張?zhí)烊A，趙 鴻，朱 辰，李 堯，張 昆，張利明，王雄飛，張浩彬，郝金坪

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100015)

1 引言

在光纖通信和傳感系統(tǒng)以及光纖激光器的許多應(yīng)用中，光纖布拉格光柵已被確認(rèn)為是其中至關(guān)重要的器件，與其他“競(jìng)爭(zhēng)”技術(shù)相比，光纖光柵具有全光纖結(jié)構(gòu)、低插入損耗、高反射損耗或消光比，以及潛在的低成本優(yōu)勢(shì)。而光纖光柵的最突出特點(diǎn)在于它能夠靈活的實(shí)現(xiàn)所需的光譜特性，通過(guò)調(diào)整變化光纖光柵的物理參數(shù)，包括折射率變化量、光柵長(zhǎng)度、切趾、周期啁啾、條紋排布等［1－2］。

光纖光柵的這些重要特性的實(shí)現(xiàn)，很大程度上取決于光纖光柵刻寫(xiě)技術(shù)。而目前發(fā)展最成熟，應(yīng)用最廣泛的光纖光柵刻寫(xiě)方法無(wú)疑便是掩模板法。本文提出了軸向拉力控制實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)精確調(diào)控的光纖光柵刻寫(xiě)方法，在相位掩模板法刻寫(xiě)光纖光柵的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光纖光柵Bragg波長(zhǎng)在0～4.657 nm范圍內(nèi)連續(xù)可控的光纖光柵刻寫(xiě)。

2 原理分析

根據(jù)光纖光柵的模式耦合理論［3－4］，光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)λB可以表示為:

其中，neff為基模的在纖芯傳輸?shù)挠行д凵渎?Λ為光纖光柵的周期。光柵周期Λ的變化和有效折射率neff也產(chǎn)生變化。應(yīng)力引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移 ΔλB可以表示為［5］:

假設(shè)光纖光柵所受軸向力的變化量為F，那么F引起光纖軸向應(yīng)變?yōu)?

其中，E為光纖的楊氏模量;S=πr2為光纖的橫截面積。

應(yīng)力以及彈光效應(yīng)引起neff的變化量Δneff可以表示為:

其中，P11和P12為彈光系數(shù);v為泊松系數(shù);ε為軸向應(yīng)變。

由上式可以得到到應(yīng)力對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移總的影響為:

在石英光纖中，P11≈0.113，P12≈0.252，v≈0.17，摻 Ge纖芯的折射率約為1.46，可知 Pe≈0.22;F為光纖軸向拉力;E為光纖的楊氏模量;r為光纖的半徑。E≈72900 N/mm2，r=65μm，可以得到理想狀態(tài)下在1070 nm附近軸向拉力變化量F與光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移ΔλB的關(guān)系［6］，如圖1所示。

圖1 拉力變化量與光柵中心波長(zhǎng)漂移關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所采用的方案與設(shè)備基本上如圖2所示。其中激光器是波長(zhǎng)為248 nm的準(zhǔn)分子激光器、平凸柱面鏡、光闌、相位掩模板、電動(dòng)位移平臺(tái)、光纖加持裝置等。激光器發(fā)出的紫外激光經(jīng)過(guò)透鏡系統(tǒng)聚焦成細(xì)線(xiàn)光束，經(jīng)光闌選取區(qū)域與長(zhǎng)度后透過(guò)相位掩模板照射在掩模板后的光纖上，所用光纖為經(jīng)過(guò)載氫處理的10/130雙包層光纖，光纖通過(guò)固定在電動(dòng)位移臺(tái)上的兩個(gè)光纖夾持裝置，通過(guò)控制電動(dòng)位移臺(tái)來(lái)控制刻寫(xiě)光纖光柵的長(zhǎng)度，加入連接在ASE寬帶光源上的光纖環(huán)形器用以觀測(cè)光纖光柵的反射譜，而透射譜可以直接接光譜儀觀測(cè)。圖2中有一個(gè)拉力傳感器，它的作用便是用于精確控制施加在光纖上的拉力。

圖2 實(shí)驗(yàn)制作方案

所用的均勻相位模板是固定不變的，其對(duì)應(yīng)的Bragg波長(zhǎng)就是λD=Λneff。在制作光柵前，給光柵軸向施加一定的拉力，刻寫(xiě)上光柵后在釋放拉力，會(huì)向短波長(zhǎng)漂移。在刻寫(xiě)光路不變以及相同的曝光量下，精確控制拉力的大小就可以得到想要的中心波長(zhǎng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)拉力傳感器調(diào)控在光纖上施加的軸向拉力，刻寫(xiě)了中心波長(zhǎng)分別為 1072.955 nm，1071.516 nm，1070.917 nm，1069.863 nm，1068.298 nm的五支光纖光柵，拉力傳感器上顯示的拉力值分別為1.5 N，2.15 N，3.28 N，5 N。圖 3 為其中的 4 個(gè)反射譜，從圖中可以看出反射譜中心波長(zhǎng)的漂移。

圖4為施加在光纖上的軸向拉力與Bragg波長(zhǎng)漂移量的關(guān)系圖。其中實(shí)線(xiàn)為理論曲線(xiàn)，星點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛線(xiàn)為實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)，可以看出實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)較為相近。實(shí)際制作的光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)漂移略大于理論值，這主要是因?yàn)閷?duì)光柵施加的拉力轉(zhuǎn)化為拉力傳感器所接收的拉力這一過(guò)程是有所損耗的，另外就是拉力傳感器的校準(zhǔn)存在一定的誤差。但這些因素可以歸結(jié)為系統(tǒng)固有誤差，依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到該系統(tǒng)下的經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)，以此方法進(jìn)行實(shí)施能得到我們想要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 實(shí)驗(yàn)制作的光纖光柵反射譜

圖4 軸向拉力與Bragg波長(zhǎng)漂移的關(guān)系

4 結(jié)論

利用軸向應(yīng)力對(duì)光纖光柵刻寫(xiě)的的影響特性，在同一塊相位掩模板下刻寫(xiě)了反射譜中心波長(zhǎng)分別為 1072.955 nm、1071.516 nm、1070.917 nm、1069.863 nm、1068.298 nm的五支光纖光柵。拉力傳感器的巧妙應(yīng)用讓實(shí)驗(yàn)進(jìn)入到了精確控制狀態(tài)，另外，我們知道，即使我們?cè)O(shè)計(jì)的Bragg波長(zhǎng)是能與相位掩模板板相對(duì)應(yīng)的，根據(jù)模式耦合理論［4］，在不同的折射率調(diào)制深度下Bragg波長(zhǎng)依然會(huì)有一定的長(zhǎng)波漂移。因此本文所用的方法對(duì)與大多數(shù)均勻光纖光柵的刻寫(xiě)都是很有用，而且操作方便簡(jiǎn)單。

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