劉燕燕，劉 磊，張 瑾，齊躍峰，楊綢綢

?

陣列光柵刻寫中光纖滑動規(guī)律探索及解決

劉燕燕1,2，劉 磊1，張 瑾1，齊躍峰1,2，楊綢綢1

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

設計了一套帶狀光纖陣列光柵的刻寫系統，僅利用單一相位模板，就能實現單層帶纖上8個不同諧振波長陣列光柵的刻寫。借助圖像處理的手段，采集刻柵過程中光纖位移的動態(tài)圖像，以圖像中對應像素點的移動情況為檢測對象，對光纖滑動現象進行分析，從而掌握光纖滑動規(guī)律。為抵抗光纖滑動的影響，自行設計了專用帶纖夾具，并對夾持面的材料和結構進行多次改進，實驗結果表明，宏彎結構夾持面既能夾持和固定帶纖，又能保證帶纖涂覆層完整。本研究實現了3 dB帶寬0.2 nm、波長間隔0.5 nm、波長偏差小于±0.05 nm、反射率達80%以上的陣列布拉格光纖光柵的刻寫。

陣列光柵；帶狀光纖；圖像處理；光纖滑動

0 引 言

帶狀光纖是將多個單根光纖單層緊密排列或多層有序堆疊在一起形成的扁平光纖帶，簡稱帶纖。每帶內可有4、8、12或16根光纖，帶內相鄰光纖間距250 μm或300 μm，為了檢修和接續(xù)時無誤，帶內光纖一般要使用色譜以方便識別。直接在帶纖上刻寫布拉格光柵組，并且每根光柵的波長、反射率等參數可靈活定制，即可構成多波長陣列光柵。此種基于帶纖的多波長陣列光柵可以使光纖系統的結構更為簡單，連接更加方便，器件密度更高，插入損耗更低，將大大擴展光纖光柵在光纖通信[1-2]、光纖傳感[3-5]和光信息處理[6-7]領域中的應用。

但目前基于帶纖的陣列光柵刻寫理論和工藝國內外研究甚少，還沒有相關資料可供參考。我們在刻柵的過程中，遇到一些棘手問題，其中之一就是帶內光纖的徑向滑動，導致刻出光柵的透射譜出現雙峰現象，反射功率下降。因而研究光纖滑動規(guī)律，并找到解決的辦法是基于帶纖的陣列光柵刻寫中一個亟待解決的重要問題。

1 基本原理

1.1 光柵刻寫系統結構

本研究采用相位模板法在帶纖上制作布拉格光柵組[8]，圖1為刻柵系統結構圖。

圖1 陣列光柵刻柵系統結構圖

選用8芯單層排布、相鄰光纖間距250 μm的帶纖。首先，帶纖需在12 MPa下載氫23 h，加熱溫度為65 ℃~85 ℃[9-10]；接著，在帶纖合適位置剝除2 cm長的帶纖保護套和光纖涂覆層，形成一個敞開的矩形窗口；然后，利用自行設計的專用帶纖夾具夾持光纖兩端，將其分別固定在兩個程控三維精密位移平臺上。ArF準分子激光器發(fā)出193 nm紫外光束，再經過反射鏡反射、柱透鏡聚焦和寬度為125 μm的光闌約束后，穿過相位掩模板，對敞開窗口區(qū)的第一根光纖進行一定時間的曝光，形成第一個光柵后，程控三維位移臺將帶纖整體下移一根光纖距離，同時左右移動預設距離來改變施加在帶纖上的拉伸力，以此來實現光柵波長的精確定制，而后進行第二根光柵的曝光。重復上述過程，逐根在帶纖上刻寫符合要求的布拉格光柵，直至完成帶纖上所有光柵的刻寫。光纖前端連接ASE光源，后端連接光譜儀檢測透射光譜，對光柵寫入過程進行實時監(jiān)測。

