一种低成本的长周期光纤光栅制作方法

摘要

本发明公开了一种低成本的长周期光纤光栅制作方法，其特征是：设置密闭容器，通过盖板将密闭容器分割为上、下两部分，下部分装入刻蚀溶液，在上部分的侧壁上开设光纤插入孔，在盖板上设置微孔；将光纤上需写入光栅的区域的包层裸露，然后插入密闭容器中，将光纤的一端固定在线性移动平台上；刻蚀溶液通过挥发从微孔释放气体，光纤上位于微孔正上方的包层与气体发生刻蚀反应，形成刻蚀深槽；通过线性移动平台周期性移动光纤的水平位置，最终在光纤表面形成周期性分布的刻蚀深槽，从而形成了长周期光纤光栅。本发明长周期光纤光栅的制作方法具有无需光栅刻蚀掩膜版、制作成本低廉的优点，适合批量制作，适用于各种光纤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种长周期光纤光栅的制作方法，特别是一种低成本的长周期光纤光栅的制作方法。

背景技术

自1995年A.M.Vengsarkar等人首次在光纤中成功写入长周期光栅(Long PeriodFiber Grating,LPFG)结构以来，LPFG技术得到了迅速发展和应用，尤其是在光纤传感等领域中，由于LPFG具有对外界环境敏感、结构简单、插入损耗小、易实现远距离传感等优点，被广泛应用于压力、应变、温度以及折射率等物理量的检测系统中。

目前长周期光纤光栅的制作方法主要有两大类：一类是利用光敏光纤的紫外光敏特性，在光栅表面利用光刻或者长周期掩模板形成周期性的光栅图形结构，再使用紫外激光诱导产生光致折射率周期变化的光栅结构，从而形成光纤光栅；另一类，采用在光纤表面施加周期应力，或是使用微机电加工系统在光纤表面形成周期性的应力分布结构，利用光纤具有的弹光效应，实现光纤的周期性折射率变化，最终实现光纤光栅。

发明专利CN1309308A和CN1206117A所描述是采用紫外光源通过光栅振幅掩模板照射一根或一根以上光敏光纤，制作长周期光纤光栅的方法。该制作方法可实现光栅的批量制作，但光栅写入需要制作光栅掩模模板，一旦掩模模板结构确定，则光栅写入周期不能调节。

发明专利CN1632634A和CN1316661A所描述的一种利用机械应力制作光纤光栅的方法，其采用周期性机械结构在光纤上产生周期应力形成光纤光栅，这种方法制作的光纤光栅体积大，结构复杂，稳定性差，难以实用化。

Chiang chia-chin等人使用金属铜制作抗刻蚀光栅掩模板(Perfectly notchedlong-period fiber grating filter based on ICP dry etching technique,OPTICSLETTERS,2012,37(2),193-195)，采用反应离子刻蚀技术在光纤表面加工出周期性的应力结构，从而实现了长周期光纤光栅的制作。这种方法的优点是光栅写入无需光敏光纤或载氢处理，但缺点是由于采用MEMS工艺，因而加工成本高、周期长、工艺复杂，难以批量化生产。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种低成本的长周期光纤光栅制作方法。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明低成本的长周期光纤光栅制作方法，其特点是：

设置密闭容器，通过盖板将所述密闭容器分割为上、下两部分，在所述盖板上设置微孔，密闭容器的上、下两部分通过所述微孔连通；在所述密闭容器的下部分装入刻蚀溶液，在上部分的侧壁上开设用于插入光纤的光纤插入孔；在所述密闭容器的顶部、位于所述微孔的正上方开设抽气孔；

将光纤上需写入光栅的区域的涂覆层剥除，使包层裸露；然后将光纤通过光纤插入孔插入密闭容器中，将光纤的一端固定在线性移动平台上，以控制光纤的水平移动；

通过线性移动平台调整光纤的水平位置，使需写入光栅的区域的前端悬置于微孔的正上方；刻蚀溶液通过挥发从微孔释放气体，光纤上位于微孔正上方的包层与所释放的气体发生刻蚀反应，形成刻蚀深槽；在刻蚀同时通过抽气孔将刻蚀过程中产生的气体产物实时抽出，抽气速率与刻蚀液温度、刻蚀液成份以及刻蚀液体积有关。通过线性移动平台周期性移动光纤的水平位置，在每次移动后进行微孔正上方包层的刻蚀并形成刻蚀深槽，最终在光纤表面形成周期性分布的刻蚀深槽；

光纤由于周期性分布的刻蚀深槽而形成周期性的应力变化，并由于光纤弹光效应引起光纤纤芯折射率的周期调制，从而完成长周期光纤光栅的制作。

所述刻蚀溶液是由质量浓度为30％的氢氟酸溶液与质量浓度为10％的葡萄糖溶液按体积比4～6:1混合而成。

所述微孔为平面孔或突出于盖板的锥形孔。

所述微孔为边长30-80μm的方形通孔或直径30-80μm的圆形通孔；所述微孔也可以是矩形通孔，短边宽度为30-80μm、长边宽度为1-2mm，矩形通孔的设置可以用来同时完成多根光纤的腐蚀。光纤表面周期性刻蚀深槽的形成，可以是采用单个微孔逐点刻蚀形成，也可以采用微孔线性阵列一次刻蚀形成。

