CN101625435B - 可调三角形共轭振幅模板及其实现光纤光栅切趾的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，其特征在于，包括一共轭振幅板(19)，上有正切趾光阑(17)和反切趾光阑(18)，该共轭振幅板(19)正面安装有上挡板(20)和下挡板(21)，上挡板(20)和下挡板(21)分别在上挡板导轨(25)和下挡板导轨(26)的导引下上下滑动，该共轭振幅板(19)背面安装有左栅长定位板(22)和右栅长定位板(23)，左栅长定位板(22)和右栅长定位板(23)在栅长定位板导轨(31)的导引下左右滑动。本发明同时公开了一种利用可调三角形共轭振幅模板实现光纤光栅切趾的方法。本发明适应性好，灵活性强，工艺简单。

Description

可调三角形共轭振幅模板及其实现光纤光栅切趾的方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，尤其涉及一种用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，以及利用该可调三角形共轭振幅模板实现任意切趾函数包络和栅长可调的光纤光栅切趾的方法。

背景技术

光纤光栅是一种折射率周期性变化的光纤器件，以体积小、可靠性高、易于集成等优点被广泛应用于光纤通信及光纤传感等领域，它是利用光纤的光敏特性制成的。所谓光纤的光敏特性是指光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化。光纤的这种光致折射率的变化具有稳定性，可保持永久不变。其基本制作工艺是采用紫外光对光敏光纤曝光，使光纤的折射率沿轴向呈周期性变化，从而形成光纤光栅。

普通的均匀光纤光栅的反射谱中存在很多旁瓣，如在高密度波分复用(DWDM)应用中会影响到各信道的隔离度；对于折射率均匀调制的啁啾光纤光栅来说，除反射谱中有明显的旁瓣外其群速度时延谱存在较大的震荡，从而影响光栅的色散补偿性能。通过对均匀光栅进行切趾可有效的抑制反射谱中的旁瓣，并且降低时延震荡。均匀光栅中的旁瓣主要是由于栅区两端与非栅区之间存在较大的折射率差(图1(a))，产生法布里-珀罗(Fabry-Perot)效应，从而在光栅谐振波长附近产生旁瓣，见图2中均匀光纤光栅的反射谱7。为减少反射谱中的旁瓣和时延震荡，可在光栅的两端进行折射率调制强度渐变的切趾处理，使光纤光栅的折射率包络由原来的矩形包络(图1(a))变为钟形包络(图1中(b)和(c))(如高斯函数包络，汉明函数包络等)，从而改善光栅的性能。

值得注意的是：在光栅切趾中，光纤光栅长度方向上必须保持纤芯的平均折射率不变(图1(c))，这样才能形成光栅的纯切趾，见图2中纯切趾光纤光栅的反射谱9，如果折射率在光纤长度方向上的平均变化不为常数(图1(b))，则光栅将会产生短波震荡效应，即在谐振峰短波长处存在明显的旁瓣，见图2中正切趾光纤光栅的反射谱8，此时光栅的切趾仅是正切趾。

实现光纤光栅切趾有多种方法，北京邮电大学的吴强对目前存在的切趾技术进行了较为全面的综述(吴强，余重秀，王葵如，忻向军，王旭，于志辉，光纤光栅切趾技术，光子技术，2002，2，71～76)。总起来看，光纤光栅的主要切趾技术可分为四种：切趾相位掩模板切趾，紫外脉冲相干写入切趾，共轭振幅模板切趾，变迹扫描切趾。前两种方法分别由于切趾模板成本高昂和写制光路复杂而不实用，用的较多的是共轭振幅模板切趾和变迹扫描切趾。

