折射率调制的多级相移光栅结构、制备方法及光耦合器

技术领域

本发明属于光纤光栅技术领域，具体涉及折射率调制的多级相移光栅结构、制备方法及光耦合器。

背景技术

光纤布拉格光栅为满足相位匹配条件的模式进行相互耦合，特定波长的光会被反射，其余波长的光则会被透射，从而形成一个窄带滤波器，在诸如反射器、滤波器、传感元件中得到广泛应用，尤其可以应用于光耦合器中。

随着光纤技术的发展，普通的光纤布拉格光栅已经不能满足各种光器件中光纤光路的需求，各种特殊结构光栅的研究和应用取得了很大的突破。其中，相移光纤光栅作为一种特殊的光纤布拉格光栅，在连续的光纤布拉格光栅中引入半个光栅周期的突变。相移点的引入导致相移光纤光栅的光谱特性有别于光纤布拉格光栅，在反射带内形成了极窄的透射窗口，整个光栅形成振荡腔。引入相移实现窄带滤波。从相位角度分析，带来π相位突变，成为π相移光纤布拉格光栅。

相移光纤光栅具有高质量的波长选装性，插入损耗低、并且与偏振态无关，应用较为广泛。关于相移光栅的研究、应用，有诸如专利CN106094085A给出了相移光栅制作方法及相移光栅，该方法包括：在基板上形成第一层模板；根据预设的掩模板对第一层模板进行光刻，将第一层模板割裂成多个分离的第一凸台，第一凸台之间的第一缝隙底部为暴露的基板；在第一凸台的外表面及基板暴露的表面形成第二层模板；对第二层模板进行刻蚀，将第二层模板割裂成多个分离的第二凸台；第一凸台位于相邻的第二凸台之间；去除第一凸台；在第二凸台之间的空隙涂覆光刻胶，形成第一光刻胶软模板；对第一光刻胶软模板进行全息曝光及显影，在第一光刻胶软模板上形成第二缝隙，将第二缝隙底部的基板暴露出来；对基板中暴露出来的部分进行刻蚀并刻蚀去掉第二凸台形成光栅。该方案的实施例中提供的相移光栅制作方法效率较高。

又如，专利CN107037583A给出解调相移光栅中心波长与相移量的方法、装置和系统，利用待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，以得到待解调相移光栅的中心波长以及相移量，从而解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题，进而可以利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。

然而，如上述的现有技术通常都是通过对缝隙的间距控制引入相移的尺寸。这要求对掩膜板的厚度进行精准控制，而在实际应用中往往会出现偏差，导致窄带的错位。

因此，如何在光纤上设计合理的光栅结构，获得精准、可控的相移光栅，并给出操作方便、可行的相移光栅制备方法，以满足不同场景下光学元件的应用需求是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种折射率调制的多级相移光栅结构、制备方法及光耦合器，多级相移光栅结构为呈轴向排布的光纤布拉格光栅，包括：至少一段均匀光纤光栅段，以及两端均与均匀光纤光栅段连接的相位调制光栅段组；相位调制光栅段组包括至少两级相位调制光栅段，且各层相位调制光栅段呈逐级嵌入式排布；均匀光纤光栅段及每级相位调制光栅段的有效折射率均不相同；经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量为nπ，其中，n=（0.3~0.7）+N，N为自然数。本发明的多级相移光栅结构通过在均匀光纤光栅中进行多级有效折射率调制，给出多级相位调制光栅段，提高光纤对反射谱中透射波长的精度以及透射率。

第一方面，本发明提供一种折射率调制的多级相移光栅结构，多级相移光栅结构为呈轴向排布的光纤布拉格光栅，包括：

至少一段均匀光纤光栅段，以及两端均与均匀光纤光栅段连接的相位调制光栅段组；

相位调制光栅段组包括至少两级相位调制光栅段，且各级相位调制光栅段呈逐级嵌入式排布；

均匀光纤光栅段及每级相位调制光栅段的有效折射率均不相同；

经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量为nπ，其中，n=（0.3~0.7）+N，N为自然数。

