帶狀光纖多波長(zhǎng)陣列光柵刻寫(xiě)工藝研究

劉燕燕，姜鳳賢，侯佳鵬，周 寧，武海生

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光電子工程系，秦皇島066004;2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島066004)

引 言

帶狀光纖是將多根光纖緊密排列成平行帶狀，單層或多層分布，每層為四芯、六芯、八芯等，相鄰纖芯間距250μm。此種結(jié)構(gòu)光纖具有光纖密度高、體積小重量輕、光纖易識(shí)別、分路方便等優(yōu)點(diǎn)［1］，可大大提高光纜中光纖的組裝密度和光纜接續(xù)速率，在大容量的光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［2-4］。

光纖光柵具有體積小、波長(zhǎng)選擇性好、易于與光纖系統(tǒng)連接等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中廣泛用作濾波器、波分復(fù)用器、均衡器、色散補(bǔ)償器等［4］，光纖光柵以及基于光纖光柵的器件已經(jīng)成為全光網(wǎng)絡(luò)中理想的關(guān)鍵器件。目前通信系統(tǒng)中常用的方式是將單纖上的光柵采用熔接或者活動(dòng)連接的方式接入系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是接續(xù)費(fèi)時(shí)、占用空間且不可避免地引入較大插入損耗。

本文中研究的主要工作是尋找一種工藝［5-6］，將帶纖和光柵的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，直接在帶纖上實(shí)現(xiàn)陣列光柵的刻寫(xiě)，并且每根光柵的波長(zhǎng)、反射率等參量可根據(jù)需要靈活調(diào)整。此種基于帶纖的陣列光柵可以使光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，連接更加方便，光柵密度更高，插入損耗更低，將大大擴(kuò)展光纖光柵在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

作者研究設(shè)計(jì)了一種帶纖上陣列光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，利用一塊相位掩膜板，實(shí)現(xiàn)了八芯帶纖上陣列光柵的刻寫(xiě)，刻?hào)胚^(guò)程電腦編程控制，自動(dòng)化程度高，并且可靈活調(diào)整中心波長(zhǎng)和波長(zhǎng)間隔以及切趾方式。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。待加工帶纖事先在12MPa下加熱載氫23h，加熱溫度為75℃，之后在帶纖中合適位置剝除2cm長(zhǎng)的窗口，去除涂覆層，小心不要使窗口區(qū)之外的帶纖散開(kāi)，然后利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的帶纖夾具將帶纖兩端分別固定在兩個(gè)電控3維位移平臺(tái)上。準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡反射、柱透鏡聚焦及光闌約束后經(jīng)過(guò)相位模板，對(duì)去掉涂覆層的帶纖窗口區(qū)域的第1根光纖進(jìn)行曝光，待第1根曝光結(jié)束后利用電控3維位移臺(tái)將帶纖向下移動(dòng)250μm，同時(shí)3維位移臺(tái)左右移動(dòng)設(shè)定的距離來(lái)改變施加在帶纖上的拉力實(shí)現(xiàn)光柵波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，進(jìn)行第2根光柵的刻寫(xiě)。這樣逐根在帶纖上刻寫(xiě)符合要求的光柵，直至完成帶纖上所有光柵的刻寫(xiě)。刻寫(xiě)過(guò)程中移動(dòng)固定在1維位移平臺(tái)上的反射鏡和聚焦透鏡進(jìn)行掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的切趾，光纖兩端連接放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission，ASE)光源和光譜儀檢測(cè)光纖透射光譜，對(duì)光柵寫(xiě)入過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

Fig.1 Schematic diagram of system structure

為了消除激光光束對(duì)帶纖中其它光纖的影響，光闌寬度設(shè)定為250μm，每次刻寫(xiě)完1根后帶纖下移1根光纖的位置。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)中使用的193nm波長(zhǎng)紫外光源，250μm光闌不會(huì)產(chǎn)生明顯衍射;另外250μm的寬度是相鄰兩個(gè)光纖纖芯的距離，這樣即使位移平臺(tái)移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)微小偏差，例如偏差幾個(gè)微米或者十幾個(gè)微米，也不會(huì)漏掉要刻寫(xiě)的纖芯，同樣不會(huì)重復(fù)已曝光的纖芯。

