本發(fā)明涉及一種長周期光纖光柵及其制作方法，尤其涉及一種基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵及其制作方法，屬于光纖器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

長周期光纖光柵是一種重要的光纖無源器件，它在某些方面具有比光纖布拉格光柵更好的光學(xué)特性，已在通信和傳感領(lǐng)域具有極其重要的地位和許多廣泛的應(yīng)用，比如用來做光纖放大器的增益平坦、色散補償，以及溫度、應(yīng)變、生物化學(xué)傳感器等。長周期光纖光柵基本的傳光原理是前向傳輸?shù)睦w芯模式與同向的各階次高階模式之間進(jìn)行耦合，由于其對傳導(dǎo)模進(jìn)行周期性調(diào)制，使基模和高階模在滿足諧振條件的情況下發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，高階模在傳輸一段距離之后被衰減掉，形成損耗峰。具有插入損耗小、無后向反射、與偏振無關(guān)、全兼容于光纖、體積小、能埋入智能材料等優(yōu)點。

長周期光纖光柵的折射率調(diào)制機理根據(jù)光柵刻寫方法和光纖特性的不同而存在差異，目前在制作長周期光纖光柵領(lǐng)域提出的光纖折射率調(diào)制機理主要有應(yīng)力釋放、光纖纖芯與包層的擴散、玻璃結(jié)構(gòu)的改變、機械形變、微結(jié)構(gòu)光纖塌陷等。長周期光纖光柵利用了折射率的周期性調(diào)制形成較強的諧振峰，調(diào)制機理如上述所示，或者是上述幾種方式的結(jié)合。在普通單模光纖中折射率調(diào)制主要是由應(yīng)力釋放引起，應(yīng)力釋放導(dǎo)致在寫入點的纖芯折射率減小。對于摻硼光纖折射率調(diào)制的主要原因是玻璃結(jié)構(gòu)的改變，輻照后纖芯材料會經(jīng)歷體積增加或者玻璃致密化，若加熱溫度高于纖芯材料的玻璃轉(zhuǎn)換溫度會導(dǎo)致體積增加，從而折射率減小，相反的加熱溫度低于纖芯材料的玻璃轉(zhuǎn)換溫度會引起玻璃致密化，從而折射率增加。微型結(jié)構(gòu)光纖，如PCF光纖的折射率調(diào)制往往依靠光纖形變，如光纖周期性塌陷，使得光纖包層向纖芯聚攏，通過減少空氣的微孔的體積來增加光纖包層有效折射率，其他方式還有在光纖包層刻周期性凹槽、激光掃描包層使空氣孔膨脹等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵及其制作方法

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵，包括兩根單模光纖和位于兩根單模光纖之間的藍(lán)寶石衍生光纖、藍(lán)寶石衍生光纖內(nèi)部存在周期性析晶區(qū)域；所述周期性析晶區(qū)域由1個以上相同的局部析晶區(qū)組合而成。

一種技術(shù)方案一所述的基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的制作方法，包括以下步驟：

步驟1：取一根單模光纖，將其一端剝?nèi)ネ扛睬矣霉饫w切割刀切平后放置于熔接機的一個夾具中；

步驟2：取一段藍(lán)寶石衍生光纖，將其一端剝?nèi)ネ扛睬矣霉饫w切割刀切平后放置于熔接機的另一個夾具中；

步驟3：對準(zhǔn)單模光纖和藍(lán)寶石衍生光纖后，利用熔接機進(jìn)行放電熔接；

步驟4：確定所需的藍(lán)寶石衍生光纖的接入長度，用光纖切割刀切除余下的藍(lán)寶石衍生光纖；

步驟5：將切斷后的藍(lán)寶石衍生光纖與另一根單模光纖熔接，形成單模光纖—藍(lán)寶石衍生光纖—單模光纖的結(jié)構(gòu)。

步驟6：將上述單模光纖—藍(lán)寶石衍生光纖—單模光纖結(jié)構(gòu)中的藍(lán)寶石衍生光纖放入熔接機的兩電極中間，其一端的單模光纖先用熔接機的一個夾具固定，在另一端的單模光纖上懸掛一個小砝碼，使光纖保持水平，將其固定；

