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余海湖等:光纤光栅在线制备技术研究进展
12001
文章编号:1001-9731(2014)12-12001-05
光纤光栅在线制备技术研究进展
余海湖,郑羽,郭会勇2,姜德生
(1.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室,武汉430070;
2.武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室,武汉430070)
摘要:光纤(布喇格)光栅是一种重要的光纤光学光纤载氢敏化后,剥除光纤上的有机涂覆层,在光纤静
器件,在光纤通信、传感等领域被大量应用。在现阶止的状态,采用准分子紫外激光辐照光纤,形成光栅
段,光纤光栅几乎全部是在光纤静止的状态制备,再将后,进行二次涂敷,再将光栅焊接组成光纤光栅阵列或
光栅焊接组成光纤光栅阵列或网络。这种制备光栅并网络。这种制备光栅并焊接形成网络的方式,效率低
焊接形成光纤光栅网络的方式,效率低、光栅抗拉强度光栅抗拉强度低,不能满足物联网建设的需求。解决
低,不能满足物联网建设的需求。解决这个问题的途这个问题的途径是发展拉丝塔上在线制备光栅技术,
径是发展拉丝塔上在线制备光栅技术。介绍了光纤光即在拉丝塔上,在光纤拉丝过程中,采用紫外激光辐照
栅制备技术的发展历史以及在光纤拉丝塔上在线制备裸光纤,写入光栅后再对光纤进行涂敷。在拉丝塔上
光栅的研究现状。采用相位掩模法在拉丝塔上在线连在线制备光栅,效率高,光栅能保持原始光纤的强度,
续制备光栅,可以制备光栅中心波长一致性、反射率一可以在光纤上连续制备多个光栅并组成光栅阵列,这
致性和光栅谱型一致性均较好的弱光栅阵列,可以用对于构建基于光纤光栅的光纤传感网络有重要意义。
于研制基于全同弱光栅的光纤光栅传感网。
关键词:光纤布喇格光栅;在线连续制备;相位攬幞2光纤布喇格光栅制备技术的发展历史
法;中心波长;反射率;抗拉强度
光纤光栅制备技术发展的历史可大致分为如下
中图分类号:TN253;TB321
文献标识码:A个阶段。
DO1:10.3969/j.issn.1001-9731.2014.12.001
2.1在光纤静止状态下制备光纤光栅
引言
光纤光栅的制备方法有驻波法、全息干涉法、相位
掩模法等。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.
物联网是国家重点发展的战略性新兴产业,物联O.Hill等采用488nm氩离子激光,以驻波法在掺储
网感知技术是《物联网“十二五”发展规划》重点发展的石英玻璃光纤中首次制成了光纤光栅口,开启光纤光
关键技术,光纤传感技术是感知技术的重要分支。光栅发展的大门。1989年,美国联合技术研究中心的
纤传感技术是以光波为信息载体,以光纤为传输媒介,G. Meltz等采用全息千涉法,即利用高强度紫外激光
感知和传输外界被测量信号的新型传感技术,具有抗所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光,对光纤
电磁干扰、灵敏度高、可靠性好、传输距离远等许多优纤芯的折射率进行调制并获得光纤光栅2。全息干涉
点。可以预料,在物联网发展的过程中,光纤传感技术法也称横向写人法。横向写入法的发明使光纤光栅技
将发挥重要作用
术取得了突破性的进展。K.O.Hill等于1993年报
目前被大量使用的光纤传感器主要有光纤陀螺道了相位掩模法。相位掩模板是在石英衬底上刻制
仪、光纤水听器、光纤(布喇格)光栅传感器等。光纤光而成的相位光栅。在制备光纤光栅时,将相位掩模板
栅是光纤纤芯的折射率在光纤轴向被周期性调制所形放在光纤附近,紫外激光通过相位掩模板辐照光纤,在