进一步的，相位调制光栅段组的长度与多级相移光栅结构的总长度比值不大于1/10。

进一步的，经多级相移光栅结构后，目标透射波长的透射率不低于70%。

进一步的，相位调制光栅段组及均匀光纤光栅段在多级相移光栅结构中的位置关系，具体表示为：

其中，L

进一步的，每级相位调制光栅段中栅格的数量均不小于1/4个调制周期，且每级相位调制光栅段中的各个栅格连续排布；

对每级相位调制光栅段按逐级嵌入进行层级划分，任一当前级的相位调制光栅段的端点与下一级的相位调制光栅段的相邻端点之间形成两段光栅长度分别为ΔL

进一步的，相位调制光栅段组中的每级相位调制光栅段的有效折射率均恒定，每级相位调制光栅段中的各个栅格的有效折射率一致，各相邻相位调制光栅段的有效折射率呈逐级变化。

进一步的，经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量，具体表示为：

其中，

第二方面，本发明还提供一种折射率调制的多级相移光栅结构的制备方法，制备如上述折射率调制的多级相移光栅结构，具体包括如下步骤：

在光纤的预设位置上预设温差，制备得到均匀光纤光栅段；

在均匀光纤光栅段上，控制激光脉冲的参数，并基于遮挡进行相位调制光栅段组的写制，制备得到多级相移光栅结构。

进一步的，预设温差，具体表示为：

其中，

第三方面，本发明还提供一种光耦合器，包括：含多级相移光栅结构的光纤，其中,多级相移光栅结构为如上述折射率调制的多级相移光栅结构。

本发明提供的一种折射率调制的多级相移光栅结构、制备方法及光耦合器，至少包括如下有益效果：

（1）本发明通过递进嵌入式对光纤的有效折射率进行多级调制，在常规均匀光纤布拉格光栅中引入相移，使得反射谱中产生精准预设的目标透射波长。多级递进嵌入的有效折射率调制，叠加由多级相位调制光栅段引起的相移量，通过多维调制，既能满足对相移光纤光栅的设计要求，又能减小光栅写制制备工艺中参数误差对反射谱透射波长的精度影响，同时也能获得透射率更高的相移光栅。

（2）根据预设的目标透射波长以及透射率，并结合光纤自身的属性参数，对设计给出的多级相移光栅结构中各级相位调制光栅段的有效折射率进行精准的把控，得到满足不同场景下光学元件应用需求的光栅光纤。

（3）多级相移光栅结构制备过程中，得到的均匀光纤光栅段中部分区域进行电扰动，寻求最佳的写制能力（如脉冲持续时间、重复频率和功率，以此得到具有定制特性的多级相移光栅结构），引起特定区域有效折射率发生调制，获得多级的处理区与未处理区的模式，形成有效折射率差，从而制备得到多级相移光栅结构。

（4）通过反射谱的目标透射波长，确定写制过程中外部物理量改变量的大小，以此可以实现温差预设、控制及监测，以此制备得到多级相移光栅结构。

附图说明

图1为本发明提供的一种折射率调制的多级相移光栅结构的结构示意图；

图2为本发明提供的一种折射率调制的多级相移光栅结构的制备方法的流程示意图；

图3为本发明提供的某一实施例的预设温差下制备相位调制光栅段组的结构示意图；

图4为本发明提供的对多级相移光栅结构进行透射率测试的结果图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

相移光栅为非均匀光栅，通常是在常规光纤布拉格光栅的某一特定部位引入一定的相移区，如在常规布拉格光栅中引入π相移，能在反射光谱中产生窄带峰，以此，产生单模激光输出。

相移光栅中相移区的数量、设置位置以及调制周期等都会对透过光纤布拉格光栅的光谱产生影响。同时，考虑到光纤光栅写制的可行性，也为了保证得到的相移布拉格光栅有精准的光谱特性传感特性，可以通过多级递进嵌入的方式对光纤进行有效折射率的调制，以此给出特定目标透射波长的相移光纤布拉格光栅结构。

因而，如图1所示，本发明提供一种折射率调制的多级相移光栅结构，多级相移光栅结构为呈轴向排布的光纤布拉格光栅，包括：

至少一段均匀光纤光栅段，以及两端均与均匀光纤光栅段连接的相位调制光栅段组；

相位调制光栅段组包括至少两级相位调制光栅段，且各级相位调制光栅段呈逐级嵌入式排布；

均匀光纤光栅段及每级相位调制光栅段的有效折射率均不相同；

经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量为nπ，其中，n=（0.3~0.7）+N，N为自然数。

本发明给出的多级相移光栅结构，通过在均匀光纤光栅段中进行有效折射率的调制，获得多级嵌入式排布的相位调制光栅段组，实现反射谱中目标透射波长的设定相移。其中，均匀光纤光栅段即为常规布拉格光栅，均匀光纤光栅段内每个栅格的调制周期、有效折射率均相同。相位调制光栅段组包括多级的相位调制光栅段，各个相位调制光栅段的有效折射率均不同，且与均匀光纤光栅段的有效折射率也不同。

光纤布拉格光栅的波长主要取决于光栅周期和发生耦合模式的有效折射率。本发明通过递进嵌入式对光纤的有效折射率进行调制，在常规均匀光纤布拉格光栅中引入相移，使得反射谱中产生精准预设的目标透射波长。

多级递进嵌入的有效折射率调制，叠加由多级相位调制光栅段引起的相移量，既能满足对相移光纤光栅的设计要求，又能减小光栅写制制备工艺中参数误差对反射谱透射波长的精度影响，同时又能获得透射率更高的相移光栅。