步驟7：調(diào)節(jié)熔接機放電參數(shù)，選定放電模式，執(zhí)行第一次放電操作，在藍(lán)寶石衍生光纖的纖芯內(nèi)形成局部析晶區(qū)；

步驟8：松開一端夾具，移動另一個夾具的馬達(dá)，移動的距離為光纖折射率調(diào)制周期，在松開一端的光纖上掛上砝碼，使光纖水平后固定起來，進(jìn)行第二次放電操作；

步驟9：判斷周期性析晶區(qū)域是否達(dá)到需要的周期數(shù)；如果是，轉(zhuǎn)向步驟10；否則，轉(zhuǎn)向步驟8；

步驟10：結(jié)束。

所述藍(lán)寶石衍生光纖為高濃度氧化鋁摻雜的藍(lán)寶石衍生光纖。

所述藍(lán)寶石衍生光纖的制備方法包括以下步驟：

步驟A：利用管棒法制作光纖預(yù)制棒：套管為一端收實的純石英空心管，芯棒為單晶藍(lán)寶石棒；

步驟B：利用石英光纖拉絲工藝，將光纖預(yù)制棒拉制成高濃度摻雜氧化鋁的藍(lán)寶石衍生光纖2。

在步驟7中析晶區(qū)利用熔接機電極高壓放電的熱處理方法形成。

采用上述技術(shù)方案，產(chǎn)生的有益效果在于：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有的長周期光纖光柵在高溫環(huán)境時折射率調(diào)制容易被擦除，并且在高溫時光柵易發(fā)生形變的缺陷，可應(yīng)用得更穩(wěn)定，適用范圍更廣的溫度檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中實施例1的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明中實施例1的流程圖；

圖3是本發(fā)明中實施例1中析晶區(qū)的顯微照片；

圖4是本發(fā)明中實施例1的透射譜波形；

其中：1-單模光纖，2-藍(lán)寶石衍生光纖，3-周期性析晶區(qū)域，4-析晶區(qū)。

具體實施方法

本發(fā)明的優(yōu)選實施例并結(jié)合附圖說明如下：

實施例1：

參見圖1，一種基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵，包括兩根單模光纖1和位于兩根單模光纖之間的藍(lán)寶石衍生光纖2、藍(lán)寶石衍生光纖2內(nèi)部存在周期性析晶區(qū)域3；所述周期性析晶區(qū)域3由1個以上相同的局部析晶區(qū)4組合而成。所述的單模光纖1內(nèi)徑9μm外徑，125μm，藍(lán)寶石衍生光纖2內(nèi)徑18μm，外徑125μm。

實例1的制備流程：

參見圖2，一種實施例1所述的基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的制作方法，包括以下步驟：

步驟1：取一根單模光纖1，將其一端剝?nèi)ネ扛睬矣霉饫w切割刀切平后放置于熔接機的左邊夾具中；

步驟2：取一段藍(lán)寶石衍生光纖2，將其一端剝?nèi)ネ扛睬矣霉饫w切割刀切平后放置于熔接機的右邊夾具中；

步驟3：對準(zhǔn)單模光纖1和藍(lán)寶石衍生光纖2后，利用熔接機進(jìn)行放電熔接；

步驟4：確定所需的藍(lán)寶石衍生光纖2的接入長度，用光纖切割刀切除余下的藍(lán)寶石衍生光纖；

步驟5：將切斷后的藍(lán)寶石衍生光纖2與另一根單模光纖1熔接，形成單模光纖1—藍(lán)寶石衍生光纖2—單模光纖1的結(jié)構(gòu)。

步驟6：將上述單模光纖1—藍(lán)寶石衍生光纖2—單模光纖1結(jié)構(gòu)中的藍(lán)寶石衍生光纖2放入熔接機的兩電極中間，其中一個單模光纖1先用熔接機的左邊夾具固定，在右端的單模光纖1上懸掛一個2g小砝碼，使光纖保持水平，將光纖右端固定；

步驟7：調(diào)節(jié)熔接機放電參數(shù)，選定放電模式，執(zhí)行第一次放電操作，在藍(lán)寶石衍生光纖的纖芯內(nèi)形成局部析晶區(qū)4；

步驟8：松開一端夾具，移動另一個夾具的馬達(dá)500μm，移動的距離即光纖折射率調(diào)制周期，在松開一端的光纖上掛上砝碼，使光纖水平后固定起來，進(jìn)行第二次放電操作；