1.2 陣列光柵波長定制

本研究光柵波長的定制是利用程控位移平臺改變施加在光纖上的拉伸力，從而改變光纖的拉伸量來實現的[11]，僅用單一模板即可完成8個不同諧振波長光柵的刻寫。為了能夠刻寫出具有精確諧振波長的陣列光柵，需要計算每根光纖上所施加的拉伸力。帶纖水平應力與光柵波長漂移的關系實際上對應的是位移脈沖數與波長漂移的關系。布拉格陣列光柵，要求相鄰光柵中心波長間隔0.5 nm，那么8個光柵中，最大與最小中心波長相差3.5 nm，此時光纖仍處于彈性形變范圍內，光柵波長漂移與拉伸量遵循線性關系[11]。設為帶纖長度，為位移平臺的脈沖當量，為模板周期，個脈沖所對應的光柵周期改變量Δ為

因為=2eff，則Δ=2effΔ，可按如下公式求得當波長漂移0.5 nm時，需要的脈沖數量

式中：eff=1.447為纖芯有效折射率，=512 nm，=400 mm。

2 光纖徑向相對滑動規(guī)律分析

模板價格昂貴，利用單一模板實現多個諧振波長光纖光柵的刻寫是光柵制作中一種性價比最大化的做法。但當波長偏移量比較大時，光柵上需承受較大的拉力，此時需要很好地固定光纖，避免其滑動。光纖光柵周期極小，輕微地滑動都會造成光纖諧振波長改變，出現雙峰現象，這時反射峰深度不夠，反射功率下降，刻柵失敗。因而需要尋找和分析光纖的徑向滑動規(guī)律，然后采取相應措施，以避免或抵抗由光纖滑動造成的影響，提高刻柵成品率。

此種滑動極其輕微且肉眼不可見，而且出現時刻和位置也是隨機的，本研究中，在確定光纖滑動規(guī)律時，利用圖像處理手段，采集刻柵過程中帶纖的動態(tài)圖像，以圖像中對應像素點的移動情況為檢測對象，然后對其進行分析，從而掌握光纖滑動規(guī)律。

以下是兩根光纖在不同區(qū)間段的位移圖像采集和分析處理。圖2和圖3、圖4和圖5分別是帶纖中白纖和灰纖夾具近端和遠端的顯微圖像、灰度圖像和滑動值。圖2和圖3中圖像分辨率1 024′786，取樣間隔為1 s。白纖近端距離夾具約2 cm，圖像區(qū)間段數為1 800~1 859，白纖遠端距離夾具約40 cm，圖像區(qū)間段數為5 818~5 859。

通過觀察上兩圖可以發(fā)現，對于白纖，不管是近端還是遠端，圖2(c)和圖3(c)光纖滑動值波動很小，近似為0，即光纖都沒有發(fā)生滑動。除圖2和圖3外，分析白纖其他多個區(qū)間段的圖像，情況都是如此。

我們再觀察另一根灰色光纖近端和遠端位移圖像，如圖4和圖5所示。相關參數如下：圖像區(qū)間段數為近端4 302~4 359，遠端4 800~4 859。圖像分辨率1 024′786，取樣間隔為1 s，以此推知每個像素點對應的距離約0.342mm。

由圖4(c)和圖5(c)可以看出，在33 s、42 s和44 s處，光纖無論是近端和遠端，都出現了明顯的滑動，最大負向位移值約為150個像素，由式(1)可求出150個像素距離對應的光柵波長漂移約為0.19 nm，此分析結論與實驗現象很好地吻合。我們將灰纖近端和遠端漂移相關數據整理如表1所示，可以看出對于同一根光纖，不管是夾具近端還是遠端，位移的漂移都有類似規(guī)律。

圖2 白纖圖像處理過程(近端)(a) 光纖顯微圖像；(b) 光纖灰度圖像；(c) 光纖滑動值

圖3 白纖圖像處理過程(遠端) (a) 光纖顯微圖像；(b) 光纖灰度圖像；(c) 光纖滑動值

在不同批次帶纖上多次截取樣本，重復上述過程，實驗現象類似。繼續(xù)研究發(fā)現，造成這種滑動的主要原因是由于組成帶纖的單纖在拉絲過程中芯徑的微小差異所引起的，芯徑較細者，容易滑動。