传统共轭振幅模板切趾关键在于共轭振幅模板的设计。共轭振幅模板由正切趾模板和反切趾模板两部分组成(图3)。正切趾模板上光阑(图3(a)中的阴影区)形状为切趾函数(如高斯函数)，反切趾模板上光阑的图形则与正切趾模板上的图形共轭。切趾过程为：紫外光经过正切趾模板和相位掩模板，在光纤上产生正切趾光纤光栅，然后，去掉相位掩模板，用反切趾模板替代正切趾模板进行正切趾光纤光栅的反切趾，从而实现光栅的纯切趾。由于切趾函数的包络复杂，传统的线切割很难保证制作精度，尤其不能保证两块模板相共轭。另外，不同的切趾函数和不同长度的光栅都需要制作相应的切趾光阑和相应长度的模板，因此，大大提高了成本，降低了灵活性。

为此，清华大学林宗强等人的发明了一种旋转光阑振幅切趾法(国家发明专利申请号：02146019.1)，如图4所示，该方法较好的解决了传统共轭振幅模板的缺陷，通过光阑B11的旋转速度以及不同速度下相应的准分子激光器的脉冲数的结合来实现不同长度及不同切趾要求的光纤光栅。但是，由于在切趾过程中需要同时旋转光阑和改变准分子激光器的脉冲数，增加了软件控制的复杂性，因此，切趾函数的设定比较复杂。再者，光栅的写制长度是通过光阑A10的狭缝调节实现的，这要求光阑B11必须与之匹配，由于光阑A10和光阑B11是空间独立元件，因此，这增加了二者匹配调节的难度，使该法实现起来比较复杂。

变迹扫描切趾使用均匀相位掩模板12，利用平移台控制反射镜15的移动速度，进而控制紫外激光的扫描速度(如图5所示)。根据需要的切趾函数改变平移台的运动速度、运动时间和运动距离，实现不同位置的曝光量不同，即两端曝光时间短，中间曝光时间长，从而实现光栅的切趾。在第一次曝光时，紫外光经过相位掩模板12写入光栅，然后移去相位掩模板12，利用反切趾函数控制扫描平移台的运动，使光栅的平均折射率调制系数为常数，实现切趾调制。这种方法需要复杂的软件控制，对紫外光反射镜的移动精度要求比较高，成本较高，因此，实现起来比较困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，以及利用该可调三角形共轭振幅模板实现任意切趾函数包络和栅长可调的光纤光栅切趾的方法，以在制作满足不同切趾要求的切趾光纤光栅时，达到成本低廉、工艺简单、写制灵活的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，包括一共轭振幅板19，上有正切趾光阑17和反切趾光阑18，在该共轭振幅板19的正面安装有上挡板20和下挡板21，上挡板20和下挡板21分别在上挡板导轨25和下挡板导轨26的导引下上下滑动，该共轭振幅板19背面安装有左栅长定位板22和右栅长定位板23，左栅长定位板22和右栅长定位板23在栅长定位板导轨31的导引下左右滑动；

其中，所述正切趾光阑17的形状为等腰三角形，反切趾光阑18的形状与正切趾光阑17的等腰三角形共轭。

上述方案中，所述上挡板20和下挡板21采用“匚”形结构实现对正切趾光阑17和反切趾光阑18的同步调节，上挡板20和下挡板21在上挡板导轨25和下挡板导轨26的导引下上下滑动时，位置由挡板刻度28读出，且由定位螺栓固定位置。

上述方案中，所述左栅长定位板22和右栅长定位板23在调节过程中始终关于共轭振幅板19的中心线对称，从而保证正切趾光阑17和反切趾光阑18的共轭关系。

一种利用权利要求1所述可调三角形共轭振幅模板制作切趾光纤光栅的方法，该方法根据光栅切趾要求选用合适的切趾包络函数，利用三角形共轭振幅模板的变迹扫描实现光纤光栅的切趾，其中，正切趾光阑的变迹扫描实现正切趾光栅的写入，而反切趾光阑的变迹扫描则实现正切趾光栅的反切趾，使光纤光栅的折射率的平均变化量为常数，实现光纤光栅的纯切趾。

