CN102621609A

CN102621609A - 任意切趾光纤光栅刻写装置和刻写方法

Info

Publication number: CN102621609A
Application number: CN2012101043857A
Authority: CN
Inventors: 刘刚; 张鑫; 杨飞; 叶青; 蔡海文; 方祖捷
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Nanjing poly Photoelectric Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: CN102621609B

Abstract

一种任意切趾光纤光栅刻写装置和刻写方法，该装置由激光器、矩形光阑、可编程空间光调制器、函数发生器、柱面镜、相位掩模板夹具和三维调整架组成，本发明具有结构简单、经济实用、易于实现，有很好的可重复性和灵活性，克服了传统切趾光栅制作过程中需要用到高相干光源或者加工两块共轭的振幅模板，并且只能制作单一切趾光纤光栅的局限性。

Description

任意切趾光纤光栅刻写装置和刻写方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅，特别是一种任意切趾光纤光栅的刻写装置及方法。

背景技术

随着光纤光栅在光通信领域的广泛应用，人们对光纤光栅的性能也提出了更高的要求，切趾技术就是在这个背景下诞生的。切趾光纤光栅可以极大的减少光栅反射谱中的旁瓣，抑制光通信中信号传输产生的时延振荡，降低相邻信道之间的码元串扰，并起到很好的色散补偿作用，因而切趾技术是决定光纤光栅性能好坏的一项关键技术。目前，制作切趾光纤光栅最常用的方法主要有紫外脉冲相干写入法、切趾相位掩模法以及共轭振幅模板扫描法。

切趾相位掩模法【参见J.J. Pan, Y., et al., Steep skirt fiber Bragg grating fabrication using a new apodised phase mask[J].Electronics Letters, 1997. 33(22)】利用聚焦电子束和湿法刻蚀技术制作出板槽尺寸不均匀的相位掩模板，当紫外光照射该掩模板后，级衍射光的强度沿着光纤方向呈现切趾函数分布，从而达到切趾的目的。该法实现起来比较简单，但是切趾相位模板的制作难度很大，并且随着切趾函数的不同而需要特别制作，成本很高，同时制作出的光栅平均折射率调制系数不是常数，会出现短波边的振荡效应。

紫外脉冲相干写入法【参见Cortes P Y, Q., et al., Intrinsic Apodisation of Bragg Gratings Written Using UV-Pulse Interferometer[J]. Electron Lett, 1998, 34(4)】对刻写光源的相干性和反射镜的扫描精度有很高的要求，并且光栅的中心波长要由刻写光源的出射激光波长决定，只能刻写高斯切趾的光纤光栅，应用起来具有很大的局限性。

共轭振幅模板扫描法【参见李栩辉，夏历，刘晶雯等.惆啾和切趾函数可调的光纤光栅的扫描写入法[J].半导体光电，2001. 22(1)】对刻写激光的相干性要求不高，可以制作出性能优良的切趾光栅，并且通过切趾和反切趾可以使光栅平均折射率调制系数是常数，但该法依然要对不同的切趾方式制作相应的共轭振幅模板，光栅的切趾质量严重依赖共轭振幅模板的加工精度，并且对扫描用移动平台的精度要求很高。

可见，上述三种制作切趾光纤光栅的方法都受到切趾函数具体形式的制约，只能制作单一类型的切趾光纤光栅，不具有普适性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于可编程空间光调制器的任意切趾光纤光栅的刻写装置和刻写方法，该装置记忆结构简单、经济实用、易于实现，有很好的可重复性和灵活性，当给定切趾函数和反切趾函数的具体形式以及作用时间后，光栅的切趾操作和反切趾操作可以由可编程空间光调制器自动完成，无需人工干预，并且制作的切趾光纤光栅性能优良，反射谱中的旁瓣得到很好的抑制。

