[发明专利]一种制作稳定的布拉格光纤光栅(FBG)的工艺与系统

说明书

技术领域

本发明涉及电信、传感器和相关的领域。

本发明具体涉及光纤领域。

更具体而言，本发明涉及一种高度稳定的布拉格光纤光栅(FBG)的制作工艺。

定义

在本说明书中，下列术语具有其旁边给出的如下定义。这些定义是对技术中一般定义的补充。

布拉格光纤光栅(FBG)是一种分布式布拉格反射器，由一段反射特定波长(称为布拉格波长)光线的光纤构成，而其他波长的光线都得到传送。布拉格光纤光栅因此可被用作为线内光滤波器，以阻止某些波长，或作为一种针对特定波长的反射器。

FBG生长是将折射率的周期性变化刻入光纤芯的过程，利用激光源产生的强紫外线(UV)来冲击光纤，由此生成一个FBG。

准分子激光(也称为激基复合物激光)是紫外激光的一种形式，常用于眼科手术和半导体制造。术语准分子(excimer)是“激发的二聚体”的缩写形式，而激基复合物(exciplex)是“激发的复合物”的缩写形式。准分子激光通常使用惰性气体(氩、氪或氙)与活性气体(氟或氯)的组合。在适当的电刺激条件下，生成一个称为准分子的伪分子(或在惰性气体卤化物情况下，为激基复合物)，仅存在于充能状态中，且能在紫外线范围内引发激光。

曝光时间指在FBG生长期间，光纤暴露于紫外线的时间。

曝光强度指在FBG生长期间，紫外线冲击光纤的强度。

曝光条件是用来定义在一种光敏材料上，FGB生长所需各种参数的不同组合的术语，包括曝光强度、曝光时间、紫外激光射线的波长、紫外激光射线的脉冲能量和紫外激光射线的重复率。

介质的折射率是对光(或其它类型波，如声波等)速在介质内减少的一种衡量。介质的折射率n定义为波现象(如真空中的光或声音)的速度c与其在介质中的速度v_p的比率：cn＝-v_p

表面的反射率指表面的反射量与此表面的入射量之比值。

FBG中的缺陷：在FBG的生长过程中，当紫外线与光纤相互作用时，紫外线光子的能量被转移到光纤，致使其结构改变。这种结构的改变被称为一种缺陷。

活化能：将一个衰变的缺陷重新转换到其原始状态所需的最低能量称为活化能。

FBG的生长特性包括FBG的反射率、折射率调制、饱和折射率调制、布拉格波长及作为曝光时间函数的残留温度。

FBG的衰变特性包括归一化折射率改变、缺陷转化率和缺陷划界能量。

缺陷的能量分布图显示缺陷密度与缺陷划界能量之间的关系。

比例因子是用来调整FBG生长期缺陷的能量分布大小的因子，以达到FBG衰变期缺陷的能量分布。

背景技术

利用准分子激光之类的强紫外光源，将折射率的周期性变化“刻入”(可用另一个术语“写入”替代)到光纤芯中，以生成布拉格光纤光栅

特殊的掺锗石英光纤被用于制作布拉格光纤光栅。掺锗光纤具有感光性，光纤芯的折射率随对紫外光的曝光量而改变，改变量取决于曝光强度和曝光时间。

从光栅反射的波长，称为布拉格波长(λ₅)，由关系式λ_B＝2nΛ定义，其中n为光纤芯中光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。

在FBG的生长过程中，当紫外射线与光纤相互作用时，紫外线光子的能量被转移到光纤，导致通过缺陷转换的光纤结构改变，从而相较光纤的未曝光区域，曝光区域的折射率被改变。由此在光纤结构中产生的缺陷尚未完全稳定，最终以不同的时间常数和不同的幅度进行衰变。将一个缺陷重新转换到其原始状态所需的最低能量称为“活化能”E_a。基于这样的定义，紫外线诱发的缺陷可以大致分为两类：

1)浅度活化能缺陷：通过施加相对较少的能量(短时供热或长时间蓄积热能)，这些缺陷被重新转换到其原始状态。转换过程持续进行，直到具有低于划界能量(E_da)的活化能的所有缺陷都受到抑制。划界能量被定义为，在其投入应用的现场温度下，对应于期望寿命的能量。

FBG可以由称为“退火”的工艺来稳定，这涉及到将光栅加热到高温，直到具有低于划界能量的活化能的缺陷受到抑制。此退火工艺(具体的退火温度和时间)由通过加速老化实验所获得的结果来决定。

2)深度活化能缺陷：这些缺陷具有高于划界能量的活化能，在期望的FBG寿命期间相对稳定。即使经过上述退火工艺后，这些缺陷依然存在，因此在期望的应用中，对FBG的功能有关键作用。