步驟9：判斷周期性析晶區(qū)域3是否達(dá)到需要的周期數(shù)；如果是，轉(zhuǎn)向步驟10；否則，轉(zhuǎn)向步驟8；本實施例中需要的周期數(shù)為4；

步驟10：結(jié)束。此時形成4個相同的局部析晶區(qū)，完成基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的制備。

所述藍(lán)寶石衍生光纖2為高濃度氧化鋁摻雜的石英光纖。

所述藍(lán)寶石衍生光纖2的制備方法包括以下步驟：

步驟A：利用管棒法制作光纖預(yù)制棒：套管為一端收實的純石英空心管，芯棒為單晶藍(lán)寶石棒；

步驟B：利用石英光纖拉絲工藝，將光纖預(yù)制棒拉制成高濃度摻雜氧化鋁的藍(lán)寶石衍生光纖2。

在步驟7中析晶區(qū)4利用熔接機電極高壓放電的熱處理方法形成。參見圖3，通過高壓電極電弧放電對藍(lán)寶石衍生光纖進(jìn)行熱處理，制備析晶區(qū)4，從而實現(xiàn)纖芯折射率的調(diào)制。高壓電弧使高濃度氧化鋁摻雜藍(lán)寶石衍生光纖在經(jīng)歷快速升溫和快速降溫的過程后，出現(xiàn)明顯的析晶現(xiàn)象。析晶區(qū)域的折射率發(fā)生明顯增大，折射率調(diào)制增量約為0.01。

參見圖4，利用常規(guī)寬帶光源結(jié)合光纖光譜儀的透射光譜測試方法，對圖1所示的基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵的光譜進(jìn)行了測試，可以觀測強諧振光譜。

本發(fā)明的折射率調(diào)制機理采用了光纖纖芯材料析晶的方式。利用高壓電弧對藍(lán)寶石衍生光纖進(jìn)行熱處理。高濃度氧化鋁摻雜的藍(lán)寶石衍生光纖在快速升溫和快速降溫的過程中，經(jīng)歷了從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)又轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。在熱處理工藝之前，高濃度氧化鋁摻雜石英光纖的纖芯為無定形非晶態(tài)，纖芯中氧化鋁呈納米級摻雜狀態(tài)，均勻的分布在二氧化硅基底中。在快速升溫后，纖芯材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，此時氧化鋁粘度較小，受到分子間作用力的影響后，氧化鋁納米粒子迅速聚集形成大顆粒氧化鋁晶體。降溫后，生長后的氧化鋁顆粒就鑲嵌在纖芯中，從而實現(xiàn)熱處理析晶現(xiàn)象。非晶態(tài)是一種不定形態(tài)，排列無序，晶態(tài)是一種定性態(tài)，排列有序。在析晶過程中，局域氧化鋁分子重新排列，由雜亂無章轉(zhuǎn)變?yōu)榫钟蛴行虻慕Y(jié)構(gòu)，局域材料密度增加，同時折射率也相應(yīng)地增大。在本實施例中，拉制后的藍(lán)寶石衍生光纖的纖芯折射率為1.53，經(jīng)過析晶調(diào)制后，折射率增加0.01，纖芯折射率變?yōu)?.54。

本實施例的基于纖芯材料析晶的長周期光纖光柵，采用的耦合模式理論為前向傳輸?shù)睦w芯模之間的耦合，當(dāng)單模中的光傳輸進(jìn)入藍(lán)寶石衍生光纖，激發(fā)出更高階的纖芯模，低階纖芯模與高階纖芯模在傳輸過程中發(fā)生耦合。當(dāng)在藍(lán)寶石衍生光纖上刻寫長周期光柵后，誘發(fā)了更多的低階模轉(zhuǎn)換為高階模式，能量轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)大于折射率調(diào)制之前。高階模式的能量，又在耦合回另一段單模光纖的過程中消失，因此產(chǎn)生了諧振峰，相位匹配條件公式為λ＝(n₀₁-n_nm)Λ，其中λ為諧振峰出現(xiàn)的波長，n₀₁、n_nm分別為低階模和高階模的有效折射率，Λ為長周期光纖光柵的周期。