帶狀光纖多波長陣列光柵刻寫工藝研究

劉燕燕，姜鳳賢，侯佳鵬，周 寧，武海生

(1.燕山大學信息科學與工程學院光電子工程系，秦皇島066004;2.河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，秦皇島066004)

引 言

帶狀光纖是將多根光纖緊密排列成平行帶狀，單層或多層分布，每層為四芯、六芯、八芯等，相鄰纖芯間距250μm。此種結構光纖具有光纖密度高、體積小重量輕、光纖易識別、分路方便等優點［1］，可大大提高光纜中光纖的組裝密度和光纜接續速率，在大容量的光纖通信系統中得到了廣泛的應用［2-4］。

光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、易于與光纖系統連接等優點，在現代光纖通信系統中廣泛用作濾波器、波分復用器、均衡器、色散補償器等［4］，光纖光柵以及基于光纖光柵的器件已經成為全光網絡中理想的關鍵器件。目前通信系統中常用的方式是將單纖上的光柵采用熔接或者活動連接的方式接入系統，其缺點是接續費時、占用空間且不可避免地引入較大插入損耗。

本文中研究的主要工作是尋找一種工藝［5-6］，將帶纖和光柵的優勢結合在一起，直接在帶纖上實現陣列光柵的刻寫，并且每根光柵的波長、反射率等參量可根據需要靈活調整。此種基于帶纖的陣列光柵可以使光纖通信系統結構更為簡單，連接更加方便，光柵密度更高，插入損耗更低，將大大擴展光纖光柵在光纖通信領域的應用。

作者研究設計了一種帶纖上陣列光纖光柵刻寫系統，利用一塊相位掩膜板，實現了八芯帶纖上陣列光柵的刻寫，刻柵過程電腦編程控制，自動化程度高，并且可靈活調整中心波長和波長間隔以及切趾方式。

1 系統結構

研究采用的系統結構如圖1所示。待加工帶纖事先在12MPa下加熱載氫23h，加熱溫度為75℃，之后在帶纖中合適位置剝除2cm長的窗口，去除涂覆層，小心不要使窗口區之外的帶纖散開，然后利用專門設計的帶纖夾具將帶纖兩端分別固定在兩個電控3維位移平臺上。準分子激光器發出的光束經反射鏡反射、柱透鏡聚焦及光闌約束后經過相位模板，對去掉涂覆層的帶纖窗口區域的第1根光纖進行曝光，待第1根曝光結束后利用電控3維位移臺將帶纖向下移動250μm，同時3維位移臺左右移動設定的距離來改變施加在帶纖上的拉力實現光柵波長的調節，進行第2根光柵的刻寫。這樣逐根在帶纖上刻寫符合要求的光柵，直至完成帶纖上所有光柵的刻寫。刻寫過程中移動固定在1維位移平臺上的反射鏡和聚焦透鏡進行掃描來實現良好的切趾，光纖兩端連接放大自發輻射(amplified spontaneous emission，ASE)光源和光譜儀檢測光纖透射光譜，對光柵寫入過程進行實時監測。

Fig.1 Schematic diagram of system structure

為了消除激光光束對帶纖中其它光纖的影響，光闌寬度設定為250μm，每次刻寫完1根后帶纖下移1根光纖的位置。相對于實驗中使用的193nm波長紫外光源，250μm光闌不會產生明顯衍射;另外250μm的寬度是相鄰兩個光纖纖芯的距離，這樣即使位移平臺移動時出現微小偏差，例如偏差幾個微米或者十幾個微米，也不會漏掉要刻寫的纖芯，同樣不會重復已曝光的纖芯。

實驗中所用光譜儀為日本Ando公司的AQ-6370C型光譜儀，波長分辨率0.02nm;準分子激光器為美國COHERENT公司生產的COMPEX Pro-50準分子激光器，波長193nm;3維精密電控位移平臺為北京微納光科生產的WN301ZA，脈沖當量為0.155μm;1維電控位移平臺為北京卓立漢光生產的SC300-1B型位移平臺，脈沖當量為0.155μm。

2 工作原理

2．1 專用帶纖夾具設計

為了采用位移平臺來拉伸帶纖，首先需要將帶纖牢固地固定在位移平臺上，而目前市場上沒有專門的帶纖夾具，為此設計了一種可夾持不同寬度帶纖且角度可調的帶纖夾具。圖2為帶纖夾具實體圖，夾具采用不銹鋼材料制作，L型底板的兩面均帶有螺紋孔，可以牢固地安放在3維位移平臺上。其基本原理是通過帶有自鎖功能的偏心輪的旋轉擠壓頂桿，頂桿前移，推動前端不銹鋼小塊夾緊帶纖。夾持裝置寬度及角度的調整可通過調整L型板上的不銹鋼小塊的相應位置實現。

Fig.2 Photo of array fiber grating inscription device

由于光柵周期極小(納米級)，因而對曝光過程中曝光區域的移動非常敏感，輕微的帶纖滑動都會導致刻柵失敗。在研究初期，采用平行夾持面，時常會出現帶纖的滑動，經過多次實驗，將平行夾持面改為宏彎結構，以增加摩擦阻力。宏彎輪廓曲線表達式為:

