1 引言

自1978年Hill等^[1]首次成功刻写光纤布拉格光栅(FBG)至今,各种FBG的设计、制作技术均得以发展,臻于成熟。FBG在光纤传感、光纤激光器、FBG外腔半导体激光器及色散补偿等方面都得到了广泛的应用^[2-7]。在这些应用中,损耗是FBG的重要性能指标。在FBG的刻写过程中,载氢和紫外(UV)曝光都可能给FBG引入损耗。光纤载氢后,紫外辐照使光纤中形成Ge—OH,Si—OH,Ge—H和Si—H等化学键损伤、折射率失配、污染等缺陷,产生模场失配、吸收、瑞利散射等,导致光纤损耗增加^[8-11]。一般情况下,FBG的损耗小于0.05 dB,并不影响其性能与使用,可以不予考虑。但是在一些特殊的应用中,FBG的损耗影响很大,不能被忽略。比如:FBG在密集波分复用(DWDM)系统中进行多信道的色散补偿时,需要把多个FBG串联,共同补偿多波长的色散;在基于FBG的密集波分复用的波分复用/解复用器和FBG传感器的应用中,也需要将大量的FBG串联起来,此时FBG数目越大,最后信道的插入损耗增大越显著,限制了FBG的最大连接数^[12]。又比如:光纤光栅法布里珀罗腔(FBG-FP)和相移光纤光栅中(PSFBG)谐振波长处的激光可以在腔内多次往返,增加了有效光程,导致谐振波长处的损耗明显增大,0.001 mm^-1的损耗可以使谐振波长的透过率下降2.52 dB,其中吸收损耗引入的热量会使谐振波长发生红移,这使得PSFBG和FBG-FP的使用受到了制约^[13-14]。基于以上原因,可以说FBG损耗的研究是一个非常重要的课题,但关于FBG损耗研究的相关文献较少。由于FBG的损耗非常小,为了避免光纤熔接损耗等因素的影响,以往的文献都是以刻写FBG前光纤的透射光谱作为参考,通过监测FBG刻写过程中的整个宽带光谱透过率的下降量对刻写损耗进行评估^[12,15],但是这些方法受限于光谱仪的精度,测量精度一般只能达到0.01 dB;而刻写过程中各工艺参数对FBG损耗的影响还未见过报道。

本文提出了一种同步在线监测FBG的损耗与折射率演变的方法,分析刻写FBG时其损耗与耦合系数(折射率)增长趋势。实验结果表明,FBG的损耗系数α(mm^-1)随耦合系数κ(mm^-1)线性增长,而此损耗-耦合斜率系数α/κ受到FBG制备过程中的各种工艺参数的影响。为了优化FBG的损耗性能,本文用α/κ衡量FBG损耗特性,分析了工艺参数对FBG损耗性能的影响,为优化不同工艺参数得到尽可能小的损耗提供技术基础。

2 实验装置与同步测量方法

紫外激光辐照下,光纤中缺氧锗缺陷光电离会使光纤纤芯的折射率发生改变。将待刻写的光纤贴近相位掩模板后,利用±1级衍射光形成的干涉场实现正弦调制的纤芯折射率是刻写FBG的基本原理。但是紫外光辐照不仅能使纤芯折射率发生改变,还会引起损耗。同时测量FBG刻写过程中的折射率和损耗的增长曲线有助于更加全面地认识成栅过程。众所周知,折射率改变量可以由光栅的透射谱反演得出^[16],所以实验采用如图1所示的实验装置,实现了FBG刻写过程中损耗与折射率变化的测量。其中分布式反馈半导体激光器(DFB LD)和放大自发辐射光源(ASE)的光分别从一段载氢光纤的两端耦合进入,两个隔离器(ISO)用来隔离反向光保护光源。LD经过一个分光比为1∶1的耦合器(OC1)后被分成两路。第一路经过一个可调衰减器(VA)后被耦合进探测器(PD1),作为参考光路;第二路接入待刻写的载氢光纤,部分光被耦合进探测器(PD2)。其中FBG2的中心波长与LD激光波长相同,它与环形器构成一个带通滤波器,只有LD激光被耦合进PD2,从而避免了因FBG反射ASE的光而影响损耗的测量。实验中采用的LD的激光波长为1548.8 nm,线宽为100 MHz,用波长计(Bristol 721)测量的LD在半个小时内的波长抖动为2.58 pm。FBG2的中心波长为1548.8 nm,3 dB带宽为0.27 nm,环境温度的扰动引起的FBG2的中心波长抖动小于20 pm。所以在实验中LD与FBG2的总波长抖动量小于FBG2反射带宽的1/10,对损耗测量的影响很小。为了避免FBG旁瓣效应与包层模耦合效应的影响,选择相位掩模板时需注意FBG的中心波长应小于激光波长,而且两者差值最好大于5 nm。

