一种基于周期纤芯偏移超长周期光纤光栅的制作方法

1.本发明属于光纤传感领域，涉及一种基于周期纤芯偏移超长周期光纤光栅的制作方法。


背景技术：

2.光纤光栅是近几十年发展最为迅速的光纤无源器件之一，随着信息化时代的飞速发展，传感器的应用显得尤为重要。光纤及其光纤传感器的出现为工业发展提供新动力的同时，也推动了信息通信领域的发展速度。其中，光纤光栅传感器的出现引起了研究人员极大的兴趣，光纤光栅是借助一定方法使光纤发生周期性折射率调制而形成的一种光纤结构，具有体积小，回波损耗小、质量轻、制作简单、结构灵活多变等优点。在近几年的发展中，光纤光栅多用于温度、应变、折射率、弯曲等传感参数的测量，同时在光纤放大器、波分复用器、光纤色散补偿等通信领域也应用非常广泛在光纤光栅传感器中。w.bao等人研究了一种包含偏芯定位的光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，fbg)的凹陷包层光纤，其弯曲灵敏度可以达到-124.17db/mm-1
，特殊定位的fbg具有对称的几何形状，因此在识别弯曲方向上有一定的依赖性。s.wang等人制作了一种基于三芯光纤的二维弯曲传感器，上面刻有两种不同的长周期光栅(longperiod grating，lpg)，最大弯曲灵敏度为3.324nm/m-1
。然而，光纤光栅的器件制造很复杂，需要昂贵的高功率激光器，如紫外、飞秒和co2激光器等方法，光纤的结构通常容易受到外部环境变化的影响。同时，一些基于定向耦合器的弯曲传感器已经被研制出。jr guzman-sepulveda等人研究了双芯光纤 (two-core fiber，tcf)设计用作定向耦合器，对于从0-0.2653m-1
的小曲率范围内具有-137.8763nm/m-1
的弯曲灵敏度，耦合参数随着弯曲曲率的变化而改变，光谱也相应改变，虽然灵敏度很高，但需要一根相对较长的光纤(～20cm)，这限制了的实际应用。此外，根据波导耦合机制，需要光纤之间的精确对准以实现完美的相位匹配。近年来，由于制造简单和组装灵活的优势，模态干涉仪作为替代品引起了很多关注。s.zhang等人发明了一种基于mzi的矢量弯曲传感器，它是由熔接方法组成的双锥形光子晶体光纤结构，由于双核的不对称性，可以区分两个相反的弯曲方向，最大弯曲灵敏度为18.29nm/m-1
和-18.13nm /m-1
，但光子晶体光纤价格昂贵且不具有普遍适用性，且偏移结构只能识别正负方向，通常很脆弱。h.gong等人提出了一种基于空芯光子晶体光纤干涉仪的曲率传感器，在0-9.9m-1
的大范围内具有0.232nm/m-1
的弯曲灵敏度，但该结构表现出相对较低的弯曲灵敏度。
3.基于以上背景，本发明提出了一种操作简单且具有较高重复性的光纤制作方法以实现在单模光纤(single mode fiber，smf)上周期性地级联偏移纤芯来制造新的超长周期光纤光栅(ultra-long period fiber grating，ulpfg)。针对不同周期数、不同周期长度和不同纤芯偏移量，采用光束传播法(beam propagationmethod，bpm)建立了基于周期纤芯偏移的超长周期光纤光栅(core-offsetultra-long period fiber grating，co-ulpfg)的仿真模型，为实验奠定了基础。通过仿真结果，最终将参数设置为λ＝2mm，d＝3μm和n＝3，克服了传统光纤弯曲传感器的主要局限性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是，提出了一种操作简单且具有较高重复性的光纤制作方法，从而实现ulpfg微型化、低成本、高重复性的制作，并应用于大范围曲率、矢量弯曲测量。本发明首先采用光束传播法co-ulpfg进行理论仿真分析，研究光栅偏移量、周期长度和周期个数对透射谱的影响，为实验制作奠定了基础。然后搭建光栅制作平台，采用超连续谱光源作为输入光源，利用半自动光纤加工平台进行光栅制作，同时连接光谱仪进行透射谱的实时监测；然后通过改变制作参数，分析各结构参数对透射特性的影响，从而制作出具有较高弯曲灵敏度的co-ulpfg；进而利用所制作的co-ulpfg进行温度和矢量弯曲的传感测量，得到不同方向的弯曲灵敏度和温度灵敏度。