修改后的夾具夾持效果得到很大改善，實驗結果表明，此種結構既能牢固地夾持帶纖，又能夠保證帶纖涂覆層的完整。

2．2 精確的拉力施加裝置及施加方法

本研究中采用精密電控位移平臺編程來實現光纖上拉力的改變。實驗中首先刻寫中心波長最大的光柵，之后在原有拉力的基礎上，逐個增大施加在帶纖上的拉力，從而改變光纖上的拉伸量，直至帶纖上所有光柵的刻寫完成。

帶纖上相鄰光柵中心波長差0.5nm，最長波長與最小波長差3.5nm，此時尚處于光纖的彈性形變范圍內，胡克定律適用，光柵波長漂移與拉伸量成線性關系。波長漂移0.5nm需要的脈沖數N可按如下公式求得:

式中，L1為帶纖長度，P為位移平臺的脈沖當量，Λ為模板周期，neff為纖芯有效折射率，這里取1.447。

在將帶纖安裝到3維位移臺之前，為保證施加在帶纖上的初始力一致，并消除帶纖中不同光纖上的殘余應力［7］，需要在帶纖兩端施加一定拉力，實驗中選擇懸掛200g砝碼作為初始應力，保證帶纖中各光纖處于相同的初始應力狀態。

2．3 激光與光闌的對準

為了保證單根光纖的刻寫成功，必須使刻寫過程中紫外光斑恰好只覆蓋單根光纖。實驗中所使用的帶纖是由8根帶涂覆層的標準單模光纖排列成的光纖帶，整體寬度為 2mm，單根光纖含涂覆層寬度為250μm，即光斑的寬度應調整為250μm以內。實驗中在相位模板前添加光闌，調整光闌寬度為250μm，光闌與模板和光纖平行，正中心與帶纖正中心相對。為滿足該要求，實驗前在光闌前放置激光筆，保證激光筆出射激光與準分子激光器的出射激光平行，將帶纖移動到帶纖窗口位置(未刮除涂覆層)，調整狹縫位置，逆著激光筆激光出射方向觀察，若恰好看不到激光筆發出的激光，則此時對準已經完成。刻寫完成第1個光纖后，只需要將帶纖整體下移250μm即可對準下一個光纖。

2．4 切趾

盡管周期性折射率微擾帶來模式耦合，進而獲得了獨特的光譜結構，但也會帶來激烈的旁瓣振蕩，尤其是當反射率比較高時，此種現象更加明顯［8］。旁瓣振蕩帶來通信串擾亂碼，損害通話質量，必須加以濾除。實驗中采用漢明切趾對光纖光柵進行掃描切趾［9-10］，其切趾包絡函數為:

式中，δ(z)為光纖有效折射率包絡函數，δ為光纖有效折射率調制初值的平均值，H為漢明函數的控制參量，L2為光柵長度，本研究中取 H=0．8，L2=13.5mm。

實驗中通過控制柱透鏡和反射鏡的運動實現不同函數的切趾。由于位移平臺限制，柱透鏡和反射鏡的運動不能實現連續曲線的移動，實驗時使柱透鏡和反射鏡以分段曲線運動，調整各分段的長度和掃描速度，可實現近似的漢明切趾，分段越多，切趾曲線越接近設定函數。根據切趾包絡形狀在切趾長度(13.5mm)內分成7段進行掃描切趾，各段的長度與速度大小如表1所示。

Table 1 Scan parameters of Hamming apodization

激光器的延時為8s，位移平臺的延時為1.5s，掃描程序中加入第1段，保證了同時開啟激光器與位移平臺時，激光發射出的同時位移平臺開始移動。

3 實驗結果

按照前述刻寫流程，充分注意刻柵過程中的影響因素，成功地在八芯帶纖上實現了3dB帶寬0.2nm、波長間隔0.5nm、反射率80% ～85%的陣列布喇格光纖光柵刻寫，反射譜如圖3所示，光柵參量如表2所示。

Fig.3 Reflection spectrum of array fiber grating

Table 2 Wavelength and transmissivity of array grating

實際應用中，為了防止光纖光柵斷裂，必須將光纖光柵進行封裝保護。本研究中采用矩形不銹鋼管對刻寫完成后的帶纖進行封裝，矩形鋼管由底座和頂板組成，長30mm、寬3mm、高2.5mm。將帶纖裝入方形不銹鋼管中，兩側用橡膠頭固定，同時在橡膠頭處進行粘膠處理，最后扣上頂板，室溫下靜置24h即可。為減小外界應力對光柵的影響，封裝過程中應使帶纖保持松弛狀態。

4 結論

給出了一種在帶纖上實現陣列光柵刻寫的方法。將帶纖和光柵的優勢結合在一起，直接在帶纖上實現陣列光柵的刻寫，并且每根光柵的波長、反射率等參量可靈活調整。此種基于帶纖的陣列光柵可以使光纖通信系統結構更為簡單、連接更加方便、光柵密度更高、插入損耗更低，將大大擴展光纖光柵在光纖通信領域的應用。

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