图 1. 实验装置示意图

Fig. 1. Schematic diagram of experiment setup

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刻写FBG前,需要将剥掉涂覆层的光纤贴近相位掩模板固定好,然后调节VA使PD1和PD2探测的信号一致。刻写FBG时,利用编写好的数据采集软件,控制光谱分析仪(OSA)与数据采集器(AD),使它们在每辐照100个脉冲后记录一次数据。本实验装置中数据采集使用的ADC芯片分辨率为0.3 mV,实验中的探测光功率反映在探测器上的电压信号为1 V,所以实验中理想情况下的损耗测量精度极限为0.0013 dB,若增加激光功率或使用更高分辨率的ADC芯片可以进一步提高损耗测量精度,但是实际实验中,可能由于环境扰动等因素的影响,实际测量精度略微偏大。

采用图1所示的装置,除了从PD1(参考光路)和PD2(待测光路)探测的两路LD光功率差分得到FBG刻写过程中损耗系数的增长趋势,还同时使用ASE和OSA监测了FBG透射谱的变化过程。OSA测得FBG反射带宽以外的宽带光谱透过率的下降量也可以用来估计FBG的损耗。FBG的透过率和损耗系数同时监测可用于分析FBG增长过程中紫外光致损耗与折射率变化量的关系。

3 数据处理

3.1 FBG折射率变化的计算

图2是FBG中紫外光诱导折射率改变量的示意图,其中有效折射率增量δn_eff能够使FBG的中心波长红移,而折射率调制幅度δn_mod则影响FBG反射率(耦合系数)。理想情况下,认为δn_eff=δn_mod,即均匀背景折射率增量δn_min=δn_eff-δn_mod=0,但是实际刻写中各种各样参数的影响,可能会导致这种背景折射率增量不为零。所以为了完整地表征FBG的折射率变化,需要分别测量FBG的δn_eff和δn_mod。

图 2. FBG折射率分布示意图

Fig. 2. Schematic illustration of the refractive index in FBG

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采用图1所述的方法,刻写一根FBG的过程可以记录一组光谱数据,这组数据是由每间隔100脉冲记录的一个透射谱数据组成。利用这组透射谱中FBG的波长红移量与反射率,可以计算出δn_eff和δn_mod。δn_eff与FBG中心波长红移量的关系可表示为

δneff=neff(λ-λB)/λB。(1)

FBG的耦合系数κ和折射率调制幅度δn_mod可用反射率算出:

κ=1Larctanh(R),(2)

δnmod=λ·κ/π,(3)

式中:n_eff为光纤的有效折射率;λ_B为FBG初始的中心波长;λ为刻写过程中动态变化的中心波长;L=(W-2Dtanθ)为FBG长度,W为光斑宽度,D为光纤与相位掩模板的距离,θ为相位掩模板±1级衍射光的衍射角。

3.2 FBG的损耗测量

根据图1所述的方案可以采取两种方式测量得到FBG的损耗。一种是通过利用OSA测得FBG反射带宽以外的宽带光谱透过率的下降量ΔT(dB)估算FBG的损耗系数α(mm^-1):

α=ΔT/L,(4)

式中:ΔT的测量精度取决于光谱仪的测量精度,为0.01 dB。

另一种方法是对PD1和PD2探测的两路LD光功率作差分运算。每间隔100脉冲,OSA扫描一次光谱,同时数据采集卡对两个探测器输出信号进行采样,由于OSA扫描一次光谱需要6 s,所以设置数据采集卡的采样时间间隔为0.006 s,分别记录两路光在这6 s内的1000个光功率数据。用两个探测器测得的LD光功率比值可以计算出FBG的损耗:

