[发明专利]高频二氧化碳激光辅助湿腐蚀法制作非对称波状长周期光纤光栅

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信和光纤传感信技术领域，具体涉及到一种非对称波状长周期光纤光栅的制作方法。

背景介绍

长周期光纤光栅(Long-period fiber grating，简称LPFG)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，因其在厘米、毫米甚至微米尺度上可实现对光信号直接控制，故在光纤通信和光纤传感领域已被广泛应用。目前，有关长周期光纤光栅的制作，已有多种方法提出并在使用，如紫外(UV)曝光法、二氧化碳(CO₂)激光热激法、飞秒激光刻蚀法、电弧放电法、声光调制法、机械压制法等，这些方法为制作结构多样、性能优良的LPFG提供了可能。采用不同的写制方法，其制作的LPFG可能具有其不同的特性。因此，探索新的制作方法和技术，对于光纤光栅的结构创新和优异功能的实现，具有非常重要的实际价值。

波状长周期光纤光栅(Corrugated Long-period Fiber Grating，简称CLPFG)是LPFG的一种重要形式，其特点是折射率调制具有轴向波状结构，即光栅区域的直径呈沿轴向呈周期性变化。当对CLPFG施加轴向作用(如应力、压力、弯曲、扭转等)时，由于弹光效应导致折射率产生周期性调制。因此，通过对CLPFG轴向作用(强度及方向)的改变，可以灵活调节CLPFG谐振峰的大小及其位置，利用其丰富的谱形、多种带宽以及谢振峰波段，获得不同的光学性能，设计并研制可用于光纤通信和光纤传感的可调谐CLPFG带阻滤波器(波长和损耗均变)、CLPFG传感测量器件等。

形成轴向波状结构是制作CLPFG的前提，其关键环节在于将光纤周期性腐蚀变细或周期性变厚，一般常选用前者。目前，制作CLPFG主要有以下四种方法，下面分别加以简述。

1.镀膜腐蚀法

首先，将光纤置于真空环境中，在旋转光纤的同时，使用喷涂设备在光纤表面周期性喷涂Cr、Ag、Au等，形成一层金属膜。这样一部分光纤就被保护起来；然后，将被金属膜周期性涂覆的光纤放入氢氟酸(HF)溶液中腐蚀，使未涂覆部分被腐蚀变细，而涂覆部分则被保护。于是，可使光纤表面产生周期性粗细变化，形成轴向波状结构，完成CLPFG制作。

2.腐蚀光刻法

第一步，使用缓冲氧化腐蚀溶液[BOE、HF和氟化铵(NH₃F)混合溶液]，腐蚀一段70μm的单模光纤。第二步，首先在硅基片上喷涂一层200nm的铜作为牺牲层；然后，在铜上喷涂一层67μm的SU-8材料；最后，使用光刻机在SU-8材料上制作出光栅样式的支撑结构。第三步，首先，将第一步腐蚀的单模光纤置于支撑结构并固定；然后，在光纤上方喷涂一层67μm厚的SU-8材料作为第二层；最后，使用光刻机在光纤上方制作出光栅结构。第四步，用45％的氯化铁溶液浸泡，将作为牺牲层的铜溶解掉。于是，可得到一根夹在SU-8中间的CLPFG。该方法能够周期性地加厚光纤直径。

3.光刻腐蚀法

此方法与腐蚀光刻法不同的是，光纤在光刻之前未被腐蚀，而是在光刻之后腐蚀，即没有覆盖光刻胶的部分被腐蚀变细，腐蚀之后将光刻胶剥离。于是，光纤直径沿轴向产生了周期性变化，它并不依靠光刻胶改变厚度。该方法可灵活控制光纤被腐蚀部分的直径大小，调节被腐蚀区域的尺寸及深度，可以设计并研制均匀及非均匀CLPFG。

4.压印腐蚀法

该方法使用弹性模具，基底材料采用具有抗HF腐蚀特性且热胀系数比光纤高的聚碳酸酯。由于采用气压直接压印产生均匀压力技术，因此克服了接触不紧密问题。首先，将基底材料加热到180℃，该温度高于基底材料的熔化温度；然后，用10倍大气压将压住裸光纤的弹性材料压印于基底上面10分钟(裸光纤被弹性材料压入到基底材料中，只有与弹性材料接触的部分露出来)；最后，通过调节气压大小控制光纤被保护部分，从而控制腐蚀后光纤的非对称程度，完成CLPFG制作。

上述几种CLPFG制作方法，采用了镀膜、光刻和压印等技术，存在设备造价昂贵、加工过程复杂，设计不灵活、制作环境苛刻等缺点。因此，对制作特种CLPFG(如相移CLPFG、超结构CLPFG以及级联CLPFG等)会受到一定限制。

发明内容

本发明提供一种非对称波状长周期光纤光栅制作方法。