本发明技术解决方案如下：

一种任意切趾光纤光栅刻写装置，特征是其构成包括：

激光器，在激光器输出端放置矩形光阑，在该矩形光阑后依次放置可编程空间光调制器、柱面镜和相位掩模板夹具，用螺母将相位掩模板固定在所述的相位掩模板夹具的卡槽里并使之保持水平，在该相位掩模板的后面安置2套光纤夹具，所述的相位掩模板夹具和2套光纤夹具分别固定在三个三维调整架上，通过三维调整架改变光纤和相位掩模板之间的水平距离，所述的可编程空间光调制器的驱动电路接函数发生器的输出端，所述的激光器、矩形光阑、可编程空间光调制器、函数发生器、柱面镜、相位掩模板夹具和三维调整架均安装在同一防震平台上；

所述的函数发生器通过GPIB接口与计算机相连，并利用其自带的波形编辑软件生成想要的切趾和反切趾电压信号，以此电压信号来控制所述的空间光调制器的驱动电路，实现空间光调制器的可编程工作；

ASE光源的输出尾纤接光环形器的第一端口，待制作光栅的光纤一端接光环形器的第二端口，将待制作光栅的光纤的另一端和环形器的第三端口接入光谱仪，利用光谱仪对刻写的光纤光栅的透射谱和反射谱分别进行监测。

所述的可编程空间光调制器由函数发生器产生的电压信号控制其驱动电路，它含有许多独立的像素，这些像素在空间排成一维或二维阵列，每个像素可以独立接受电信号的控制并改变自身的光强透过率，从而实现曝光光束的空间强度调制，并且可编程空间光调制器要根据激光器出射激光的波段选用合适的晶体或者聚合物材料。

所述的函数发生器与计算机相连，在Windows环境下使用计算机自带的波形编辑软件生成切趾电脉冲信号和反切趾电脉冲信号，其在使用过程中所述的函数发生器输出的电脉冲信号的重复频率高于所述激光器出射脉冲的重复频率。

利用上述任意切趾光纤光栅刻写装置进行任意切趾光纤光栅刻写方法，特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、光纤载氢：

将待刻写光栅的光纤放在常温高压氢气环境中以提高光纤纤芯的光敏性；

步骤2、准直刻写光路：

准直刻写光路要通过以下步骤实现：

步骤2.1：调节矩形光阑、可编程空间光调制器和柱面镜的相对位置，使三者的中心同在激光器出射光束的方向上；

步骤2.2：通过三维调整架调整相位掩模板的高度，以使激光脉冲垂直辐照在相位掩模板的有效掩模区域内；

步骤2.3：通过三维调整架调整待刻写光栅的光纤高度，使经过柱面镜的光束恰好聚焦在光纤的纤芯上，并使光纤紧贴着相位掩模板平行放置；

步骤2.4打开激光器，将激光器的重复频率设定为1Hz，然后把光敏纸放在待刻写光栅的光纤后面观察光纤的衍射成像，当待刻写光栅的光纤的位置正好处在级衍射条纹的中间时，则激光束已经聚焦到了光纤的纤芯；

步骤3、根据需要，选定待刻写光栅的切趾函数的参数和反切趾的参数，进行的切趾和反切趾刻写：包括以下步骤：

步骤3.1：把光环形器的第一端口接ASE光源，第二端口接待写光栅的光纤一端，该待写光栅的光纤另一端和光环形器的第三端口与光谱仪连接，实现光栅制作过程中光栅透射谱和反射谱的监测；

步骤3.2：将函数发生器通过GPIB接口与计算机相连，通过计算机在线输入切趾函数的参数，使函数发生器产生切趾分布的电脉冲信号，并以此信号驱动可编程空间光调制器实现纤芯曝光量的空间强度调制；

步骤3.3：打开激光器，并在激光器控制面板上设置激光脉冲的能量、重复频率以及辐照时间，完成切趾光栅的刻写，并实时监测光栅的光谱变化，辐照时间结束后将相位掩模板拿掉；

