一種基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置，包括寬帶光源或多波段輸出光源、光纖隔離器、光纖環(huán)形器、光纖光柵傳感器、電極驅(qū)動器和光譜分析儀，寬帶光源或多波段輸出光源、光纖隔離器、光纖環(huán)行器依次連接，光纖環(huán)行器的一端連接光纖隔離器，另一端連接光纖光柵傳感器和光譜分析儀，寬帶光源或多波段輸出光源發(fā)出的光通過光纖隔離器和光纖環(huán)形器后進(jìn)入光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器上布置有至少兩個(gè)不同波長的布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵通過光纖光柵夾具固定。電極驅(qū)動器控制電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)進(jìn)行放電。
【專利說明】
一種基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]FBG傳感器由于具有靈敏度高，體積小，易于光纖耦合，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、船舶航運(yùn)、民用工業(yè)、電力以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
[0003]自從K.0.Hill等人采用駐波干涉法制成了世界上第一只光纖光柵以來，光纖光柵的刻寫技術(shù)的研究取得了迅速發(fā)展，例如相位掩模法、全息干涉法、分波前干涉法、在線成柵法、聚焦離子束寫入和直接寫入法等刻寫方法。目前最成熟且應(yīng)用最廣泛的光纖光柵刻寫方法是基于相位掩膜法的紫外曝光刻寫，采用傳統(tǒng)紫外曝光法刻寫的光纖光柵，折射率改變僅僅發(fā)生在具有光敏性的光纖纖芯內(nèi)，且折射率沿著軸向成周期性分布。
[0004]在FBG制作過程中，首先將普通摻鍺光纖進(jìn)行載氫處理以提高光纖的光敏性，然后用光纖涂層自動剝除機(jī)對載氫光纖進(jìn)行去涂覆層處理，以便光柵的刻寫。將普通光纖置于高壓(l〇7Pa)氫氣中一段時(shí)間后，氫分子逐漸擴(kuò)散到光纖的包層和纖芯中，當(dāng)特定波長的紫外光(一般是248nm或193nm)照射載氫光纖時(shí)，纖芯被照部分中的氫分子立即與鍺發(fā)生反應(yīng)形成Ge-〇H和Ge-H鍵，從而使該部分的折射率發(fā)生永久性增大?？虒戇^程結(jié)束后，光柵中殘存的氫分子有擴(kuò)散運(yùn)動，且反應(yīng)后存在不穩(wěn)定的Ge-〇H鍵，溫度升高會使得這些鍵退化還原，進(jìn)而導(dǎo)致光柵的反射率降低。
[0005]因此，需要一種能夠在輸出端輸出不同中心波長的光的系統(tǒng)和方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置，包括寬帶光源或多波段輸出光源、光纖隔離器、光纖環(huán)形器、光纖光柵傳感器、電極驅(qū)動器和光譜分析儀，寬帶光源或多波段輸出光源、光纖隔離器、光纖環(huán)行器依次連接，光纖環(huán)行器的一端連接光纖隔離器，另一端連接光纖光柵傳感器和光譜分析儀，寬帶光源或多波段輸出光源發(fā)出的光通過光纖隔離器和光纖環(huán)形器后進(jìn)入光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器上布置有至少兩個(gè)不同波長的布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵通過光纖光柵夾具固定。電極驅(qū)動器控制電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)進(jìn)行放電。
[0007]優(yōu)選地，所述寬帶光源或多波段輸出光源為ASE光源。
[0008]優(yōu)選地，所述ASE光源輸出功率大于13dBm，C+L波段帶寬區(qū)域?yàn)?525nm-1610nm。
[0009]優(yōu)選地，所述布拉格光纖光柵的柵區(qū)表面涂覆10層石墨稀。[0〇10 ]優(yōu)選地，所述布拉格光纖光柵的柵區(qū)長度為10mm，強(qiáng)度1 OdB。[〇〇11]優(yōu)選地，所述電極驅(qū)動器采用光纖涂層自動剝除機(jī)。
[0012]優(yōu)選地，所述光纖光柵夾具由導(dǎo)熱性良好的紫銅制成，與光纖布拉格光柵的接觸區(qū)域涂有導(dǎo)熱硅膠。[0013 ]優(yōu)選地，所述電極放電功率為固定值11 Omw。
