CN102323639B - 基于重构等效啁啾技术的长光纤光栅制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于重构等效啁啾技术的长光纤光栅制作方法:根据具有任意目标响应的种子光栅以及多个相位模板的结构,利用重构等效啁啾技术对种子光栅进行重构,从而可以采用多块相位模板和亚微米精度平移台制作出具有与种子光纤光栅相同目标响应的长光纤光栅,并且多块相位模板之间相位不匹配引起的相移能够被完全补偿。该方法可以制作具有任意目标响应的长光纤光栅,突破了相位模板对光纤光栅长度的限制,降低了长光纤光栅的制作成本,并提高了长光纤光栅制作的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅制作以及光通信系统和光传感领域,尤其涉及长的各种结构的光纤光栅。
发明背景
光纤光栅在光通信和光传感等领域有着广泛的应用,特别是某些特殊结构的光纤光栅。比如采样光栅可以应用在波分复用系统中[1];相移光栅可以应用在光码分复用系统和光希尔伯特变换系统中[2-3];啁啾光栅可以用来做色散器件或者色散补偿器件[4-5]。通常情况下采样光栅是通过在有效折射率的基础上加一个采样函数来实现。相移光栅是通过采用具有特定相移的相位模板或者纳米精度的电动平移台来实现。啁啾光栅是通过采用特殊的啁啾相位模板或者一边移动光纤一边刻写的方法来实现。相移光栅和啁啾光栅的制作都比较复杂,制作起来很不灵活,并且成本很高,因为它们需要特殊的相位模板或者纳米精度的平移台。继而,重构等效啁啾的方法被提出了[6-7]。重构等效啁啾是根据所需种子光栅的结构对采样光栅的采样函数进行重构,这样就能够在特定的一级得到具有期望的响应特性。采用重构等效啁啾技术可以用均匀相位模板和亚微米精度的电动平移台制作任意可实现的光纤光栅。它大大降低了各种结构光纤光栅的制作成本,并且使光纤光栅制作的灵活性得到了极大的提高。重构等效啁啾技术已经被成功地用来制作相移光栅、各种形式的啁啾光栅、分布反馈式激光器等等。然而,在之前的工作中对于光纤光栅的长度都没有做过研究。通常情况下,光纤光栅的长度需要小于相位模板的长度,所以它就受到相位模板长度的限制。而有时光纤光栅的长度越长,性能会越好[8-9]。比如通常情况下分布反馈式激光器需要用具有光敏性并且高掺杂浓度的载氢掺铒光纤来制作,这样做出来的激光器噪声会比较大。如果制作的分布反馈式激光器比较长时,就可以采用未载氢的低掺杂浓度的掺铒光纤来制作,这样噪声会大大降低,并且激光器的带宽也会变窄。再如用啁啾光栅作为色散补偿器件时,在保证带宽不变的情况下光纤光栅的长度越长,色散系数会越大,这样就能做超长距离的色散补偿;在保证色散系数不变的情况下,光纤光栅的长度越长,带宽就越大,这样就能补偿更多的信道。
目前制作长的光纤光栅有几种方法,但都有一些问题。比如它可以用几个经过特殊设计的相位模板来制作,这种方法的问题是相位模板的结构很复杂,如果需要制作不同的光纤光栅还需要再重新制作特定的相位模板,更严重的是相位模板之间的相位不匹配会使得刻写出来的光栅有我们所不希望的相移[10]。另外一种方法就是,一边曝光一边移动光纤,这种方法的问题是它需要一个纳米精度的平移台,这样一个平移台价格昂贵并且比较复杂,而且这种方法制作出来的光纤光栅相位也不是完全匹配的[11]。
采用重构等效啁啾技术可以解决上述问题。可以利用多个相位模板和重构等效啁啾技术再加上亚微米精度的平移台制作出相位精确匹配的具有任意目标响应的长光纤光栅。
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发明内容
本发明的目的是基于重构等效啁啾技术利用多个相位模板和亚微米精度的电动平移台来制作具有任意目标响应的长光纤光栅,相位模板之间相位不匹配引起的相移可以被完全补偿。