5.其具体步骤如下：
6.步骤1：采用光束传播法对基于周期纤芯偏移的超长周期光纤光栅 (core-offset ultra-long period fiber grating，co-ulpfg)进行理论仿真分析，研究了光栅偏移量、周期长度和周期个数对透射谱的影响，为实验制作奠定基础；
7.步骤2：选择预先编译的程序，设置一个预期的偏移量，将两段剥去涂覆层的光纤放在大直径光纤熔接系统(laser direct structuring，lds2.5)的两端固定，进行对齐校正；
8.步骤3：取一段标准单模光纤(single mode fiber，smf)，其中一端连接超连续谱光源，另一端通过传感接头连接到光谱分析仪上，用于实时监测透射光谱；
9.步骤4：将smf中间大约1cm左右的部分去掉涂覆层，露出裸纤，并使裸纤部分放于lds2.5电极下方，smf的左右两端固定在光纤夹持器上，然后通过光纤直径计算机自动计算出相应的拉力以使光纤保持拉直状态，并在一端粘贴一个标签使其方向垂直向下，测量时以标签方向记录偏移方向；
10.步骤5：切割刀头由计算机控制调出，使其下落在距离光纤适当的位置处，调出切刀垫板使其上升到刚好使光纤贴附于之上的位置，然后点击计算机屏幕上的切割按钮后，光纤被快速切割，此时将切割刀头尽快抬起，避免残余超声振动对光纤切割端面平整度造成影响，最后将切割刀头和切刀垫板分别调整回原来的位置，完成一次切割过程；
11.步骤6：通过三个电极的同时放电将两段切割完成的光纤进行熔接，便得到一个错位结构，通过光谱仪观察光谱形状的变化；
12.步骤7：通过三维位移平台将光纤水平移动一个周期的距离λ，重复上述的步骤5和步骤6，直至光谱仪上可以观察到一个较好的谱形，即为完成一个 co-ulpfg的制作；
13.步骤8：固定光栅的周期λ，调整熔接程序中光纤的偏移量d，通过重复步骤2至步骤7，分别制作出级联错位个数相同、周期相同、四种不同偏移量的co-ulpfg，并分析偏移量变化对其透射特性的影响；
14.步骤9：固定光纤的偏移量d，调整位移平台移动的距离，通过重复步骤2 至步骤7，分别制作出错位个数相同、偏移量相同、三种不同周期的co-ulpfg，并分析光栅周期变化对其透射特性的影响；
15.步骤10：选取一个λ＝2mm，d＝3μm，n＝3的样本co-ulpfg，对其进行温度传感特性的测量，在实验中，将光栅放置在温控箱中，其中一端用光纤夹持器固定，另一端挂坠一个10g砝码，以避免光纤弯曲对透射谱的影响，逐渐改变温度，记录光谱的变化情况；
16.步骤11：对步骤10中所使用的co-ulpfg进行应变传感特性的测量，在实验中，光纤的两端用光纤夹持器固定，并挂坠砝码保持拉直状态，通过光纤夹持器的移动控制施加不同的应变，记录光谱的变化情况；
17.步骤12：通过步骤10获得的不同温度下的光谱变化图和步骤11获得的不同弯曲方向下的光谱变化图，追踪谐振波长的漂移和幅值的变化，计算温度灵敏度和弯曲灵敏度，实现了温度测量和弯曲矢量测量。
附图说明
18.图1是co-ulpfg示意图，图1(a)是co-ulpfg结构示意图，图1(b)是 co-ulpfg错位方向示意图；
19.图2是co-ulpfg实验装置示意图；
20.图3是co-ulpfg随周期个数增加的透射谱演变图；
21.图4是光栅周期长度变化对co-ulpfg透射特性的影响关系图，其中，图4(a)是透射光谱随不同光栅周期长度的变化图，图4(b)是谐振波长变化对光栅周期长度变化的线性拟合；
22.图5是光栅偏移量变化对co-ulpfg透射特性的影响关系图，其中，图 5(a)是透射光谱随不同偏移量的变化图，图5(b)是谐振波长变化对偏移量的线性拟合；
23.图6是co-ulpfg的温度传感特性测量结果图，其中，图6(a)反映谐振峰值随温度变化的情况，图6(b)是谐振峰值中心波长与温度的拟合线性曲线，图 6(c)是幅值与温度的线性拟合曲线；
24.图7是co-ulpfg的弯曲传感特性测量结果图，其中，图7(a)反映了0