相位调制光栅段组的长度与多级相移光栅结构的长度比值不大于1/10。在均匀光纤段中进行有效折射率的调制，一般调制的幅度较小，因而，相位调制光栅段组的长度也较小，比原来的光纤布拉格光栅的长度低1个量级以上。

同时，为保证得到的多级相移光栅结构的透射满足需求，设定经多级相移光栅结构后，目标透射波长的透射率不低于70%。

对于引入相位调制光栅段组的多级相移光栅结构，目标透射波长在均匀光纤光栅段中，其对于目标透射波长的反射率

其中，

因而，目标透射波长的透过率T，可以表示为：

另外，耦合系数

其中，

因而，对于本发明的多级相移光栅结构，在满足透射率指标情况下，相位调制光栅段组及均匀光纤光栅段在多级相移光栅结构中的位置关系，具体表示为：

其中，L

每级相位调制光栅段中栅格的数量均不小于1/4个调制周期，且每级相位调制光栅段中的各个栅格连续排布；

即每级相位调制光栅段可以为1/4个调制周期，也可以为半个调制周期，也可以为整数个调制周期。当然也可以在1/4个调制周期以上的任取。对每级相位调制光栅段中栅格数量进行限定，既可以保证每级折射率的调制对整个多级相移光栅结构的作用，也能通过多维调制，提升精准度。

对每级相位调制光栅段按逐级嵌入进行层级划分，任一当前级的相位调制光栅段的端点与下一级的相位调制光栅段的相邻端点之间形成两段光栅长度分别为ΔL

在均匀光纤光栅段中不同位置引入相移，会对最大透射率产生影响。相移的引入位置自均匀光纤光栅段的起始端开始，逐渐向中心端移动过程中，透射波长的峰值位置不变，但是最大透射率会逐渐变深，经过中心端后，透射波长的峰值位置仍然不会发生改变，但是最大透射率又会逐渐变浅。

因而，为保证最大透射率在可取的范围内，当前级的相位调制光栅端的端点下一级的相位调制光栅段的相邻端点之间形成两段长度的比值需在1/2~2倍之间，由此保证透射窗口（即目标透射波长所在位置）的深度仍然达到低损耗。

如图1所示，在多级相移光栅结构的图中，AB、GH为均匀光纤光栅段，BG则为相位调制光栅段组。经过相位调制光栅段组后，即经过端点B、端点G后，目标透射波长形成相位差，产生相移量。

经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量，具体表示为：

其中，

如图1中，在多级相移光栅结构的图中，BG的相位调制光栅段组内包括多级相位调制光栅段，例如BC、FG为相同级的相位调制光栅段，CD、EF为另一相同级的相位调制光栅段，DE又为另一级的相位调制光栅段。

相位调制光栅段组的每级相位调制光栅段的有效折射率均恒定，如BC和FG的有效折射率恒定，CD和EF的有效折射率恒定。

每级相位调制光栅段的各个栅格的有效折射率一致，各相邻相位调制光栅段的有效折射率呈逐级变化。如自BC、FG级别到CD、EF级别，再到DE级别，每级相邻的相位调制光栅段的有效折射率呈逐级变化的趋势。

经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量，具体表示为：

其中，

本发明给出的多级相移光栅结构，仅通过对均匀光纤布拉格光栅进行有效折射率的调制，并不改变均匀光纤布拉格光栅中的调制周期，继而给出多级相位调制光栅段，保证相移光栅的可控性。

如图1所示，以三个级别相位调制光栅段为例，说明调制每级相位调制光栅段的有效折射率对整个相位调制光栅段组的相移量的影响。

此时，相位调制光栅段的层数总量M为3，

自光纤结构的左侧端点起，光纤左侧端点至A点的有效折射率为光纤的起始有效折射率

经过ED段后，E点至F点又为第2级相位调制光栅段，EF的有效折射率为第2级相位调制光栅段的有效折射率，即

三级相位调制光栅段，经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量，具体表示为：

如图2所示，本发明还提供一种折射率调制的多级相移光栅结构的制备方法，制备如上述折射率调制的多级相移光栅结构，具体包括如下步骤：

在光纤的预设位置上预设温差，制备得到均匀光纤光栅段；

预设温差后，制备均匀光纤光栅段，也需要采用激光脉冲进行曝光，激光脉冲可以选择高频CO

预设温差至均匀光纤光栅段温度与光纤其他位置的温度差值。

在均匀光纤光栅段上，控制激光脉冲的参数，并基于遮挡进行相位调制光栅段组的写制，制备得到多级相移光栅结构。

激光脉冲的参数包括激光脉冲持续时间、激光重复频率和功率等。控制激光脉冲的参数使得透过遮挡板以及掩膜板的激光作用到光纤上均匀光纤光栅段部分，以此得到具有定制特性的多级相位调制光栅段组的光栅结构。其中，掩膜板的尺寸、形状与相位调制光栅段组对应，遮挡板的尺寸及激光透过情况与多级相位调制光栅段的长度、有效折射率等对应。

