CN102402007A - 基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术。在一般的切趾过程中为了实现光纤光栅的纯切趾而需要对光纤光栅进行正切趾和反切趾两个过程。在这两个过程中正切趾模板上的光阑和反切趾模板上的光阑是要求共轭的。现有的技术制作一个与正切趾模板严格共轭的反切趾模板的工艺比较复杂，很难达到要求。这就限制了在制作切趾光纤光栅时的纯切趾精度。本发明方法是通过在正切趾模板和柱透镜之间合适的位置左右对称地放置两个紧挨的小柱透镜且小柱透镜的长度方向垂直于柱透镜的长度方向，来实现对正切趾后的光纤光栅进行严格共轭的反切趾，从而省去了使用反切趾模板的方法，提高了纯切趾精度。本发明适应性好，灵活性强，工艺简单。

Description

基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术

技术领域

本发明属于光纤光栅制作技术领域，具体涉及基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术。

背景技术

光纤光栅(FBG)是一种新型光无源器件，它具有重量轻、体积小、可靠性高、抗电磁干扰、插入损耗低、波长选择性好、灵敏度高和被测量范围广等优点，因而在光纤通信和光纤传感中有着广泛的应用。它在光纤通信和光纤传感中可构成的器件包括：半导体激光器、光纤放大器、滤波器、WDM波分复用器、光纤光栅色散补偿器、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器，、位移传感器等。

要实现以上功能、必须制作出性能优良的光纤光栅，其制作方式已经日益成熟，然而在均匀光纤布拉格光栅(FBG)的反射谱中有一个显著的特点：除了光栅的主反射带之外，还有很大的带外反射，即其反射旁瓣比较大。光栅中巨大的反射旁瓣必然会影响到相邻波长，带来相邻光信道之间的串扰、在传感系统中会被误当作传感信号等不利因素，影响实际的工作效果。此项难题也成为了光纤光栅发展的瓶颈，因此，应设法消除或抑制光纤光栅的反射旁瓣，使反射旁瓣的影响降到最小。

研究表明，均匀光纤光栅的反射旁瓣，可以采用切趾(Apodizing)技术进行抑制。所谓切趾就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光栅称为切趾光纤光栅。其作用就是抑制光纤光栅的边模、使光纤光栅群时延曲线平滑。典型的切趾包络函数有高斯函数，汉明函数，超高斯函数以及余弦、升余弦函数等。目前主要的切趾技术有：紫外脉冲相干写入切趾、切趾相位模板切趾、均匀相位模板法结合扫描技术切趾和共轭振幅模板切趾等。在光纤光栅切趾中值得注意的是：光纤光栅在长度上必须保持纤芯的平均折射率不变，这样才能形成光纤光栅的纯切趾。如果光纤长度上的平均折射率变化不为常数，则光栅将会产生短波震荡效应，会在谐振峰短波处存在明显的旁瓣，这时的光栅切趾仅是正切趾，所以还需要对其进行反切趾。

共轭振幅模板切趾的关键技术在于共轭模板的设计。共轭振幅模板由正切趾模板和反切趾模板两部分组成。正切趾模板上光阑的形状为切趾函数(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：紫外光依次经过正切趾模板、柱透镜和相位掩模板，在光纤上产生正切趾光纤光栅(图1(a))，然后，移去相位掩模板，用反切趾模板代替正切趾模板的位置进行光纤光栅的反切趾，从而实现光纤光栅的纯切趾。

但是切趾函数的包络复杂，很难保证切趾制作的精度，尤其不能保证两块模板共轭。另外，对于不同的切趾函数和不同长度的光栅都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。然而，由于光纤光栅光器件的广阔应用及对光纤光栅光器件的制作技术的迫切要求，需要大大改进和提高现有的光纤光栅光器件的制作技术，以满足工程应用及科学研究的要求。

发明内容

本发明的目的就是：为了克服在光纤光栅共轭振幅模板反切趾时的共轭模板制作难的问题，提供了一种基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术，以在制作切趾光纤光栅时提高切趾精度，其装置结构简单、切趾灵活。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案为：

基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术及装置包括紫外激光器、正切趾模板、两小柱透镜、柱透镜、相位掩模板、光纤。

紫外激光器、正切趾模板、柱透镜、相位掩模板、光纤的中心位置在一条基线上依次排开；光纤与相位掩模板右侧紧贴且处在柱透镜的焦平面上(图1(a))；在正切趾模板和柱透镜之间离柱透镜的距离是小柱透镜焦距2倍的位置处左右对称地放置两个紧挨的小柱透镜且小柱透镜的长度方向垂直于柱透镜的长度方向(图2)；两个小柱透镜完全一样；两个小柱透镜直径是正切趾模板长度的一半；两个小柱透镜长度等于正切趾模板的宽度；柱透镜的长度不小于正切趾模板的长度，柱透镜的直径不小于正切趾模板的宽度；紫外激光器、正切趾模板、柱透镜、光纤的位置始终保持不变。