α=-10/Llg(1-P2/P1),(5)

式中:P₁为参考光路6 s内的平均光功率;P₂为经过待测样品后6 s内的平均光功率。虽然这种方法的精度很高,但是因环境变化引起两路光功率的抖动可能会引起额外的测量误差。在未刻写FBG时,两路LD光功率差分得到的损耗5 min(刻写一根光纤光栅的时间小于5 min)内最大抖动误差为0.0034 dB,即实验中损耗测量的精度值为0.0034 dB,比理想极限0.0013 dB略大。

4 实验结果与讨论

4.1 紫外激光诱导损耗α与折射率改变量δn的关系

在使用光谱仪测量损耗的方法中,探究了紫外光均匀辐照时(此时只存在有效折射率增量δn_eff),紫外激光诱导损耗α与折射率改变量δn_eff的演变情况。具体操作是:先用几个脉冲的紫外激光经过相位掩模板刻写一个长度为2 cm的低反射率光栅(weak FBG),接着去掉相位掩模板,直接均匀辐照这段2 cm的低反射率光栅,每次辐照若干个脉冲后,记录一次光谱。如图3(a)所示,随着紫外激光辐照剂量的增加,低反射率光栅的波长红移,同时整个宽带光谱的透过率下降。将均匀辐照前的光栅光谱作为参考点,将光栅的波长红移量Δλ及其透过率变化量ΔT(dB),代入(1)式和(5)式可以计算出紫外光诱导折射率改变量δn_eff和损耗α,它们之间的变化关系见图3(b)。可以看出,由于光谱仪精度的限制,实测数据有几个平台区,但是α与δn_eff之间仍存在明显的线性关系。这表明紫外辐照光纤同时引起了光纤纤芯损耗和折射率增大,并且损耗系数α随着有效折射率δn_eff的增大而线性增加。

图 3. (a)均匀辐照多个脉冲数的低反射率光栅光谱;(b)紫外诱导损耗α与折射率改变量δn的关系

Fig. 3. (a) Spectra of weak FBG with dose of UV exposure; (b) UV-induced loss α varies with UV-induced refractive index change δn

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4.2 FBG的损耗系数α与耦合系数κ的关系

FBG的耦合系数κ是与紫外光致折射率增量相关的参数,采用图1所示的测量方法,分析了在刻写FBG的过程中,其损耗系数与耦合系数的关系。用于刻写FBG的光源采用准分子激光器,相位掩模板周期为1057.2 nm,其±1级衍射光的衍射效率为41%,0级衍射光的衍射效率为3.7%,光纤是经过120 atm(1 atm=101325 Pa)的高压载氢3 d后的SM-28,实验中将激光器输出的脉冲能量设置为75 mJ,重复频率为12 Hz,光纤被安置在相位掩模板后约200 μm处,并且与聚焦透镜(焦距f=150 mm)之间的距离约为142 mm。测量结果如图4(a)所示,刻写FBG时有效折射率增量δn_eff与折射率调制幅度δn_mod同时增加,此时δn_mod/δn_eff≈0.8。根据图4(b)得到FBG的损耗系数α随耦合系数κ(mm^-1)线性增长的关系,而κ∝δn_mod,说明FBG的损耗系数与δn_mod呈正比关系,与之前的结论一致。这也说明在相同工艺参数下,刻写不同反射率的FBG,对应的损耗系数不同,那么直接采用损耗系数评价某个工艺参数对FBG损耗特性的影响是片面的。如果采用α/κ作为评判FBG损耗性能的标准,分析各种工艺参数对该斜率系数的影响,优化不同工艺参数得到尽可能小的斜率系数,将有助于在尽可能排除FBG反射率影响的情况下降低其损耗系数。下面具体分析了几种工艺参数对α/κ的影响。

图 4. FBG刻写过程中折射率与损耗的增长过程。(a) δnmod, δneff和δnmod/δneff 随紫外光辐照脉冲数的变化;(b) FBG损耗系数α与耦合系数κ(mm-1)的关系

