CN101000394A - 增加长周期光纤光栅强度并减小带宽的方法及光纤光栅 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种增加长周期光纤光栅(LPFG)强度并减小带宽的方法及长周期光纤光栅，它利用一个制作在长周期光纤光栅的后端面上的芯模反射镜，芯模反射镜只反射纤芯基模，不反射包层模，把光纤中已经通过光栅区域的纤芯基模光反射回来，使纤芯基模光两次经过同一个光栅区域，使其中满足相位匹配条件的光两次向包层模耦合，达到耦合强度成平方增加，光栅长度翻番即带宽减小的目的。本发明保持了现有LPFG优点，弥补其不足，提高了其光学性能，具有窄带宽、强耦合、工作波长宽、低成本、结构简单等优点。

Description

增加长周期光纤光栅强度并减小带宽的方法及光纤光栅

技术领域

本发明属于光纤无源器件领域与微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及长周期光纤光栅技术。

背景技术

在普通光纤中，光以一定模式的形态存在和传输；通常这些模式是相对独立的，互相并不发生能量交换；但是当受到外界扰动时，光纤中的传输条件发生改变，在其中传输的模式也要受到影响，有些模式之间会产生能量的交换，这种现象叫做模式耦合。通常，随机扰动引起的随机模式耦合对光纤中信号的传输是有害的，需要避免；但是如人为的设计一些有规律的扰动，可以有目的地控制模式之间的能量交换，实现对光纤中模态的控制。最常见的扰动形式是在光纤中形成周期性的折射率变化，进而将某个特定波长与其他波长的光分离开来，形成光纤滤波器。这种周期性的折射率变化就是通常讲的光纤光栅，周期在微米数量级的光栅称为光纤布拉格光栅(简称FBG)，它能够实现对特定波长光的反射。周期在几百微米量级的光纤光栅称为长周期光纤光栅(简称LPFG)；它是上世纪九十年代末发展起来的一种新型光纤无源器件。LPFG的机理是在光纤纤芯正向传输纤芯模和相同传输方向的包层模之间的耦合；如图1a所示，在光纤纤芯1中正向传输的纤芯模4，在光栅区域3与包层2中的包层模5耦合。通常情况下，光栅区域引入的周期性折射率变化幅值非常小，此时纤芯模4中传播常数满足相位匹配条件

λ_LPFG＝(n_core(λ)-n_clad(λ))Λ          (1)

的波长光能量将从纤芯基模耦合到包层模5中；式中λ_LPFG为LPFG的芯模4向包层模5耦合的波长，Λ为LPFG光栅区域的折射率变化的周期(光栅周期)，n_core(λ)为纤芯等效折射率，n_clad(λ)为包层等效折射率。其余的光则仍然在纤芯基模中传输，形成一个透射型带阻滤波器，见图1b，图1b的横坐标是波长单位是nm，纵坐标是LPFG透过率单位是dB。

与FBG相比，LPFG具有特殊的优点(表1)：透射光谱对包层模式的等效折射率的变化极为敏感，这使它具有非常好的调谐性能；LPFG的反射光非常弱；这两个优点使LPFG成为目前光纤无源器件研究领域的一个热点，成为最有前景的带通滤波器候选技术。然而，调谐性能只是光纤滤波器指标之一，光谱宽度和光栅强度也是非常重要的两个指标；在这两个指标上，LPFG远远不如FBG，这严重制约了该技术的发展和应用。

表1LPFG和FBG性能比较

名称

调谐性能

带宽

光栅强度

	折射率变化敏感，容易实现调谐。		艺，一般在10dB~20dB左右
				FBG	正向传播芯模与反向传播芯模耦合，稳定，不容易受外界影响，很难调谐。	窄，1nm左右量级	强，容易实现30dB的光栅

光纤光栅强度主要取决于激励模式和被激励模式之间的耦合强度。从理论上讲，只要满足一定的耦合条件，LPFG和FBG都能达到很好的耦合强度。以LPFG为例：

 T＝sin²(KL)                                     (2)

式中，K是激励模式与被激励模式之间的耦合系数，与折射率调制深度δn_eff(写制光栅过程中包层等效折射率的改变量)成正比；L是光栅的长度，T是两模式之间的耦合强度。当满足最大耦合条件KL＝π/2时有T_max＝1，此时模式耦合强度最大，激励模式所有的能量都耦合到被激励模式中。当KL为其他值时，耦合强度相应的下降。但实际制作过程中，LPFG对包层模等效折射率变化敏感的特点大大增加了控制K的难度，实际上很难精确的满足最大耦合条件；因此实际制作的LPFG的光栅强度比FBG小10dB以上。

另外，光纤光栅的带宽与光栅长度有密切的关系，对于常规FBG而言，其带宽近似和光栅长度L成反比：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_G}\≈\frac{2\mathrm{\Λ}}{L}$

式中，Δλ为光栅带宽，λ_G为光栅中心波长，Λ为光栅的折射率变化周期。因此可通过增加光栅长度的办法来减小光纤光栅的带宽。参考FBG的方法，人们在设计、制作LPFG的过程中也采用相同的办法来减小光栅带宽；这一方法存在原理上的不足。