成的光纤无源器件,实质上是在纤芯内形成的一个窄光纤上形成干涉条纹并在光纤内形成光栅。相位掩模
带滤波器或反射镜。光纤光栅传感器是通过外界参量法也是一种横向写人法。相位掩膜技术大大简化了光
对光栅布喇格波长进行调制来获取传感信息,是一种纤光栅的制作过程。目前在光纤静止的状态,采用紫
波长调制型光纤传感器,其重要特点是可以通过多种外激光辐照光纤制备光纤光栅的技术已经成熟,可以
方式实现复用,易于组成传感网络,在物联网的建设中写人能满足不同要求的光栅。武汉理工大学光纤传感
具有显著优势,因而将会获得更广泛的应用
技术国家工程实验室承担各类项目,采用相位掩模法
在现阶段,光纤光栅几乎全部是在石英玻璃通信批量生产光纤光栅,能满足工程应用的大量需求。
碁金项目:国家自然科学基金重大资助项目(61290311)
收到初稿日期:2014-04-10收到修改稿日期:2014-05-12
通讯作者:余海湖,E-mail:hyu@whut.edu.cn
作者简介:余海湖(1963-),男,湖北鄂州人,博士,教授,从事特种光纤及传感器研究
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2014年第12期(45)卷
激光单脉冲曝光制备光纤光栅
只有武汉理工大学。与IPHT研究所和FBGS公司不
自1978年K.O.Hill等首次制成光纤光栅以来,同的是,武汉理工大学采用的是相位掩模法11
光栅的制备都是在光纤静止状态,对光纤进行多次曝
相位掩模法在线制备弱光栅阵列技术的优
光刻写光栅。美国华盛顿海军硏究实验室的C.G.
势及研究现状
Askins等,改変对光纤进行多次曝光的方法,在192
年首次报道了采用激光单脉冲曝光制备光纤光栅的研
相位掩模法的优势
究结果。他们使用脉冲宽度为20ns的KrF准分子激
目前国外只有德国IPHT研究所和FBGS公司掌
光,采用聚焦透镜、分東镜以及全反镱进行激光分東聚握「在光纤拉制过程中写人光栅的技术,其特点是采
焦,在掺储光敏光纤上形成干涉条纹,单脉冲曝光写入用 Talbot干涉装置。从发表的文献来看, Talbot装置
光栅1,光栅的反射率低于2%,带宽0.1nm,光栅儿是采用分東器将一束光分成有一定夹角的两束光,然
何长度2m,折射率调制深度为3×10-。1993年,后用两块反射镜分别反射两束光,使其相交产生干涉,
英国南安普顿大学的J.L. Archambault等利用多个在光纤上形成干涉条纹从而在光纤中写光栅。这种装
聚焦透镜、分朿镜以及全反镜,在硼掺共锗的高光敏性置实际上还是分光路干涉法,但相对于使用半反半透
光纤上形成干涉条纹,在聚焦能量密度达到25J/cm2镜的分光路干涉法, Talbot干涉装置的结构比较紧湊,
的情况下,单脉冲曝光制备光纤光栅,光栅的反射率达稳定性好。这种装置可以通过旋转两块反射镜的角度
65%,带宽1nm5]。
来改变写人光栅的布喇格波长。由于布喇格波长对反
2.3拉丝塔上在线动态单脉冲曝光制备光纤光栅
射镜的角度非常敏感,波长精度控制在1nm以内则要
在拉丝塔上,在光纤拉制过程中动态制备光栅,目求角度控制精度达到10-rad量级,这需要性能非常
前认为可行的方法是对光纤单脉冲曝光。1993年,L
高的控制设备,同时要求很好的隔振平台和稳定的
Dong、J.1. Archambault等在实现单脉冲曝光制备光作环境。比较而言,相位掩模法对光源的相干性要求
栅的基础上,尝试在光纤拉丝过程中,动态制备光纤光不高,光路系统比较简单,光栅的布喇格波长不受紫外
栅。他们形成干涉条纹的装置没有变化,还是采用激激光器波长的影响,是由光纤的有效折射率和掩模板
光分柬聚焦在光纤上形成干涉条纹的方法,在光纤拉掩模周期决定的,对于指定的光纤和特定的掩模板,相
丝过程中,在光纤涂敷之前写入光栅?。这种在线写关参数是固定的,所制作的光栅的波长是一个稳定值,
人光栅的方式没有剥除光纤涂覆层的过程,避免光纤可以