所述微孔的上表面与光纤包层裸露区域的包层最底部的距离为10-50μm。

所述光纤为石英光纤、塑料光纤或光子晶体光纤。

所述密闭容器与所述线性移动平台设置在密闭操作台中，抽气孔穿过密闭操作台，刻蚀过程中产生的气体产物直接通过抽气孔排出密闭操作台外。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明所提出的低成本的长周期光纤光栅制作方法，采用氢氟酸和葡萄糖混合溶液形成的挥发性刻蚀气体对光纤进行刻蚀，形成周期性的应力结构制作长周期光纤光栅，可避免传统采用氢氟酸溶液对光纤进行液相刻蚀的缺点，如光纤表面抗刻蚀层难以制作，刻蚀过程由于刻蚀反应副产物容易导致刻蚀终止，以及刻蚀层脱落等引起的刻蚀缺陷等问题；

2、本发明所提出的低成本的长周期光纤光栅制作方法，由于采用微孔控制光纤表面刻蚀位置和尺寸，因而可实现无需掩模板的光栅写入，提高写入光栅周期大小的灵活改变，以及降低光栅掩模板的制作成本；

3、本发明所提出的低成本的长周期光纤光栅制作方法，由于采用了气相刻蚀，与其它基于反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法相比，制作流程简化、成本低，且制作过程控制更加简单；

4、本发明所提出的低成本的长周期光纤光栅制作方法，由于腐蚀微孔可采用矩形通孔，因而可以实现多根光纤的批量光栅写入；

5、本发明所提出的低成本的长周期光纤光栅制作方法，由于光栅写入是利用光纤的弹光效应，因而可以在各种光纤中写入光栅结构，如光子晶体光纤、普通石英光纤，且写入过程无需漫长的光纤载氢过程。

附图说明

图1为本发明所提出的长周期光纤光栅制作方法的示意图；

图中标号：1密闭容器，2盖板，3刻蚀溶液，4微孔，5抽气孔，6光纤，6a包层，7线性移动平台，8刻蚀深槽，9密闭操作台。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例长周期光纤光栅的制作步骤如下：

设置密闭容器1，通过盖板2将密闭容器1分割为上、下两部分，在盖板2上设置直径30μm的微孔4，密闭容器的上、下两部分通过微孔连通；在密闭容器的下部分装入刻蚀溶液3，在上部分的侧壁上开设用于插入光纤的光纤插入孔；在密闭容器1的顶部、位于微孔4的正上方开设抽气孔5；

具体的，将200mL质量浓度为30％的氢氟酸溶液与50mL质量浓度为10％的葡萄糖溶液混合，作为刻蚀溶液，加入密闭容器1的下部分，然后再盖上盖板；

取一段长50cm的普通单模石英光纤6，将其中间需写入光栅的4cm区域的涂覆层剥除，并用酒精清除光纤包层表面残余涂覆层，使包层6a裸露；然后将光纤通过光纤插入孔插入密闭容器1中，将光纤的一端用快速速干光学胶固定在高精度线性移动平台7上，以控制光纤的水平移动；并将其涂覆层剥除的4cm光纤段用光纤夹具固定；密闭容器1与线性移动平台7设置在密闭操作台9中，抽气孔5穿过密闭操作台9。

通过线性移动平台调整光纤的水平位置，使需写入光栅的区域的前端悬置于微孔的正上方，微孔的上表面与光纤包层裸露区域的包层最底部的距离为30μm；将密闭容器1放置于加热平台上，控制加热温度为45℃。

将抽气孔位置调整到微孔的正上方、且距离光纤包层裸露区域的包层最底部的距离为5mm，调节抽气速率为100mL/min。

刻蚀溶液通过挥发从微孔释放气体，光纤上位于微孔正上方的包层与所释放的气体发生刻蚀反应，形成刻蚀深槽8，通过控制刻蚀时间在光纤表面形成不同深度的刻蚀深槽，刻蚀速率大约为40μm/H，控制刻蚀时间70min，形成刻蚀深槽深度为50μm、宽度为200μm。在刻蚀同时通过抽气孔5将刻蚀过程中产生的气体产物实时抽出，抽气速率为100mL/min。通过线性移动平台将光纤的水平位置平移300μm，开始刻蚀下一个深槽，控制同样的刻蚀时间，在光纤表面形成同样深度和宽度的刻蚀深槽。依次移动，并在每次移动后进行微孔正上方包层的刻蚀，最终在光纤表面形成总长度3cm、以300μm为周期的周期性分布刻蚀深槽，实现长周期光纤光栅的制作。

将完成长周期光纤光栅制作的光纤两端分别与光谱仪、宽带光源相连，即可获得该长周期光纤光栅的透射光谱。