上述方案中，该方法具体包括以下步骤：

如图1(a)所示，经过正切趾模板的紫外光经过柱透镜纵向压缩聚焦，透过相位掩模板，在其焦平面处的光纤上曝光，从而产生正切趾光栅。如图1(b)所示，去掉相位掩模板，在正切趾模板和柱透镜之间离柱透镜的距离是小柱透镜焦距2倍的位置处左右对称地放置两个紧挨的小柱透镜且小柱透镜的长度方向垂直于柱透镜的长度方向(位置示意如图2)，紫外光经正切趾模板、两小柱透镜、柱透镜在正切趾光栅上曝光实现正切趾光栅的反切趾。

经过正切趾的光栅，其栅区平均折射率的变化不为常数；去掉相位掩模板，对其进行反切趾从而调制了栅区平均折射率的不均匀性。

本发明所具有的有益效果为：在正切趾模板和柱透镜之间离柱透镜的距离是小柱透镜焦距2倍的位置处左右对称地放置两个小柱透镜且小柱透镜的长度方向垂直于柱透镜的长度方向，使原来中间部分强两边弱的光经过两个小柱透镜后其光强分布与原来的光强分布正好共轭即其光强中间部分弱两边强，这样就可以实现对正切趾后的光纤光栅进行严格共轭的反切趾，从而省去了使用反切趾模板的过程。解决了共轭模板制作难的问题，同时也提高了反切趾光栅的精度和质量。此装置简单易行，在切趾光栅的制作中可以得到广泛的应用。

附图说明

图1(a)基于双透镜光束整形的光纤光栅正切趾装置俯视图。

图1(b)基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾俯视光路图。

图2两个小平凸柱面透镜的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1(b)所示，基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术及装置包括紫外激光器1、正切趾模板2、两小柱透镜6和7、柱透镜3、光纤5。紫外激光器1、正切趾模板2、柱透镜3、光纤5的中心位置在一条基线上依次排开；在正切趾模板2和柱透镜3之间离柱透镜3的距离是小柱透镜6和7焦距2倍的位置处左右对称地放置两个紧挨的小柱透镜6和7且小柱透镜6和7的长度方向垂直于柱透镜3的长度方向；两小柱透镜6和7完全一样，其直径是正切趾模板2长度的一半，其长度等于正切趾模板2的宽度；柱透镜3的长度不小于正切趾模板2的长度，柱透镜3的直径不小于正切趾模板2的宽度；紫外激光器1、正切趾模板2、柱透镜3、光纤5的位置始终保持不变。

本发明的工作方式为：紫外激光器发出的紫外光经过正切趾模板和两小柱透镜后在小柱透镜2倍焦距处产生了与原来紫外光强分布严格共轭的光，透过两小柱透镜的光入射到柱透镜，经柱透镜纵向压缩聚焦到光纤光栅上经行曝光从而对光纤光栅进行反切趾。该装置正是通过两小柱透镜的放置实现了与原来光强严格共轭的。

本发明方法实现对正切趾后的光纤光栅进行严格共轭的反切趾，关键技术在于，在正切趾模板和柱透镜之间离柱透镜的距离是小柱透镜焦距2倍的位置处左右对称地放置两个紧挨的小柱透镜，且小柱透镜的长度方向垂直于柱透镜的长度方向；两小柱透镜完全一样，两个小柱透镜直径是正切趾模板长度的一半；两个小柱透镜长度等于正切趾模板的宽度；由图1(b)光路可知原来光强中间部分强两边弱的光经过两个小柱透镜后其光强分布与原来的光强分布正好共轭即其光强中间部分弱两边强，从而产生了与正切趾光强严格共轭的反切趾光强。

本实施例中，紫外光的中心波长为193nm；小平凸柱面透镜6和7长5.4cm直径3.0cm，焦距12.5cm；平凸柱面透镜3长6.0cm直径5.4cm，焦距45cm；小平凸柱面透镜6和7与平凸柱面透镜3的距离为25cm；平凸柱面透镜3与光纤5的距离为45cm；切趾函数为高斯函数。

Claims (1)

1.基于双透镜光束整形的光纤光栅反切趾技术及装置包括紫外激光器、正切趾模板、两小柱透镜、柱透镜、光纤，其特征在于：紫外激光器、正切趾模板、柱透镜、光纤的中心位置在一条基线上依次排开；在正切趾模板和柱透镜之间离柱透镜的距离是小柱透镜焦距2倍的位置处左右对称地放置两个紧挨的小柱透镜且小柱透镜的长度方向垂直于柱透镜的长度方向；两小柱透镜完全一样，其直径是正切趾模板长度的一半，其长度等于正切趾模板的宽度；柱透镜的长度不小于正切趾模板的长度，柱透镜的直径不小于正切趾模板的宽度；紫外激光器、正切趾模板、柱透镜、光纤的位置始终保持不变。

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