CN106133568A - 光栅制造装置和光栅制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供能够容易地制造具有指定衰减波长特性的光栅的一种光栅制造装置和光栅制造方法。在作为光波导的光纤中形成光栅的光栅制造装置包括激光源、光束直径调节单元、扫描镜、反射镜位置调节单元、柱面透镜、透镜位置调节单元、相位掩模、掩模位置调节单元、台部、固定夹具和同步控制器。同步控制器关联并控制由反射镜位置调节单元执行的扫描镜的位置调节和由掩模位置调节单元执行的相位掩模的位置调节这两者。

Description

光栅制造装置和光栅制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于在光波导中写入光栅的装置和用于在光波导中写入光栅的方法。
背景技术
通过用已经在芯部轴向上进行了强度调制的紫外光照射具有芯部或包层(其由含有诸如GeO2和B2O3等感光材料的石英玻璃形成)的光纤等的光波导，可以制造在芯部轴向上具有与紫外光的强度分布对应的折射率分布的光栅。这种光栅可以用作例如增益均衡器，该增益均衡器用于使包括芯部含有铒(Er)的放大光纤的掺铒光纤放大器(EDFA)的增益变得均衡。
在JP 2003-4926A(专利文献1)、WO 2003/093887(专利文献2)、JP 10-253842A(专利文献3)、JP 2001-166159A(专利文献4)和JP 2004-170476A(专利文献5)中描述了光栅的制造技术。紫外光的实例包括氩离子激光的二次谐波(244nm)、KrF准分子激光(248nm)、YAG激光的四次谐波(265nm)、铜蒸气激光的二次谐波(255nm)等等。
用已经在芯部轴向上进行了强度调制的紫外光照射光波导的方法的实例包括相位掩模方法、将光波导直接暴露在激光下的方法以及双光束干涉曝光法。利用相位掩模方法，使得利用线性调频型光栅相位掩模而产生的正/负一阶衍射光束彼此干涉。利用双光束干涉曝光法，激光被分成两束，并且使这些分开的光束彼此干涉。与其他方法相比，利用相位掩模方法，光栅可以被容易地制造且具有良好的重复性。
利用专利文献3和4中公开的光栅制造技术，在利用相位掩模方法在光波导中形成光栅之后，相位掩模被替换为具有在光波导轴向上的透射率分布的减光滤光器，并且用已通过减光滤光器的非干涉光照射光波导。因此，使有效折射率在光波导的轴向上变化，以便制造具有所需衰减波长特性的光栅。利用光栅的这种制造技术，除了通过使用相位掩模形成光栅的步骤之外，还需要通过用非干涉光进行照射来调节有效折射率的步骤。因此，存在制造成本和制造时间增加的问题。
专利文献5描述了以下内容：在相位掩模方法中，可以通过调节相位掩模与光波导之间的距离来调节光栅的折射率调制的振幅。专利文献5还描述了以下内容：随着相位掩模与光波导之间的距离减小，光栅的折射率调制的振幅可以增大，以及随着相位掩模与光波导之间的距离增大，光栅的折射率调制的振幅可以减小。然而，根据本发明人进行的相对于相位掩模与光波导之间的距离而言正/负一阶衍射光束的性能的计算，相位掩模与光波导之间的距离的增大不一定能够减小光栅的折射率调制的振幅，并且衍射光束的性能比较复杂。此外，仅通过调节相位掩模与光波导之间的距离，形成光栅的自由度较低，并且难以实现光波导固有的特性和纵向上的变化。
发明内容
技术问题
因此，本发明的目的在于提供能够容易地制造具有所需衰减波长特性的光栅的一种光栅制造装置和光栅制造方法。
解决技术问题的方案
光栅制造装置将光栅写入到光波导中。该装置包括激光源、反射镜位置调节单元、掩模位置调节单元和同步控制器。激光源输出激光。反射镜位置调节单元在光波导的轴向上能移动，并且调节将激光偏转至光波导的扫描镜的位置，以便调节光波导中的光栅写入位置。掩模位置调节单元调节设置在扫描镜与光波导之间的相位掩模的位置，以便调节相位掩模与光波导之间的距离。同步控制器以扫描镜的位置调节与相位掩模的位置调节彼此相关联的方式控制由反射镜位置调节单元执行的扫描镜的位置调节和由掩模位置调节单元执行的相位掩模的位置调节。