首先，LPFG的的带宽为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_G}=\frac{{\mathrm{\λ}}_G}{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}L}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{KL}}{\mathrm{\π}}\right)}^2}$

其中，Δλ为LPFG带宽，λ_G为光栅中心波长，Δn_eff为包层等效和芯模折射率差，K为芯模和包层模的耦合系数，L为光栅长度。可见带宽与耦合系数成正比、与光栅长度的平方根成反比。因此增加光栅长度L引起的带宽变化远远不如FBG明显。

另外，由于正如前面所述，LPFG的模式耦合是纤芯模式和包层模式之间的耦合，KL有一定最佳值。如图2a所示，如果光栅区域3的长度L将过大，将使包层模5向芯模4逆向耦合(有时也称为光栅的过耦合)，反而降低LPFG的强度，严重的时候会导致光栅消失(见图2b)，图2b的横坐标是波长单位是nm，纵坐标是LPFG透过率单位是dB。

由于这两个原因，目前LPFG的实际设计和制作都是在光栅强度、光栅带宽等几方面综合考虑，取得折衷值。这直接导致了LPFG的强度和带宽指标一直不能达到FBG的水平。

发明内容

本发明的目的正是为了避免上述已有技术的不足而提出一种增加长周期光纤光栅强度并减小带宽的方法，并同时设计一种窄带宽、强耦合的长周期光纤光栅。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：

本发明提出的增加长周期光纤光栅耦合强度和减小带宽的方法首先是在长周期光纤光栅后端面的纤芯末端制作一个只反射纤芯基模的芯模反射器，入射到光纤纤芯内的光以基模的形式传输，并在光栅区域与包层模发生耦合，芯模中满足相位匹配条件的光能量绝大部分耦合到包层模中；经过光栅区域以后，光分作包层模和芯模两部分传输，其中，包层模被逐步衰减，在光纤后端面辐射出去，而芯模传输到光纤后端面由芯模反射器反射回来，再一次经过光栅区域，使其中满足相位匹配条件的光两次向包层模耦合；同样，光再次分作包层模和芯模两部分传输；最后基模经过分束器输出，这样芯模的光两次经过光纤的光栅区域，使耦合强度成平方增加，光栅长度翻番。同时避免了直接增加光栅长度引起的包层模向基模的逆向耦合，大大提高了光栅的强度、减小了带宽，实现了长周期光纤光栅的窄带宽、强耦合。

为了实现上述方法，窄带宽、强耦合的长周期光纤光栅的核心是制作在长周期光纤光栅后端面的一个芯模反射器，其主要作用是只反射光纤纤芯内的光，而对包层模没有影响，如果反射了包层模，则在第二次经过光栅区域的时候会产生包层模向芯模的逆向耦合，而达不到本发明设计的目的。因此纤芯末端的芯模反射镜应当是在纤芯末端制作的直径和纤芯相同的反射面。

本发明采取目前先进的微机电系统(MEMS)工艺来制作这个芯模反射器。具体而言，利用MEMS工艺制作微小器件的能力，在上述LPFG的后端面制作一个反射镜。具体步骤如下：

1)准备一个制作好的LPFG，把它的后端面处理成镜面；

2)用专用清洗液处理端面；

3)在光纤端面涂覆一层光刻胶；

4)利用专用模板把该端面遮挡，只在纤芯部分留下一个圆孔，利用紫外光对这个遮挡好的端面进行曝光；

5)然后把曝光后的LPFG放入显影液中，把曝光部分光刻胶去掉；

6)在光纤端面镀上上金属膜，其中纤芯部分直接镀上金属膜，其余部分金属膜则覆盖在光刻胶上；

7)利用光刻胶去除溶液清洗掉剩余光刻胶，同时也将覆盖在胶上的金属去掉；这样就形成了在纤芯部分的反射镜，这就是本发明设计的芯模反射器。

采用微机电系统(MEMS)工艺制作的LPFG有如下优点：

1)带宽小，可以突破目前5nm的限制达到3nm水平。

2)光栅强度大，其光栅峰值可以达到40～50dB，用作带阻滤波器可以很好消除特定的波长的光信号。

3)金属芯模反射镜(反射器)性能稳定，适用波长范围广；

4)结构简洁，不改变原有LPFG制作工艺；

5)不改变LPFG的结构，不增大器件几何尺寸，不影响器件的调谐性能；

6)采用成熟的MEMS工艺，制作精度有保障、制作成品率高，容易上批量，制作成本低。

本发明保持了现有LPFG优点，弥补其不足，提高了其光学性能，具有窄带宽、强耦合、工作波长宽、低成本、结构简单等优点。

附图说明

图1是长周期光纤光栅：其中图1a是原理示意图，图1b是透射光谱图；

图2是过耦合长周期光纤光栅：其中图2a是原理示意图，图2b是透射光谱图

图3是本发明的一种实施方案的示意图：其中图3a是原理示意图，图3b是透射光谱图

图4是本实施方案中的芯模反射镜加工工艺框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述：

参见图3a，长周期光纤光栅由纤芯1、包层2、光栅区域3、光栅后端面7，芯模反射镜9等组成。芯模反射镜9为一个镀金反射面，被制作在光栅后端面7的纤芯末端，直径为9微米，与纤芯1直径相同。制作采用了微机电系统(MEMS)和微纳米制造技术，参见图4，工艺流程如下：

