超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种超长光纤光栅刻写在线监测系统，它的第一显微镜和第二显微镜用于观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅曝光区域与掩膜板的之间是否平行，拉力计用于对被刻写光栅曝光区域的两端提供预设的拉力，第一水平仪和第二水平仪用于监测对被刻写光栅曝光区域的两端是否在同一水平面上；所述调谐光源的光信号输出端连接第一耦合器，第一耦合器的第一信号输出端连接环形器，环形器连接光纤光栅刻写装置中的被刻写光纤的端部，环形器连接第二耦合器的第一输入端，第一耦合器的第二输出端连接第二耦合器的第二输入端，第二耦合器的输出端连接光电探测器的光信号输入端。利用本发明专利技术制作的光栅精度好、光栅谱形好、一致性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤光栅刻写
，具体涉及一种超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法。
技术介绍
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射的光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化，这一特性在纤芯内形成空间相位光栅，其中，超长光纤光栅则是指光栅长度≥10cm的光纤光栅。正是因为它具有许多独特的优点，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景，其制造技术也在不断地完善到现在为止，目前，普遍采用的刻写布拉格光纤光栅的方法为相位掩膜板写入法。而随着的检测光纤光栅质量的技术的发展，近几年，在检测超长光纤光栅质量的方面，不断提出了许多新的方法，经统计，检测普通布拉格光纤光栅主要的方案有如下几种：参考文献1：(罗志会，等.一种超弱光纤光栅阵列的定位方法[J].光学学报，2015,12期.)，介绍了一种在OTDR技术上改进的相位-强度二维定位法实现对目标光栅的精确定位，但该方法是离线检测技术，并没有进行实时在线监测，无法在线获取刻写的光纤光栅信息，并且OTDR的检测方法由于间隔的局限性而不能使用在超长光纤光栅的信号分析上。参考文献2：(卢辉斌，等.新型带状光纤中阵列光栅刻写方法[J].光学学报，2015,10期.)，介绍了电控3维位移平台对光纤整体施加拉力，使用光谱仪检测光栅的透射谱，该方法能有效控制及监测中心波长，但该方法在刻写超长光纤光栅刻写过程中，并不能对超长光纤光栅位置的波长信息进行检测，并且不能解决光纤与掩膜板水平对光栅刻写所带来的影响。参考文献3：(张天华，等.Bragg波长精确调控的光纤光栅刻写方法与实验[J].激光与红外，2014,03期.)，介绍了使用拉力传感器控制光纤的拉力，由轴向应力的变化引起光栅中心波长的变化，使用宽带光源上的光环行器与光谱仪检测光栅反射谱与透射谱。该方法对光栅施加的拉力转化为拉力传感器所接受的拉力这一过程存在损耗，使得精确度不高，误差有待减小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法，利用这种对刻写过程实时监测的装置所制作的光栅精度好、光栅谱形好、一致性高。监测装置可视化地进行监测，易于观察和对比，通过数据分析，避免了一些误差，大大提高了刻写的超长光纤光栅的质量，制作的超长光栅灵活性较高，可以对中心波长、反射率和光栅长度进行控制。为解决上述技术问题，本专利技术公开的一种超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于，它包括第一显微镜、第二显微镜、拉力计、第一水平仪、第二水平仪、OFDR检测器，所述OFDR(光频域反射计)检测器包括可调谐光源、第一耦合器、环形器、第二耦合器和光电探测器，其中，所述第一显微镜和第二显微镜的镜头分别对准光纤光栅刻写装置中被刻写光栅的曝光区域的两端，第一显微镜和第二显微镜用于观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅曝光区域与掩膜板的之间是否平行，所述拉力计用于对被刻写光栅曝光区域的两端提供预设的拉力，并检测被刻写光栅曝光区域两端的拉力值，第一水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具上，第二水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具上，第一水平仪和第二水平仪用于监测被刻写光栅曝光区域的两端是否在同一水平面上，第一光纤夹具和第二光纤夹具用于对被刻写光栅曝光区域的两端进行夹持；所述可调谐光源的光信号输出端连接第一耦合器的信号输入端，第一耦合器的第一信号输出端连接环形器的第一光通信端，环形器的第二通信端连接光纤光栅刻写装置中的被刻写光纤的端部，环形器的第三通信端连接第二耦合器的第一输入端，第一耦合器的第二输出端连接第二耦合器的第二输入端，第二耦合器的输出端连接光电探测器的光信号输入端；所述可调谐光源的光信号输出端用于输出线性扫频且光强恒定的连续光。所述第一水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具的顶端平面，第二水平仪设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具的顶端平面。