專利名稱：制作應力折變型長周期光纖光柵的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用(X)2激光器在施加了外部軸向拉力的單模光纖中制作應力折 變型長周期光纖光柵的裝置和方法，屬于光通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
長周期光纖光柵(LPre)具有很好的傳輸譜特性，它將光纖纖芯中傳輸?shù)膶Ｄ芰?耦合到包層中形成包層模，是一種理想的帶阻傳輸型濾波器，具有制作工藝簡單、插入損耗 小、無后向反射和體積小等優(yōu)點。由于長周期光纖光柵在光纖通信系統(tǒng)的重要價值和在其 他領(lǐng)域的廣泛應用前景，對長周期光纖光柵的開發(fā)和應用研究進展十分迅速，已經(jīng)成為一 大技術(shù)熱點。長周期光纖光柵在光纖通信領(lǐng)域的應用中，最令人矚目的當數(shù)它在摻鉺光纖放大 器(EDFA)中作為增益平坦器的應用。長周期光纖光柵是一種傳輸型帶阻濾波器，選擇合適 的長周期光纖光柵可以用來抑制EDFA在1530 nm附近的放大自發(fā)輻射(ASE)實現(xiàn)增益平 坦。利用兩個相同的長周期光纖光柵緊密平行貼合可以實現(xiàn)波長選擇耦合器，用兩個這樣 的波長選擇耦合器可以實現(xiàn)光分插復用器。基于長周期光纖光柵的全光光開關(guān)也是其重要 應用之一，這在全光網(wǎng)絡(luò)中具有非常大的作用。通過選擇不同的光柵周期和不同的纖芯與 包層折射率差，可以利用長周期光纖光柵實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。長周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測量系統(tǒng)中不需要 隔離器。長周期光纖光柵的周期相對較長，滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)睦w芯基模和 包層模，這導致長周期光纖光柵的諧振波長的各個參量對外界環(huán)境的變化非常敏感，因此 它具有比光纖布拉格光柵更好的溫度、應變、彎曲、扭曲、橫向負載、濃度和折射率靈敏度。 因此，長周期光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域具有很多優(yōu)點和廣泛的應用。光纖在拉制過程中，總存在一個牽引力。由于光纖是在拉絲過程中經(jīng)過快速冷卻 而形成的，牽引力不會立即消失而固定下來，從而形成殘余應力。聚焦的CO2激光軸向周期 性地加熱光纖產(chǎn)生的局部高溫使得被加熱處纖芯和包層中殘余應力釋放，周期性的殘余應 力釋放使光纖折射率沿軸向周期性變化而形成LPre。因此光纖彈性殘余應力釋放被看作是 Co2激光在普通單模光纖中寫入LPre的主要機制。最近的研究表明，在光纖拉制過程中，除了產(chǎn)生彈性殘余應力外，還會在包層中產(chǎn) 生凍結(jié)粘彈力，產(chǎn)生的凍結(jié)粘彈力同樣也會改變光纖的折射率?；谶@些最近的研究，如果 在施加了外部軸向拉力的單模光纖中寫入長周期光纖光柵，我們可以得到一些新特性，這 將進一步豐富(X)2激光器寫入長周期光纖光柵的機理研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種制作應力折變型長周期光 纖光柵的裝置和方法。本發(fā)明的一個重要內(nèi)容是制作應力折變型長周期光纖光柵，在CO2激 光掃描過程中對單模光纖施加外部軸向拉力，施加范圍為0到光纖所能承受的最大軸向拉力。為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