1)预处理：

准备一个制作好的LPFG，把它的后端面处理成镜面；

2)清洗：

放硫酸溶液中浸泡10分钟，用蒸馏水冲洗，用氮气吹干；放入丙酮溶液，超声波清洗3分钟，用蒸馏水冲洗，用氮气吹干；

3)涂覆，烘烤：

在上述LPFG的后端面涂覆光刻胶LOR10，在200C°下烘烤5分钟，然后再涂覆3012光刻胶，在150C°下烘烤1分钟；

4)利用专用模板把该端面遮挡，只在纤芯部分留下约9个微米的圆孔；

5)利用紫外光对这个遮挡好的端面进行曝光30秒；

6)把曝光后的LPFG样品放入显影液CD26中显影2分钟，把曝光部分光刻胶去掉，用蒸馏水清洗，用氮气吹干；

7)在显微镜下检查测量该LPFG后端面，看纤芯部分的光刻胶是否去除干净，而其余部分的光刻胶是否完整。合格的样品进入下面程序8)，不合的样品重新进入程序2)清洗。

8)在150C°下烘烤样品3分钟；

9)在通过检查的LPFG样品端面镀上300纳米的金膜；其中纤芯部金直接附着在光纤端面，其余部分金属膜则覆盖在光刻胶上；

10)利用光刻胶去除溶液CD35清洗镀金后的样品，去除残留的光刻胶，同时也将覆盖在胶上的金属去掉，保留纤芯部分金膜，用蒸馏水清洗，用氮气吹干。

留在在纤芯部分直径9微米左右的金膜，就是本发明设计的芯模反射器。

工作的时候，正向传输的纤芯模4在光栅区域3与正向传输的包层模5发生耦合，满足相位匹配条件的波长的大部分能量耦合到正向传输的包层模5中，其余光能量仍然在正向传输的纤芯模4中传输；这样部分波长的能量从正向传输的纤芯模4中分离出去，在光谱上形成一个带阻滤波器。正向传输的包层模5和正向传输的芯模4继续向前传输；在光栅后端面7处，正向传输的包层模5辐射出去，而正向传输的纤芯模4被芯模反射器9耦反射成为逆向传输的基模8。逆向传输的基模8再一次经过光栅区域3，并再次与包层模耦合，其中相位匹配条件的光再一次耦合到包层模中，形成逆向传播的包层模6。这样，经过两次基模→包层模耦合，满足相位匹配条件的光几乎完全耦合到包层模中，光栅的强度(耦合强度)成平方增加；原来为保证不产生过耦合设计的最大光栅长度为L，经过本光纤光栅的两次耦合，实际光栅长度增加为2L，这样又大大降低了LPFG器件的带宽；其输出光谱效果如图3b所示。

尽管本发明主要针对通信中用的长周期光纤光栅滤波器而设计，然而本发明的应用并不限于光通信领域，可以推广到其他需要窄带宽、强耦合的长周期光纤光栅的应用领域。另外，尽管为了保证通信的工作波长，本发明实施方式中采用MEMS的工艺，在长周期光纤光栅的后端面镀“金”制作芯模反射器；仍然可以利用其它方法、其他反射介质制作其他工作波长的芯模反射镜，甚至制作其他非反射镜类型的芯模反射器，从而实现本发明而不背离权利要求书中所定义的本发明实质和范围。

Claims (4)

1、一种增加长周期光纤光栅强度并减小带宽的方法，

首先在长周期光纤光栅后端面的纤芯末端制作一个只反射纤芯基模的芯模反射器，入射到光纤纤芯内的光以基模的形式传输，并在光栅区域与包层模发生耦合，芯模中满足相位匹配条件的光能量绝大部分耦合到包层模中；经过光栅区域以后，光分作包层模和芯模两部分传输，其中，包层模被逐步衰减，在光纤后端面辐射出去，而芯模传输到光纤后端面由芯模反射器反射回来，再一次经过光栅区域，使其中满足相位匹配条件的光再一次向包层模耦合；同样，光再次分作包层模和芯模两部分传输；最后纤芯基模经过分束器输出，芯模的光两次经过光纤的光栅区域，使耦合强度成平方增加，光栅长度翻番。

2、实现上述方法的一种窄带宽、强耦合的长周期光纤光栅，它具有纤芯(1)和包层(2)，在纤芯(1)中间有光栅区域(3)，其特征在于：在光栅后端面的纤芯末端具有一个芯模反射镜(9)。

3、根据权利要求2所述的窄带宽、强耦合的长周期光纤光栅，其特征在于：所述纤芯末端的芯模反射镜(9)是在纤芯末端制作的直径和纤芯相同的反射面。

4、根据权利要求2所述的窄带宽、强耦合的长周期光纤光栅，其特征在于：所述芯模反射镜(9)是采用MEMS工艺在纤芯末端制作的镀金反射面。

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