带宽可调的斜边光纤光栅及其制作方法 【技术领域】
本发明涉及光纤传感，特别是一种带宽可调的斜边光纤光栅及其制作方法。背景技术
光纤光栅是一种成熟的全光纤器件，由于其本身具有的体积小，插入损耗低，易于与其它光纤器件集成等特点，在光纤通信和光纤传感领域中有着非常重要的应用。斜边光纤光栅是一种光谱线型呈斜边三角形的特种光纤光栅，在斜边光纤光栅的斜边带宽内，反射率与波长成线性关系。斜边光纤光栅在光纤传感和测量领域中有着自己独特的作用。在光纤传感领域中，基于光纤光栅的传感器在测量外界温度、应变等参数时具有高灵敏度，不受电磁干扰等特点。光纤光栅传感器的基本原理是利用光纤光栅光谱，尤其是其峰值位置，随温度和应力变化的特性。作为传感头的光纤光栅应具有窄的光谱，以便于精确地读出光纤光栅中心波长的位置。为了读出传感光纤光栅的峰值波长位置，要求简易、廉价的光谱测量方法，以取代通常在实验室使用的昂贵的光谱仪。人们希望获得一种具有大带宽、反射率随波长线性分布的光纤光栅。当它与传感头地窄带光纤光栅组合时，传感光栅的峰值波长位置就可以转化的信号的幅度。因此具有斜边反射光谱的光纤光栅在光纤传感领域中有重要的应用价值。
斜边光纤光栅的制作技术已有一些报道。在先技术之一，A.D.Kersey等人(《Fiber gratingsensors》J.Lightwave Technol.15(8)pp：1442-1463 1997)采用光纤弯曲法制作斜边光纤光栅，这种方法制作的斜边光栅的斜边线性度比较差。在先技术之二，Y Liu等人(《Fabricating fibreedge filters with arbitrary spectral response based on tilted chirped grating structures》Meas.Sci.Technol.10 pp：L1-L3 1999)制作了倾斜啁啾光纤光栅，利用倾斜光栅辐射模的损耗效应实现斜边滤波器功能。同样，这种方法制作的斜边光栅的斜边线性度不够好，而且倾斜光纤光栅对弯曲和外界环境敏感，需要很好的封装，这就增加了光栅的制作成本。在先技术之三，M.A.Putnam等人(《Fabrication of tapered，strain-gradent chirped fibre Bragg gratings》Electron.Lett.31(4)pp：309-310 1995)采用腐蚀光栅施加应变的方法制作了带宽可调的啁啾光纤光栅，但是在文献中没有涉及制作带宽可调的斜边光纤光栅。
在先技术之一，在先技术之二制作的斜边光纤光栅的斜边带宽大小都不可调，为了使斜边光纤光栅能适应不同传感范围的应用，提高斜边光纤光栅的实用性和灵活性，有必要在斜边光纤光栅制作完成后继续调节其斜边带宽大小。到目前为止，还没出现有关斜边带宽大小可调的光纤光栅斜边滤波器的报道。发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足，提供一种带宽可调的斜边光纤光栅及其制作方法。该光纤光栅应具有斜边带宽大范围可调，斜边线性度好，制作容易，成本低的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种带宽可调的斜边光纤光栅，其特点是在一调谐机构上安装一段外径变化的光纤上制作有斜边光纤光栅而构成。
具体地说，它将一段外径变化的光纤上制作有斜边光纤光栅安装在孔径略大于光纤涂覆外径的导轨中，该光纤和导轨用胶固定在支座上，该支座固定在底座上，光纤的另外一端通过支座固定在一维精密平移台上，该一维精密平移台用微型电机驱动。