本發(fā)明采用的實驗裝置包括一臺寬帶光源、一臺全功率為10 W的CO2激光器、一個二 軸控制平臺、一套對單模光纖施加外部軸向拉力的裝置以及一臺光譜分析儀。其中，這套對 光纖施加軸向拉力的裝置包括一個直徑為4(T60 mm的已經(jīng)切割平整的圓柱形玻璃棒、一個 彈簧秤以及一個移動控制平臺。首先把彈簧秤的一端嵌入已經(jīng)被打好合適直徑和深度鉆口 的圓柱形玻璃棒底部，把兩者牢牢固定住，然后把它們放置在光纖軸向移動控制平臺上面， 同樣牢牢固定組合成一個整體。彈簧秤詳細示意圖如附圖2所示，它的讀數(shù)盤范圍為0到 500,單位為g，這表示當彈簧秤指針對準某個讀數(shù)時就相當于光纖軸向被施加了一個同 樣讀數(shù)的拉力。這個彈簧秤最大能承受的軸向拉力為500 g力，這剛好和大多數(shù)單模光纖 所能承受的最大軸向拉力一致。光譜分析儀監(jiān)測每次激光掃描過程后應力折變型長周期光 纖光柵的透射譜變化，分析在施加了不同軸向拉力光纖中寫入不同周期的長周期光纖光柵 的實驗情況。本發(fā)明的工作原理
最近的研究表明，在光纖拉制過程中，除了產(chǎn)生彈性殘余應力外，還會在包層中產(chǎn)生凍 結(jié)粘彈力。因此，當ω2激光掃描施加了外部軸向拉力的光纖寫入LPre時，雖然普通單模 光纖殘余應力的釋放導致光纖折射率變化仍然是形成LPre的主要機制，但是這個受熱過 程同樣會使光纖包層產(chǎn)生凍結(jié)粘彈力，從而改變光纖的折射率。當這兩種機制同時起作用 改變光纖的折射率分布時，相對于ω2激光在沒有施加任何軸向拉力的單模光纖寫入LPre， 這種應力折變型LPre的透射譜會新產(chǎn)生一些透射峰。新產(chǎn)生的透射峰的機制可以歸結(jié)為 凍結(jié)粘彈力引起的光纖的折射率改變。此外我們的研究還表明，在應力折變型光纖光柵寫 入過程中，新產(chǎn)生的透射峰的諧振波長隨著激光器掃描光纖次數(shù)的變化和光纖被施加的外 部軸向拉力以及長周期光纖光柵的周期大小有關(guān)系。這臺移動控制平臺旁邊有個旋鈕，通過順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)這個旋鈕，可以控 制移動平臺沿光纖軸向正向或者反向移動，繼而使彈簧秤的指針對準的讀數(shù)從0變大或者 從某一個不為零的讀數(shù)變小到0。一般對一端已經(jīng)固定的光纖的另一端掛一個10 g的砝碼 就足以使光纖剛好被拉直，指針讀數(shù)超過10就表示已經(jīng)對被寫入LPre的光纖處施加了外 部軸向拉力。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種制作應力折變型長周期光纖光柵的裝置，包括一臺寬帶光源、一個CO2激光器、一 個二軸控制平臺、一個單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置以及一臺光譜分析儀和一臺電腦，其特 征在于所述寬帶光源和單模光纖軸向可調(diào)拉力裝置分別安置在所述二軸控制平臺橫向軸 的兩端外，而所述CO2激光器安置在二軸控制平臺的縱向軸的一端外，可實現(xiàn)被加工的單模 光纖被夾緊在二軸控制平臺上呈一直線安置，從而一端連接到寬帶光源，另一端連接到單 模光纖可調(diào)軸向拉力裝置，CO2激光器的CO2激光掃描頭垂直接近安置在二軸控制平臺上的 單模光纖；所述光譜分析儀的探測頭接近處于單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置中受軸向拉力的 單模光纖區(qū)段，監(jiān)測光纖的透射譜變化；有一臺電腦連接所述CO2激光器，該電腦控制0)2激 光器的輸出功率。所述單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置的結(jié)構(gòu)是一個移動控制平臺上安裝一個彈簧秤，彈簧秤的外殼上有彈簧拉力指針和標尺，其標度為(Γ500 g的拉力范圍；彈簧秤的彈簧 拉力端固定在一個圓柱形玻璃棒的下端，被加工的單模光纖在圓柱形玻璃棒上盤卷數(shù)圈后 端部粘貼固緊在圓柱形玻璃棒上，所述光譜分析儀的探測頭接近盤卷在圓柱形玻璃棒上已 受拉力的單模光纖區(qū)段；所述移動控制平臺有一個旋鈕控制該平臺沿單模光纖軸向移動。