三芯長(zhǎng)周期光纖光柵溫度傳感性能研究

劉雯玥，王 標(biāo)

(1. 天津泰普藥品科技發(fā)展有限公司 天津300193；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

長(zhǎng)周期光纖光柵具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、抗電磁干擾等特性，在溫度、應(yīng)力、折射率等特征參數(shù)的測(cè)量中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。長(zhǎng)周期光纖光柵的制備方法主要有紫外曝光法、CO2激光曝光法、腐蝕刻槽法、機(jī)械微彎法等。其中，CO2激光曝光法因其制備裝置簡(jiǎn)單、成柵效率高等優(yōu)勢(shì)，逐漸得到研究者的青睞。

1 三芯長(zhǎng)周期光纖光柵的制備

實(shí)驗(yàn)中所用的三芯光纖由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所研制。三芯光纖的端面圖如圖1所示。同一個(gè)光纖包層中嵌入 3個(gè)纖芯。纖芯 1(中間纖芯)直徑為 6μm，纖芯 2和纖芯 3(外側(cè)纖芯)直徑均為 9.6μm。纖芯 2、3與纖芯 1形成的夾角為120o。纖芯 1與纖芯 2、3的間距均為 35.3μm。在工作波長(zhǎng) 1550nm 處，纖芯 1、2、3的折射率均為1.457，包層折射率1.444。

高頻 CO2激光單側(cè)曝光制備 LPFG的方法如文獻(xiàn)所述。首先切取長(zhǎng)度約為 5cm 的三芯光纖，在高倍光學(xué)顯微鏡下觀察并標(biāo)記纖芯 2、3的方向(纖芯2、3朝向高頻 CO2激光曝光方向的一側(cè))。設(shè)定光纖光柵的周期為 560μm，柵格數(shù)為 30，對(duì)三芯光纖進(jìn)行循環(huán)打標(biāo)。三芯光纖光柵的透射譜變化如圖2所示。隨著 CO2激光循環(huán)打標(biāo)次數(shù)的增加，光纖光柵的諧振峰逐漸增強(qiáng)。當(dāng)經(jīng)過 8次打標(biāo)以后，光纖光柵的整體插入損耗為 2dB，諧振峰的波長(zhǎng)位于1553.3nm，強(qiáng)度為 14dB，其中 3dB帶寬值為2.4nm，遠(yuǎn)小于采用 CO2激光曝光方法在其他類型光纖(如常規(guī)單模光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、少模光纖等)寫制的光纖光柵[3-5]。這主要是因?yàn)樵谌竟饫w的制備過程中，兩個(gè)外側(cè)纖芯經(jīng)打孔組裝法嵌入到光纖的包層中。纖芯與包層的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，組裝好的光纖預(yù)制棒經(jīng)拉絲冷卻后，大量的殘余應(yīng)力被貯存在三芯光纖的包層中。三芯光纖經(jīng) CO2激光單側(cè)曝光時(shí)，殘余應(yīng)力釋放，調(diào)制深度增加，從而造成 Δneff增大。長(zhǎng)周期光纖光柵諧振峰的 FWHM 帶寬可以表示為：。隨著Δneff的增大，F(xiàn)WHM帶寬值減小，因而 3dB帶寬的值也越小。在光纖傳感測(cè)量過程中，諧振峰越窄，測(cè)量精度越高。

圖2 三芯光纖光柵隨著打標(biāo)次數(shù)透射譜的變化Fig.2 Evolution of the tranmission spectra of the LPFG with the increase of the scanning cycles

圖3 不同柵格周期的LPFG的透射譜Fig.3 Transmission spectra of the LPFG in different periods

在三芯光纖上制備不同周期的光纖光柵，并保證在制備光柵過程中，CO2激光的曝光方向及其他實(shí)驗(yàn)條件均與上述光柵相同。改變柵格周期，循環(huán)打標(biāo)，制備得到柵格周期為565μm、柵格數(shù)為30的長(zhǎng)周期光纖光柵，如圖3所示。從圖中可以看出，三芯長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振峰隨著柵格周期的增加，向長(zhǎng)波方向漂移。

2 溫度傳感性能測(cè)試

對(duì)三芯長(zhǎng)周期光纖光柵進(jìn)行溫度性能測(cè)試。取光纖光柵樣品(柵格周期為 560μm，柵格數(shù)為 30)水平置入溫控箱中。從 20℃逐漸升高至 90℃，每隔10℃記錄光譜數(shù)據(jù)。光纖光柵的諧振峰隨溫度的變化如圖4a所示，從圖中可以看出，隨著溫度的升高，光柵諧振峰發(fā)生紅移現(xiàn)象。對(duì)諧振峰波長(zhǎng)漂移的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，如圖4b所示，從圖中可以看出，三芯長(zhǎng)周期光纖光柵的溫度靈敏度為 47.3pm/℃。其中，線性擬合度為0.996。

圖4 三芯光纖光柵的溫度響應(yīng)Fig.4 Temperature response of the fiber grating

3 總 結(jié)

本文采用 CO2激光單側(cè)曝光法在三芯光纖中成功制備了一種窄帶寬的長(zhǎng)周期光纖光柵。該光柵諧振峰的 3dB帶寬值為 2.4nm，遠(yuǎn)小于常規(guī)長(zhǎng)周期光纖光柵的 3dB帶寬值。因此，實(shí)驗(yàn)中制備的光纖光柵在特征參數(shù)測(cè)量中，精確度更高。傳感實(shí)驗(yàn)表明，三芯長(zhǎng)周期光纖光柵的溫度靈敏度為 47.3pm/℃。實(shí)驗(yàn)中制備樣品可作為一種潛在的溫度傳感器。