圖4 灰纖圖像處理過程(近端)(a) 光纖顯微圖像；(b) 光纖灰度圖像；(c) 光纖滑動值

圖5 灰纖圖像處理過程(遠端)(a) 光纖顯微圖像；(b) 光纖灰度圖像；(c) 光纖滑動值

表1 灰纖位移纖維圖像數據

3 專用帶纖夾具設計及改進

確定滑動的原因和規(guī)律以后，對帶纖夾具進行改進，重點包括夾持面材料選擇和形狀設計。為了能將帶纖兩端固定在位移平臺上，不出現光纖滑動，我們需要一種夾具，但目前市場上沒有針對帶纖的夾具，因此自行設計了一種專用的帶纖夾具?？號懦跗冢瑠A持面采用鋁合金材料的平面結構，時常出現帶纖中某一光纖滑動的現象，當加大夾持力度時，又會造成帶纖外包層破裂、擠壓變形和光纖碎裂等問題。在此首先選取毛玻璃、黃銅、塑料、橡膠等作為夾持面材料，為了增加摩擦力，對夾持面進行打磨使其粗糙度增加的處理，但上述方法都不是很理想。

圖6 布拉格陣列光柵透射譜

其次，考慮到宏彎結構可以將光纖所受拉伸力分解到克服夾持力和摩擦力兩個方向，這樣對抗光纖滑動效果會更好，實驗結果表明，當夾持面采用正弦型弧度輪廓時，帶纖夾具夾持力選擇范圍寬，既能牢固夾持帶纖，又不會使光纖及包層受損，很好地解決了困擾我們的這一難題。改進后的帶纖夾具夾持面宏彎輪廓曲線表達式為

4 實驗結果

本研究成功地在單層排布8芯帶纖上刻寫出3 dB帶寬為0.2 nm、波長間隔為0.5 nm、反射率超過80%的陣列布拉格光纖光柵，圖6為光譜儀測得的陣列光柵透射譜，光譜儀掃描精度0.05 nm。由圖可以看出，波長偏差小于0.05 nm，透射率偏差小于1 dB。

5 結 論

本研究首次利用光纖顯微圖像處理方法，采集刻柵過程中帶纖的動態(tài)圖像，然后對圖像進行處理和分析，獲得圖像中對應像素點的移動情況，確定在帶纖上刻寫陣列光柵時光纖滑動規(guī)律。自行設計專用帶纖夾具，夾持面采用正弦型弧度結構，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完整。帶纖夾具對抗光纖滑動效果非常好，解決了這一困擾我們很長時間的難題，成功在8芯帶纖上刻寫出布拉格陣列光柵。根據我們掌握的材料，這是第一次利用圖像處理方法研究刻柵時光纖滑動問題。

[1] 張海亮，唐明，謝意維，等. 可編程帶寬波長獨立可調光纖光柵濾波器 [J]. 光學學報，2013，33(7)：706011-1-706011-7.

ZHANG Hailiang，TANG Ming，XIE Yiwei，. Programmable Bandwidth-Tunable and Wavelength-Variable Fiber Grating Filter [J]. Acta Optica Sinica，2013，33(7)：706011-1-706011-7.

[2] CHOU Hsihsir，ZHANG F，Wilkinson Tim David,. Implementation of a 6×6 Free-Space Optical Fiber Ribbon Switch for Storage Area Networks [J]. Journal of Lightwave Technology(S0733-8724)，2012，30(11)：1719-1725.

[3] Manjusha Ramakrishnan，Ginu Rajan，Yuliya Semenova，. Overview of Fiber Optic Sensor Technologies for Strain/Temperature Sensing Applications in Composite Materials [J]. Sensors(S1424-8220)，2016，16(1)：99-1-99-27.