上述方案中，所述正切趾光阑的变迹扫描实现正切趾光栅的写入，而反切趾光阑的变迹扫描则实现正切趾光栅的反切趾，具体包括：根据选取的切趾包络函数的特征及光栅写制要求，正切趾光阑在扫描运动方向上被分为n段S1～Sn，其中Sm段的扫描速度为Vm，m、n为自然数，且m小于n；在该运动参数设置下，正切趾光阑扫描后光栅折射率调制包络逼近于选用的切趾包络函数，进行正切趾光栅的反切趾时，其分段情况与正切趾光阑一致，而且扫描速度则相应变为2Vm。

上述方案中，该方法具体包括以下步骤：

根据写制光栅的长度L，将可调三角形共轭振幅模板置于合适位置；

调节栅长定位板使成栅光纤的曝光区恰好符合写制长度L，并根据栅长定位板的位置确定下挡板的位置；

经过压缩展宽处理的紫外光经过可调三角形共轭振幅模板的正切趾光阑和相位掩模板，正切趾光阑沿z向变迹运动扫过成栅区，在光纤上产生正切趾光栅；

去掉相位掩模板，反切趾光阑沿z向变迹扫过栅区，实现正切趾光栅的反切趾。

上述方案中，在正切趾光阑沿z向变迹运动扫过成栅区时，栅区平均折射率的变化不为常数。

上述方案中，所述去掉相位掩模板及反切趾光阑变迹扫过栅区，是为了调制平均折射率的不均匀性。

上述方案中，该方法在整个制作过程中，紫外光、相位掩模板和光纤相对位置不变。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于可调三角形共轭振幅模板中的正、反切趾光阑为规则形状的三角形，所以，通过普通的线切割就可以满足模板的制作要求，因此，制作工艺简单且易实现。

2、利用本发明，由于切趾模板为可调三角形共轭振幅模板，通过模板参数的调节设置便可得到不同的切趾模板，所以，该发明解决了传统共轭振幅模板的不同切趾要求需制作不同模板的成本高、低灵活性的问题，并使不同长度的切趾光纤光栅写制更为灵活。

3、利用本发明，由于光纤光栅的正反切趾是利用具有共轭关系的同一三角形共轭振幅模板的正、反切趾光阑的变迹扫描实现的，所以，该发明对正切趾光栅的反切趾比传统的变迹扫描切趾方法简单且易实现。

4、利用本发明，由于三角形共轭振幅模板通过不同的变迹扫描便可实现光纤光栅栅区折射率的不同切趾函数包络的紫外曝光，所以，该方法可灵活的实现不同切趾要求的光纤光栅的切趾。

