涂覆層對高頻CO2激光刻寫長周期光纖光柵的影響

江柳清, 朱國良, 江 超

(湖北師范學院 物理與電子科學學院，湖北 黃石　435002)

涂覆層對高頻CO2激光刻寫長周期光纖光柵的影響

江柳清, 朱國良, 江 超

(湖北師范學院 物理與電子科學學院，湖北 黃石435002)

摘要：研究涂覆層對高頻CO2脈沖激光刻寫長周期光纖光柵的影響。實驗表明：在帶涂覆層的光纖上刻寫光柵時，光柵的諧振波長、峰值損耗和附加損耗的變化更趨平緩，而且平均損耗更小；涂覆層的存在會提高光柵的機械強度，但會增加刻寫次數(shù)，易造成光柵刻寫位置發(fā)生微小偏移。

關(guān)鍵詞：長周期光纖光柵；高頻CO2脈沖激光；涂覆層；附加損耗

中圖分類號：TN29

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2714(2015)04- 0064- 05

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.013

收稿日期:2015—09—25

基金項目：湖北師范學院2015年研究生創(chuàng)新基金資助;湖北師范學院2015年創(chuàng)新團隊項目資助(T201502).

作者簡介:江柳清(1990—) ，男，湖北十堰人，碩士研究生，研究方向為光電子器件.

0引言

長周期光纖光柵(long period fiber gratings, 簡寫為LPFG)出現(xiàn)于上世紀九十年代，剛問世便受到了人們的極大關(guān)注。對于LPFG的制作方法、理論分析、應用等的研究，產(chǎn)生了諸如紫外光刻法[1]、機械微彎法[2]、電弧放電法[3]、CO2脈沖激光直寫法[4]等LPFG的制作方法，各法制作的LPFG性能各異、各有優(yōu)劣，其中CO2脈沖激光直寫法以其靈活、高效、經(jīng)濟等的特點吸引了相關(guān)人員的注意，在這片領域產(chǎn)生了許多令人興奮的研究成果。通常在用高頻CO2脈沖激光刻寫LPFG時為了提高刻寫效率都會先剝?nèi)ネ扛矊樱欢鴦內(nèi)ネ扛矊拥墓鈻艡C械強度大大降低，在傳感應用領域，因為使用環(huán)境惡劣，要求傳感用光纖光柵具有不同于通信用光纖光柵的光學和機械特性[5]，所以傳感用光柵的刻寫保留涂覆層是有必要的，涂覆層對光柵刻寫的影響的研究也是有實際意義的。本文在實驗的基礎上對這一問題進行了探討，分析了涂覆層對高頻CO2脈沖激光刻寫LPFG的影響。

1長周期光纖光柵的刻寫

1.1　高頻CO2激光器刻寫LPFG的方法簡介

實驗中使用的是一臺CO2激光打標機CT-LEG10，額定功率為10W，激光波長10.64μm，標刻最小線寬0.1～0.2mm，激光掃描速度設置為20mm/s，頻率為5KHz.所用的光纖為標準通信單模光纖，芯徑為9μm，寬帶光源譜寬為1525～1600nm，光譜儀為橫河AQ6370D，測量范圍600～1700nm，精度為0.01nm.刻寫光柵時為了使光纖始終處于水平直線狀態(tài)，光纖一端固定在二維移動平臺上，另一端加掛一個10g的小砝碼。LPFG刻寫示意圖如圖1所示。

1.2　高頻CO2激光器在涂覆層沒有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫LPFG

利用圖1所示的加工裝置，我們在涂覆層沒有剝?nèi)サ膯文９饫w上刻寫了LPFG，光柵周期為Λ=596μm，周期數(shù)為N=38.刻寫時激光器功率取為額定功率的35%，刻寫重復次數(shù)從1～12次。圖2是刻寫12次以后得到的光柵的透過譜，從譜線得出，光柵的諧振波長 λres1=1568.7nm，峰值損耗值A1=-11.68dB，3dB帶寬約為17nm.

