阵列光栅刻写中光纤滑动规律探索及解决

刘燕燕，刘 磊，张 瑾，齐跃峰，杨绸绸



阵列光栅刻写中光纤滑动规律探索及解决

刘燕燕1,2，刘 磊1，张 瑾1，齐跃峰1,2，杨绸绸1

( 1. 燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛 066004; 2. 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北秦皇岛 066004 )

设计了一套带状光纤阵列光栅的刻写系统，仅利用单一相位模板，就能实现单层带纤上8个不同谐振波长阵列光栅的刻写。借助图像处理的手段，采集刻栅过程中光纤位移的动态图像，以图像中对应像素点的移动情况为检测对象，对光纤滑动现象进行分析，从而掌握光纤滑动规律。为抵抗光纤滑动的影响，自行设计了专用带纤夹具，并对夹持面的材料和结构进行多次改进，实验结果表明，宏弯结构夹持面既能夹持和固定带纤，又能保证带纤涂覆层完整。本研究实现了3 dB带宽0.2 nm、波长间隔0.5 nm、波长偏差小于±0.05 nm、反射率达80%以上的阵列布拉格光纤光栅的刻写。

阵列光栅；带状光纤；图像处理；光纤滑动

0 引 言

带状光纤是将多个单根光纤单层紧密排列或多层有序堆叠在一起形成的扁平光纤带，简称带纤。每带内可有4、8、12或16根光纤，带内相邻光纤间距250 μm或300 μm，为了检修和接续时无误，带内光纤一般要使用色谱以方便识别。直接在带纤上刻写布拉格光栅组，并且每根光栅的波长、反射率等参数可灵活定制，即可构成多波长阵列光栅。此种基于带纤的多波长阵列光栅可以使光纤系统的结构更为简单，连接更加方便，器件密度更高，插入损耗更低，将大大扩展光纤光栅在光纤通信[1-2]、光纤传感[3-5]和光信息处理[6-7]领域中的应用。

但目前基于带纤的阵列光栅刻写理论和工艺国内外研究甚少，还没有相关资料可供参考。我们在刻栅的过程中，遇到一些棘手问题，其中之一就是带内光纤的径向滑动，导致刻出光栅的透射谱出现双峰现象，反射功率下降。因而研究光纤滑动规律，并找到解决的办法是基于带纤的阵列光栅刻写中一个亟待解决的重要问题。

1 基本原理

1.1 光栅刻写系统结构

本研究采用相位模板法在带纤上制作布拉格光栅组[8]，图1为刻栅系统结构图。

图1 阵列光栅刻栅系统结构图

选用8芯单层排布、相邻光纤间距250 μm的带纤。首先，带纤需在12 MPa下载氢23 h，加热温度为65 ℃~85 ℃[9-10]；接着，在带纤合适位置剥除2 cm长的带纤保护套和光纤涂覆层，形成一个敞开的矩形窗口；然后，利用自行设计的专用带纤夹具夹持光纤两端，将其分别固定在两个程控三维精密位移平台上。ArF准分子激光器发出193 nm紫外光束，再经过反射镜反射、柱透镜聚焦和宽度为125 μm的光阑约束后，穿过相位掩模板，对敞开窗口区的第一根光纤进行一定时间的曝光，形成第一个光栅后，程控三维位移台将带纤整体下移一根光纤距离，同时左右移动预设距离来改变施加在带纤上的拉伸力，以此来实现光栅波长的精确定制，而后进行第二根光栅的曝光。重复上述过程，逐根在带纤上刻写符合要求的布拉格光栅，直至完成带纤上所有光栅的刻写。光纤前端连接ASE光源，后端连接光谱仪检测透射光谱，对光栅写入过程进行实时监测。

1.2 阵列光栅波长定制

本研究光栅波长的定制是利用程控位移平台改变施加在光纤上的拉伸力，从而改变光纤的拉伸量来实现的[11]，仅用单一模板即可完成8个不同谐振波长光栅的刻写。为了能够刻写出具有精确谐振波长的阵列光栅，需要计算每根光纤上所施加的拉伸力。带纤水平应力与光栅波长漂移的关系实际上对应的是位移脉冲数与波长漂移的关系。布拉格阵列光栅，要求相邻光栅中心波长间隔0.5 nm，那么8个光栅中，最大与最小中心波长相差3.5 nm，此时光纤仍处于弹性形变范围内，光栅波长漂移与拉伸量遵循线性关系[11]。设为带纤长度，为位移平台的脉冲当量，为模板周期，个脉冲所对应的光栅周期改变量Δ为

因为=2eff，则Δ=2effΔ，可按如下公式求得当波长漂移0.5 nm时，需要的脉冲数量

式中：eff=1.447为纤芯有效折射率，=512 nm，=400 mm。

2 光纤径向相对滑动规律分析

模板价格昂贵，利用单一模板实现多个谐振波长光纤光栅的刻写是光栅制作中一种性价比最大化的做法。但当波长偏移量比较大时，光栅上需承受较大的拉力，此时需要很好地固定光纤，避免其滑动。光纤光栅周期极小，轻微地滑动都会造成光纤谐振波长改变，出现双峰现象，这时反射峰深度不够，反射功率下降，刻栅失败。因而需要寻找和分析光纤的径向滑动规律，然后采取相应措施，以避免或抵抗由光纤滑动造成的影响，提高刻栅成品率。