所述CO2激光器的功率為10 W，所述單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置的拉力范圍為 (Γ500 g，所述圓柱形玻璃棒的直徑為4(T60 mm。一種制作應力折變型長周期光纖光柵的方法，采用上述制作裝置進行制作，其特 征在于制作步驟如下
1)將去掉長約5 cm涂覆層的單模光纖水平直線狀態(tài)放置在二軸控制平臺上，并確保光 纖軸線與(X)2激光焦斑平行，用夾具把這根光纖靠近寬帶光源的一端夾住。2)對單模光纖施加可任意調(diào)節(jié)的外部軸向拉力。首先，把去掉長約5 cm涂覆層的 單模光纖未被夾具夾住的一端緊貼圓柱形玻璃棒環(huán)繞幾圈，即為纏繞在圓柱形玻璃棒上的 光纖區(qū)段，并用膠帶粘牢；最后，通過順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)移動控制平臺的旋鈕控制移動 控制平臺沿光纖軸向正向或者反向移動，繼而使彈簧秤的指針對準的讀數(shù)從0變大或從某 一個不為零的讀數(shù)變到0，達到對單模光纖施加范圍為0到500 g力之間的任意值的軸向拉 力的目的。3)電腦控制(X)2激光器輸出功率不大于1 W的(X)2激光掃描頭掃描放置在二軸控 制平臺上的被施加了外部軸向拉力的單模光纖。4)光譜分析儀監(jiān)測每次掃描過程后應力折變型長周期光纖光柵的透射譜的變化， 動態(tài)分析施加了不同軸向拉力的單模光纖中寫入不同周期的長周期光纖光柵的情況。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點
1)在用(X)2激光器在單模光纖中制作應力折變型長周期光纖光柵的過程中，對光纖施 加軸向拉力的裝置的操作簡單，只需要通過順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕就可實現(xiàn)調(diào)節(jié)軸向 拉力大小的作用。2)對光纖施加的軸向拉力可取0和500 g力之間的任意值。3)首次運用寫入動態(tài)分析方法，光譜儀(5)監(jiān)測每次激光掃描過程后應力折變型 長周期光纖光柵的透射譜變化，分析在施加了不同軸向拉力的光纖中寫入不同周期的長周 期光纖光柵的實驗情況，發(fā)現(xiàn)了“非彈性應力凍結(jié)”效應引起的折射率調(diào)制是制備新型長周 期光柵的主要機理，對比研究了殘余應力釋放和外加應力凍結(jié)效應對光柵制備的貢獻。


圖1是本發(fā)明的裝置示意圖。圖2是裝置中彈簧秤(8)的詳細示意圖。圖3是較小周期的傳統(tǒng)LPR；光譜圖(a)和相同周期的應力折變型LPR；光譜圖(b) 對比圖。圖4是兩種單模光纖中制成較小周期應力折變型LPR；的諧振波長與對比度變化 圖。圖5是較大周期的傳統(tǒng)LPR；光譜(a)和相同周期的應力折變型LPTO光譜圖(b) 對比圖。
圖6是兩種單模光纖中制成較大周期應力折變型LPR；的諧振波長與對比度變化 圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合

如下 實施例一
