基于波片棱镜组合能量调节的切趾光纤光栅

郑钟铭, 国 旗, 吴 娜, 于永森, 李文昊

(1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033； 2. 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

0 引 言

光纤光栅由于具有体积小、波长可选择性、抗电磁干扰、全兼容于光纤等优点[1-4], 且其谐振波长对温度、应变等物理量变化敏感, 所以广泛应用于光纤通信和传感领域[5-6]。自从20世纪70年代光纤光栅技术发展以来, 随着对其研究投入的加深, 光纤光栅的制造技术和应用领域不断扩大, 人们根据需要可制备出各种参数类型的光纤光栅[7-8], 满足光纤通信和传感领域的各种发展需求, 使其成为最主要的光纤无源器件之一。

在光通信领域中, 光纤光栅由于波长选择性好, 可灵活设计光栅使用参数, 因此可作为宽、窄带的各类带通、带阻滤波器使用。其中均匀布拉格光纤光栅具有较窄的反射频带, 可根据需要制备不同反射率的光栅。但当反射率较高时, 会产生较大的旁瓣, 造成相邻信道相互串扰。同时在光纤传感和光纤激光领域, 高反射率光栅带来较大旁瓣的光谱效果, 会增大系统解调难度以及降低激光脉冲的选择性。人们发现对光栅周期或折射率进行切趾型函数的调制可有效抑制旁瓣振荡[9-10]。研究光纤光栅切趾优化光谱的方法, 以获得良好的旁瓣抑制, 对提升光纤光栅的性能, 推动其在光纤通信和传感领域的应用发展具有重要意义[11-12]。目前, 已有多种光纤光栅的切趾技术方法, 例如： 切趾相位掩模版法、扫描法、多次曝光法和利用紫外脉冲相干写入切趾光纤光栅法等[13-16]。受限于实际情况和条件, 以上方法大部分基于全息相位掩模制作光纤光栅, 均有各自优缺点, 例如掩模版价格昂贵、光栅周期固定或需要复杂稳定的光路等。此外基于这几类方法制作的UV(Ultraviolet)诱导光栅通常光栅长度大于5 mm, 在传感领域还会受到传感区过长, 受感应区不均匀而产生啁啾现象, 因此根据实际应用情况和参数要求, 需选用合适的切趾技术方法。飞秒激光具有超短脉冲宽度和高峰值功率等优势, 可作为一种极佳的光学微纳加工手段, 并已应用于光纤光栅加工中[17-19]。超快飞秒激光能在透明介质材料中诱导永久性的折射率变化, 因此飞秒光纤光栅具备极佳的热稳定性。对石英光纤光栅, 可在800 ℃的高温条件下保持光谱性质稳定, 能满足一些极端环境的应用, 如高温传感和高功率激光输出等[20-23]。Williams等[9]提出一种飞秒激光斜向切趾的方法, 通过精确控制聚焦的激光脉冲在光纤纤芯中的位置, 使脉冲激光作用的折射率调制区域在纤芯中实现均匀斜向分布, 从而实现纤芯中间耦合效率最高, 接近纤芯边缘耦合效率逐渐降低的切趾效果。但该方法需要实时调节物镜聚焦深度或轨迹移动角度, 会带来一定的结构不对称性, 在制备反射率为85%的切趾FBG(Fiber Bragg Grating)时, 边模抑制比为12 dB。

笔者提出了一种使用飞秒激光制备切趾光纤光栅的新方法。通过将二分之一波片与格兰棱镜组合的方法控制飞秒激光脉冲能量, 在逐点刻写光栅的过程中, 通过程序控制步进电机, 调整二分之一波片的旋转角度和速度, 调制写入光栅过程中的激光脉冲能量, 使沿光纤方向上折射率调制幅度符合切趾型函数分布, 从而实现切趾光栅的效果。测试表明, 制备高反射率切趾FBG时, 仍然具有较高的边模抑制比, 同时具有较高的温度和应力灵敏度以及稳定性。

1 原理及制备过程

光纤光栅可视为介质内部存在周期性折射率变化的体光栅, 其纤芯内部的有效折射率分布沿光纤方向可以表示为[22]

(1)