步骤3.4：通过计算机在线输入的反切趾函数参数，使函数发生器产生反切趾分布的电脉冲信号，并以此信号驱动可编程空间光调制器实现纤芯曝光量的空间强度调制；

步骤3.5：根据反切趾所需曝光剂量的要求，通过激光器的控制面板对激光脉冲的输出能量、重复频率以及辐照时间等参数作相应调整，完成反切趾光栅的刻写，并实时监测光栅的光谱变化，辐照时间结束后完成切趾光纤光栅刻写。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明结构简单、经济实用、易于实现，有很好的可重复性和灵活性，克服了传统切趾光栅制作过程中需要用到切趾相位掩模板或者加工两块共轭的振幅模板，并且只能制作单一切趾光纤光栅的局限性。

附图说明

图1为本发明任意切趾的光纤光栅刻写装置的结构框图。

图2为本发明测试光纤光栅的反射谱和透射谱的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明任意切趾的光纤光栅刻写装置的结构框图。也是装置实施例的框图。由图可见，本发明任意切趾光纤光栅刻写装置，特征是其构成包括：

激光器1，在激光器1输出端放置矩形光阑2，在该矩形光阑后依次放置可编程空间光调制器3、柱面镜5和相位掩模板夹具，用螺母将相位掩模6板固定在所述的相位掩模板夹具的卡槽里并使之保持水平，在该相位掩模板6的后面安置2套光纤夹具，所述的相位掩模板夹具和2套光纤夹具分别固定在三个三维调整架上，通过三维调整架改变光纤7和相位掩模板6之间的水平距离，所述的可编程空间光调制器3的驱动电路接函数发生器4的输出端，所述的激光器1、矩形光阑2、可编程空间光调制器3、函数发生器4、柱面镜5、相位掩模板夹具和三维调整架均安装在同一防震平台上；

所述的函数发生器4通过GPIB接口与计算机相连，并利用其自带的波形编辑软件生成想要的切趾和反切趾电压信号，以此电压信号来控制所述的空间光调制器3的驱动电路，实现空间光调制器3的可编程工作；

ASE光源8的输出尾纤接光环形器9的第一端口，待制作光栅的光纤7一端接光环形器9的第二端口，将待制作光栅的光纤7的另一端和环形器9的第三端口接入光谱仪10，利用光谱仪10对刻写的光纤光栅的透射谱和反射谱分别进行监测。

所述的可编程空间光调制器3由函数发生器（4）产生的电压信号控制其驱动电路，它含有许多独立的像素，这些像素在空间排成一维或二维阵列，每个像素可以独立接受电信号的控制并改变自身的光强透过率，从而实现曝光光束的空间强度调制，并且可编程空间光调制器3要根据激光器1出射激光的波段选用合适的晶体或者聚合物材料。

所述的函数发生器4与计算机相连，在Windows环境下使用计算机自带的波形编辑软件生成切趾电脉冲信号和反切趾电脉冲信号，其在使用过程中所述的函数发生器4输出的电脉冲信号的重复频率高于所述激光器1出射脉冲的重复频率。

实施例中，激光器1采用248nm KrF准分子激光器，光栅刻写过程中激光的单脉冲能量为130 mJ，脉冲宽度为20 ns，重复频率为20 Hz，光斑大小为。矩形光阑2的大小为，用来选取激光束中光斑质量较好的部分。函数发生器4选用美国Tek公司生产的AFG320产品，它可通过GPIB接口与计算机相连，使用其自带的波形编辑软件生成重复频率大于20Hz的切趾电脉冲信号和相应的反切趾电脉冲信号，并用产生的电压信号控制可编程空间光调制器3的各个像素单元的光强透过率，实现光栅刻写过程中的纤芯曝光量的强度调制，可编程空间光调制器3可选用电学寻址的液晶空间光调制器。柱面镜5对248 nm的紫外光镀有增透膜，透射率可以达99.9%，其焦距为150 mm，它具有聚焦的功能并把激光器输出的紫外光经过矩形光阑2和可编程空间光调制器3均匀照射到相位掩模板6上，该相位掩模板6长度为25mm，周期为735.32nm，紫外光经过相位掩模板照射位于其后经载氢处理的标准单模光纤7上。通过在计算机上运行函数发生器自带的波形编辑软件，设置切趾函数的具体参数，就可以使待写光栅的纤芯曝光剂量呈切趾函数的规律分布，从而得到不同形状的切趾光栅；其次，通过计算机上的波形编辑软件设置反切趾函数的具体参数，同时移走相位掩模板6，使待写光栅的纤芯曝光剂量按反切趾函数的规律分布，实现光栅的反切趾。