實(shí)驗(yàn)中所用光譜儀為日本Ando公司的AQ-6370C型光譜儀，波長(zhǎng)分辨率0.02nm;準(zhǔn)分子激光器為美國(guó)COHERENT公司生產(chǎn)的COMPEX Pro-50準(zhǔn)分子激光器，波長(zhǎng)193nm;3維精密電控位移平臺(tái)為北京微納光科生產(chǎn)的WN301ZA，脈沖當(dāng)量為0.155μm;1維電控位移平臺(tái)為北京卓立漢光生產(chǎn)的SC300-1B型位移平臺(tái)，脈沖當(dāng)量為0.155μm。

2 工作原理

2．1 專(zhuān)用帶纖夾具設(shè)計(jì)

為了采用位移平臺(tái)來(lái)拉伸帶纖，首先需要將帶纖牢固地固定在位移平臺(tái)上，而目前市場(chǎng)上沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的帶纖夾具，為此設(shè)計(jì)了一種可夾持不同寬度帶纖且角度可調(diào)的帶纖夾具。圖2為帶纖夾具實(shí)體圖，夾具采用不銹鋼材料制作，L型底板的兩面均帶有螺紋孔，可以牢固地安放在3維位移平臺(tái)上。其基本原理是通過(guò)帶有自鎖功能的偏心輪的旋轉(zhuǎn)擠壓頂桿，頂桿前移，推動(dòng)前端不銹鋼小塊夾緊帶纖。夾持裝置寬度及角度的調(diào)整可通過(guò)調(diào)整L型板上的不銹鋼小塊的相應(yīng)位置實(shí)現(xiàn)。

Fig.2 Photo of array fiber grating inscription device

由于光柵周期極小(納米級(jí))，因而對(duì)曝光過(guò)程中曝光區(qū)域的移動(dòng)非常敏感，輕微的帶纖滑動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致刻?hào)攀　Ｔ谘芯砍跗冢捎闷叫袏A持面，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)帶纖的滑動(dòng)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，將平行夾持面改為宏彎結(jié)構(gòu)，以增加摩擦阻力。宏彎輪廓曲線表達(dá)式為:

修改后的夾具夾持效果得到很大改善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此種結(jié)構(gòu)既能牢固地夾持帶纖，又能夠保證帶纖涂覆層的完整。

2．2 精確的拉力施加裝置及施加方法

本研究中采用精密電控位移平臺(tái)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖上拉力的改變。實(shí)驗(yàn)中首先刻寫(xiě)中心波長(zhǎng)最大的光柵，之后在原有拉力的基礎(chǔ)上，逐個(gè)增大施加在帶纖上的拉力，從而改變光纖上的拉伸量，直至帶纖上所有光柵的刻寫(xiě)完成。

帶纖上相鄰光柵中心波長(zhǎng)差0.5nm，最長(zhǎng)波長(zhǎng)與最小波長(zhǎng)差3.5nm，此時(shí)尚處于光纖的彈性形變范圍內(nèi)，胡克定律適用，光柵波長(zhǎng)漂移與拉伸量成線性關(guān)系。波長(zhǎng)漂移0.5nm需要的脈沖數(shù)N可按如下公式求得:

式中，L1為帶纖長(zhǎng)度，P為位移平臺(tái)的脈沖當(dāng)量，Λ為模板周期，neff為纖芯有效折射率，這里取1.447。

在將帶纖安裝到3維位移臺(tái)之前，為保證施加在帶纖上的初始力一致，并消除帶纖中不同光纖上的殘余應(yīng)力［7］，需要在帶纖兩端施加一定拉力，實(shí)驗(yàn)中選擇懸掛200g砝碼作為初始應(yīng)力，保證帶纖中各光纖處于相同的初始應(yīng)力狀態(tài)。

2．3 激光與光闌的對(duì)準(zhǔn)