附图说明

图1是均匀光纤光栅及切趾光纤光栅折射率的分布：(a)均匀光纤光栅的折射率分布，(b)正切趾光纤光栅折射率分布，(c)纯切趾光纤光栅折射率分布；

图2是与图1中折射率分布对应的光纤光栅的反射谱；

图3是传统的共轭振幅模板：(a)正切趾模板，(b)反切趾模板；

图4是旋转光阑振幅切趾法示意图；

图5是传统变迹扫描实现光纤光栅切趾法示意图；

图6是可调三角形共轭振幅模板的主要组件：(a)共轭振幅板，(b)上、下挡板(阴影部分镂空)，(c)栅长定位板；

图7是可调三角形共轭振幅模板的结构示意图：(a)模板正面示意图，(b)模板反面示意图；

图8是基于可调三角共轭振幅模板实现光纤光栅切趾的实验装置图；

图9是可调三角形共轭振幅模板参数设定后的等效模板：(a)正切趾光阑为三角形的等效模板，(b)正切趾光阑为梯形的等效模板；

图10是可调三角形共轭模板变迹运动实现切趾包络函数原理示意图：(a)正切趾光阑等腰三角形，(b)基于(a)的变迹运动实现的图形包络；

图11是可调三角形共轭振幅模板8步变迹运动实现高斯函数包络；

图12是基于可调三角形共轭振幅模板实现的切趾光纤光栅的反射谱；

图中主要元件符号说明：

1均匀光纤光栅的折射率分布，2均匀光纤光栅的平均折射率，3正切趾光纤光栅的折射率分布，4正切趾光纤光栅的平均折射率，5纯切趾光纤光栅的折射率分布，6纯切趾光纤光栅的平均折射率，7均匀光纤光栅的反射谱，8正切趾光纤光栅的反射谱，9纯切趾光纤光栅的反射谱，10光阑A，11光阑B，12相位掩模板，13光敏光纤，14光栅写制光源，15反射镜，16聚焦透镜，17正切趾光阑，18反切趾光阑，19共轭振幅板，20上挡板，21下挡板，22左栅长定位板，23右栅长定位板，24上挡板定位螺栓，25上挡板导轨，26下挡板导轨，27下挡板定位螺栓，28挡板刻度，29左栅长定位板定位螺栓，30右栅长定位板定位螺栓，31栅长定位板导轨(带刻度线)，32柱面镜A，33柱面镜B，34可调三角形共轭振幅模板，35平移台，36基于可调三角形共轭振幅板8步变迹扫描实现的切趾光栅反射谱。

具体实施方式

在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

本发明中光纤光栅的切趾是基于可调三角形共轭振幅模板34的变迹扫描实现的。可调三角形共轭振幅模板34主要包括共轭振幅板19、上挡板20、下挡板21和栅长定位板(左栅长定位板22，右栅长定位板23)。其中，共轭振幅板19由正切趾光阑17和反切趾光阑18两部分组成(图6(a))，正切趾光阑17的图形为等腰三角形，反切趾光阑18的图形则与正切趾光阑的三角形共轭。上挡板20和下挡板21则安装在共轭振幅板19的正面(图7(a))，上、下挡板都可在各自的导轨导引下上下滑动，其位置可由挡板刻度28读出。栅长定位板安装在共轭振幅板19的背面(图7(b))，可在栅长定位板导轨31的导引下左右滑动，并可通过导轨上的刻度读出左右定位板的位置。

光栅切趾的光路如图8所示，建立笛卡儿坐标系如图中所示，光栅写制光源14发出的紫外光，首先经柱面镜A32的z方向压缩，再经柱面镜B33的x方向展宽，使得光栅写制光源14的光斑被压缩展宽成x方向上细窄长条光斑，该光斑的x方向宽度约为共轭振幅模板反切趾光阑18宽度的1.5倍，以保证透过光阑的光斑的均匀性，然后再经过可调三角形共轭振幅模板34，最后经过相位掩模板12照射到光敏光纤13上。栅长定位板的作用有两个：判断写制栅长为L的光纤光栅时正切趾光阑17等腰三角形底边的长度，即确定下挡板21的位置；栅长定位板与上、下挡板及共轭振幅板的光阑构成满足切趾要求的三角形共轭振幅模板。为保证模板的正、反切趾光阑的共轭关系，上、下挡板采用“匚”形的结构以实现对正、反切趾光阑同步调节，左、右栅长定位板调节中始终关于共轭振幅板19的中心线对称。

可调三角形共轭振幅模板34实现光纤光栅切趾的原理为：由于紫外光斑x方向上的长度大于切趾光阑的宽度，因而，切趾光阑在z方向不同位置处的x方向上光通量不同，即成栅区的曝光量随着光阑在z方向的运动而不断变化，通过可调三角形共轭振幅模板34正切趾光阑17和反切趾光阑18相应的变迹扫描实现切趾，其中，正切趾光阑17的变迹扫描实现正切趾光栅的写入，而反切趾光阑18的变迹扫描则实现正切趾光栅的反切趾，使光纤光栅的折射率的平均变化量为常数，达到光纤光栅纯切趾的目的。

