光纖布拉格光柵寫制技術研究

姜暖　孫雅琴　王旺

摘要：光纖光柵廣泛應用于光纖傳感和光纖通信領域，不同的應用場合對光纖光柵的特征參量提出了不同的要求。本文通過調節光纖光柵相位掩模法制作參數，測定不同參數對光纖光柵光譜特性的影響規律并分析其原因，進而通過寫制參數控制光纖光柵的光譜形狀，對制作確定光譜參數的光纖光柵具有指導意義。

關鍵詞：光纖光學；光纖光柵；制作技術

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0092-03

1 引言

相位掩模法[1]是制作光纖布拉格光柵最常用的方法，在商業化的大批量生產中，一般通過制作大量光纖光柵，從中選取符合設計要求的使用。對于大規模光纖光柵傳感陣列[2-4]，需要在單根光纖上制作多個具有確定性能的光纖光柵，這需要精確控制制作參數以保證寫制光纖光柵的性能符合設計要求。光纖光柵新型器件[5-12]的制作需要將光纖光柵寫在不同的波導結構上，同樣需要對光柵寫制參數的精確控制，因此，研究光纖光柵寫制參數對其性能的影響規律具有重要的實用價值。

本文通過分析影響光纖光柵光譜特性的主要參數，搭建光柵寫制實驗測試平臺，通過調節準分子激光器的重復頻率、脈沖能量、曝光時間及改變待刻柵光纖兩端的預應力，測試寫制參數對光纖光柵光譜特性的影響規律，為寫制確定光譜特性的光纖光柵以及光纖光柵寫制過程中的調整提供指導。

2 寫制參數控制實驗

實驗采用248nm準分子激光器曝光相位掩模板寫入法，圖1就是相位掩模法制作光纖光柵的示意圖。

通過相位掩模法制作光纖光柵的工藝過程分析，有一些工藝制作因素對實際制作的光纖光柵性能影響頗為明顯，我們選取準分子激光器的脈沖能量、重復頻率和曝光時間、施加在光纖兩端的預應力等寫制參數作為研究對象，搭建光纖光柵制作系統，測試上述參數對光纖光柵光譜特性的影響規律，實驗測試及分析過程如下：

2.1 曝光能量

選用載氫三周的普通抗彎光纖作為研究對象，寫入光柵長度6mm，設定準分子激光器脈沖重復頻率10Hz，光纖兩端施加恒定0.5N的預拉力，用同一塊相位掩模板，依次調節激光器輸出能量為19kv、22kv、26kv、30kv，測試不同脈沖能量下寫入光柵的特性差異。

從寫制過程可看出，隨著脈沖能量增大，刻寫相同反射率光纖光柵所需的曝光時間減少，所能達到的最大反射率增大。由圖2可得，隨著脈沖能量增大，寫入光纖光柵的中心波長紅移，3dB帶寬展寬，同時透射峰頂部出現明顯的不平坦并展寬。

可見較大能量寫制光纖光柵時，寫入速度快，較易達到飽和狀態，出現這一現象的典型特征是透射光譜中透射凹陷的頂端變得不平坦且明顯展寬，同時出現各種雜亂的線譜。因此當折射率調制深度較大時，應采用較小能量寫制光纖光柵以獲得完美的譜形，而且達到所需的反射率后應立即停止曝光，避免過度曝光導致反射光譜飽和、展寬、不平坦。

2.2 脈沖頻率和曝光時間

待寫入光柵的光纖類型不變，寫入光柵長度6mm，準分子激光器輸出能量為26kv，光纖兩端施加恒定0.5N的預拉力，改變寫制曝光時間，測試不同曝光時間下寫入光纖光柵的特性差異。

如圖3所示，左側第一個最小的透射凹陷為曝光100個脈沖得到的光纖光柵透射光譜，每曝光100個脈沖測試一次透射光譜，從左到右的透射凹陷逐漸增大的透射光譜依次為100-1000個曝光脈沖得到的10個光譜。比較10個透射光譜，可看出隨著曝光時間增加，寫制光纖光柵的中心波長紅移，反射率增加，3dB帶寬展寬。

2.3 預拉力

設定準分子激光器輸出能量26kv，其它條件不變，改變光纖兩端施加的預拉力值，實驗設定值為0.1N、0.5N，測試不同預拉力條件下寫入光纖光柵的特性差異。

從寫制過程可看出，預拉力大光柵寫入速度快。由圖4可得，預拉力越大，所寫制光纖光柵的中心波長越小，兩種不同預拉力下寫制的光纖光柵中心波長相差0.605nm，0.5N預拉力下寫制的光纖光柵基本達到飽和，反射率高，帶寬大，而0.1N的還沒有達到最高反射率。因此在制作光纖光柵時，要精確控制光纖兩端施加的預拉力。分析其原因在于：同樣的光纖長度受不同大小的預拉力作用時，大的預拉力會獲得大的應變，對光纖光柵寫制過程而言，寫入周期是相同的，預拉力釋放后光纖恢復原長度，應變大的恢復后周期會較小，因此其波長會向短波方向漂移。

3 結語

光纖光柵因其優異的性能在光纖傳感和光纖通信領域得到了廣泛應用，其光譜譜形的精確控制對發揮其優勢具有重要意義。本文選取準分子激光器的脈沖能量、重復頻率和曝光時間、施加在光纖兩端的預應力等寫制參數作為研究對象，得到了寫制參數對光纖光柵光譜特性的影響規律。從寫制過程看，曝光能量越大，寫入速度越快；預拉力越大，寫入速度越快。從寫制光纖光柵的光譜特性看，曝光能量越大，曝光時間越長，中心波長紅移，帶寬展寬，反射率增加。預拉力越大，中心波長藍移，帶寬展寬，反射率增加。在制作光纖光柵時，可根據不同光纖光柵特性需求設計相應的寫制參數，也可根據需求在寫制過程中對光纖光柵進行調整。

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