本发明带宽可调的斜边光纤光栅的制作要点是：用紫外激光幅照方法制作纤芯折射率分布呈斜边三角函数形式变迹的啁啾光纤光栅，获得具有斜边三角形光谱的光纤光栅；在该光纤光栅部位的外表面通过腐蚀方法制作直径单调减小的光纤截面；采用机械机构对光纤光栅施加精密可控的拉力，获得斜边带宽大范围可调的斜边光纤光栅。
所述的带宽可调斜边光纤光栅的制作方法的具体步骤如下：
①斜边光纤光栅制造：采用具有光敏性的光纤安排，采用紫外激光幅照的工艺制造，写入事先设计控制的三角形分布的折射率调制和啁啾量的光纤光栅(1)；
②将斜边光纤光栅的外径按设计要求进行腐蚀：腐蚀槽采用耐腐蚀的聚乙烯材料制成分层结构，腐蚀槽由内槽和外槽，内槽中安置了两个隔板，其中上隔板可以是平板，或是倒漏斗形，在内槽及二个隔板的中心，开有直径略大于光纤涂覆层外径的小孔；在内槽的底部和内外槽之间注满重油，在内槽的上下隔板之间注满腐蚀液，在内槽上隔板上面注入轻油，腐蚀液是以氢氟酸为基础的水溶液，在腐蚀工艺过程中，先将光纤穿过三个小孔，并安装在步进电机的转轴上。然后注入重油和轻油，最后用聚乙烯管注入腐蚀液，使其充满在二隔板之间，注入腐蚀液后，就开始启动步进电机，使其按可控的速度向上提拉光纤；完成腐蚀后，即时取出光纤，用水和有机溶剂清洗；
③调谐机构安装：将完成第②步制作的斜边光纤光栅的光纤安装在孔径略大于光纤涂覆外径的导轨中，该光纤和导轨用胶固定在支座上，支座固定在底座上，光纤的另外一端通过支座固定在一维精密平移台上，该维精密平移台与微型电机相连，形成驱动关系。
所述的光纤为经过高压载氢后的光纤，或是高掺锗光敏光纤等。
所述的斜边光纤光栅可采用变迹相位板法、扫描法、光源光纤移动扰动法来写入。
所述的底座和支座由一种低膨胀系数的材料制作，它可以是陶瓷材料、或者是微晶玻璃材料、或者是低膨胀系数的合金材料。
所述的胶可以采用紫外固化胶、也可以采用稳定性良好的环氧树脂。
本发明的带宽可调的斜边光纤光栅的优点是：
1、光纤光栅反射谱的斜边带宽大，线性度好；
2、带宽可动态调谐，调谐范围大；
3、斜边光纤光栅的制作工艺比较简便，稳定性较好，成品率较高。附图说明
图1、带宽可调的斜边光纤光栅的结构示意图；
图2、斜边光纤光栅光谱及其调谐特性的模拟计算结果；
图3、制作外径变化光纤光栅的腐蚀装置示意图；
图4、斜边光纤光栅带宽调谐机构示意图；
图5、具有三角形反射光谱的光纤光栅；
图6、三角形光纤光栅的反射和透射光信号随应变的变化曲线图。具体实施方式
本发明的光纤光栅的结构如图1所示。在光纤2上制作了具有三角形光谱的光纤光栅1a；在光栅位置上制作了光纤外径变化的光纤1b。
本发明的带宽可调斜边光纤光栅的工作原理如下：
光纤光栅的光谱形状由其折射率调制分布形式决定，采用斜边三角形调制光纤光栅可以获得具有斜边三角形光谱的光纤光栅。三角形调制函数的数学表达形式为：这里L是光栅的长度，z代表光栅的位置。p值为一个控制参数。光纤光栅中折射率的周期可以采用不同啁啾量或无啁啾的分布，以获得带宽大范围可调的斜边光纤光栅。理论模拟的光栅反射谱如图2所示。本发明调节带宽的原理是对外径变化的光纤光栅施加应力，使不同部位的光纤光栅受到不同的应变。光纤光栅峰值波长的应变关系为
λB(ε)≈λB(0)(1+0.78ε) (2)光栅在拉力F作用下，产生的应变ε为：