參見圖1，本制作應力折變型長周期光纖光柵的裝置，包括一臺寬帶光源(1)、一個CO2 激光器(2)、一個二軸控制平臺(3)、一個單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置(4)以及一臺光譜分 析儀(5)和一臺電腦(12)，其特征在于所述寬帶光源(1)和單模光纖軸向可調(diào)拉力裝置(4) 分別安置在所述二軸控制平臺(3)橫向軸的兩端外，而所述CO2激光器(2)安置在二軸控 制平臺(3)的縱向軸的一端外，可實現(xiàn)被加工的單模光纖(10)被夾緊在二軸控制平臺(3) 上呈一直線安置，從而一端連接到寬帶光源(1)，另一端連接到單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置 (4)，CO2激光器(2)的(X)2激光掃描頭(13)垂直接近安置在二軸控制平臺(3)上的單模光 纖(10)；所述光譜分析儀(5)的探測頭接近處于單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置中受軸向拉力 的單模光纖區(qū)段(11)，監(jiān)測光纖的透射譜變化；有一個電腦(12)連接所述CO2激光器(2)， 該電腦(12)控制(X)2激光器(2)的輸出功率。實施例二
參見圖1和圖2，本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下 所述單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置(4)的結(jié)構(gòu)是一個移動控制平臺(8)上安裝一個彈 簧秤(7)，彈簧秤(7)的外殼上有彈簧拉力指針和標尺，其標度為(Γ500 g的拉力范圍；彈簧 秤(7)的彈簧拉力端固定在一個圓柱形玻璃棒(6)的下端，被加工的單模光纖在圓柱形玻 璃棒(6)上盤卷數(shù)圈后端部粘貼固緊在圓柱形玻璃棒(6)上，所述光譜分析儀(5)的探測頭 接近盤卷在圓柱形玻璃棒(6)上已受拉力的單模光纖區(qū)段(11)；所述移動控制平臺(8)有 一個旋鈕(9 )控制該平臺沿單模光纖軸向移動。所述CO2激光器(2)的全功率為10 W，所述單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置(4)的拉 力范圍為(Γ500 g，所述圓柱形玻璃棒(6)的直徑為4(T60 mm。實施例三
參見圖1，本制作應力折變型長周期光纖光柵的方法，采用上述制作裝置進行制作，制 作步驟如下
1)將去掉長約5 cm涂覆層的單模光纖(10)水平直線狀態(tài)放置在二軸控制平臺(3)上， 并確保光纖軸線與(X)2激光焦斑平行，用夾具把這根光纖靠近寬帶光源的一端夾住。2)對單模光纖(10)施加可任意調(diào)節(jié)的外部軸向拉力。首先，把去掉長約5 cm涂覆 層的單模光纖(10)未被夾具夾住的一端緊貼圓柱形玻璃棒(6)環(huán)繞幾圈，如附圖1中纏繞 在圓柱形玻璃卷棒上的光纖區(qū)段(11)所示，并用膠帶粘牢；最后，通過順時針或者逆時針 旋轉(zhuǎn)移動控制平臺的旋鈕(9)可以控制移動控制平臺(8)沿光纖軸向正向或者反向移動， 繼而使彈簧秤(7)的指針對準的讀數(shù)從0變大或從某一個不為零的讀數(shù)變到0，達到對單模 光纖(10)施加范圍為0到500 g力之間的任意值的軸向拉力的目的。3)電腦(12)控制CO2激光器(2)輸出功率不大于1 W的CO2激光掃描頭(13)掃 描放置在二軸控制平臺(3 )上的被施加了外部軸向拉力的單模光纖(10 )。
4)光譜分析儀(5)監(jiān)測每次掃描過程后應力折變型長周期光纖光柵的透射譜的變 化，動態(tài)分析施加了不同軸向拉力的單模光纖(10)中寫入不同周期的長周期光纖光柵的情 況。采用上述制作方法的應力折變型LPre的光譜、透射峰諧振波長和對比度如圖3、 圖4、圖5和圖6所示。圖3 (a)示出用(X)2激光器在沒有施加拉力的長飛公司生產(chǎn)的G652B單模光纖中 寫入周期為500 Mm，周期數(shù)為60的傳統(tǒng)LPre的光譜圖(虛線表示)和在施加了 150 g力的 相同光纖中寫入的相同周期相同長度的應力折變型LPre的光譜圖(實線表示)對比圖。