【飞秒智能制造】产品与解决方案（四）：光纤布拉格光栅
发布时间：2022-05-20 来源：北京拓普光研
光纤布拉格光栅
用于科学研究和工业自动化
典型应用场景：光通信、光传感
光纤布拉格光栅（FBG）经过20余年的发展，技术已经日趋成熟，成为光纤通信和传感中最重要的器件之一，已形成一个数亿美元的产业和一个稳定的研究领域。
FBG具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件，FBG技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复用器（OTM） 、光交叉连接（OXC）等关键部件提供解决方案，并随着全光通信网络和光纤传感技术的发展发挥出越拉越重要的作用。
FBG的商业化方面已广泛应用于：半导体激光器的选频、光纤激光器反射镜、掺铒光纤放大器增益平坦及降噪、DWDM系统中的波分复用器、高速光通信系统中的色散补偿。
FBG优异的性能指标和强大的环境适应能力，使其在传感采矿、大型结构的应变及温度准分布式测量、油（气）井下压力和流量的测量、航天器运行状态监测、桥梁变形测量、输电工程等行业也有着广泛的应用。并且其应用范围随着科研水平和制造能力的发展还在不断扩大。
行业挑战
● 传统方法的弊端
传统的FBG制作方法是采用紫外光照射和相位掩模结合的方法，尽管该方法通量大，但缺乏灵活性，必须在紫外(< 250nm)照射前剥离光纤以去除聚合物涂层，使其容易发生断裂，并在光栅形成后强制重涂。只有使用光敏光纤才能获得最佳效果。
● 现在普遍制造FBG的方法
另外一种制备FBG的方法是使用飞秒激光直写工艺，这种方法不需要剥离和重涂过程，而且广泛适用于多种光纤。更重要的是，该方法具有灵活性，可以制造出不同参数和形状的FBG。此外，纤芯的折射率会被永久地改变，与用紫外光制造的情况相比，它不会因热而退化。事实证明，只要设备符合要求，良好控制飞秒激光直写可以产生高质量、高反射率的FBG。
● 飞秒激光直写FBG面临的挑战
传统FBG加工方法的瓶颈主要是加工过程中多个环节依赖于人的经验判断和人为操控。加工结果因人而异，无法很好地实现稳定性和一致性，从而有效控制FBG的制造质量。此外，刚接触FBG的人需要接受深入的培训，以积累足够的经验，从而获得高质量的FBG。这样的过程降低了FBG制造的可重复性和成品率，延迟了可用加工结果的产生，并且对于质量控制非常不利。这样的训练过程对FBG加工的质量管控并不是十分理想。确保加工的过程快捷、高效、成功率高，每次制造的FBG都具有高质量、可重复性、一致性且受到的人为影响最小才是FBG加工最需要解决的问题。
解决方案概述
Innofocus FBG制造系统是一种为高效飞秒激光直写FBG专门设计的具有专利保护的全自动加工系统，具有极大的简便性，灵活性，可靠性，可重复性和高产率。Innofocus FBG制造系统属于一键操作系统，它可以自动识别光纤纤芯和制造位置，然后在加工中追踪纤芯位置，高精度，高效完成制造过程，从而提供研发和大规模工业应用所需的一致性，可靠性，速度和灵活性。
● 自动查找加工位置
图例：软件自动寻找光纤纤芯，此种情况即为焦点已位于纤芯上。
使用飞秒激光直写系统进行FBG制造的最大挑战之一是准确找到光纤纤芯的位置，并在加工过程中确保激光焦点（即所制造的FBG）始终位于光纤纤芯上。在大多数情况下，由于光纤的倾斜或不平直特性，即使在加工起始点位置正确，在加工过程中也会出现离焦情况，而导致FBG加工的成功率很低。这就要求实时观测和纠正制造过程出现的离焦状况，而使用手工加工方法以及用当前市场上非自动加工设备是难以实现的。Innofocus® FBG加工将使用先进的图像识别系统来指导和自动识别整个制造过程中纤芯的位置。
● 自动校正加工位置
图例：对于倾斜和弯曲的光纤，Innofocus系统也可以实现让焦点始终位于纤芯上。
在上述情况中，我们假设光纤与扫描台完美对准，没有任何弯曲或倾斜。在这种情况下，在整个加工过程中，只需要查找一次纤芯位置即可。但是，这种理想情况常常无法实现，光纤的倾斜和弯曲会严重影响制造位置并降低FBG写入的质量。
使用Innofocus研发的自动位置识别软件，可以完全避免光纤倾斜和弯曲引起的误差。该软件可自动测量光纤与写入轴之间的角度，精度最高可达0.001°。这样，软件将自动调整加工路径以与光纤纤芯对齐，而无需进一步调整安装位置。从而可以实现高重复性和量产。
● 识别过程稳定
高质量的FBG加工，要求软件具有很高的稳定性以应对任何突发或干扰情况。例如，光纤上的灰尘。FBG系统通过有意使用带有灰尘的光纤来测试软件的稳定性，测试结果显示其中每种尘埃均显示出衍射图样，软件识别过程稳定。
客户价值
● 高度自动化
自动化程度高，定位精度高于50纳米。
● 进度实时跟踪
在制作过程中自动识别纤芯位置并实时跟踪纤芯位置，确保一致性和可重复性，大大提高了制作的成功率和生产率。
● 科学和工业应用的理想选择
具有高质量、灵活性、成功率、一致性、可靠性和其他许多核心优势，是研究和工业应用的理想选择。
FBG刻写结果展示
中心波长: 1540.645 nm
栅区长度: 3 mm
反射率: 97.1%
边模抑制比( SLSR ): 15.56dB-7.02dB =8.54dB
3db带宽: 0.17 nm
光纤类型: SMF-28
获奖展示
Innofocus FBG制造系统是一种为高效飞秒激光直写FBG专门设计的具有专利保护的全自动加工系统，具有极大的简便性，灵活性，可靠性，可重复性和高产率。Innofocus全球领先的技术与产品性能，得到科研与产业界的广泛认可，并被美国Semiconductor Review评选为Top 10 Photonics Solution Providers in APAC 2021（2021亚太十佳光子学解决方案提供商）。