在制作的整个过程中，采用1064波段、谱宽为40nm的ASE光源8，通过光环形器9可以得到光栅的反射响应，同时用一分辨率为0.01nm的AQ-6317B光谱仪10进行光栅性能的测试，对光纤光栅的反射谱和透射谱进行分析，可得到光纤光栅的性能参数。

本实施例的主要工艺流程如下：

将光纤进行载氢处理提高其纤芯的光敏性，并剥去长约20mm左右的涂敷层，然后将光纤的两端固定在光纤夹具上，光纤要尽量贴近相位掩模板但不要贴上。

Figure 2012101043857100002DEST_PATH_IMAGE004

调节矩形光阑、可编程空间光调制器和柱面镜的相对位置，使三者的中心同在激光器出射光束的方向上。

通过三维调整架调整相位掩模板的高度，以使激光脉冲垂直辐照在相位掩模板的有效掩模区域内。

Figure 2012101043857100002DEST_PATH_IMAGE008

通过三维调整架调整待制作光栅的光纤高度，使经过柱面镜的光束恰好聚焦在光纤的纤芯上，并使光纤紧贴着相位掩模板平行放置。

Figure 2012101043857100002DEST_PATH_IMAGE010

把光环形器的1口接ASE光源，2口接待写光栅的光纤一端，通过把待写光栅的另一端和光环形器的3口与光谱仪的可插拔连接，实现光栅制作过程中光栅透射谱和反射谱的监测。

Figure 2012101043857100002DEST_PATH_IMAGE012

将函数发生器通过GPIB接口与计算机相连，通过在线输入切趾函数的参数产生切趾分布的电脉冲信号，并以此信号驱动可编程空间光调制器实现纤芯曝光量的空间强度调制。

Figure 2012101043857100002DEST_PATH_IMAGE014

打开激光器，并在激光器控制面板上设置激光脉冲的能量、重复频率以及辐照时间，完成切趾光栅的制作，并实时监测光栅的光谱变化，辐照时间结束以后把相位掩模板拿掉。

Figure 2012101043857100002DEST_PATH_IMAGE016

重复步骤

，但是需要把在线输入的切趾函数参数改为相应的反切趾函数的具体参数。

Figure 2012101043857100002DEST_PATH_IMAGE018

根据反切趾所需曝光剂量的要求，通过激光器的控制面板对激光脉冲的输出能量、重复频率以及辐照时间等参数作相应调整，完成反切趾光栅的制作，并实时监测光栅的光谱变化。

经实验表明，本发明该装置具有结构简单、经济实用、易于实现，有很好的可重复性和灵活性，当给定切趾函数和反切趾函数的具体形式以及作用时间后，光栅的切趾操作和反切趾操作可以由可编程空间光调制器自动完成，无需人工干预，并且制作的切趾光纤光栅性能优良，反射谱中的旁瓣得到很好的抑制。

Claims

1.一种任意切趾光纤光栅刻写装置，特征是其构成包括：

激光器（1），在激光器（1）输出端放置矩形光阑（2），在该矩形光阑后依次放置可编程空间光调制器（3）、柱面镜（5）和相位掩模板夹具，用螺母将相位掩模（6）板固定在所述的相位掩模板夹具的卡槽里并使之保持水平，在该相位掩模板（6）的后面安置2套光纤夹具，所述的相位掩模板夹具和2套光纤夹具分别固定在三个三维调整架上，通过三维调整架改变光纤（7）和相位掩模板（6）之间的水平距离，所述的可编程空间光调制器（3）的驱动电路接函数发生器（4）的输出端，所述的激光器（1）、矩形光阑（2）、可编程空间光调制器（3）、函数发生器（4）、柱面镜（5）、相位掩模板夹具和三维调整架均安装在同一防震平台上；