[0014]優(yōu)選地，所述電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)放電的頻率為10Hz。[0015 ] 優(yōu)選地，所述電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)放電的時(shí)間為5?1 Os。
[0016]應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。【附圖說明】
[0017]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0018]圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的電極掃描光柵柵區(qū)的掃描方式示意圖；
[0020]圖3示出了電極掃描柵區(qū)不同位置放電時(shí)的反射譜；
[0021]圖4示出了左側(cè)柵區(qū)不同位置放電時(shí)的FBG反射譜；[〇〇22] 圖5示出了柵區(qū)中心位置放電與未放電時(shí)FBG光譜對比?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明的基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置包括寬帶光源或多波段輸出光源、光纖隔離器、光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵串(FBG)和光譜分析儀。寬帶光源或多波段輸出光源發(fā)出的光通過光纖隔離器和光纖環(huán)形器后進(jìn)入光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器上布置有至少兩個(gè)不同波長的FBG。光纖環(huán)形器的另一端連接到光譜分析儀 (0SA)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過光譜儀觀察電極在不同位置放電下的光譜。光纖布拉格光柵串是用飛秒激光在一根光纖上刻寫多個(gè)不同中心波長的布拉格光柵而制成的，每個(gè)柵區(qū)長度為 10mm，強(qiáng)度10dB。光纖光柵的柵區(qū)表面涂覆10層石墨稀，長度為30_。
[0024]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置100包括:ASE光源101、光纖隔離器102、光纖環(huán)行器103、第一 FBG104、第二FBG105、第三FBG106、電極驅(qū)動器110及光譜分析儀111。其中，ASE光源101、光纖隔離器102、光纖環(huán)行器103依次連接，光纖環(huán)行器103的一端連接光纖隔離器102,另一端分別連接第一 FBG104、 第二FBG105、第三FBG106和光譜分析儀111。本實(shí)施例中采用光纖涂層自動剝除機(jī)3SAE FPUII作為電極驅(qū)動器110。電極驅(qū)動器110可通過控制器來設(shè)定電極的運(yùn)動方向、速度以及電極的放電功率、時(shí)間等參數(shù)。本實(shí)施例中的ASE光源為自行研制，輸出功率大于13dBm，C+L 波段帶寬區(qū)域?yàn)?525nm-1610nm;光纖布拉格光柵的夾具是由導(dǎo)熱性良好的紫銅制成，與光纖布拉格光柵的接觸區(qū)域涂上導(dǎo)熱硅膠加強(qiáng)柵區(qū)和夾具的導(dǎo)熱。每一段FBG都分別通過兩個(gè)光纖光柵夾具固定在其兩端。
[0025]實(shí)驗(yàn)中電極放電功率為固定值llOmw，通過設(shè)定放電裝置參數(shù)對光纖光柵柵區(qū)分別進(jìn)行掃描放電和定點(diǎn)放電實(shí)驗(yàn)。多次試驗(yàn)證明當(dāng)電極以0.1 mm / s速度沿光纖軸向從左到右對整個(gè)柵區(qū)進(jìn)行放電掃描時(shí)(圖2所示a方向)，掃描的過程中FBG光譜的變化是關(guān)于柵區(qū)中心對稱的，如圖3所示，圖3示出了電極掃描柵區(qū)不同位置放電時(shí)的反射譜。隨著電極從z= -5mm處開始掃描放電，F(xiàn)BG的反射率逐漸減?。划?dāng)掃描到z = Omm處時(shí)，F(xiàn)BG反射譜峰值強(qiáng)度達(dá)到最低，經(jīng)過柵區(qū)中點(diǎn)之后，反射率又逐漸增加；當(dāng)掃描到z = 5mm時(shí)，反射峰與z =-5mm處的反射峰相同。為方便數(shù)據(jù)分析，從z = -5mm開始，每隔1mm記錄一次光譜圖，依此類推。圖4 表示電極在左側(cè)柵區(qū)的5個(gè)不同位置觀察到的反射光譜，從光譜圖可以看出，電極放電使得 FBG反射譜帶寬展寬紅移，峰值反射強(qiáng)度逐漸降低，譜形逐漸呈現(xiàn)出不規(guī)則多峰狀。當(dāng)z = Omm時(shí)，即電極處于柵區(qū)中點(diǎn)時(shí)，此時(shí)光譜與原始光譜出現(xiàn)明顯偏差，在遠(yuǎn)離中心波長處出現(xiàn)明顯波長諧振。