圖1　高頻CO2脈沖激光刻寫LPFG示意圖

圖2　高頻CO2脈沖激光在帶有涂覆層的光纖上刻寫的LPFG的透射譜

激光器功率為35%時，在涂覆層沒有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫LPFG，表1為光柵中心諧振波長、透射譜損耗峰幅值、附加損耗隨刻寫次數(shù)變化的數(shù)據(jù)。從表中可以看出，重復刻寫第三次時，透射譜才會出現(xiàn)損耗值，損耗值隨著刻寫次數(shù)逐漸增大，到10次以上就慢慢飽和不再變化了；中心波長隨刻寫次數(shù)變化不大；附加損耗隨著刻寫次數(shù)也逐漸增大，達到7次以上也慢慢飽和不再變化了。

表1　激光器功率為35%時在涂覆層沒有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫LPFG的相關(guān)數(shù)據(jù)

1.3　高頻CO2激光器在剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w上刻寫LPFG

利用圖1所示的加工裝置，我們在剝?nèi)ネ扛矊拥膯文９饫w上刻寫了LPFG，光柵周期為Λ=596μm，周期數(shù)為N=38.刻寫時激光器功率取為額定功率的35%，刻寫重復次數(shù)從1～12次。圖3是刻寫12次以后得到的光柵的透過譜，從譜線得出，光柵的諧振波長λres2=1560.8，峰值損耗值A2=-16.32dB,3dB帶寬約為15nm.

激光器功率為35%時，在涂覆層沒有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫LPFG，表2為光柵中心諧振波長、透射譜損耗峰幅值、附加損耗隨刻寫次數(shù)變化的數(shù)據(jù)。從表中可以發(fā)現(xiàn)，刻寫一次透射譜就出現(xiàn)較大損耗值，說明比帶涂覆層的光纖更容易刻寫；中心波長隨刻寫次數(shù)首先變大，然后慢慢變小，最后達到飽和；損耗值隨著刻寫次數(shù)逐漸增大，刻寫4次就達到最大，然后就慢慢減小了；附加損耗與刻寫次數(shù)沒有什么對應關(guān)系，數(shù)值與帶涂覆層時刻寫光柵的差不多。對比表格1與2，我們發(fā)現(xiàn)在剝?nèi)ネ扛矊拥?/p>

光纖上刻寫LPFG，刻寫4次就能夠獲得與前面刻寫12次一樣的光柵中心波長，但附加損耗更小(1.4dB)，損耗峰值達到-20.66dB.

圖3　高頻CO2脈沖激光在剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w上刻寫的LPFG的透射譜

刻寫次數(shù)中心波長/nm損耗峰幅值/dB附加損耗/dB11554.0-4.421.5621569.5-12.122.6531569.0-21.841.8441568.1-20.661.4051566.2-17.881.3561564.2-17.201.4771562.9-17.160.8781562.0-17.081.1391561.3-16.621.45101561.1-16.261.88111561.1-16.121.95121560.8-16.322.19

2實驗數(shù)據(jù)分析

為了直觀描述涂覆層對光柵刻寫過程的影響，利用刻寫LPFG時的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了對比研究。圖4與圖5分別反映了在同一參數(shù)下兩種光柵的諧振波長和損耗峰幅值隨刻寫次數(shù)的變化情況。從圖4可以看出兩種光柵的諧振波長變化趨勢是一致的，都是最初幾次紅移隨后藍移最終趨于穩(wěn)定，但是帶有涂覆層的光柵要比剝?nèi)ネ扛矊拥墓鈻诺闹C振波長大。

在高頻CO2脈沖激光單側(cè)直寫LPFG時，由于SiO2對10.64um波長處的激光吸收較強，使得透射光的能量沿激光入射方向逐漸減小[6]，由Turan Erdogan的耦合模理論[7]：