[4] YUAN Wu，Stefani Alessio，BANG Ole. Tunable polymer fiber Bragg grating (FBG) inscription: fabrication of dual-FBG temperature compensated polymer optical fiber strain sensors [J].IEEE Photonics Technology Letters(S1041-1135)，2012，24(5)：401-403.

[5] WANG Yunmiao，GONG Jianmin，DONG Bo，. A large serial time-division multiplexed fiber Bragg grating sensor network [J]. Journal of Lightwave Technology(S0733-8724)，2012，30(17)：2751-2756.

[6] Drachenberg Reggie，Mike Messerly，Paul Pax，. First multi-watt ribbon fiber oscillator in a high order mode [J]. Optics Express(S1094-4087)，2013，21(15)：18089-18096.

[7] QU Li，MENG Yu，ZHUO Zhongchang，. Study on delay and dispersion characteristics of the fiber Bragg grating Fabry-Perot cavity [J]. Acta Optica Sinica(S0253-2239)，2013，33(8)：0806001-1-0806001-7.

[8] Becker M，Elsmann T，Latka I，. Chirped Phase Mask Interferometer for Fiber Bragg Grating Array Inscription [J]. Journal of Lightwave Technology(S0733-8724)，2015，33(10)：2093-2098.

[9] 李劍芝，姜德生.載氫與光纖布喇格光柵 [J].材料研究學報，2006，20(5)：518-522.

LI Jianzhi，JIANG DeshengHydrogen Loading and Fiber Bragg Grating [J]. Chinese Journal of Materials Research，2006，20(5)：518-522.

[10] 朱晶晶，蔣玉蓉，薛唯.硼鍺共摻光纖CCG的載氫研究[J].北京理工大學學報，2011，31(1)：83-86.

ZHU Jingjing，JIANG Yurong，XUE WeiResearch on the Hydrogen-Load of B-Ge Co-Doped Fiber Chemical Composition Grating [J]. Journal of Beijing Institute of Technology，2011，31(1)：83-86.

[11] SONG Zhiqiang，QI Haifeng，LI Shujuan，. Research on control technology of fiber grating wavelength by pulling force in grating fabrication [J]. Acta Optica Sinica(S0253-2239)，2013，33(7)：0706009-1-0706009-5.

Analysis of Fiber Slip Regulation and Solution in Array Gratings Fabrication

LIU Yanyan1,2，LIU Lei1，ZHANG Jin1，QI Yuefeng1,2，YANG Chouchou1

( 1. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei, China;2. The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province, Qinhuangdao 066004, Hebei, China )

A kind of novel fabrication system of array optical fiber gratings is proposed and multi-wavelength array optical fiber gratings are obtained on 8-core ribbon optical fiber through this structure with only one phase mask. By means of image processing, the dynamic images are collected during the array gratings fabrication and the relative pixel shifts are monitored, and then fiber slip regulation are analyzed and obtained. In order to resist the influence of fiber slip, the specially-designed fixture is designed, and the material and shape of the clamping surface are improved many times. The experiment results show that the macrobending surface of the clamping surface can not only fix the ribbon optical fiber, but also keep the coating in good condition. We successfully obtained array optical fiber Bragg gratings with 0.2 nm bandwidth, wavelength interval less than 0.5 nm, wavelength deviation less than 0.05 nm and reflectivity more than 80% on ribbon optical fiber by the above system.

array gratings; ribbon optical fiber; image processing; fiber slip

1003-501X(2016)12-0001-05

TN253

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.12.001

2016-05-30；

2016-10-18

國家自然科學基金資助項目(61275093)；河北省自然科學基金資助項目(F2015203277，F2016203389)；河北省高層次人才項目(C2015003053)

劉燕燕(1972-)，女(漢族)，遼寧海城人。副教授，博士，主要研究工作是光子晶體光纖及器件。E-mail: liuyanyan@ysu.edu.cn。