[0026]為分析電極在柵區(qū)中心位置放電對光譜產(chǎn)生的影響，設(shè)置電極相關(guān)參數(shù)使其對柵區(qū)的中心位置進(jìn)行定點(diǎn)放電實(shí)驗(yàn)。圖5是柵區(qū)中心放電和不放電時(shí)的FBG光譜對比，可以看出，持續(xù)放電時(shí)透射譜的峰值減小消失，峰值功率表現(xiàn)出明顯的開關(guān)量變化特性，并且現(xiàn)象具有可重復(fù)性。也就是說，使用電極驅(qū)動器控制電極持續(xù)在FBG柵區(qū)的中點(diǎn)放電，F(xiàn)BG光柵的反射光譜的峰值就會消失，因此光譜分析儀變不能檢測到相應(yīng)的FBG光柵的反射譜，相當(dāng)于此段波長的FBG處于“關(guān)閉”狀態(tài)。類似的，當(dāng)多個(gè)FBG串聯(lián)在根據(jù)本發(fā)明的基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置時(shí)，可以通過電極對FBG柵區(qū)的中心放電來控制不同波長的FBG的開關(guān)，以達(dá)到在一個(gè)光纖光柵系統(tǒng)中能夠獲得不同波長的光。這樣就可以根據(jù)所需要的波長范圍來選擇電極驅(qū)動器控制電極對除此波長范圍以外的其他布拉格光纖光柵的柵區(qū)中點(diǎn)進(jìn)行放電，以將其他波長范圍的布拉格光纖光柵“關(guān)閉”，輸出端便能得到此范圍波長的光。
[0027]由模式耦合理論可知，光柵有效折射率和光柵周期發(fā)生改變均會使光柵中心波長漂移。當(dāng)電極放電時(shí)，電極聚集的高能量電離附近空氣，產(chǎn)生熱等離子體，隨著熱等離子密度的增加，釋放出大量熱量，進(jìn)而在電極附近形成不均勻的溫度場，當(dāng)該溫度場靠近柵區(qū)位置時(shí)，誘導(dǎo)光纖光柵纖芯折射率發(fā)生改變。
[0028]溫度變化會引起熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)，其中由熱光效應(yīng)導(dǎo)致光纖纖芯及包層半徑發(fā)生改變，使光柵有效折射率發(fā)生改變;熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致材料尺度變化，使光柵周期發(fā)生改變。但其熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的熱膨脹系數(shù)較熱光效應(yīng)導(dǎo)致的折射率溫度系數(shù)要小兩個(gè)數(shù)量級。因此只需考慮溫度致光纖折射率的改變而忽略其他效應(yīng)的影響。光柵柵區(qū)各個(gè)位置的折射率分布發(fā)生改變，沿軸線折射率分布n( z)可表示為
[0029]n(z) =n〇+8n(z),(3)
[0030]其中，no為初始光柵有效折射率，Sn(z)為溫度對光柵折射率的空間調(diào)制度。那么， 光柵柵區(qū)各位置反射得到的波長M z)可表示為
[0031]A(z)=2n(z) A 〇 = 2[n〇+8n(z) ] A〇 = 2n〇 A〇[l+Topt(z)],(4)[〇〇32]其中，定義光溫度參量為T°pt(Z)=Sn(z)/nQ，表示溫變引起的折射率調(diào)制。
[0033]非均勻分布溫度場誘導(dǎo)光柵折射率發(fā)生改變，最終導(dǎo)致光柵柵區(qū)產(chǎn)生啁嗽。規(guī)定啁嗽譜帶寬展寬量為最大諧振波長Amax與最小諧振波長Amin之差A(yù) Abw，可表示為
[0034]A 入bw =入max—入min = 2n〇 A 〇 A Topt， (5)
[0035]式中AT°pt = Tmax_Tmin表示光柵柵區(qū)最大溫度梯度。由(5)式可看出，F(xiàn)BG反射譜帶寬展寬量與最大溫度梯度成正比。[〇〇36]當(dāng)電極到達(dá)柵區(qū)中心位置時(shí)，F(xiàn)BG反射譜峰值光功率與原始狀態(tài)差值達(dá)到最大，此時(shí)FBG透射譜表現(xiàn)出更突出的峰值有無特點(diǎn)，如前面圖4所示。分析其原因?yàn)椋?dāng)電極放電時(shí)，電極聚集的高能量電離附近空氣，產(chǎn)生熱等離子體，隨著熱等離子密度的增加，釋放出大量熱量，進(jìn)而在電極附近形成不均勻的溫度場，當(dāng)該溫度場靠近柵區(qū)位置時(shí)，誘導(dǎo)光纖光柵纖芯折射率發(fā)生改變，從而使得光柵透射率增大，且當(dāng)非均勻溫度場位于光柵柵區(qū)正中心位置時(shí)，光柵透射率趨于飽和并達(dá)到最大，反射譜峰值光功率邊緣處的諧波是因?yàn)楫a(chǎn)生了嗎嗽。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置來實(shí)現(xiàn)控制輸出端輸出不同波長的光的具體方法如下:
[0038]1、搭建基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)系統(tǒng):
[0039]所述波長開關(guān)系統(tǒng)包括光源、光纖隔離器、光纖環(huán)形器、光纖光柵傳感器、電極驅(qū)動器和光譜分析儀;光源、光纖隔離器和光纖環(huán)行器依次連接，光纖環(huán)行器的一端連接光纖隔離器，另一端連接光纖光柵傳感器和光譜分析儀，光纖光柵傳感器上至少串聯(lián)有兩個(gè)不同波長的布拉格光纖光柵；
[0040]2、確定所需要的波長輸出，電極驅(qū)動器控制電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)進(jìn)行放電:
[0041]根據(jù)所需要的波長范圍來選擇電極驅(qū)動器控制電極對除此波長范圍以外的其他布拉格光纖光柵的柵區(qū)進(jìn)行放電，以將其他波長范圍的布拉格光纖光柵“關(guān)閉”。
[0042]所述電極安置在每個(gè)布拉格光纖光柵的中心位置，電極驅(qū)動器控制電極對電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)中心點(diǎn)進(jìn)行放電。
[0043]本發(fā)明中采用的飛秒激光刻寫的光纖光柵可以克服電極放電光柵透射譜深度變小的缺點(diǎn)。電極放電對紫外光刻寫的光纖光柵進(jìn)行退火，一方面可以清除殘留在載氫光纖中未反應(yīng)的氫分子;另一方面可以破壞光柵寫入后纖芯中一些不穩(wěn)定的Ge-〇H和Ge_H鍵，弓丨起光柵的折射率調(diào)制的改變，從而引起光柵反射率的變化。電極放電產(chǎn)生的軸向非均勻溫度場分布的引起光柵啁嗽。經(jīng)過電極放電光柵反射率變小，光柵透射譜深度變小。
[0044]結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于電極放電和石墨烯涂覆光纖光柵的波長開關(guān)裝置，包括寬帶光源或多波段 輸出光源、光纖隔離器、光纖環(huán)形器、光纖光柵傳感器、電極驅(qū)動器和光譜分析儀，寬帶光源或多波段輸出光源、光纖隔離器、光纖環(huán)行器依次連接，光纖環(huán)行器的一端連 接光纖隔離器，另一端連接光纖光柵傳感器和光譜分析儀，寬帶光源或多波段輸出光源發(fā) 出的光通過光纖隔離器和光纖環(huán)形器后進(jìn)入光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器上布置有至少兩個(gè)不同波長的布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵通過 光纖光柵夾具固定。電極驅(qū)動器控制電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)進(jìn)行放電。2.如權(quán)利要求1所述的波長開關(guān)裝置，其中所述寬帶光源或多波段輸出光源為ASE光源。3.如權(quán)利要求2所述的波長開關(guān)裝置，其中所述ASE光源輸出功率大于13dBm，C+L波段 帶寬區(qū)域?yàn)?525nm-1610nm〇4.如權(quán)利要求1所述的波長開關(guān)裝置，其中所述布拉格光纖光柵的柵區(qū)表面涂覆10層 石墨烯。5.如權(quán)利要求4所述的波長開關(guān)裝置，其中所述布拉格光纖光柵的柵區(qū)長度為10mm，強(qiáng) 度10dB。6.如權(quán)利要求1所述的波長開關(guān)裝置，其中所述電極驅(qū)動器采用光纖涂層自動剝除機(jī)。7.如權(quán)利要求1所述的波長開關(guān)裝置，其中所述光纖光柵夾具由導(dǎo)熱性良好的紫銅制 成，與光纖布拉格光柵的接觸區(qū)域涂有導(dǎo)熱硅膠。8.如權(quán)利要求1所述的波長開關(guān)裝置，其中所述電極放電功率為固定值llOmw。9.如權(quán)利要求1所述的波長開關(guān)裝置，其中所述電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)放電的 頻率為10Hz。10.如權(quán)利要求1所述的波長開關(guān)裝置，其中所述電極對布拉格光纖光柵的柵區(qū)放電的 時(shí)間為5?10s。
【文檔編號】G02B6/293GK105974521SQ201610274688
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】祝連慶, 辛璟燾, 董明利, 婁小平, 劉鋒, 莊煒, 何巍
【申請人】北京信息科技大學(xué)