其中neff为纤芯的有效折射率, Δn(z)为纤芯有效折射率变化包络函数,ν为条纹可见度,Λ为光栅周期,φ(z)可描述光栅啁啾量。

切趾光纤光栅折射率调制的包络函数振幅沿光纤方向一般呈钟罩形函数包络。几种典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数和升余弦函数, 其函数表达式分别如下[22]

(2)

Δneff(z)=Δneffexp[-ln2(2z/W)2n]

(3)

(4)

其中W为半高全宽(FWHM: Full Width at Half Maximum)。

以高斯分布函数为例, 当半高峰宽度一定时, 纤芯有效折射率neff沿光纤方向调制如式(1)所示, 即可获得高斯型切趾光栅效果。在实际加工过程中, 通过旋转半波片, 控制激光脉冲能量, 配合调整平台移动速度, 使纤芯内部折射率调制深度如同式(1)。

飞秒激光逐点法制备切趾光纤光栅的原理图如图1所示, 加工系统组成主要包括： 1) 1 030 nm飞秒激光器； 2) 倍频晶体； 3) 半波片和格兰棱镜； 4) 聚焦系统(Olympus, 60倍物镜/数值孔径1.42)； 5) Aerotech气浮平台； 6) CCD(Charge Coupled Device)成像系统。基本原理是通过BBO(β-BaB2O4)倍频晶体将1 030 nm飞秒激光倍频为515 nm, 在光路中将二分之一波片固定在通过上位机控制的机械旋转支架上, 可改变激光偏振态, 同时和格兰棱镜组合控制激光脉冲输出能量。在物镜前方使用功率计标定出二分之一波片旋转不同角度下的激光脉冲能量。在二分之一波片旋转过程中, 激光能量会从最低逐渐升高到最高, 再逐渐降低为最低状态。通过上位机程序输入函数模型, 精确调节步进电机速度, 机械旋转二分一波片位置, 实现激光能量类高斯型函数分布效果。配合气浮平台移动速度, 可在纤芯中间调制出折射率切趾效果, 从而可灵活设计制备出周期和反射率可调的切趾光栅。

图1 逐点刻写技术制备切趾光纤光栅的装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the device for preparing apodized fiber gratings by point-by-point inscription technology

飞秒激光直写采用Light Conversion公司Pharos高功率飞秒泵浦激光器。Pharos是单一集成飞秒激光系统, 拥有毫焦耳脉冲能量和高平均功率。激光工作波长1 030 nm, 脉冲宽度2.9×10-13s, 重复频率可调, 最高可达1 MHz。通过倍频晶体BBO可将1 030 nm激光倍频为515 nm, 本实验采用的重复频率为400 Hz, 单脉冲能量为80 nJ, 激光经过60×奥林巴斯油浸物镜(NA=1.42)聚焦到被放置在Aerotech气浮平台上的标准单模石英光纤中(SMF-28e), 聚焦到纤芯的激光光斑直径大约为500 nm。三维平台移动速率为0.428 4 mm/s。通过程序输入切趾函数模型, 机械控制二分之一波片旋转速度, 改变激光线偏振态的旋转角度和速度, 使经过格兰棱镜的激光强度呈现切趾函数分布效果。

根据FBG的相位匹配条件[7]

mλB=2neffΛ

(5)

其中m为光栅阶数,λB为FBG中心波长。制备的切趾FBG光栅周期Λ=1.071 μm, 光栅阶数m=2, 获得的FBG中心波长λB在1 550 nm左右。可通过光纤耦合器、NKT Photonics超连续谱光源和AQ6370D光谱仪组合成光谱测试系统, 测试FBG的反射光谱和透射光谱。

为清晰看出切趾与未切趾光栅的区别, 分别制备出了长度为55 μm的切趾和未切趾的FBG, 显微照片对比如图2所示, 可观察到超高峰值功率密度的飞秒脉冲聚焦到纤芯内部形成了周期性、局域化和损伤性的折射率调制。图2a中未切趾的FBG, 相同激光能量对纤芯折射率调制部分呈均匀周期分布。图2b中的切趾FBG, 由于在机械旋转二分之一波片过程中, 激光能量呈类高斯函数分布, 中间能量最高, 由中间向两侧能量逐渐变低, 作用在纤芯中的脉冲能量呈现类高斯函数分布, 即沿光纤周期方向上的折射率调制强度类高斯函数分布。由图2b可观察到在长度55 μm的切趾FBG两端折射率调制弱于中间, 切趾FBG两端折射率调制深度最低, 而中间区域调制深度最大, 光栅对比度最明显。

a 未切趾FBG b 切趾FBG图2 制备的FBG的显微照片Fig.2 Micrograph of the prepared FBGs

图3 切趾FBG和未切趾FBG的透射和反射光谱Fig.3 Transmission and reflection spectra of apodized FBGs and unapodized FBGs