根据预制光栅的要求，调节上、下挡板及栅长定位板至合适位置，参数设定后的共轭振幅模板根据上挡板20的位置可以等效为图9中的模板(a)和(b)，其中，(a)中上挡板20的位置为0，此时正切趾光阑为三角形；(b)中上挡板20的位置不为0，此时正切趾光阑为梯形。上挡板20的位置主要决定于切趾包络函数的陡度因子，陡度因子小时宜设置上挡板20位置为0，反之，设置为非0值。以图9中等效模板(a)为例，当按照切趾要求选定切趾函数后，根据目标函数的特征及光栅切趾的要求确定此等腰三角形光阑扫描的步数n及每步的扫描速度V：相应的正切趾光阑17分为n段S1～Sn(图10(a))，其中Sm段的扫描速度为Vm，在此速度下，原Sm段则相应的变为Sm’，可通过不同段的扫描速度不同使成栅区曝光量的包络形状逼近目标切趾函数，如图10(b)所示。

切趾过程为：首先，根据写制光栅的长度L，置可调三角形共轭振幅模板34于合适位置，调节栅长定位板使成栅光纤的曝光区恰好符合写制长度L，并根据栅长定位板的位置确定下挡板21的位置；然后，经过压缩展宽处理的紫外光经过振幅模板的正切趾光阑17和相位掩模板12，最后，照射到光敏光纤13上，对光纤进行紫外曝光，正切趾光阑沿z向变迹运动扫过成栅区，写入正切趾光栅，此时的栅区平均折射率的变化不为常数，为了调制平均折射率的不均匀性，去掉相位掩模板12，反切趾光阑沿z向变迹扫过栅区，实现正切趾光栅的反切趾。整个过程中，紫外光、相位掩模板12和光纤相对位置不变。

本发明的实验光路如图8所示，可调三角形振幅共轭模板安装在平移台35上，可由计算机控制实现其在z方向的变迹运动。本实例预写制光栅的长度为3cm，中心波长1550.09nm，选用的目标函数为高斯型函数，其函数曲线如图11中的实线所示。根据高斯函数的特征及光栅切趾的要求确定此等腰三角形正切趾光阑扫描的步数8，则正切趾光阑分为8段S1～S8，其中Sm段的扫描速度为Vm，通过正切趾光阑17变迹扫描实现的曝光量的包络为图10中的虚线，从图11中可看出已非常逼近目标切趾函数。当进行反切趾光阑18的扫描时，其分段与正切趾光阑一致，但相应段Sm速度由Vm变为2Vm，以实现光栅平均折射率变化量为常数的调制。其切趾效果见图12，边模抑制比达到37dB。

本实施例的具体步骤如下：

(1)根据写制目标光栅的要求，调节光路，使光依次经过柱面镜A32、柱面镜B33、可调三角形共轭振幅模板34和相位掩模板12。其中，调节可调三角形共轭振幅模板34的位置时分为两步：粗调，使压缩展宽的光斑宽度大于反切趾光阑18的最大宽度，约为1.5倍；细调，调节栅长定位板至成栅光纤的曝光长度与写制光栅长度一致，固定左右定位板位置，然后，根据栅长定位板的位置调整下挡板21的位置。

(2)将已经经过载氢增敏的光纤成栅区去涂敷层，擦拭干净，固定在相位掩模板12后合适位置(尽量贴近，但不要碰到相位掩模板12，防止污染模板)。

(3)打开平移台35控制软件，对平移台35进行初始化设置。根据光纤光栅切趾要求，调节上挡板20至合适位置并固定，设置准分子激光器的参数，并将切趾函数输入到平移台35控制软件。

(4)运行准分子激光器，启动平移台35，开始切趾光纤光栅的写制：首先利用三角形共轭振幅模板正切趾光阑17进行正切趾光纤光栅的写入，此时光纤光栅短波方向存在较明显的短波震荡效应。在正切趾光阑17扫描完成后，去掉相位掩模板12，利用三角形共轭振幅模板的反切趾光阑18进行正切趾光纤光栅的反切趾，使光纤光栅的折射率的平均变化量为常数，消除短波震荡效应，实现光纤光栅的纯切趾。写制过程中，紫外光、相位掩模板12和光敏光纤13的位置固定。