所述第一光纤夹具设置在光纤光栅刻写装置的第一五维调节架上，第二光纤夹具设置在光纤光栅刻写装置的第二五维调节架上，第一五维调节架和第二五维调节架用于调整被刻写光栅曝光区域的两端，使被刻写光栅曝光区域的两端处于同一水平面上，同时保持被刻写的光栅曝光区域与掩膜板水平。所述第一五维调节架和第二五维调节架安装在纳米级电动位移平台上，纳米级电动位移平台用于在光纤光栅刻写过程中对光栅进行光栅周期整数倍的平移。一种上述系统的超长光纤光栅刻写在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：第一光纤夹具和第二光纤夹具将被刻写光栅曝光区域的两端进行夹持；步骤2：打开第一水平仪和第二水平仪调整第一五维调节架和第二五维调节架使被刻写光栅曝光区域的两端在同一水平面上；步骤3：使用第一显微镜和第二显微镜一边观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅曝光区域一边调节第一五维调节架和第二五维调节架，使光纤与相位掩膜板初始平行；步骤4：给拉力计设定一个恒定的拉力值对被刻写光栅曝光区域的两端拉伸，并利用光纤光栅刻写装置进行光栅刻写；可调谐光源输出线性扫频且光强恒定的连续光信号，线性扫频且光强恒定的连续光信号经过第一耦合器分成两路，一路线性扫频且光强恒定的连续光信号通过环形器进入光纤的被刻写光栅曝光区域，并由被刻写光栅进行反射，得到含有光栅特征信息的连续光反射信号，含有光栅特征信息的连续光反射信号通过环形器进入第二耦合器的第一输入端，同时，另一路线性扫频且光强恒定的连续光信号作为参考信号进入第二耦合器的第二输入端；含有光栅特征信息的连续光反射信号和参考信号这两个干涉臂光信号在第二耦合器上发生拍频干涉，产生拍频信号，由于线性扫频且光强恒定的连续光信号经过被刻写光栅再返回至环形器时相对参考信号会产生时延，该时延用于表征被刻写光栅各个区域的位置信息；步骤5：通过光电探测器将拍频信号转换为电信号，分别通过电信号的频率和幅度实现光栅各个区域的位置信息和波长信息的同时解调，从而定位被刻写光栅各个区域的位置，同时监测被刻写光栅的中心波长，实现对光栅刻写效果的监测；步骤6：启动纳米级电动位移平台将光纤进行步进式平移，每次平移光栅周期的整数倍，在每次平移光栅周期的整数倍后利用步骤4和5进行光栅刻写以及刻写效果的监测，直到光栅刻写完成，如果刻写效果的监测显示被刻写光栅中心波长或者反射率产生偏差时，则利用步骤2和步骤3进行被刻写光栅曝光区域与掩膜板之间的水平校准。本专利技术的原理为：超长距离光纤光栅(光栅长度≥10cm)在制作时，光纤光栅对应力，光纤的水平程度及与相位掩膜板之间的平行程度等，都会成为影响超长光纤光栅质量的重要因素，通过对光纤的应力、水平度和与相位掩膜板之间平行程度的在线监测，实时记录影响因素的参数变化，能够有效解决刻写出的超长光纤光栅反射谱及中心波长不一致的问题，从而实现对反射率、波长和光栅长度的掌控。本专利技术提出的超长光纤光栅刻写在线监测系统，使用OFDR检测系统，由一个可调谐光源输出线性扫频光，进过第一耦合器分成两束，分别进入光纤马赫-曾德干涉仪的信号臂和参考臂，其中入射至信号臂的光信号经过环行器入射到光纤光栅，再经光纤光栅反射后回到信号臂，两干涉臂光信号在第二耦合器上发生拍频干涉产生拍频信号，由于扫频光经过光栅再返回至信号臂会产生时延，时延与光栅各个区域的位置有关，通过光电探测器将经两条光路的光信号转换为电信号，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于，它包括第一显微镜(1.1)、第二显微镜(1.2)、拉力计(2)、第一水平仪(4.1)、第二水平仪(4.2)、OFDR检测器(8)，所述OFDR检测器(8)包括可调谐光源(8.1)、第一耦合器(8.2)、环形器(8.3)、第二耦合器(8.4)和光电探测器(8.5)，其中，所述第一显微镜(1.1)和第二显微镜(1.2)的镜头分别对准光纤光栅刻写装置中被刻写光栅(9)的曝光区域的两端，第一显微镜(1.1)和第二显微镜(1.2)用于观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅(9)曝光区域与掩膜板的之间是否平行，所述拉力计(2)用于对被刻写光栅(9)曝光区域的两端提供预设的拉力，并检测被刻写光栅(9)曝光区域两端的拉力值，第一水平仪(4.1)设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具(3.1)上，第二水平仪(4.2)设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具(3.2)上，第一水平仪(4.1)和第二水平仪(4.2)用于监测被刻写光栅(9)曝光区域的两端是否在同一水平面上，第一光纤夹具(3.1)和第二光纤夹具(3.2)用于对被刻写光栅(9)曝光区域的两端进行夹持；所述可调谐光源(8.1)的光信号输出端连接第一耦合器(8.2)的信号输入端，第一耦合器(8.2)的第一信号输出端连接环形器(8.3)的第一光通信端，环形器(8.3)的第二通信端连接光纤光栅刻写装置中的被刻写光纤(5)的端部，环形器(8.3)的第三通信端连接第二耦合器(8.4)的第一输入端，第一耦合器(8.2)的第二输出端连接第二耦合器(8.4)的第二输入端，第二耦合器(8.4)的输出端连接光电探测器(8.5)的光信号输入端；所述可调谐光源(8.1)的光信号输出端用于输出线性扫频且光强恒定的连续光。...

