[发明专利]微错位长周期光纤光栅及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于传感与通信技术领域，具体涉及到一种新型长周期性光纤光栅的设计及其制作。

背景介绍

长周期光纤光栅可以在厘米、毫米甚至微米尺度上实现对光信号的直接控制，它具有插入损耗低、反射小、抗电磁干扰及与通信光纤完全兼容等优点，已被广泛应用于传感及通信领域。自1996年长周期光纤光栅问世以来，多种光栅加工技术被人们相继提出。以紫外(UV)曝光，二氧化碳(CO₂)激光技术为代表的激光写制方法和以电弧放电、声光调制为代表的非激光诱导技术，实现了调制结构多样化、性能独特的长周期光纤光栅，并为其应用提供了技术支持。近年来，随着光纤器件集成化、微型化的发展，结构更精巧的长周期光纤光栅成为研究热点。飞秒刻蚀技术、微纳光纤与其他成栅方法结合技术，因其制作的长周期光纤光栅尺寸小、性能优而成为人们最近关注的对象。同时，探索制作简便、集成微型、成本低廉、适用性强的长周期光纤光栅新方法和实用技术，一直是人们热衷研究的领域。

目前，可实现小尺寸(毫米或微米量级)长周期光纤光栅方法已有报道，其代表性的方法有三类。下面分别加以简述。

1.飞秒激光刻蚀及填充法

(1)飞秒激光刻蚀法：沿光纤轴向周期性刻蚀若干个微槽或微孔，形成对光纤波导基模场周期性调控并形成光栅，从而实现从基模向高阶包层模的耦合。这种制作方法一般仅需若干个(10个左右)微孔便可形成损耗强度超过20dB的光栅，其光栅长度可小于4毫米。

(2)飞秒激光填充法：利用飞秒激光与光纤材料相互作用特性，将飞秒激光光束聚焦在实芯光子晶体光纤(PCF)孔气孔包层中心位置，通过微爆炸和再沉积过程对光纤包层孔气孔进行周期性填充，从而实现基模向特定包层模式的耦合。这种制作方法可以实现长度小于5mm的长周期光纤光栅制作。

2.CO₂激光热激法

利用二氧化碳激光在普通单模光纤或实芯PCF上热激，可实现光纤的周期拉锥，从而制作小尺寸的长周期光纤光栅。对于普通单模光纤，最少三个拉锥点即可成栅，而光栅总长度可小于2mm。对于PCF，利用CO₂激光热激光纤使外包层半径减小，也能形成较短的长周期光纤光栅，其尺寸在3mm以内。

3.基于微纤成栅法

在微纤(＜10μm)上，利用飞秒激光、CO₂激光可以实现长周期光纤光栅的刻制，其光栅尺寸在2mm以内。另外，通过对微纤进行酸蚀，或者通过两段微纤相互作用，也可实现长周期光纤光栅制作，其长度可小于500μm。

上述几种光栅制作方法，其实质是使光纤结构发生较大改变而形成光栅。而这种结构的改变，需要精细的加工设备(如昂贵的飞秒激光器等)和苛刻的制作环境(如微纤拉制时室内气流需要稳衡等)，因此成栅会受到一定限制。

发明内容

本发明提供一种小尺寸的微错位长周期光纤光栅及制作方法。

微错位长周期光纤光栅的特征是：沿光纤轴向排列多个错位点形成周期性结构，即通过将光纤精密截取并等间距进行熔接，使光纤沿轴向形成周期性错位级联结构，实现光纤模式的新型调制，从而制作出具有微错位结构的长周期光纤光栅。研究表明，沿光纤轴向周期性加工错位结构，错位点间隔为数百μm。当错位量为3.5μm时，仅三个错位点便可形成长周期光纤光栅，此时该光栅长度约1mm。

微错位长周期光纤光栅的制作方法如下：1)将一段剥去涂覆层的光纤置于精密切割系统中，准直后切割，并保证端面平整；2)在系统监视器监控下，将切割的两段光纤通过熔接机进行微错位熔接；3)将熔接后的光纤再置于精密切割系统中，并在精密微位移装置控制下平移光纤一定距离L；4)在新位置重复步骤1)～3)制作新的微错位点。重复以上步骤形成等周期的错位级联结构，便可制成错位型长周期光纤光栅。制作过程中的注意事项：一是在步骤1)中，要求光纤与切割系统有很好的准直性，以保证光纤切割质量；二是在错位熔接时，要提前设定好错位量及放电强度；三是要注意熔接前光纤的推进量S，光栅周期Λ是错位点移动长度L与其推进量S的差值。

本发明的技术效果是：制作微错位长周期光纤光栅无需激光设备，工艺简单，制作灵活，制作成本低。光栅尺寸为毫米量级，因其微错位结构，使其具有良好的扭转特性，而对折射率则其敏感性较低。

附图说明

图1为微错位长周期光纤光栅制作装置示意图(其中熔接机未显示)，虚线框代表光栅的错位结构示意图。

图2为制作的微错位长周期光纤光栅实物显微图。