°
方向的弯曲传感特性变化情况，图7(b)反映了90
°
方向的弯曲传感特性变化情况，图7(c)反映了180
°
方向的弯曲传感特性变化情况，图7(d)反映了270
°
方向的弯曲传感特性变化情况；
25.图8是co-ulpfg的透射光谱变化拟合曲线，其中，图8(a)反映谐振波长变化量随曲率变化的拟合曲线，图8(b)是幅值变化量随曲率变化的拟合曲线。
具体实施方式：
26.本发明提出了一种基于周期纤芯偏移超长周期光纤光栅(core-offset ultra
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long period fiber grating，co-ulpfg)的制作方法，co-ulpfg的结构示意图如图1所示，其中图1(a)是co-ulpfg的结构示意图，图中的λ为光栅周期， d表示光纤纤芯偏移的距离，即为偏移量。标定光栅的四个方向分别为0
°
、90
°
、 180
°
、270
°
方向，左视图如图1(b)所示。
27.采用光束传播法对co-ulpfg进行理论仿真分析，研究偏移量、光栅周期长度和周期个数对透射谱的影响，为实验制作奠定基础。构建了co-ulpfg的 3d仿真模型，其光栅周期为3mm，偏移量为2.0μm，错位结构数为n＝3。当输入光源最开始进入光栅时所有的能量都集中在纤芯内，没有能量的损耗。当光到达第一个错位结构时，纤芯中的能量部分被激发到包层中，剩余能量继续留在纤芯中传输，在第二个错位结构处，包层中的部分能量会被重新耦合回纤芯中，在第三个错位结构处又有部分能量被耦合出去，该过程验证了光栅的耦合原理，即纤芯中的能量被周期性的耦合出、耦合回。当满足相位匹配条件时，与包层模形成最强的谐振，从而形成光栅透射谱。随着错位结构数的增加，谐振峰值逐渐变深，带宽逐渐
变窄。当三个错位结构时，在1240nm附近出现了一个消光比为21.3db的谐振峰，可用于传感测量。不同的偏移量会导致光栅的耦合模式发生变化，从而影响光栅的光谱特性。对于co-ulpfg，保持光纤的基本参数不变，设定光栅的周期为2mm，光栅偏移量的选择2.0μm、2.5μm、3.0μm、 3.5μm，分别仿真并观察其透射谱的变化，随着光栅偏移量的增加，谐振峰值从 1160nm变化到1320nm，将四种偏移量与谐振峰值中心波长进行拟合，得到其线性关系。固定光栅的偏移量为3.0μm，光栅的栅格设置为1mm、2mm、3mm进行仿真，观察到谐振峰值中心波长随着周期的增大发生红移，表现出较好的线性关系。
28.co-ulpfg制造设置的原理图如图2所示。该装置包括三个部分：波长范围为400nm～1700nm的超连续谱光源(super continuum sources，scs)、分辨率为0.02nm的光谱分析仪(optical spectrum analyzer，osa)和集光纤切割、拼接和移动功能于一体的半自动光纤处理平台(laser direct structuring，lds2.5)。集切割系统和熔接系统于一体的半自动加工平台用来完成光栅切割和熔接操作，整个平台由一台计算机控制。在切割系统部分，通过电脑实时监控，切割系统使用超声波振动来代替传统的刀片，这种切割方法不需要直接与光纤接触，而且切割后的光纤端面更加光滑。在熔接系统部分，选择一个普通光纤熔接程序，编译一个新的错位熔接程序，放电强度为400bits，放电时间为2000ms以适用于错位结构的熔接，结合仿真得到的参数，选择在偏移量2.0-3.5μm范围内进行实验。
29.制作的λ＝2mm，d＝3.0μm的光栅光谱变化随错位结构数n变化的情况如图 3所示。当只有一个错位结构时，光谱有3db左右的损耗，没有耦合峰的出现，当有两个错位结构时，光谱中出现一个大约5db的耦合峰，当有三个错位结构时，在波长1231.6nm处形成一个约26.22db的耦合谐振峰。综上所述，三个错位结构周期性的排列在光纤轴上时，便发生了较强的调制，从而形成较强的耦合，实验结果表明光栅的尺寸仅为8mm，相比于激光器所制作的ulpfg具有更加紧凑的尺寸。
