张 雯， 熊 洁， 何 巍， 祝连庆,

(1. 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016; 2. 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192)

0 引 言

光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）是一种结构紧凑、性能可靠的无源光纤器件，具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、抗腐蚀、易于集成复用等独特优势，在微机械结构、生物医疗、海洋探测、航空航天等领域具有广泛的应用前景[1-4]。FBG器件及其阵列可实现温度、应变、折射率、相对湿度、压强等多参数测量，已成为研究热点之一[5-9]。其中，温度是重要的监测对象，也是其他物理量传感的技术基础。

在制备工艺方面，自1978年Hill等利用驻波法研制出第一根FBG后[10]，其制作工艺得到了快速发展，目前主要工艺包括紫外曝光法、飞秒激光刻写等[11-12]。紫外曝光依赖光敏效应诱导光纤材料发生折射率变化，而飞秒脉冲写入机制是多光子吸收效应[13-15]。与紫外曝光技术不同，飞秒激光制备无需光纤载氢，且可透过光纤涂覆层进行刻写，无需刻写前去除涂覆层、刻写完毕后再次重涂覆，简化了FBG制备过程，增强了器件可靠性。在器件结构方面，不同结构的光纤光栅，如光纤布拉格光栅、啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、倾斜光纤光栅等，都基于周期性反射结构，近年来已有广泛关注与研究[16-18]。然而上述光栅的栅区都只存在于纤芯内，这是由于纤芯通过掺锗等稀土元素，提高了光敏特性，使其易受紫外曝光，进而实现折射率调制。包层结构一般无掺杂，因而在包层中采用紫外曝光法制备FBG难度较大，鲜有相关研究报道。

芯包复合光纤光栅的结构特点是栅区同时存在于纤芯和包层区域中，随着飞秒激光刻写技术不断发展[19-21]，瞬时功率提高、光斑尺寸减小、刻写路径灵活，使得芯包复合光纤光栅的制备成为可能。相比于传统的FBG，此类结构能产生具有双峰结构的反射光谱，实现单传感结构、双灵敏系数的功能性扩展，具有巨大的应用价值与潜力，但尚缺乏针对该结构的温度传感理论分析及飞秒激光制备研究，在实际应用时缺乏理论依据与工艺参考。综上所述，本文首先从理论验证了这一设想，进而利用飞秒激光逐线刻写技术，透过聚酰亚按涂覆层同时刻写在光纤纤芯与包层内部，形成两组周期性反射结构，实现器件制备，并对该传感器在50～410 ℃范围内的温度特性进行了研究。

1 芯包复合光纤光栅传感原理

本文提出的芯包复合光纤光栅结构如图1所示。为激发包层内的光能量传播，使用单模光纤（single mode fiber, SMF）与细芯光纤（thin core fiber, TCF）熔接，纤芯/包层直径分别为9/125 μm和6.4/125 μm，形成纤芯失配。光传播时入射光被分成两束：一束注入TCF纤芯，另一束耦合到TCF包层。飞秒脉冲激光透过聚酰亚胺涂层聚焦至TCF纤芯，采用激光逐线刻写方式，形成覆盖纤芯与包层的光栅结构。

图1 芯包复合光纤光栅传感原理

光纤光栅是折射率沿光纤轴向周期性永久变化的产物。由耦合模理论可知，宽带光在FBG中传播时，反射特性遵守布拉格条件，即：

neff——光栅纤芯的有效折射率；

芯包复合光纤光栅直接覆盖光纤纤芯与包层，单次刻写形成了两个光栅结构，有：

且光纤的纤芯与包层的有效折射率不同。依布拉格条件(1)，有：

因此，芯包复合光纤光栅结构的反射谱将产生两处布拉格谐振，且：

注意到与纤芯的有效折射率相比，包层的有效折射率较低，因此包层的布拉格谐振波长较小。

光纤布拉格光栅的温度传感特性可表示为：

本文提出的芯包复合光纤光栅结构中，纤芯与包层产生布拉格谐振的光栅常数相同，有效折射率、掺杂浓度不同。

对于α而言，从数量级上比β小10倍，由式(5)可知，β是光栅结构温度灵敏度ST的主导参数，则：

由以上分析可知，芯包复合光纤光栅结构将出现两个布拉格谐振峰，分别对应纤芯谐振、包层谐振。且两处谐振的温度灵敏度不同，包层谐振的温度灵敏度更高。

2 器件制备

采用Fujikura 80S熔接机的纤芯对准模式，使不同尺寸光纤熔接时的纤芯失配最小，本文中SMFTCF熔接损耗控制在0.01 dB以内。

飞秒激光刻写系统如图2所示，其中，钛蓝宝石飞秒激光器（coherent asterlla）能实现波长800 nm、脉宽35 fs、峰值能量1.5 mJ、激光重复频率1 kHz的飞秒脉冲输出。由飞秒激光器出射的超窄脉宽飞秒激光经聚焦物镜（Zeiss Plan-Apochromat，63×）聚焦至细芯光纤纤芯，上位机控制三维运动平台移动和光斑闭合，通过宽带光源和高精度光谱分析仪（Yokogawa AQ6370D）实现刻写过程的实时监测。为避免光纤柱面透镜效应引起的焦距畸变，刻写时物镜镜头与光纤都浸入折射率液滴中，如图3所示。

图2 飞秒激光刻写系统示意图

图3 飞秒激光刻写平台

采用逐线刻写方式，光栅刻写始点与熔接点相距5 cm。飞秒激光刻写功率1 μW，光栅栅距533 nm，栅线长度10 μm，栅区长度2 000 μm。为验证芯包复合光纤光栅的特性，另取相同光纤、相同工艺参数，制备仅在纤芯内的FBG、仅在包层内的FBG，以作对比。