(5)光栅写制完成，对切趾光纤光栅进行退火处理。

实验和理论证明：本发明可适用于任何切趾函数，采用的可调三角形共轭振幅模板34可适应不同长度光纤光栅的写制，对制作切趾光纤光栅而言，适应性好，灵活性强，工艺简单。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开的内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，其特征在于，包括一共轭振幅板(19)，上有正切趾光阑(17)和反切趾光阑(18)，在该共轭振幅板(19)的正面安装有上挡板(20)和下挡板(21)，上挡板(20)和下挡板(21)分别在上挡板导轨(25)和下挡板导轨(26)的导引下上下滑动，该共轭振幅板(19)背面安装有左栅长定位板(22)和右栅长定位板(23)，左栅长定位板(22)和右栅长定位板(23)在栅长定位板导轨(31)的导引下左右滑动；

其中，所述正切趾光阑(17)的形状为等腰三角形，反切趾光阑(18)的形状与正切趾光阑(17)的等腰三角形共轭。

2.根据权利要求1所述的用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，其特征在于，所述上挡板(20)和下挡板(21)采用“匚”形结构实现对正切趾光阑(17)和反切趾光阑(18)的同步调节，上挡板(20)和下挡板(21)在上挡板导轨(25)和下挡板导轨(26)的导引下上下滑动时，位置由挡板刻度(28)读出，且由定位螺栓固定位置。

3.根据权利要求1所述的用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，其特征在于，所述左栅长定位板(22)和右栅长定位板(23)在调节过程中始终关于共轭振幅板(19)的中心线对称，从而保证正切趾光阑(17)和反切趾光阑(18)的共轭关系。

4.一种利用权利要求1所述可调三角形共轭振幅模板实现光纤光栅切趾的方法，其特征在于，该方法根据光栅切趾要求选用合适的切趾包络函数，利用三角形共轭振幅模板的变迹扫描实现光纤光栅的切趾，其中，正切趾光阑的变迹扫描实现正切趾光栅的写入，而反切趾光阑的变迹扫描则实现正切趾光栅的反切趾，使光纤光栅的折射率的平均变化量为常数，实现光纤光栅的纯切趾。

5.根据权利要求4所述的实现光纤光栅切趾的方法，其特征在于，所述正切趾光阑的变迹扫描实现正切趾光栅的写入，而反切趾光阑的变迹扫描则实现正切趾光栅的反切趾，具体包括：

根据选取的切趾包络函数的特征及光栅写制要求，正切趾光阑在扫描运动方向上被分为n段S1～Sn，其中Sm段的扫描速度为Vm，m、n为自然数，且m小于n；在该运动参数设置下，正切趾光阑扫描后光栅折射率调制包络逼近于选用的切趾包络函数，进行正切趾光栅的反切趾时，其分段情况与正切趾光阑一致，而且扫描速度则相应变为2Vm。

6.根据权利要求4所述的实现光纤光栅切趾的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

根据写制光栅的长度L，将可调三角形共轭振幅模板置于合适位置；

调节栅长定位板使成栅光纤的曝光区恰好符合写制长度L，并根据栅长定位板的位置确定下挡板的位置；

经过压缩展宽处理的紫外光经过可调三角形共轭振幅模板的正切趾光阑和相位掩模板，正切趾光阑沿z向变迹运动扫过成栅区，在光纤上产生正切趾光栅；

去掉相位掩模板，反切趾光阑沿z向变迹扫过栅区，实现正切趾光纤光栅的反切趾。

7.根据权利要求6所述的实现光纤光栅切趾的方法，其特征在于，在正切趾光阑沿z向变迹运动扫过成栅区时，栅区平均折射率的变化不为常数。

8.根据权利要求6所述的实现光纤光栅切趾的方法，其特征在于，所述去掉相位掩模板及反切趾光阑变迹扫过栅区，是为了调制平均折射率的不均匀性。

9.根据权利要求6所述的实现光纤光栅切趾的方法，其特征在于，该方法在整个制作过程中，紫外光、相位掩模板和光纤相对位置不变。

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