光纤写制布拉格光栅时，可以采用激光脉冲进行照射，在激光脉冲曝光过程中，同时施加外部的作用，可以实现对光纤有效折射率的周期性调控。在外部物理量中，温度和应力变化是最基本的因素。通过反射谱中目标投射波长确定外部物理量改变量的大小，以此可以实现度温度等的预设、控制及监测，以此制备得到多级相移光栅结构。

本发明的多级相移光栅基于遮挡方式并采用掩膜制备，能融合掩膜工艺中容易操作、稳定性好的优点，同时克服写制不灵活的缺点。在均匀光纤光栅段中引入部分周期性电介质扰动，寻求最佳的写制能力（如脉冲持续时间、重复频率和功率，以此得到具有定制特性的多级相移光栅结构），引起特定区域有效折射率发生调制，获得多级的处理区与未处理区的模式，形成有效折射率差，从而制备得到多级相移光栅。

如图3所示，光纤光栅作用于温度场之后，温度对光栅的影响可以通过光纤布拉格光栅反射波长公式进行分析。

分析光纤光栅中，温度场的影响，需要从光纤布拉格光栅反射波长公式进行。即：

其中，

如上述光纤布拉格光栅反射波长公式，对温度T进行求导，得到：

光纤有效折射率的变化可以表示为：

其中，

光栅周期的变化可以表示为：

其中，

基于对有效折射率的调制原则，则预设温差，具体表示为：

其中，

控制激光脉冲的参数（如激光脉冲持续时间、激光重复频率和功率等）使得透过遮挡板以及掩膜板的激光作用到光纤上均匀光纤光栅段部分，以此得到具有定制特性的多级相位调制光栅段组的光栅结构。

光纤吸收激光脉冲发出的光子，产生折射率的变化主要取决于光纤本身的光敏特性。光纤本身的光敏特性包括光纤尤其是纤芯的折射率、吸收谱、密度及外部物理量（诸如应变、温度等）等。光纤收到激光脉冲的辐照，光纤本身的光敏特性发生永久性的改变。

在均匀光纤光栅段上，控制激光脉冲的参数，并基于遮挡进行相位调制光栅段组的写制，制备得到相位调制光栅段组，具体包括如下步骤：

预设激光脉冲的参数以及遮挡板的参数，使得在均匀光栅段中的有效折射率调制满足相位调制光栅段组的要求，具体表示为：

其中，

函数的具体公式会因为激光选取的差异有所不同，因此，不做进一步的限定。在进行相位调制光栅段组的写制之前，首先选定所要采用的激光类型，之后可以通过实验数据确定

如图4所示，对本发明给出的一种多级相移光栅结构进行透射率测试。其中，多级相移光栅结构的级数为3，目标透射波长为1064nm，经相位调制光栅段组后，反射谱中目标透射波长的相移量为1/2π。从测试数据看出，目标透射波长的透射率接近100%。

第三方面，本发明还提供一种光耦合器，包括：

含多级相移光栅结构的光纤，其中,多级相移光栅结构为如上述折射率调制的多级相移光栅。

本发明提供的一种折射率调制的多级相移光栅结构、制备方法及光耦合器，至少包括如下有益效果：

（1）本发明通过递进嵌入式对光纤的有效折射率进行多级调制，在常规均匀光纤布拉格光栅中引入相移，使得反射谱中产生精准预设的目标透射波长。多级递进嵌入的有效折射率调制，叠加由多级相位调制光栅段引起的相移量，通过多维调制，既能满足对相移光纤光栅的设计要求，又能减小光栅写制制备工艺中参数误差对反射谱透射波长的精度影响，同时也能获得最大透射率更高的相移光栅。

（2）根据预设的目标透射波长以及透射率，并结合光纤自身的属性参数，对设计给出的多级相移光栅结构中各级相位调制光栅段的有效折射率进行精准的把控，得到满足不同场景下光学元件应用需求的光栅光纤。

（3）多级相移光栅结构制备过程中，得到均匀光纤光栅段中部分区域进行电扰动，寻求最佳的写制能力（如脉冲持续时间、重复频率和功率，以此得到具有定制特性的多级相移光栅结构），引起特定区域有效折射率发生调制，获得多级的处理区与未处理区的模式，形成有效折射率差，从而制备得到多级相移光栅结构。

（4）通过反射谱的目标透射波长，确定写制过程中外部物理量改变量的大小，以此可以实现温差预设、控制及监测，以此制备得到多级相移光栅结构。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。