30.透射光谱随光栅周期长度变化的情况如图4(a)所示，结合仿真分析，实验参数选择光栅周期长度分别为1mm、2mm、3mm，固定偏移量为3.0μm，其他仪器参数不变，制作周期长度为1mm、2mm、3mm的光栅样本进行研究，观察其透射光谱并跟踪记录其中心波长的位置。如图4(b)所示，随着光栅周期的逐渐增大，谐振峰向长波方向漂移，并且表现出较好的拟合特性。
31.偏移量变化对co-ulpfg透射特性的影响关系如图5所示，透射光谱曲线随偏移量变化的情况如5(a)所示，分析了不同偏移量对光谱曲线的影响。实验中制作了固定光栅周期长度为2mm，偏移量分别设为2.0μm、2.5μm、3.0μm、3.5μmco-ulpfg的样本，其中偏移量为2.0μm的样本的错位结构数为n＝5，偏移量为2.5μm、3.0μm、3.5μm的样本错位结构数为n＝3。实验结果表明，随着偏移量的增加，谐振峰向长波方向漂移。不同的偏移量具有不同的耦合常数，偏移量越大，耦合能力越强，成栅所需的错位结构数也会不同，对于不同偏移量的谐振峰值中心波长进行追踪记录，具有较好的拟合度，线性拟合曲线如图5(b) 所示。
32.对周期为λ＝2mm、d＝3.0μm、n＝3的co-ulpfg进行温度测试。在实验中，将光栅放置在温控箱中，其中一端用光纤夹持器固定，另一端挂坠一个10g砝码，以避免光纤弯曲对透射谱的影响。温度变化范围为30℃-90℃，记录光谱的变化情况如图6(a)所示，温度升高导致谐振峰波长发生红移，透射峰波谷变深，经线性拟合发现温度与谐振峰的波长、幅值都表现出较好的线性关系。如图6(b) 和图6(c)所示，测得的温度波长灵敏度为80pm/℃，幅值
灵敏度为0.014db/℃。该样本的灵敏度与基于smf的其他ulpfg处于同一水平。
33.对周期为λ＝2mm、d＝3.0μm、n＝3的co-ulpfg进行弯曲测试，首先，测试了光栅在0
°
方向的弯曲特性。每次向内推动移动台2mm，曲率逐渐增加。记录一组数据后，将光栅旋转90
°
的角度步长，重复上述过程。图7(a)-(d)分别显示了相对于0
°
、90
°
、180
°
和270
°
弯曲曲率的透射光谱变化。分别对应于0
°
、90
°
、 180
°
和270
°
四个光栅的方向，在0-7.041m-1的曲率范围内测量co-ulpfg，对于弯曲曲率的透射光谱演变如图7所示。图7(a)显示了当co-ulpfg沿0
°
方向弯曲时谐振波长的蓝移和峰值衰减的衰减，它们的总波动为11.364nm和12.701db，对应的灵敏度分别为-1.834nm/m-1
和-1.633db/m-1
。图7(b)显示了沿90
°
方向弯曲的透射光谱演变。随着曲率的增加，谐振波长和峰值衰减变化不同，它们的总波动分别为-4.230nm和-9.234db，对应的灵敏度为-0.583nm/m-1
和-1.612db/m-1
。图7(c)显示了相对于沿180
°
弯曲方向弯曲曲率的透射光谱演变。谐振波长和峰值衰减的总波动和灵敏度分别为-11.573nm、-12.754db、-1.286nm/m-1
和-1.676db/ m-1
。图7(d)显示了沿270
°
方向弯曲的透射光谱响应。它们的总波动为0.479nm 和10.139db，对应的灵敏度分别为-1.834nm/m-1
和-1.633db/m-1
。图8为光栅在不同方向弯曲时谐振峰值波长和振幅变化对应的拟合曲线。共振峰波长随曲率变化的拟合曲线如图8(a)所示，振幅随曲率变化的拟合曲线如图8(b)所示。
34.本文提出了一种基于周期纤芯偏移超长周期光纤光栅的制作方法，采用理论与实验相结合的方法进行研究。结果表明，实验可以达到预期的效果。研究了光栅偏移量、周期长度和周期个数对透射谱的影响。在0-7.041m-1
的曲率范围内，0
°
、90
°
、180
°
、270
°
方向的弯曲波长灵敏度为-1.830nm/m-1
、-0.583nm/m-1
、
ꢀ‑
1.674nm/m-1
、-0.479nm/m-1
，幅值灵敏度为-1.633db/m-1
、-1.314db/m-1
、
ꢀ‑
1.833db/m-1
、-1.478db/m-1
，实现了较大范围矢量弯曲特性的测量。