[发明专利]一种光纤包层光栅

说明书

技术领域

本发明涉及一类光纤光栅无源光纤器件。

背景技术

1978年，加拿大的K.O.Hill等人在实验中将波长为488nm的氩离子激光入射到掺锗的光纤中，观察到入射光与反射光在光纤中形成的驻波干涉条纹能够导致光纤纤芯的折射率沿光纤轴向周期性变化，形成了光致光栅。1989年美国的G.Meltz等人利用两束相干紫外光形成的干涉条纹从光纤侧面写入光栅，发明了紫外侧写入技术，形成能够实用的芯内光纤光栅。1993年，K.O.Hill提出了相位掩模成栅技术。同年，P.J.Lemaire等人提出了一种简单而有效的光纤增敏技术——低温高压载氢技术。相位掩模成栅技术与光纤高压载氢技术相结合，降低了光纤光栅的制作成本，使光纤光栅器件逐步走向实用化，也在世界各地掀起了光纤光栅技术及其应用的研究热潮。随着光纤光栅技术的日臻成熟，各种具有不同性能的光纤光栅相继被研制出来。基于光纤光栅的无源，有源器件的不断涌现，使得光纤光栅应用与光纤通信，光纤传感和光信息处理等许多领域。

然而，到目前为止，所有的光纤光栅都是写入到光纤的纤芯。其最基本的物理机理都是在光纤的纤芯中引入周期性的折射率扰动，引起纤芯基模与光纤中其他模式的耦合，从而对光纤中传输的光的波长、振幅、偏振等等产生调制作用。

目前在对长周期光纤光栅的研究表明，在纤芯中存在的光栅也可以对包层中传输的光产生作用，例如，将包层模耦合进纤芯，因此我们认为包层中存在的周期性结构也能对纤芯中的光产生作用，包层光栅的尺寸远大于芯内光栅，因此它的模式变换能力要比芯内光栅大得多，并且包层光栅位于纤芯和光栅外部光场，它能够实现导模与外部光场间直接的模式变换。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的光纤光栅——光纤包层光栅。这种新型的光纤光栅将折射率调制区由纤芯转移到了光纤的包层，形成包层光栅，其模式变换能力远大于现有的芯内光栅。它能实现芯内导模之间，芯内导模与包层模之间，以及芯内导模与光纤外部光场之间的模式变换。同时，也可以在不破坏光纤波导的情况下，实现从光纤到光纤的模式耦合。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种光纤包层光栅，是将光栅写入具有光敏性的光纤包层中。

在光纤的制备过程中，是在光纤包层中掺入10-20mol％的硼，再混合掺锗，直到纤芯折射率大于包层0.05％以上，形成包层光敏的光纤；或在空芯光纤的包层中直接掺入3mol％以上的锗，形成包层光敏的空芯光纤。

所述的光纤，包括空芯光纤、单模光纤或者是其它类型的光纤。

写入光纤包层的光栅结构，包括满足布拉格衍射的短周期光栅、长周期光栅或其它非均匀折射率调制光栅。

本发明的光纤包层光栅的制作方法分为两步：

第一步是拉制出包层具有光敏特性而纤芯不具有光敏性的光纤。光纤光敏性源于纤芯中含有锗(Ge)元素。由于光纤纤芯掺锗，使纤芯的折射率较包层略高，同时在纤芯内部形成Ge-Si键。这种Ge-Si键在198nm、244nm两个波长附近有强烈的吸收带，当用这2个波长的紫外光照射时，引起Ge-Si键断裂，产生折射率变化，从而使掺锗光纤具有光敏性。因此提高纤芯掺锗浓度可以得到光敏光纤。但纤芯掺高浓度Ge又会大大增加纤芯的折射率，破坏光纤的弱导性，因此又需要混合掺硼(B)，以降低纤芯的折射率。因此，一般的光敏光纤是纤芯混合掺Ge和B的光纤。另外，若普通单模光纤放置在高压氢气中作载氢处理，也能提高它的光敏性。拉制包层光敏光纤的生产过程与拉制普通光纤的标准生产过程相比改变了掺杂成分和掺杂浓度，其余工艺二者相同。

第二步是在光纤包层写入光栅，制作光纤包层光栅。光纤包层光栅的写入方法与芯内光栅的写入方法相同。可以采用全息干涉法、相位掩模法、振幅掩模法、逐点写入法、组合写入法等成栅方法来制作不同结构的光纤包层光栅。光栅可以是等间距的短周期光栅、长周期光栅、倾斜光栅、变迹光栅等，也可以是非周期光栅。

本发明的有益效果：本发明的光纤包层光栅，由于包层光栅的尺寸远大于芯内光栅，所以其模式变换能力远大于现有的芯内光栅。它能实现芯内导模之间，芯内导模与包层模之间，以及芯内导模与光纤外部光场之间的模式变换。同时，也可以在不破坏光纤波导的情况下，实现从光纤到光纤的模式耦合。

附图说明

图1是现有技术中纤芯折射率调制光纤光栅；

图2是本发明空芯光纤包层光栅；

图3是本发明单模光纤包层光栅；