為了保證單根光纖的刻寫(xiě)成功，必須使刻寫(xiě)過(guò)程中紫外光斑恰好只覆蓋單根光纖。實(shí)驗(yàn)中所使用的帶纖是由8根帶涂覆層的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖排列成的光纖帶，整體寬度為 2mm，單根光纖含涂覆層寬度為250μm，即光斑的寬度應(yīng)調(diào)整為250μm以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中在相位模板前添加光闌，調(diào)整光闌寬度為250μm，光闌與模板和光纖平行，正中心與帶纖正中心相對(duì)。為滿足該要求，實(shí)驗(yàn)前在光闌前放置激光筆，保證激光筆出射激光與準(zhǔn)分子激光器的出射激光平行，將帶纖移動(dòng)到帶纖窗口位置(未刮除涂覆層)，調(diào)整狹縫位置，逆著激光筆激光出射方向觀察，若恰好看不到激光筆發(fā)出的激光，則此時(shí)對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)完成。刻寫(xiě)完成第1個(gè)光纖后，只需要將帶纖整體下移250μm即可對(duì)準(zhǔn)下一個(gè)光纖。

2．4 切趾

盡管周期性折射率微擾帶來(lái)模式耦合，進(jìn)而獲得了獨(dú)特的光譜結(jié)構(gòu)，但也會(huì)帶來(lái)激烈的旁瓣振蕩，尤其是當(dāng)反射率比較高時(shí)，此種現(xiàn)象更加明顯［8］。旁瓣振蕩帶來(lái)通信串?dāng)_亂碼，損害通話質(zhì)量，必須加以濾除。實(shí)驗(yàn)中采用漢明切趾對(duì)光纖光柵進(jìn)行掃描切趾［9-10］，其切趾包絡(luò)函數(shù)為:

式中，δ(z)為光纖有效折射率包絡(luò)函數(shù)，δ為光纖有效折射率調(diào)制初值的平均值，H為漢明函數(shù)的控制參量，L2為光柵長(zhǎng)度，本研究中取 H=0．8，L2=13.5mm。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制柱透鏡和反射鏡的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同函數(shù)的切趾。由于位移平臺(tái)限制，柱透鏡和反射鏡的運(yùn)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)曲線的移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)使柱透鏡和反射鏡以分段曲線運(yùn)動(dòng)，調(diào)整各分段的長(zhǎng)度和掃描速度，可實(shí)現(xiàn)近似的漢明切趾，分段越多，切趾曲線越接近設(shè)定函數(shù)。根據(jù)切趾包絡(luò)形狀在切趾長(zhǎng)度(13.5mm)內(nèi)分成7段進(jìn)行掃描切趾，各段的長(zhǎng)度與速度大小如表1所示。

Table 1 Scan parameters of Hamming apodization

激光器的延時(shí)為8s，位移平臺(tái)的延時(shí)為1.5s，掃描程序中加入第1段，保證了同時(shí)開(kāi)啟激光器與位移平臺(tái)時(shí)，激光發(fā)射出的同時(shí)位移平臺(tái)開(kāi)始移動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照前述刻寫(xiě)流程，充分注意刻?hào)胚^(guò)程中的影響因素，成功地在八芯帶纖上實(shí)現(xiàn)了3dB帶寬0.2nm、波長(zhǎng)間隔0.5nm、反射率80% ～85%的陣列布喇格光纖光柵刻寫(xiě)，反射譜如圖3所示，光柵參量如表2所示。

Fig.3 Reflection spectrum of array fiber grating

Table 2 Wavelength and transmissivity of array grating

實(shí)際應(yīng)用中，為了防止光纖光柵斷裂，必須將光纖光柵進(jìn)行封裝保護(hù)。本研究中采用矩形不銹鋼管對(duì)刻寫(xiě)完成后的帶纖進(jìn)行封裝，矩形鋼管由底座和頂板組成，長(zhǎng)30mm、寬3mm、高2.5mm。將帶纖裝入方形不銹鋼管中，兩側(cè)用橡膠頭固定，同時(shí)在橡膠頭處進(jìn)行粘膠處理，最后扣上頂板，室溫下靜置24h即可。為減小外界應(yīng)力對(duì)光柵的影響，封裝過(guò)程中應(yīng)使帶纖保持松弛狀態(tài)。

4 結(jié)論

給出了一種在帶纖上實(shí)現(xiàn)陣列光柵刻寫(xiě)的方法。將帶纖和光柵的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，直接在帶纖上實(shí)現(xiàn)陣列光柵的刻寫(xiě)，并且每根光柵的波長(zhǎng)、反射率等參量可靈活調(diào)整。此種基于帶纖的陣列光柵可以使光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、連接更加方便、光柵密度更高、插入損耗更低，將大大擴(kuò)展光纖光柵在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

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