光纤布拉格光栅写制技术研究
摘要：光纤光栅广泛应用于光纤传感和光纤通信领域，不同的应用场合对光纤光栅的特征参量提出了不同的要求。本文通过调节光纤光栅相位掩模法制作参数，测定不同参数对光纤光栅光谱特性的影响规律并分析其原因，进而通过写制参数控制光纤光栅的光谱形状，对制作确定光谱参数的光纤光栅具有指导意义。
关键词：光纤光学；光纤光栅；制作技术
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0092-03
1 引言
相位掩模法[1]是制作光纤布拉格光栅最常用的方法，在商业化的大批量生产中，一般通过制作大量光纤光栅，从中选取符合设计要求的使用。对于大规模光纤光栅传感阵列[2-4]，需要在单根光纤上制作多个具有确定性能的光纤光栅，这需要精确控制制作参数以保证写制光纤光栅的性能符合设计要求。光纤光栅新型器件[5-12]的制作需要将光纤光栅写在不同的波导结构上，同样需要对光栅写制参数的精确控制，因此，研究光纤光栅写制参数对其性能的影响规律具有重要的实用价值。
本文通过分析影响光纤光栅光谱特性的主要参数，搭建光栅写制实验测试平台，通过调节准分子激光器的重复频率、脉冲能量、曝光时间及改变待刻栅光纤两端的预应力，测试写制参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，为写制确定光谱特性的光纤光栅以及光纤光栅写制过程中的调整提供指导。
2 写制参数控制实验
实验采用248nm准分子激光器曝光相位掩模板写入法，图1就是相位掩模法制作光纤光栅的示意图。
通过相位掩模法制作光纤光栅的工艺过程分析，有一些工艺制作因素对实际制作的光纤光栅性能影响颇为明显，我们选取准分子激光器的脉冲能量、重复频率和曝光时间、施加在光纤两端的预应力等写制参数作为研究对象，搭建光纤光栅制作系统，测试上述参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，实验测试及分析过程如下：
2.1 曝光能量
?x用载氢三周的普通抗弯光纤作为研究对象，写入光栅长度6mm，设定准分子激光器脉冲重复频率10Hz，光纤两端施加恒定0.5N的预拉力，用同一块相位掩模板，依次调节激光器输出能量为19kv、22kv、26kv、30kv，测试不同脉冲能量下写入光栅的特性差异。
从写制过程可看出，随着脉冲能量增大，刻写相同反射率光纤光栅所需的曝光时间减少，所能达到的最大反射率增大。由图2可得，随着脉冲能量增大，写入光纤光栅的中心波长红移，3dB带宽展宽，同时透射峰顶部出现明显的不平坦并展宽。
可见较大能量写制光纤光栅时，写入速度快，较易达到饱和状态，出现这一现象的典型特征是透射光谱中透射凹陷的顶端变得不平坦且明显展宽，同时出现各种杂乱的线谱。因此当折射率调制深度较大时，应采用较小能量写制光纤光栅以获得完美的谱形，而且达到所需的反射率后应立即停止曝光，避免过度曝光导致反射光谱饱和、展宽、不平坦。
2.2 脉冲频率和曝光时间
待写入光栅的光纤类型不变，写入光栅长度6mm，准分子激光器输出能量为26kv，光纤两端施加恒定0.5N的预拉力，改变写制曝光时间，测试不同曝光时间下写入光纤光栅的特性差异。
如图3所示，左侧第一个最小的透射凹陷为曝光100个脉冲得到的光纤光栅透射光谱，每曝光100个脉冲测试一次透射光谱，从左到右的透射凹陷逐渐增大的透射光谱依次为100-1000个曝光脉冲得到的10个光谱。比较10个透射光谱，可看出随着曝光时间增加，写制光纤光栅的中心波长红移，反射率增加，3dB带宽展宽。
2.3 预拉力
设定准分子激光器输出能量26kv，其它条件不变，改变光纤两端施加的预拉力值，实验设定值为0.1N、0.5N，测试不同预拉力条件下写入光纤光栅的特性差异。
从写制过程可看出，预拉力大光栅写入速度快。由图4可得，预拉力越大，所写制光纤光栅的中心波长越小，两种不同预拉力下写制的光纤光栅中心波长相差0.605nm，0.5N预拉力下写制的光纤光栅基本达到饱和，反射率高，带宽大，而0.1N的还没有达到最高反射率。因此在制作光纤光栅时，要精确控制光纤两端施加的预拉力。分析其原因在于：同样的光纤长度受不同大小的预拉力作用时，大的预拉力会获得大的应变，对光纤光栅写制过程而言，写入周期是相同的，预拉力释放后光纤恢复原长度，应变大的恢复后周期会较小，因此其波长会向短波方向漂移。
3 结语
光纤光栅因其优异的性能在光纤传感和光纤通信领域得到了广泛应用，其光谱谱形的精确控制对发挥其优势具有重要意义。本文选取准分子激光器的脉冲能量、重复频率和曝光时间、施加在光纤两端的预应力等写制参数作为研究对象，得到了写制参数对光纤光栅光谱特性的影响规律。从写制过程看，曝光能量越大，写入速度越快；预拉力越大，写入速度越快。从写制光纤光栅的光谱特性看，曝光能量越大，曝光时间越长，中心波长红移，带宽展宽，反射率增加。预拉力越大，中心波长蓝移，带宽展宽，反射率增加。在制作光纤光栅时，可根据不同光纤光栅特性需求设计相应的写制参数，也可根据需求在写制过程中对光纤光栅进行调整。
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