[实用新型]折射率沿光纤轴向调制的超长周期光纤光栅

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种沿光纤轴向进行折射率调制的超长周期光纤光栅，该光栅具有高的折射率调制深度且性能稳定，可根据需要设计周期、调节占空比并控制高阶模式的位置及数量，适用于光纤通信和光纤传感，属于光纤技术领域。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中形成的一种空间周期性折射率分布，这种结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。根据光纤光栅写制的周期与折射率分布的不同，光纤光栅透射谱在特定波长处将形成损耗峰。通过外界环境（如温度、应力、应变、压力、位移、曲率、压强、速度、加速度等）与光纤光栅的作用可以实现多点监测。光纤光栅已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域。

目前，写制光纤光栅一般采用紫外曝光法和二氧化碳激光法，其主要技术特征在于光纤中的折射率调制是沿垂直与光纤轴向进行的，即光栅平面的波矢量方向与光纤轴向一致。这种写制技术的不足之处在于光栅成栅区域狭小，改变占空比困难，并且成栅效率相对较低。因此，探索光栅写制新方法、开发新技术，对提高成栅质量和效率、研制新型光纤光栅并用于光纤传感和光纤通信具有重要的实际价值。

本实用新型是利用高频二氧化碳激光脉冲沿光纤轴向写制形成的新型超长周期光纤光栅，该光栅具有高的折射率调制深度且占空比可调。这种新型光栅可以写制在纤芯内或包层中，也可写在纤芯内与包层的交界位置。根据实际需要，可以设计、写制沿光纤轴向调制的周期均匀超长周期光纤光栅或者非均匀超长周期光纤光栅。这种超长周期光纤光栅性能稳定，可用于光纤通信和光纤传感。检索结果表明，目前尚没有采用高频二氧化碳激光脉冲进行轴向写制形成的新型超长周期光纤光栅的专利报道。

发明内容

本实用新型的目的旨在设计并实现一种沿光纤轴向写制形成的新型超长周期光纤光栅，该光栅具有高的折射率调制深度，占空比可调且性能稳定，可根据需要设计周期、调节占空比并控制高阶模式的位置及数量，适用于光纤通信和光纤传感。

本实用新型提供的折射率沿光纤轴向调制的超长周期光纤光栅，该光纤光栅包括一段光纤，光纤上沿光纤轴向用在线点-点写制方法间隔写制有一组折射率调制区域，构成沿光纤轴向进行折射率调制的超长周期光纤光栅，其中折射率调制区域的轴向长度w大于折射率调制区域的宽度b，相邻两个折射率调制区域之间的长度即为光栅周期Λ。占空比                                                在10%~90%之间。

所述的光纤为单模光纤、多模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤、微结构光纤或特种光纤。

所述的折射率调制区域设置于纤芯内、包层中或者在纤芯内与包层的交界位置处。

所述的超长周期光纤光栅的周期，即相邻两个折射率调制区域之间的长度为毫米量级。所述的折射率调制区域为等间距分布，或不等间距分布，即所述的光纤光栅周期为均匀或非均匀的超长周期光纤光栅。

设计原理：

对于矩形折射率调制，调制的折射率可以表示为：

  ，                   (1)

假设一定能量引起的折射率改变是一定的，则，Q为激光器的Q释放时间，K为与成栅方式相关的常量。

互耦合系数满足下式：

                                   (2)

由上述关系式分析可知，提高占空比能够增加折射率调制的深度。同时，若折射率调制深度不变，则这种沿光纤轴向调制折射率形成光栅所需要的能量，要远小于传统光栅的写制方法所需的能量。

实现方式：

我们选用的光纤为SMF28型低损耗单模通信光纤，利用高频CO₂激光脉冲写制超长周期光纤光栅。光纤光栅长度在1～5cm。工作温度与一般光纤器件兼容，写制一条光纤光栅的写制时间小于2s。

技术方案：首先设计占空比一定的光栅图样，将相关参数输入到写制系统；然后，将处理好的光纤精确的固定在二氧化碳激光器输出激光的光斑束腰平面，并且使光纤纤芯处于激光光斑移动的轨迹线上；最后，操作光栅写制系统使CO₂激光器输出脉冲激光，沿光纤轴向对预设位置进行扫描，使光纤中的折射率按预先设计的图形分布，完成光栅写制。

本实用新型的有益效果是：