题，能进行多个影响因素的测量和控制，有效提高超长光纤光栅刻写的质量，以弥补不能在线监测刻写装置各项指标的不足，为超长光纤光栅刻写的监测系统提出了新的方式。

一种上述系统的超长光纤光栅刻写在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：第一光纤夹具3.1和第二光纤夹具3.2将被刻写光栅9曝光区域的两端进行夹持；

步骤2：打开第一水平仪4.1和第二水平仪4.2调整第一五维调节架6.1和第二五维调节架6.2使被刻写光栅9曝光区域的两端在同一水平面上；

步骤3：使用第一显微镜1.1和第二显微镜1.2一边观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅9曝光区域一边调节第一五维调节架6.1和第二五维调节架6.2，使光纤与掩膜板初始平行；

步骤4：给拉力计2设定一个恒定的拉力值对被刻写光栅9曝光区域的两端拉伸，并利用光纤光栅刻写装置进行光栅9刻写；

可调谐光源8.1输出线性扫频且光强恒定的连续光信号，线性扫频且光强恒定的连续光信号经过第一耦合器8.2分成两路，一路线性扫频且光强恒定的连续光信号通过环形器8.3进入光纤5的被刻写光栅9曝光区域，并由被刻写光栅9进行反射，得到含有光栅特征信息的连续光反射信号，含有光栅特征信息的连续光反射信号通过环形器8.3进入第二耦合器8.4的第一输入端，

同时，另一路线性扫频且光强恒定的连续光信号作为参考信号进入第二耦合器8.4的第二输入端；

含有光栅特征信息的连续光反射信号和参考信号这两个干涉臂光信号在第二耦合器8.4上发生拍频干涉，产生拍频信号，由于线性扫频且光强恒定的连续光信号经过被刻写光栅9再返回至环形器8.3时相对参考信号会产生时延，该时延用于表征被刻写光栅9各个区域的位置信息；

步骤5：通过光电探测器8.5将拍频信号转换为电信号，分别通过电信号的频率和幅度实现光栅9各个区域的位置信息和波长信息的同时解调，从而定位被刻写光栅9各个区域的位置，同时监测被刻写光栅9的中心波长，实现对光栅9刻写效果的监测；

步骤6：启动纳米级电动位移平台7将光纤5进行步进式平移，每次平移光栅周期的整数倍，在每次平移光栅周期的整数倍后利用步骤4和5进行光栅9刻写以及刻写效果的监测，直到光栅9刻写完成，如果刻写效果的监测显示被刻写光栅中心波长或者反射率产生偏差时，则利用步骤2和步骤3进行被刻写光栅9曝光区域与掩膜板之间的水平校准。

图3为本发明中光纤光栅的反射振幅，代表光栅位置与归一化振幅的关系，其中归一化振幅与反射率呈线性关系，可以间接表征反射率的情况。记录了10cm光栅的归一化振幅，图4为本发明中10cm超长光纤光栅中1cm、5cm、10cm的反射谱。经过相应的数据处理，能有效地解决刻写出的超长光纤光栅反射谱及中心波长不一致的问题。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。