飞秒激光刻写前后光纤的显微图片如图4所示，放大倍数63倍，由刻写镜头直接拍摄。刻写前，细芯光纤完好，如图4(a)所示，可观察到纤芯-包层-涂覆层及其边界，直径尺寸分别为6.4/125/155 μm。飞秒激光垂直于光纤轴面入射，刻写后的芯包复合FBG、纤芯FBG、包层FBG分别如图4(b)～(d)所示。

图4 飞秒激光刻写FBG显微图像

刻写时使用光谱分析仪对三种FBG的反射特性进行实时监测，光谱范围1 520～1 565 nm，分辨率0.05 nm，采样点9 001，光谱如图5～图7所示。分别记录三次光谱的布拉格波长与-3 dB带宽，列入表1进行光谱特性参数分析。

表1 3种FBG反射光谱特征参数

图5 仅在纤芯的FBG反射光谱

由图7可知，芯包复合FBG有两处布拉格谐振波长，分别为1 540.09 nm和1 542.07 nm。结合式(4)，由于纤芯的有效折射率高于包层的有效折射率，因此纤芯的布拉格谐振波长大，包层的布拉格谐振波长小。

对比图5与图7，当FBG只刻写在纤芯中时，布拉格波长为1 541.98 nm，对应芯包复合FBG右侧的包层布拉格谐振（1 542.07 nm）。类似地，由图6～7可知，当FBG只刻在包层中时，布拉格波长为1 540.09 nm，对应芯包复合FBG左侧的纤芯布拉格谐振（1 540.22 nm）。这表明，芯包复合FBG同时具备两个布拉格波长的特性。

图6 仅在包层的FBG反射光谱

图7 芯包复合FBG反射光谱

此外，纤芯FBG的-3 dB带宽为0.60 nm，包层FBG的-3 dB带宽为1.15 nm；而对于芯包复合FBG，两处布拉格谐振波长的-3 dB带宽都有变化：纤芯布拉格谐振的带宽变大（1.26 nm）、包层布拉格谐振的带宽变小（1.09 nm）。这是由于芯包复合FBG相邻空间内，纤芯模和包层模之间出现了模间串扰。

3 温度特性实验与讨论

在千级洁净室中对芯包复合光纤光栅的温度特性进行了实验研究。使用高温炉（FNS TMX-6-18）对光纤器件进行50～410 ℃测试，反射光谱以20 ℃为步长记录，调至固定温度后待20 min测量，以保证热平衡。测试所得的温度特性曲线如图8所示。

当温度从50 ℃上升到410 ℃时，芯包复合光纤光栅光谱向长波方向漂移，出现红移，如图8(a)所示。为深入研究温度特性，分别对包层布拉格谐振、纤芯布拉格谐振进行分析，如图8(b)、(c)所示。进一步对双布拉格谐振进行波长-温度线性拟合，如图8(d)所示。可得包层布拉格谐振的温度灵敏度为10.45 pm/℃，线性系数为0.998 8；纤芯布拉格谐振的温度灵敏度为10.22 pm/℃，线性系数为0.998 7；这一现象与式(7)的理论分析是一致的。

图8 芯包复合光纤光栅的温度特性

特别地，注意到图8(a)～(c)中，包层布拉格谐振峰的能量随温度升高逐渐下降，而纤芯布拉格谐振未观测到类似趋势。为明确输出光强的下降原因，另选取与芯包复合光纤光栅种类、尺寸、熔接方式相同的一段未刻写光纤，端面切平后进行温度特性测试，系统组成、测试范围、记录步长等实验条件均与芯包复合光纤光栅的温度实验相同。由于复合光栅的包层布拉格谐振位于1 540.09 nm处，故选择无栅光纤1 540 nm左右的输出功率进行比较，如图9所示。由图中可看出，输出光强在4 dB下降范围内，两条曲线下降趋势一致，部分区域重合。这表明，是包层材料的能量泄漏或折射率变化导致了芯包复合光纤光栅的输出光强下降，而非光栅结构。

图9 温度变化下有无芯包复合光栅的输出光强对比

4 结束语

本文介绍了芯包复合光纤光栅的双波长布拉格谐振现象，建立了该特殊结构的双谐振波长与温度传感模型，利用飞秒激光逐线直写技术实现了器件制备，并对该传感器的温度特性进行研究，具体结论如下：

1）利用纤芯失配激发包层内能量传输，基于经典布拉格衍射条件，建立芯包复合光纤光栅的布拉格谐振方程组，预测双波长谐振位置。结合热膨胀系数与热光系数的光学特性，建立双谐振波长的温度传感模型，并分析不同谐振的温度灵敏度差异。

2）使用波长800 nm、脉宽35 fs、重频1 kHz的飞秒激光，在1 μW刻写功率下，逐线刻写实现了芯包复合光纤光栅结构制备，且光栅栅距533 nm、栅线长度10 μm、栅区长度2 000 μm。监测反射光谱可知，纤芯与包层布拉格谐振分别位于1 542.07 nm、1 540.09 nm，符合双谐振波长模型。

3）在温度范围50～410 ℃、步长20 ℃的测试条件下研究芯包复合光纤光栅的温度特性。实验结果表明，双布拉格谐振波长均随温度升高而产生红移，但纤芯谐振的温度灵敏度为10.22 pm/℃，包层谐振的温度灵敏度为10.45 pm/℃，符合双波长温度传感模型。

综上所述，本文提出的芯包复合光纤光栅能产生具有双峰结构的反射光谱，实现单传感结构、双灵敏系数的功能性扩展，具有巨大的应用价值与潜力，同时对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。