Fig. 4. Refractive index change and loss increasing during FBG inscription. (a) δnmod, δneff and δnmod/δneffvaries with dose of UV exposure; (b) loss coefficient of FBG varies with its coupling coefficient

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4.3 FBG的刻写参数对损耗-耦合斜率系数α/κ的影响

4.3.1 光纤与相位掩模板的间距D

进行本组实验时,采用与4.2节相同的相位掩模板,FBG的刻写条件为:脉冲能量约为80 mJ,脉冲频率为12 Hz,光斑长度为9 mm,SM-28光纤载氢时间为6 d,光纤的预施加应力为0.54 N,光纤距聚焦透镜约为142 mm。在相位掩模板后100~2500 μm范围内选择了几个位置夹持光纤。图5显示了δn_mod/δn_eff和α/κ随光纤与相位掩模板距离D的变化趋势。图5(a)中的δn_mod/δn_eff各值是刻写过程中每组δn_mod/δn_eff数据的平均值。D越大,δn_mod/δn_eff越小,即相位掩模板后的干涉光场对比度沿着远离相位掩模板的方向逐渐降低。同时由图5(b)显示,沿着远离相位掩模板的方向α/κ越来越大。这有可能是因为越远离相位掩模板,干涉光场的对比度越低^[17],对应FBG的δn_eff越大,使得即使κ不变,FBG的α也会增加。

图 5. (a) δnmod/δneff和(b) α/κ随光纤与相位掩模板距离D的变化

Fig. 5. (a) δnmod/δneff and (b) α/κ varies with the distance between the phase mask and the fiber core

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4.3.2 相位掩模板的衍射效率

为研究相位掩模板衍射光的衍射效率对FBG损耗系数的影响,两块相位掩模板的参数设置如表1所示,其中符号“—”表示该衍射级次的衍射光能量太小,未能测量出。相位掩模板A的0级衍射光效率小于其±1级衍射光的1/10,相位掩模板B的0级衍射光效率只是略小于±1级衍射光。重复上述实验,结果见图6,两个相位掩模板的δn_mod/δn_eff和α/κ沿远离相位掩模板方向的变化趋势一致,只是相位掩模板A刻写的FBG的δn_mod/δn_eff略高于相位掩模板B,而α/κ略低于相位掩模板B。这可能是因为较高的0级衍射光造成背景折射率增加,从而使FBG的损耗增加。

图 6. 采用两个相位掩模板刻写FBG过程中,(a) δnmod/δneff和(b) α/κ随光纤与相位掩模板距离D的变化

Fig. 6. (a) δnmod/δneff and (b) α/κ vary with the distance between the phase mask and the fiber core, using the two different phase masks

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4.3.3 增敏方式

最后对比载氢和载氘两种增敏方式对FBG损耗系数的影响。用高压载氢4 d和载氘4 d的SM-28光纤在相同条件下分别刻写FBG,刻写条件与之前的实验相同:脉冲能量约为80 mJ,脉冲频率为12 Hz,光斑长度为9 mm,光纤的预施加应力为0.54 N,光纤距聚焦透镜约为142 mm,并且固定在相位掩模后约100 μm的位置。为了更直观地分析增敏方式的影响,直接列出能明确反映光纤损耗性能的斜率参数α/κ,如表2所示,每种增敏方式分别列举了4个样品的测量结果。可以看出,采用载氘的增敏方式刻写的FBG在1550 nm附近的损耗斜率比载氢的小50%以上。

5 结论

提出了在线同步监测FBG的损耗与折射率增长趋势的方法,实验结果显示FBG的损耗系数α随耦合系数κ线性增长。优化不同工艺参数得到尽可能小的损耗-耦合斜率系数α/κ,有助于在尽可能排除FBG反射率影响的情况下降低其损耗系数。本文将α/κ作为评判FBG损耗性能的标准,分析了光纤与相位掩模板间距、相位掩模板的衍射光效率和增敏方式工艺过程等对FBG损耗性能的影响。结果表明,增加光纤与相位掩模板距离和使用0级衍射光衍射效率更强的相位掩模板都会使FBG的损耗系数更大,这可能是与耦合系数无关的背景折射率增加所致,而采用载氘的增敏方式可以使FBG在1550 nm附近的损耗斜率下降50%以上。