【技术特征摘要】
1.一种超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于，它包括第一显微镜(1.1)、第二显微镜(1.2)、拉力计(2)、第一水平仪(4.1)、第二水平仪(4.2)、OFDR检测器(8)，所述OFDR检测器(8)包括可调谐光源(8.1)、第一耦合器(8.2)、环形器(8.3)、第二耦合器(8.4)和光电探测器(8.5)，其中，所述第一显微镜(1.1)和第二显微镜(1.2)的镜头分别对准光纤光栅刻写装置中被刻写光栅(9)的曝光区域的两端，第一显微镜(1.1)和第二显微镜(1.2)用于观测光纤光栅刻写装置中被刻写光栅(9)曝光区域与掩膜板的之间是否平行，所述拉力计(2)用于对被刻写光栅(9)曝光区域的两端提供预设的拉力，并检测被刻写光栅(9)曝光区域两端的拉力值，第一水平仪(4.1)设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具(3.1)上，第二水平仪(4.2)设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具(3.2)上，第一水平仪(4.1)和第二水平仪(4.2)用于监测被刻写光栅(9)曝光区域的两端是否在同一水平面上，第一光纤夹具(3.1)和第二光纤夹具(3.2)用于对被刻写光栅(9)曝光区域的两端进行夹持；所述可调谐光源(8.1)的光信号输出端连接第一耦合器(8.2)的信号输入端，第一耦合器(8.2)的第一信号输出端连接环形器(8.3)的第一光通信端，环形器(8.3)的第二通信端连接光纤光栅刻写装置中的被刻写光纤(5)的端部，环形器(8.3)的第三通信端连接第二耦合器(8.4)的第一输入端，第一耦合器(8.2)的第二输出端连接第二耦合器(8.4)的第二输入端，第二耦合器(8.4)的输出端连接光电探测器(8.5)的光信号输入端；所述可调谐光源(8.1)的光信号输出端用于输出线性扫频且光强恒定的连续光。2.根据权利要求1所述的超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于：当需要被刻写光栅(9)的中心波长为1550nm时，所述可调谐光源(8.1)输出线性扫频且光强恒定的连续光的波长扫描范围为1540～1560nm。3.根据权利要求1所述的超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于：所述第一水平仪(4.1)设置在光纤光栅刻写装置的第一光纤夹具(3.1)的顶端平面，第二水平仪(4.2)设置在光纤光栅刻写装置的第二光纤夹具(3.2)的顶端平面。4.根据权利要求1所述的超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于：所述第一光纤夹具(3.1)设置在光纤光栅刻写装置的第一五维调节架(6.1)上，第二光纤夹具(3.2)设置在光纤光栅刻写装置的第二五维调节架(6.2)上，第一五维调节架(6.1)和第二五维调节架(6.2)用于调整被刻写光栅(9)曝光区域的两端，使被刻写光栅(9)曝光区域的两端处于同一水平面上，同时保持被刻写的光栅曝光区域与掩膜板水平。5.根据权利要求4所述的超长光纤光栅刻写在线监测系统，其特征在于：所述第一五维调节架(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂鑫，李政颖，王洪海，王凡，王一鸣，张纯，曾思悦，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42