此种滑动极其轻微且肉眼不可见，而且出现时刻和位置也是随机的，本研究中，在确定光纤滑动规律时，利用图像处理手段，采集刻栅过程中带纤的动态图像，以图像中对应像素点的移动情况为检测对象，然后对其进行分析，从而掌握光纤滑动规律。

以下是两根光纤在不同区间段的位移图像采集和分析处理。图2和图3、图4和图5分别是带纤中白纤和灰纤夹具近端和远端的显微图像、灰度图像和滑动值。图2和图3中图像分辨率1 024´786，取样间隔为1 s。白纤近端距离夹具约2 cm，图像区间段数为1 800~1 859，白纤远端距离夹具约40 cm，图像区间段数为5 818~5 859。

通过观察上两图可以发现，对于白纤，不管是近端还是远端，图2(c)和图3(c)光纤滑动值波动很小，近似为0，即光纤都没有发生滑动。除图2和图3外，分析白纤其他多个区间段的图像，情况都是如此。

我们再观察另一根灰色光纤近端和远端位移图像，如图4和图5所示。相关参数如下：图像区间段数为近端4 302~4 359，远端4 800~4 859。图像分辨率1 024´786，取样间隔为1 s，以此推知每个像素点对应的距离约0.342mm。

由图4(c)和图5(c)可以看出，在33 s、42 s和44 s处，光纤无论是近端和远端，都出现了明显的滑动，最大负向位移值约为150个像素，由式(1)可求出150个像素距离对应的光栅波长漂移约为0.19 nm，此分析结论与实验现象很好地吻合。我们将灰纤近端和远端漂移相关数据整理如表1所示，可以看出对于同一根光纤，不管是夹具近端还是远端，位移的漂移都有类似规律。

图2 白纤图像处理过程(近端)(a) 光纤显微图像；(b) 光纤灰度图像；(c) 光纤滑动值

图3 白纤图像处理过程(远端) (a) 光纤显微图像；(b) 光纤灰度图像；(c) 光纤滑动值

在不同批次带纤上多次截取样本，重复上述过程，实验现象类似。继续研究发现，造成这种滑动的主要原因是由于组成带纤的单纤在拉丝过程中芯径的微小差异所引起的，芯径较细者，容易滑动。

图4 灰纤图像处理过程(近端)(a) 光纤显微图像；(b) 光纤灰度图像；(c) 光纤滑动值

图5 灰纤图像处理过程(远端)(a) 光纤显微图像；(b) 光纤灰度图像；(c) 光纤滑动值

表1 灰纤位移纤维图像数据

3 专用带纤夹具设计及改进

确定滑动的原因和规律以后，对带纤夹具进行改进，重点包括夹持面材料选择和形状设计。为了能将带纤两端固定在位移平台上，不出现光纤滑动，我们需要一种夹具，但目前市场上没有针对带纤的夹具，因此自行设计了一种专用的带纤夹具。刻栅初期，夹持面采用铝合金材料的平面结构，时常出现带纤中某一光纤滑动的现象，当加大夹持力度时，又会造成带纤外包层破裂、挤压变形和光纤碎裂等问题。在此首先选取毛玻璃、黄铜、塑料、橡胶等作为夹持面材料，为了增加摩擦力，对夹持面进行打磨使其粗糙度增加的处理，但上述方法都不是很理想。

图6 布拉格阵列光栅透射谱

其次，考虑到宏弯结构可以将光纤所受拉伸力分解到克服夹持力和摩擦力两个方向，这样对抗光纤滑动效果会更好，实验结果表明，当夹持面采用正弦型弧度轮廓时，带纤夹具夹持力选择范围宽，既能牢固夹持带纤，又不会使光纤及包层受损，很好地解决了困扰我们的这一难题。改进后的带纤夹具夹持面宏弯轮廓曲线表达式为

4 实验结果

本研究成功地在单层排布8芯带纤上刻写出3 dB带宽为0.2 nm、波长间隔为0.5 nm、反射率超过80%的阵列布拉格光纤光栅，图6为光谱仪测得的阵列光栅透射谱，光谱仪扫描精度0.05 nm。由图可以看出，波长偏差小于0.05 nm，透射率偏差小于1 dB。

5 结 论

本研究首次利用光纤显微图像处理方法，采集刻栅过程中带纤的动态图像，然后对图像进行处理和分析，获得图像中对应像素点的移动情况，确定在带纤上刻写阵列光栅时光纤滑动规律。自行设计专用带纤夹具，夹持面采用正弦型弧度结构，实验结果表明此种结构既能牢固地夹持带纤，又能够保证带纤涂覆层完整。带纤夹具对抗光纤滑动效果非常好，解决了这一困扰我们很长时间的难题，成功在8芯带纤上刻写出布拉格阵列光栅。根据我们掌握的材料，这是第一次利用图像处理方法研究刻栅时光纤滑动问题。

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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

国家自然科学基金资助项目(61275093)；河北省自然科学基金资助项目(F2015203277，F2016203389)；河北省高层次人才项目(C2015003053)

刘燕燕(1972-)，女(汉族)，辽宁海城人。副教授，博士，主要研究工作是光子晶体光纤及器件。E-mail: liuyanyan@ysu.edu.cn。