本发明的方案为:基于重构等效啁啾技术,根据具有任意目标响应的种子光栅以及多个相位模板的结构,利用重构等效啁啾技术对种子光栅进行重构,从而能够采用多块相位模板和亚微米精度平移台制作出具有与种子光纤光栅相同目标响应的长光纤光栅,并且多块相位模板之间相位不匹配引起的相移能够被完全补偿。
当将两个周期相同的相位模板拼接起来制作长的光纤光栅时,由于两个相位模板的相位不匹配,折射率调制函数会有相移,可以表示为:
其中S1(z)和S2(z)为采样函数,Λ是光栅的周期,β是由于两个相位模板在交界处zk的相位不匹配引起的相移。
若需要的种子光栅的折射率调制函数为:
为了在m级得到种子光栅所具有的响应特性,对光栅进行重构,采样函数为:
这样就得到了第i个采样点zi的位置:
可以看到通过利用重构等效啁啾技术对光栅进行重构后可以得到具有所需要响应特性的光栅,两个相位模板相位不匹配引起的相移也被补偿了。从本质上来讲,两个相位模板相位不匹配引起的相移是被相位模板交接处的等效相移(EPS)补偿的。
一般情况下两个相位模板相位不匹配引起的相移β是未知的,所以就需先将其确定。它同样可以利用重构等效啁啾技术得到。具体来说是通过用两块相位模板来制作在某一级没有相移的光栅的方法来确定β。当zk处的等效相移满足以下关系时m级的相移就会消失(通常m取+1或-1):
Δzk是zk处采样周期的变化,N是整数。同样当对m级引入不同的等效相移,最终发现在某个等效相移的时候,m级的相移消失了,得到一个均匀光栅,这样就可以根据等效相移来得到β。
测出所有相邻的两块相位模板由于相位不匹配引起的原始相移后,根据得到的相位模板间的原始相移和种子光栅的响应特性对光栅进行重构,如公式(3)和(4)所示,求得曝光点的位置,再进行刻写。
可以利用更多的相位模板制作更长的光纤光栅。先利用重构等效啁啾技术测出所有相邻的两块相位模板由于相位不匹配引起的原始相移,如公式(5)所示,然后根据得到的相位模板间的原始相移和种子光栅的响应特性对光栅进行重构,求得曝光点的位置,再进行刻写。
为了验证上述原理的正确性,我们做了一些仿真。
表1
Λ/nm | Λs/nm | m | β/rad | neff | Δnmax | L/mm | |
例1 | 535.59 | 536.63 | -1 | -0.5π | 1.447 | 1e-5 | 111.7 |
例2 | 535.59 | 537.32 | -1 | -0.8π | 1.447 | 1e-4 | 282 |
仿真中所用的参数如表1所示。
在第一个例子中,种子光栅是中心波长在1553nm的均匀光栅。当相位没有补偿时可以看到,反射谱栅中有相移。补偿之后可以看到相移消失了,最终是一个均匀光栅的光谱图。
在第二个例子中,种子光栅是色散率为-2320ps/nm的一次啁啾光栅。用两个相位模板制作的仿真结果如图2所示。可以看到,两个相位模板相位不匹配引起的相移已经被补偿了。并且时延谱为线性的。
制作时紫外激光2从激光器1发出,通过光快门3和亚微米精度的电动平移台;电动平移台4的移动方向与紫外激光2的入射方向平行。经过电动平移台4上的反射镜反射后的紫外激光2垂直入射到聚焦透镜组6,对光斑大小进行压缩。经过聚焦透镜组6的紫外激光2,照射在相位模板7-1或7-2上。两个相位模板7-1和7-2被固定在两组多维调节台8-1和8-2上,通过调整调节台8-1和8-2使得两个相位模板7-1和7-2处于同一水平位置和高度,并且与紫外激光2的入射方向垂直。也可以将两块相位模板7-1和7-2夹在一高精度夹具10中间,使他们保持对称,然后将夹具10固定在多维调节台9上面,用它来调节相位模板7-1和7-2与紫外激光2的入射方向垂直;光纤12夹在两个光纤夹具11-1和11-2之间,这两个夹具也固定在多维调节台上,来调节光纤12和相位模板7-1和7-2的相对位置的。将所要刻写的光纤光栅结构输入计算机5,并由计算机5来控制光快门3的开关和电动平移台4的移动。