圖3 (b)示出用(X)2激光器在沒有施加拉力的康寧公司生產(chǎn)的SMF-28e單模光纖中寫入周期為 520 Mm，周期數(shù)為60的傳統(tǒng)LPre的光譜圖(虛線表示)和在施加了 150 g力的相同光纖中 寫入的相同周期相同長度的應力折變型LPre的光譜圖(實線表示)對比圖?？梢悦黠@看出， 與傳統(tǒng)LPre相比，在寫入應力折變型長周期光纖光柵的過程中，產(chǎn)生了一些新的透射峰。圖4 (a)示出用(X)2激光器在施加了 150 g力的G652B單模光纖中寫入的周期為 500 Mm，周期數(shù)為60的應力折變型LPR；中新產(chǎn)生透射峰的諧振波長和對比度隨著激光器 掃描次數(shù)變化的情況。圖4 (b)示出用CO2激光器在施加了 150 g力的SMF-28e單模光纖 中寫入的周期為520 Mm，周期數(shù)為60的應力折變型LPre中新產(chǎn)生透射的峰諧振波長和對 比度隨著激光器掃描次數(shù)變化的情況?？梢姡斨芷谳^小時，新產(chǎn)生透射峰的諧振波長隨著 激光器掃描次數(shù)變化都向短波方向漂移。圖5 (a)示出用(X)2激光器在沒有施加拉力的長飛公司生產(chǎn)的G652B單模光 纖中寫入周期為630 Mm，周期數(shù)為50的傳統(tǒng)LPre的光譜圖(虛線表示)和在施加了 150 g 力的相同光纖中寫入的相同周期相同長度的應力折變型LPre的光譜圖(實線表示)對比圖。 圖5 (b)示出用(X)2激光器在沒有施加拉力的康寧公司生產(chǎn)的SMF-28e單模光纖中寫入周 期為580 Mm，周期數(shù)為50的傳統(tǒng)LPre的光譜圖(虛線表示)和在施加了 150 g力的相同光 纖中寫入的相同周期相同長度的應力折變型LPre的光譜圖(實線表示)對比圖。圖6 (a)和圖6 (b)示出用CO2激光器在施加了 150 g力的G652B單模光纖中寫 入的周期為630 Mm，周期數(shù)為50的應力折變型LPre中新產(chǎn)生的兩個透射峰的諧振波長和 對比度隨著激光器掃描次數(shù)變化的情況。圖6 (c)和圖6 (d)示出用CO2激光器在施加了 150 g力的SMF-28e單模光纖中寫入的周期為580 Mm,周期數(shù)為50的應力折變型LPTO中 新產(chǎn)生的兩個諧振峰的諧振波長和對比度隨著激光器掃描次數(shù)變化的情況。可見，當周期 較大時，新產(chǎn)生透射峰的諧振波長隨著激光器掃描次數(shù)變化有的向短波方向漂移，有的向 長波方向漂移。
權(quán)利要求
1.一種制作應力折變型長周期光纖光柵的裝置，包括一臺寬帶光源(1)、一個CO2激光 器(2)、一個二軸控制平臺(3)、一個單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置(4)以及一臺光譜分析儀 (5)和一臺電腦(12)，其特征在于所述寬帶光源(1)和單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置(4)分 別安置在所述二軸控制平臺(3)橫向軸的兩端外，而所述CO2激光器(2)安置在二軸控制 平臺(3)的縱向軸的一端外，可實現(xiàn)被加工的單模光纖(10)被夾緊在二軸控制平臺(3)上 呈一直線安置，從而一端連接到寬帶光源(1)，另一端連接到單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置 (4)，CO2激光器(2)的(X)2激光掃描頭(13)垂直接近安置在二軸控制平臺(3)上的單模光 纖(10)；所述光譜分析儀(5)的探測頭接近處于單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置中受軸向拉力 的單模光纖區(qū)段(11)，監(jiān)測光纖的透射譜變化；有一個電腦(12)連接所述CO2激光器(2)， 