光纤布拉格光栅

用于科学研究和工业现代化。

光纤布拉格光栅(FBG)由于其几个特点,是全光网络中的一个关键光学元件。它具有低附加损耗和小尺寸。它能与光纤进行良好的耦合,并能与其他光纤设备进行良好的整合。FBG技术可以为全光通信网络系统中的光源、光放大、色散补偿、光终端复用器(OTM)、光交叉连接器(OXC)和其他关键部件提供有效的解决方案。

光纤光栅被广泛用于感应采矿、飞机制造、土木工程结构和输电线路等行业的应变和温度变化。FBG作为传感器的广泛应用源于其在恶劣环境下执行读出任务的能力。它们拥有一些品质,使它们比金属应变片的同类产品更具吸引力。

Traditional method to fabricate FBGs is to use UV light illumination combined with a phase mask, despite of the high throughput, the method lacks of flexibility and the fibre must be stripped to remove the polymer coating prior to UV (< 250 nm) irradiation, making it susceptible to fractures and forcing a recoating step after the formation of the grating. Optimal results are obtained only when photosensitive fibres are used.

与传统的紫外激光器制造的FBG相比,用飞秒激光技术制造的FBG具有明显的优势。这是由于飞秒激光器引入了较大的折射率差,可以达到10-3(Δn∽10-3)。飞秒激光制造的FBG具有两个主要的优势。

  1. 可以在比较短的栅区长度内实现高反射率
  2. 飞秒激光加工的FBG可以耐高温
  3. 灵活性高,可以根据需要加工不同类型的FBG产品,如超窄带宽,超宽带宽,切趾FBG,啁啾FBG等产品。

行业挑战

然而,目前飞秒激光加工的FBG产品的成本明显高于传统紫外激光加工的FBG产品。同时,目前飞秒FBG产品的性能参数不能得到很好的精确和稳定的控制。此外,成品率也很低。这些问题限制了飞秒FBG的广泛应用。 

展开来说,这些问题的根源主要来自于以下三个飞秒FBG的生产挑战:

在飞秒激光加工过程中,对飞秒激光功率稳定性的精确控制,以及曝光时间和位移台位移速度的精确同步,都为精确定量加工出相同性能指标的FBG提出严格的要求。

解决方案概述

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

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。

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

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

自动化程度高,定位精度高于50纳米

典型应用场景

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以光织界,探索无限

INNOFOCUS

行业应用

全光通信、传感采矿、飞机制造、土木结构工程、输电线路等行业的应变和温度变化测量、高温高压、智能电网

超快 FBG 设备集成解决方案,用于在工作条件下对各种电池(包括但不限于锂电池、锌离子电池和氮化镓电池等)进行原位检测。

光通信

利用NanoPrint 3D智能纳米加工系统进行飞秒激光加工,可以在透明介质中直接写入微米级、亚微米级甚至纳米级的三维微纳米结构,具有无掩膜、结构灵活、设计简单、加工速度快等优点。通过与不同光学材料的结合,它可以在全光通信领域实现广泛的应用,特别是在衍射光学、集成光学、片上光学、硅光子学、纳米光学和量子光学的制造方面,在众多微纳米制造技术中脱颖而出,成为越来越重要的使能技术。

 

三维微纳结构的设计可以增强局部光场与物质的相互作用,从而产生各种线性和非线性光学现象,缩短作用尺度,从而有效实现器件的小型化、集成化和低能耗。例如,Nanoprint 3D智能激光纳米制造系统可以实现各种微型衍射光学元件,包括微型透镜、集成光栅、波段片等,可以在成像、波长选择、色散补偿等方面发挥巨大作用。

 

此外,NanoPrint系统独特的高功率飞秒激光器能够与不同的材料,如玻璃、硅、硫基玻璃和铌酸锂晶体进行互动。这些材料可以有效地引入非线性光学相互作用,用于波长转换、光学开关、非线性调谐等。纳米级波导中的非线性相互作用可以被利用来产生有效的量子光学的纠缠光子源。飞秒激光器可以在光纤、块状玻璃和二维材料中引入超高折射率变化,形成高质量的光波导、超薄器件和复杂的三维集成光学系统,如光连接器和片上集成,这些都是超高速、超高容量和量子通信的重要使能部件。

传感

在今天这个万物皆智能的社会中,传感器在我们的日常生活和物联网中发挥着越来越重要的作用。传感器监测我们的健康(如心跳)、空气质量、家庭安全,并被广泛用于工业物联网(IIoT)以监测生产过程。我们的生活被智能手机、可穿戴设备和其他智能设备所包围,所有这些都与传感器密不可分。

 

日常生活中广泛使用的传感器包括温度计、压力传感器、光传感器、加速度计、陀螺仪、运动传感器、气体传感器等等。它们的设计和制造往往依靠传统的机电加工,功能单一,体积大,能耗高,不适合新型传感器的小型化、集成化、一体化、高精度、低能耗的要求。因此,如何创新制造方法,改进制造工艺,已成为传感领域的一个难题。

 

NanoPrint 3D智能激光纳米制造系统可以在各种材料中写入灵活的设计和多功能的3D微纳米结构,包括聚合物、2D材料、金属、半导体、晶体、光纤和其他材料,形成传感机制。其写入方法灵活,制作简单,不需要真空或掩膜。更重要的是,写入的结构小且高度集成,可以与基底或环境形成浸入式传感。还可以在传感中需要测量的部位直接引入原位高精度传感器,不破坏原有环境和整体外观。

 

尤其是利用NanoPrint系统实现的石墨烯微纳米传感器,近年来在人工皮肤、智能机器人、医疗保健、疾病早期诊断、可穿戴设备等方面发挥着重要作用。此外,利用NanoPrint系统的独特专利技术制作的FBG具有操作简单、写入速度快、工艺稳定、可灵活形成各种特殊光栅、光栅率高等特点。它解决了传统光纤光栅制作设备的成本高、工艺复杂、光栅结构单一等问题。形成的FBG折射率变化大,耐高温,性能指标高,稳定性好,已经取代了传统的光纤光栅,在高温高压环境下发挥了不可替代的作用。