本发明的有益效果是:本发明基于重构等效啁啾技术利用多个相位模板和亚微米精度的电动平移台来制作具有任意目标响应的长光纤光栅,相位模板之间相位不匹配引起的相移可以被完全补偿。制作的方法简单、灵活,便于工业化推广,且制备的长光纤光栅的精度高,满足实际应用的要求。
附图说明:
图1基于重构等效啁啾技术制作长光纤光栅的装置图。
图2例1仿真结果。
图3例2仿真结果。
图4不同等效相移下光纤光栅0级的反射谱。
图5不同等效相移下光纤光栅-1级的反射谱。
图6不同等效相移下光纤光栅+1级的反射谱。
图7利用两个相位模板制作的π相移长光纤光栅的反射谱。
具体实施方式:
由氩离子倍频激光器产生的244nm紫外激光通过光快门、亚微米精度的电动平移台以及聚焦透镜组之后,照射在相位模板之上。两块相位模板固定在两组多维调节台上,这两组多维调节台可以把两个相位模板调到同一水平对称位置,并且两个相位模板都与紫外激光的入射方向垂直。也可将两块相位模板对称地夹在一高精度夹具之中,然后将此夹具固定在一组多维调节台上,调节多维调节台使相位模板与紫外激光的入射方向垂直。光纤两端分别夹在两个光纤夹具上,这两个夹具也分别固定在多维调节台上,来调节光纤和相位模板的相对位置。光快门和电动平移台都由计算机控制,将设计的光栅结构写入光纤。首先通过重构等效啁啾技术,利用等效相移补偿某一级由于两个相位模板相位不匹配引起的原始相移(通常选择+1级或-1级),来确定两个相位模板相位不匹配引起的相移。得到原始相移后,将原始相移和所需要的种子光栅的结构带入公式(3),对光栅进行重构,得到每个曝光点的位置。将重构后的光纤光栅结构送入计算机中的光纤光栅刻写控制程序,此程序通过控制光快门和电动平移台来刻写所设计的光纤光栅。光纤光栅的光谱图、时延谱图等通过光矢量分析仪来监测。
1.紫外激光2从氩离子倍频激光器1发出,通过光快门3和电动平移台4。电动平移台4的移动方向与紫外激光2的入射方向平行。经过电动平移台4上的反射镜反射后的紫外激光2垂直入射到聚焦透镜组6,对光斑大小进行压缩。
2.将周期相同长度为50mm的均匀相位模板7-1和7-2分别固定在两组多维调节台8-1和8-2上,相位模板7-1和7-2的两端分别有大约4mm的空白无栅区。通过调整多维调节台8-1和8-2来使得两块相位模板7-1和7-2处于同一水平位置和高度,并且与入射紫外激光2垂直。也可以将两块相位模板7-1和7-2夹在一个高精度夹具10中间,使他们保持对称,然后将夹具10固定在多维调节台9上门,利用它来其调节相位模板7-1和7-2和紫外激光2的入射方向垂直。
3.光纤12的两端分别夹在两个光纤夹具11-1和11-2之间,这两个夹具也固定在多维调节台上,利用其来调节光纤12和相位模板7-1和7-2的相对位置,使得光纤12与入射紫外激光2处于同一高度,并且光纤12与相位模板7-1和7-2平行,以保证通过相位模板7-1和7-2的紫外激光2始终能打在光纤12上。
4.将所要刻写的光纤光栅结构输入计算机5,并由计算机5来控制光快门3的开关和水平电动位移台4的移动。
5.两块相位模板7-1和7-2之间的空白无栅区约为8mm,所以光纤光栅中的空白部分至少为8mm。首先做一根采样光栅。两块相位模板7-1和7-2每边各用40mm中间空8.8mm,采样周期为0.4mm。这样每一级的等效相移都为2π的整数倍,每一级的相移就完全反映的是两块相位模板7-1和7-2相位不匹配引起的相移β。制作出来的光栅反射谱如图4、图5及图6所示,在每一级都有一个相移,并且它们是相等的。
6.改变光纤光栅中间空白的长度,可以发现0级的相移不变,其它级的相移都在变化。选取-1级作为参考,即在公式(5)中选取m=-1。可以发现当中间空白长度为9.03mm时,-1级的相移消失。这时等效相移为45.15π,根据公式(5),可以得到原始相移为-45.15π,也可以写成0.85π。
7.如果原始相移β确实为0.85π,当+1级的等效相移为-44.85π时,+1级的相移也应该消失。为了验证试验中得到的两块相位模板7-1和7-2相位不匹配引起相移的正确与否,使光纤光栅中间的空白长度为8.97mm,即在+1级引入了-44.85π的等效相移。果然如推测的一样,+1级的相移消失了。0级的相移还是保持不变,-1级的相移变化了,但没有消失。