所述的函数发生器（4）可通过GPIB接口与计算机相连，并利用其自带的波形编辑软件生成想要的切趾和反切趾电压信号，以此电压信号来控制所述的空间光调制器（3）的驱动电路，实现空间光调制器（3）的可编程工作；

ASE光源（8）的输出尾纤接光环形器（9）的第一端口，待制作光栅的光纤（7）一端接光环形器（9）的第二端口，将待制作光栅的光纤（7）的另一端和环形器（9）的第三端口接入光谱仪（10），利用光谱仪（10）对刻写的光纤光栅的透射谱和反射谱分别进行监测。

2.根据权利要求1所述的任意切趾光纤光栅刻写装置，其特征是：所述的可编程空间光调制器（3）由函数发生器（4）产生的电压信号控制其驱动电路，它含有许多独立的像素，这些像素在空间排成一维或二维阵列，每个像素可以独立接受电信号的控制并改变自身的光强透过率，从而实现曝光光束的空间强度调制，并且可编程空间光调制器（3）要根据激光器（1）出射激光的波段选用合适的晶体或者聚合物材料。

3.根据权利要求1所述的任意切趾光纤光栅刻写装置，其特征是：所述的函数发生器（4）与计算机相连，在Windows环境下使用计算机自带的波形编辑软件生成切趾电脉冲信号和反切趾电脉冲信号，其在使用过程中所述的函数发生器（4）输出的电脉冲信号的重复频率高于所述激光器（1）出射脉冲的重复频率。

4.利用权利要求1所述的任意切趾光纤光栅刻写装置进行任意切趾光纤光栅刻写方法，特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、光纤载氢：

将待刻写光栅的光纤（7）放在常温高压氢气环境中以提高光纤纤芯的光敏性；

步骤2、准直刻写光路：

准直刻写光路要通过以下步骤实现：

步骤2.1：调节矩形光阑（2）、可编程空间光调制器（3）和柱面镜（5）的相对位置，使三者的中心同在激光器（1）出射光束的方向上；

步骤2.2：通过三维调整架调整相位掩模板（6）的高度，以使激光脉冲垂直辐照在相位掩模板（6）的有效掩模区域内；

步骤2.3：通过三维调整架调整待刻写光栅的光纤（7）高度，使经过柱面镜（5）的光束恰好聚焦在光纤的纤芯上，并使光纤紧贴着相位掩模板（6）平行放置；

步骤2.4打开激光器（1），将激光器（1）的重复频率设定为1Hz，然后把光敏纸放在待刻写光栅的光纤（7）后面观察光纤的衍射成像，当待刻写光栅的光纤（7）的位置正好处在级衍射条纹的中间时，则激光束已经聚焦到了光纤的纤芯；

步骤3.1：把光环形器（9）的第一端口接ASE光源（8），第二端口接待写光栅的光纤（7）一端，该待写光栅的光纤（7）另一端和光环形器（9）的第三端口与光谱仪（10）连接，实现光栅制作过程中光栅透射谱和反射谱的监测；

步骤3.2：将函数发生器（4）通过GPIB接口与计算机相连，通过计算机在线输入切趾函数的参数，使函数发生器（4）产生切趾分布的电脉冲信号，并以此信号驱动可编程空间光调制器（3）实现纤芯曝光量的空间强度调制；

步骤3.3：打开激光器（1），并在激光器控制面板上设置激光脉冲的能量、重复频率以及辐照时间，完成切趾光栅的刻写，并实时监测光栅的光谱变化，辐照时间结束后将相位掩模板（6）拿掉；

步骤3.4：通过计算机在线输入的反切趾函数参数，使函数发生器（4）产生反切趾分布的电脉冲信号，并以此信号驱动可编程空间光调制器（3）实现纤芯曝光量的空间强度调制；

步骤3.5：根据反切趾所需曝光剂量的要求，通过激光器（1）的控制面板对激光脉冲的输出能量、重复频率以及辐照时间等参数作相应调整，完成反切趾光栅的刻写，并实时监测光栅的光谱变化，辐照时间结束后完成切趾光纤光栅刻写。