最初幾次刻寫時，沉積到芯部的能量所引起的纖芯導模有效折射率改變量要比包層吸收的能量所引起的包層模式有效折射率改變量小，此時其有效折射率差遞減，所以最初都會紅移，繼而包層被劃傷，這時有更多的能量沉積到纖芯，所引起的纖芯導模有效折射率改變量此時比包層模的大，這時它們的有效折射率差遞增，所以波長會藍移，隨著多次刻寫，纖芯導模和包層模的有效折射率改變量趨于飽和，這時波長漂移很小近乎穩(wěn)定。而帶涂覆層的光柵諧振波長大于剝?nèi)ネ扛矊拥模赡苁怯捎谕扛矊拥拇嬖谑沟镁嚯x激光入射點遠的纖芯吸收的能量相較于剝?nèi)ネ扛矊拥那闆r更小，所以才會出現(xiàn)這樣的情況。

圖4　諧振波長隨刻寫次數(shù)的變化關(guān)系

圖5中帶涂覆層的光纖在刻寫過程中其損耗峰幅值的變化明顯的要比剝?nèi)ネ扛矊拥那闆r緩慢許多，且在我們記錄的這12次刻寫中還沒看到其最大峰值的出現(xiàn)，說明涂覆層吸收了部分能量導致在相同情況下需要刻寫更多次才能使之達到最佳耦合狀態(tài)。

圖5　光柵損耗峰值與刻寫次數(shù)的變化關(guān)系

圖6　光柵刻寫過程中的附加損耗值隨刻寫次數(shù)的變化關(guān)系

另外我們對刻寫過程中的附加損耗也進行了對比，圖6表示在帶涂覆層和不帶涂覆層的光纖中刻寫光柵產(chǎn)生的附加損耗值隨刻寫次數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以看出帶涂覆層的光柵在刻寫過程中的附加損耗變化更加平緩，而剝?nèi)ネ扛矊拥墓鈻鸥郊訐p耗變化幅度較大，這也進一步說明了涂覆層的存在會吸收部分入射激光能量，去掉涂覆層會使得光纖對沉積的激光能量的變化更加敏感。

3結(jié)束語

涂覆層作為裸光纖最外面的一個結(jié)構(gòu)，對整個光纖起著保護的作用，它的存在會影響刻寫光柵時的脈沖能量吸收，進而影響著光柵的光譜特性，不過涂覆層能夠加強光柵的機械特性，這在傳感應用中是非常重要的。在高頻CO2脈沖激光刻寫LPFG時，由于光纖涂覆層的存在起著緩沖激光輻照的作用，它會吸收部分激光能量。在帶涂覆層的光纖上刻寫的光柵，光柵的諧振波長、峰值損耗和附加損耗的變化更趨平緩，而且它的平均損耗更小。涂覆層的存在會增加光柵的機械強度，但在相同的功率下需要更多的刻寫次數(shù)才能使之到達最佳耦合狀態(tài)。

參考文獻：

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[7]Turan Erdogan. Fiber Grating Spectra[J]. J Lightwave Technol, 1997,15(8): 1277~1294.

Effect of coat to long-period fiber gratings written

by high-frequency CO2laser pulses

JIANG Liu-qing,ZHU Guo-liang,JIANG Chao

(College of Physics and Electronics，Hubei Normal University，Huangshi435002，China)

Abstract:The effects of coat to long-period fiber grating written by high-frequency CO2laser pulses were studied in the paper. The experiment results showed that long-period fiber gratings written on coated fiber of its resonant wavelength, peak loss and additional loss not only changed smoothly, but also had a smaller average additional loss. Coats of fiber gratings could improve the gratings' mechanical characteristics, but it would need more times to writing, which may make the writing point have a tiny shift.

Key words:long-period fiber grating; high-frequency CO2laser pulses; coat; additional loss