8.假设所需要的种子光栅是π相移光栅,将种子光栅的结构和已经得到的相移带入公式(3),对光纤光栅进行重构,选取m=-1级,这样就在-1级得到了所需要的长度大约为90mm的长π相移光栅。实验结果如图7所示。
Claims (4)
1.基于重构等效啁啾技术的长光纤光栅制作方法,其特征在于根据具有任意目标响应的种子光栅以及多个相位模板的结构,利用重构等效啁啾技术对种子光栅进行重构,从而可以采用多块相位模板和亚微米精度平移台制作出具有与种子光栅相同目标响应的长光纤光栅,并且多块相位模板之间相位不匹配引起的相移能够被完全补偿;将两块相位模板拼接在一起做长光纤光栅时,相位模板之间会有相位差,导致做出来的长光纤光栅有不希望的相移;能够利用重构等效啁啾技术对光栅进行重构,补偿由于两个相位模板相位不匹配引起的相移,得到具有所期望目标响应的光纤光栅;
需要的种子光栅的折射率调制函数为:
z表示曝光点的位置,j表示虚数,As(z)和分别是实际中所需要的种子光栅的切趾函数和相位函数,c.c表示曝光的直流量;
当使用两块周期相同的相位模板制作长光纤光栅时,由于两块相位模板的相位不匹配,折射率调制函数会有相位差β;为了在m级得到种子光栅所具有的响应特性,利用重构等效啁啾技术对光栅进行重构,得到的采样函数为:
利用重构等效啁啾技术和两块相位模板以及亚微米精度的水平位移台制作长光纤光栅,在建立在已知由相位模板相位不匹配引起的相移β的基础上的,但相位差β是未知的,需要先用重构等效啁啾技术将它确定;能够通过用两块相位模板制作在某一级没有相移的光栅来确定β;当zk处的等效相移EPS满足以下关系时m级的相移就会消失:
Δzk是zk处采样周期的变化,N是整数;同样当对m级引入等效相移,发现在某个等效相移时,m级的总相移消失了,得到一个均匀光栅的响应时,从而就能够根据等效相移来得到两块相位模板相位不匹配引起的相位差β。
2.根据权利要求1所述的基于重构等效啁啾技术的长光纤光栅制作方法,其特征在于:紫外激光(2)从激光器(1)发出,通过光快门(3)和亚微米精度的电动平移台(4);电动平移台(4)的移动方向与紫外激光(2)的入射方向平行;经过电动平移台(4)上的反射镜反射后的紫外激光(2)垂直入射到聚焦透镜组(6),对光斑大小进行压缩;经过聚焦透镜组的紫外激光照射在两个相位模板(7-1)或(7-2)上;两个相位模板(7-1、7-2)被固定在两组多维调节台(8-1、8-2)上,通过调整两组多维调节台使得两个相位模板处于同一水平位置和高度,并且与紫外激光(2)的入射方向垂直;或将两个相位模板夹在一高精度夹具(10)中间,使它们保持对称,然后将高精度夹具(10)固定在多维调节台(9)上面,用它来调节两个相位模板与紫外激光的入射方向垂直;光纤(12)夹在两个光纤夹具(11-1、11-2)之间,这两个光纤夹具也固定在多维调节台上,来调节光纤(12)和两个相位模板的相对位置;将所要刻写的光纤光栅结构输入计算机(5),并由计算机(5)来控制光快门(3)的开关和电动平移台(4)的移动。
3.根据权利要求2所述的基于重构等效啁啾技术的长光纤光栅制作方法,其特征在于利用两块相位模板和亚微米精度的水平位移台来制作具有任意目标响应的长光纤光栅,或利用更多的相位模板制作更长的光纤光栅,包括先测出所有相邻的两块相位模板由于相位不匹配引起的原始相移即相位差,然后根据得到的相位模板间的原始相移和种子光栅的响应特性对光栅进行重构,求得曝光点的位置,再进行刻写。
4.根据权利要求1中所述的基于重构等效啁啾技术的长光纤光栅制作方法,其特征在于所述种子光栅的Λs、As(z)和是根据任意目标反射响应,利用光纤光栅的重构算法得到的。
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