ε＝F/ES＝F/[πER2(z)] (3)这里，E是光纤的扬氏模量，S是光栅的横截面积。可见ε与S成反比关系，当S沿光栅轴向逐渐变化时，在一定的F下，ε沿光栅轴向也将逐渐变化，从而在光栅的轴向建立应变梯度，即对光栅引入了啁啾。F不一样，对光栅引入的啁啾量的大小也不同。从(2)、(3)式可见，要对光纤光栅引入线性啁啾，光纤半径沿光栅长度的分布应满足：R(z)=((1RL2-1R02)zL+1R02)-1/2---(4)]]>这里，R0，RL是光栅z＝0，z＝L处横截面半径。因此，对这种光纤光栅施加不同的拉力，可获得带宽可调的斜边光纤光栅。图2给出了不同拉力下光纤光栅反射谱的模拟计算结果。
本发明的带宽可调斜边光纤光栅的具体制作方法如下：
1、制备斜边光纤光栅1a：可采用多种具有光敏性的光纤2，比如普通单模光纤经过高压载氢后的光纤，或是高掺锗光敏光纤等；光纤光栅采用紫外激光幅照的工艺制造。可以在制作过程中采用变迹相位板法、扫描法、光源光纤移动扰动法等，写入事先设计控制的三角形分布的折射率调制和啁啾量的光纤光栅，包括啁啾量为零的均匀光纤光栅。
2、制备外径变化光纤：采用以氢氟酸为基础的化学腐蚀技术制作，为了获得设计要求的外径分布，腐蚀槽采用耐腐蚀的聚乙烯材料，并设计成分层结构；采用不同比重的油性液体保护不需要腐蚀的光纤部位；采用微机控制的步进电机牵引光纤，以获得所需的外径变化。腐蚀装置如图3所示。腐蚀槽由内槽3和外槽4构成。内槽中安置了两个隔板5；其中上隔板可以是平板，如图3(a)所示，或是倒漏斗形，如图3(b)所示。倒漏斗形隔板的目的是在纵向形成不同的腐蚀速度。在内槽及二个隔板的中心，开有直径略大于光纤涂覆层外径的小孔。
在内槽的底部和内外槽之间注满重油6。在内槽的上下隔板之间注满腐蚀液7。在内槽上隔板上面注入轻油8。腐蚀液是以氢氟酸为基础的水溶液。其比重接近水的比重。所采用的重油和轻油的比重分布大于和小于腐蚀液。在腐蚀工艺过程中，先将光纤2穿过三个小孔，并安装在步进电机的转轴10上。然后注入重油6和轻油8。最后用聚乙烯管9注入腐蚀液7，使其充满在二隔板之间。在注入这些液体过程中，要注意调节和控制液面高低位置。注入腐蚀液后，就开始启动步进电机10，使其按可控的速度向上提拉光纤。完成腐蚀后，即时取出光纤，用水和有机溶剂清洗。
3、本发明的调谐机构如图4所示。已制作了斜边光纤光栅1的光纤2，被安装在孔径略大于光纤涂覆外径的导轨11中。该导轨11采用中国实用新型专利[专利号ZL 01 2 55004.3]提供的技术制作。光纤2和导轨11用胶14固定在支座151、152、153、154上。支座151、152、153固定在底座16上。光纤的另外一端通过支座154固定在一维精密平移台18上。一维精密平移台18用微型电机17驱动。
在本调谐机构中，底座16和支座15由一种低膨胀系数的材料制作，它可以是陶瓷材料、或者是微晶玻璃材料、或者是低膨胀系数的合金材料；胶14可以采用紫外固化胶、也可以采用稳定性良好的环氧树脂，以保证应力调谐时的稳定性。
在本调谐机构中，微型电机可以用微电脑控制的驱动器来推动，以获得斜边光纤光栅精密可控、稳定的反射光谱。
采用相位掩膜板和孔径扫描方法，在经过高压载氢敏化处理的商用康宁SMF28单模光纤上，写入折射率调制分布形式为三角形的光纤光栅，获得了如图5所示的反射光谱。进一步优化控制程序，将可以获得具有大的斜边的光谱。将该样品固定在一个应变可控的悬臂梁上，测量了该三角形光纤光栅的透射和反射信号随应变的变化，得到如图6所示的关系。光信号经电路放大处理后，通过透射和反射信号的比值，可以灵敏地反映悬臂梁的应变，分辨率为1.5微应变。