Bragg波长精确调控的光纤光栅刻写方法与实验

张天华，赵 鸿，朱 辰，李 尧，张 昆，张利明，王雄飞，张浩彬，郝金坪

(固体激光技术重点实验室，北京100015)

1 引言

在光纤通信和传感系统以及光纤激光器的许多应用中，光纤布拉格光栅已被确认为是其中至关重要的器件，与其他“竞争”技术相比，光纤光栅具有全光纤结构、低插入损耗、高反射损耗或消光比，以及潜在的低成本优势。而光纤光栅的最突出特点在于它能够灵活的实现所需的光谱特性，通过调整变化光纤光栅的物理参数，包括折射率变化量、光栅长度、切趾、周期啁啾、条纹排布等［1－2］。

光纤光栅的这些重要特性的实现，很大程度上取决于光纤光栅刻写技术。而目前发展最成熟，应用最广泛的光纤光栅刻写方法无疑便是掩模板法。本文提出了轴向拉力控制实现中心波长精确调控的光纤光栅刻写方法，在相位掩模板法刻写光纤光栅的基础上实现光纤光栅Bragg波长在0～4.657 nm范围内连续可控的光纤光栅刻写。

2 原理分析

根据光纤光栅的模式耦合理论［3－4］，光纤光栅的Bragg波长λB可以表示为:

其中，neff为基模的在纤芯传输的有效折射率;Λ为光纤光栅的周期。光栅周期Λ的变化和有效折射率neff也产生变化。应力引起的光纤光栅中心波长漂移 ΔλB可以表示为［5］:

假设光纤光栅所受轴向力的变化量为F，那么F引起光纤轴向应变为:

其中，E为光纤的杨氏模量;S=πr2为光纤的横截面积。

应力以及弹光效应引起neff的变化量Δneff可以表示为:

其中，P11和P12为弹光系数;v为泊松系数;ε为轴向应变。

由上式可以得到到应力对光纤光栅中心波长漂移总的影响为:

在石英光纤中，P11≈0.113，P12≈0.252，v≈0.17，掺 Ge纤芯的折射率约为1.46，可知 Pe≈0.22;F为光纤轴向拉力;E为光纤的杨氏模量;r为光纤的半径。E≈72900 N/mm2，r=65μm，可以得到理想状态下在1070 nm附近轴向拉力变化量F与光纤光栅中心波长漂移ΔλB的关系［6］，如图1所示。

图1 拉力变化量与光栅中心波长漂移关系

3 实验结果与分析

3.1 实验装置

实验所采用的方案与设备基本上如图2所示。其中激光器是波长为248 nm的准分子激光器、平凸柱面镜、光阑、相位掩模板、电动位移平台、光纤加持装置等。激光器发出的紫外激光经过透镜系统聚焦成细线光束，经光阑选取区域与长度后透过相位掩模板照射在掩模板后的光纤上，所用光纤为经过载氢处理的10/130双包层光纤，光纤通过固定在电动位移台上的两个光纤夹持装置，通过控制电动位移台来控制刻写光纤光栅的长度，加入连接在ASE宽带光源上的光纤环形器用以观测光纤光栅的反射谱，而透射谱可以直接接光谱仪观测。图2中有一个拉力传感器，它的作用便是用于精确控制施加在光纤上的拉力。

图2 实验制作方案

所用的均匀相位模板是固定不变的，其对应的Bragg波长就是λD=Λneff。在制作光栅前，给光栅轴向施加一定的拉力，刻写上光栅后在释放拉力，会向短波长漂移。在刻写光路不变以及相同的曝光量下，精确控制拉力的大小就可以得到想要的中心波长。

3.2 实验结果

实验中通过拉力传感器调控在光纤上施加的轴向拉力，刻写了中心波长分别为 1072.955 nm，1071.516 nm，1070.917 nm，1069.863 nm，1068.298 nm的五支光纤光栅，拉力传感器上显示的拉力值分别为1.5 N，2.15 N，3.28 N，5 N。图 3 为其中的 4 个反射谱，从图中可以看出反射谱中心波长的漂移。

图4为施加在光纤上的轴向拉力与Bragg波长漂移量的关系图。其中实线为理论曲线，星点为实验数据，虚线为实验拟合曲线，可以看出实验拟合曲线与理论曲线较为相近。实际制作的光纤光栅的Bragg波长漂移略大于理论值，这主要是因为对光栅施加的拉力转化为拉力传感器所接收的拉力这一过程是有所损耗的，另外就是拉力传感器的校准存在一定的误差。但这些因素可以归结为系统固有误差，依靠实验数据可以得到该系统下的经验曲线，以此方法进行实施能得到我们想要的实验结果。

图3 实验制作的光纤光栅反射谱

图4 轴向拉力与Bragg波长漂移的关系

4 结论

利用轴向应力对光纤光栅刻写的的影响特性，在同一块相位掩模板下刻写了反射谱中心波长分别为 1072.955 nm、1071.516 nm、1070.917 nm、1069.863 nm、1068.298 nm的五支光纤光栅。拉力传感器的巧妙应用让实验进入到了精确控制状态，另外，我们知道，即使我们设计的Bragg波长是能与相位掩模板板相对应的，根据模式耦合理论［4］，在不同的折射率调制深度下Bragg波长依然会有一定的长波漂移。因此本文所用的方法对与大多数均匀光纤光栅的刻写都是很有用，而且操作方便简单。

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