切趾前后的FBG光谱如图3所示。加工时设定的FBG谐振波长在1 550 nm处, 由于光纤夹具对光纤具有轻微拉伸作用, 制备完成后应力释放, 引起FBG谐振波长轻微漂移, 最终得到的λB在1 549.15 nm处。由图3可看出, 制备相同反射率的光栅, 采用该方法获得的切趾FBG边模抑制比远大于未经切趾的FBG, 切趾后边模抑制比达到23 dB, 半高峰宽度为0.35 nm, 反射率为70%, 同时在1 550 nm附近的插入损耗仍小于1 dB, 这表明该切趾方法制备高反射率光栅时未引入大的插入损耗。

2 传感响应测试及分析

对制备的切趾FBG分别进行温度和应力的传感特性研究。首先进行高温退火过程, 将切趾FBG放置于高温炉中, 从室温升高至800 ℃并维持2 h, 然后冷却至室温, 该过程是为了消除切趾FBG制备过程中不稳定结构以及残余应力。退火后的反射峰强度会有轻微减小, 主要是由于退火过程擦除了一部分低折射率调制深度的不稳定的光栅, 最后保留了稳定的Ⅱ型耐高温光栅。然后以10 ℃/min的速率进行升温, 每升高100 ℃, 恒温15 min, 并记录一次光谱数据, 直至升温到800 ℃。在室温25～800 ℃范围内, 一共记录了9个光谱数据, 切趾FBG谐振波长λB随温度变化的漂移曲线如图4所示。

a 谐振波长随外界温度变化的漂移曲线 b 谐振波长和温度的线性关系图4 切趾FBG温度响应特性Fig.4 Temperature response characteristics of apodized FBGs

由图4a可见, 随着温度升高, 由于光纤的热膨胀效应和热光效应, 光纤光栅周期和纤芯有效折射率发生变化, 切趾FBG的谐振波长λB向长波方向漂移, 其温度灵敏度为1.529×10-2nm/K(R2=0.999 7)。结果表明该切趾FBG可以在800 ℃的高温环境中稳定工作, 具有很好的温度灵敏度和稳定性。

将切趾FBG放入应力测试装置中, 每增加0.1 N记录一次光谱, 直至增加到1.0 N, 共计获得11个光谱数据, 其谐振波长λB随应力变化的漂移曲线如图5所示。

a 谐振波长随外界应力变化的漂移曲线 b 谐振波长和应力的线性关系图5 切趾FBG应力响应特性Fig.5 Strain response characteristics of apodized FBGs

由图5a可见, 随着应力增加, 切趾FBG的谐振波长向长波方向漂移, 其应力灵敏度为1.61 nm/N(R2=0.999 8)。该方法制备的切趾FBG温度和应力传感特性与之前报道的单模石英飞秒FBG温度和应力灵敏度基本在同一数量级。

3 结 语

笔者提出了一种基于二分之一波片和格兰棱镜组合的方法制备切趾FBG, 该方法通过旋转二分之一波片调节激光线偏振态, 从而改变通过格兰棱镜的出射激光强度, 改变逐点刻写光纤光栅过程中不同位置折射率调制幅度, 在沿光纤方向上折射率调制幅度符合切趾型函数分布, 实现了切趾光栅的效果。在制备的光栅反射率为70%时, 边模抑制比达到23 dB, 半高宽0.35 nm, 插入损耗小于1 dB。这种切趾FBG还具有很好的高温稳定性, 得到的温度和应力的灵敏度分别为1.529×10-2nm/K和1.61 nm/N。该光栅可应用于大功率、窄线宽的光纤激光器以及高速精确传感解调系统中。