該電腦(12)控制(X)2激光器(2)的輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作應力折變型長周期光纖光柵的裝置，其特征在于所述單 模光纖可調(diào)軸向拉力裝置(4)的結(jié)構(gòu)是一個移動控制平臺(8)上安裝一個彈簧秤(7)，彈 簧秤(7)的外殼上有彈簧拉力指針和標尺，其標度為(Γ500 g的拉力范圍；彈簧秤(7)的彈 簧拉力端固定在一個圓柱形玻璃棒(6)的下端，被加工的單模光纖在圓柱形玻璃棒(6)上 盤卷數(shù)圈后端部粘貼固緊在圓柱形玻璃棒(6)上，所述光譜分析儀(5)的探測頭接近盤卷 在圓柱形玻璃棒(6)上已受拉力的單模光纖區(qū)段(11)；所述移動控制平臺(8)有一個旋鈕 (9)控制該平臺沿單模光纖軸向移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作應力折變型長周期光纖光柵的裝置，其特征在于 所述CO2激光器(2)的全功率為10 W，所述單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置(4)的拉力范圍為 (Γ500 g，所述圓柱形玻璃棒(6)的直徑為4(T60 mm。
4.一種制作應力折變型長周期光纖光柵的方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作應力 折變型長周期光纖光柵的裝置進行制作，其特征在于制作步驟如下1)將去掉長約5cm涂覆層的單模光纖(10)水平直線狀態(tài)放置在二軸控制平臺(3)上， 并確保光纖軸線與(X)2激光焦斑平行，即先調(diào)好二軸控制平臺與C02激光器的相對位置，使 二軸控制平臺放置光纖處處于C02激光器的掃描焦點范圍內(nèi)；用夾具把這根光纖靠近寬帶 光源的一端夾住；2)對單模光纖(10)施加可任意調(diào)節(jié)的外部軸向拉力，首先，把去掉長約5cm涂覆層的 單模光纖(10)未被夾具夾住的一端緊貼圓柱形玻璃棒(6)環(huán)繞幾圈，即為纏繞在圓柱形玻 璃棒(6)上的光纖區(qū)段(11)，并用膠帶粘牢；最后，通過順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)移動控制平 臺的旋鈕(9)控制移動控制平臺(8)沿光纖軸向正向或者反向移動，繼而使彈簧秤(7)的指 針對準的讀數(shù)從0變大或從某一個不為零的讀數(shù)變到0，達到對單模光纖施加范圍為0到 500 g力之間的任意值的軸向拉力的目的；3)電腦(12)控制CO2激光器(2)輸出功率不大于IW的CO2激光掃描頭(13)掃描放置 在二軸控制平臺(3 )上的被施加了外部軸向拉力的單模光纖(10 )；4)光譜分析儀(5)監(jiān)測每次掃描過程后應力折變型長周期光纖光柵的透射譜的變化， 動態(tài)分析施加了不同軸向拉力的單模光纖(10)中寫入不同周期的長周期光纖光柵的情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制作應力折變型長周期光纖光柵的裝置和方法。本裝置包括一臺寬帶光源(1)、一個CO2激光器、一個二軸控制平臺、一個單模光纖可調(diào)軸向拉力裝置以及一臺光譜分析儀。其中，對光纖可調(diào)軸向拉力裝置包括一個圓柱形玻璃棒、一個彈簧秤(7)以及一個移動控制平臺(8)。移動控制平臺(8)的側(cè)面有一個旋鈕(9)控制平臺沿光纖軸向正向或者反向移動。這對于研究應力折變型長周期光纖光柵的光譜特性與所施加的外部軸向拉力大小的關(guān)系具有簡化操作、提高效率的作用。本發(fā)明屬于光通信領(lǐng)域。
文檔編號G02B6/02GK102116896SQ20111005961
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者劉云啟, 楊丹, 涂文濤, 王廷云, 鄒建 申請人:上海大學