该装置还可以包括光束直径调节单元，光束直径调节单元设置在激光源与扫描镜之间，并且调节激光的光束直径和波阵面。在这种情况下，同步控制器还关联并控制由光束直径调节单元执行的激光的光束直径调节。该装置还可以包括透镜位置调节单元，该透镜位置调节单元调节光波导与接收已被扫描镜偏转的激光的柱面透镜之间的距离。在这种情况下，同步控制器还关联并控制由透镜位置调节单元执行的柱面透镜的位置调节。柱面透镜的焦距可以为100mm至200mm。
一种光栅制造方法，利用该光栅制造方法将光栅写入到光波导中，该光栅制造方法包括：通过使用在光波导的轴向上能移动的扫描镜将已从激光源输出的激光偏转至光波导；用已被扫描镜偏转的激光经由设置在扫描镜与光波导之间的相位掩模照射光波导；将扫描镜的位置调节与相位掩模的位置调节彼此相关联，控制扫描镜的位置调节和相位掩模的位置调节，并且将光栅写入到光波导中。
照射相位掩模的激光的波阵面的曲率半径可以为20mm以上。在照射相位掩模的激光的束宽在500μm至3000μm内变化的同时，扫描镜可以在光波导的轴向上移动。可以使用接收已被扫描镜偏转的激光的柱面透镜。入射到柱面透镜上的激光的束宽可以为500μm至3000μm。
本发明的有益效果
根据本发明，可以容易地制造具有所需衰减波长特性的光栅。
附图说明
图1是根据本发明实施例的光纤光栅制造装置的概念图。
图2包括示出在自相位掩模起的距离被设定为10μm的情况下照射光纤的光的强度在轴向上的分布的曲线图。
图3包括示出在自相位掩模起的距离被设定为50μm的情况下照射光纤的光的强度在轴向上的分布的曲线图。
图4包括示出在自相位掩模起的距离被设定为70μm的情况下照射光纤的光的强度在轴向上的分布的曲线图。
图5包括示出在自相位掩模起的距离被设定为90μm的情况下照射光纤的光的强度在轴向上的分布的曲线图。
图6包括示出在自相位掩模起的距离被设定为110μm的情况下照射光纤的光的强度在轴向上的分布的曲线图。
图7包括示出在自相位掩模起的距离被设定为130μm的情况下照射光纤的光的强度在轴向上的分布的曲线图。
图8是概括了在自相位掩模起的距离变化的情况下照射光纤2的光的强度在轴向上的分布的概念图。
图9包括示出光纤的在轴向上的折射率变化的曲线图。
图10是示出在入射光束的直径被设定为100μm的情况下自相位掩模起的距离Gap与背景光面积和干涉图样面积之比之间的关系的曲线图。
图11是示出在入射光束的直径被设定为150μm的情况下自相位掩模起的距离Gap与背景光面积和干涉图样面积之比之间的关系的曲线图。
图12是示出在入射光束的直径被设定为200μm的情况下自相位掩模起的距离Gap与背景光面积和干涉图样面积之比之间的关系的曲线图。
图13是示出背景光面积和干涉图样面积之比的曲线图。
图14是图12的放大图。
图15是图12的放大图。
图16是图12的放大图。
图17是图12的放大图。
图18是图12的放大图。
图19是图12的放大图。
图20是图12的放大图。
图21是示出被柱面透镜会聚的激光的状态的概念图。
图22是示出光纤中的激光强度分布的概念图。
具体实施方式
下面将参考附图对根据本发明的光栅制造装置和光栅制造方法进行详细描述。在附图的描述中，相同的元件用相同的附图标记表示，从而省略重复描述。应当注意的是，本发明不限于这些实例。本发明由权利要求的范围表示，并意在涵盖权利要求范围内以及等同含义和范围内的所有修改。
图1是根据本发明实施例的光纤光栅制造装置1的概念图。光纤光栅制造装置1在作为光波导的光纤2中形成光栅。光纤光栅制造装置1包括激光源11、光束直径调节单元12、扫描镜21、扫描镜位置调节单元(反射镜位置调节单元)22、柱面透镜31、柱面透镜位置调节单元(透镜位置调节单元)32、相位掩模41、相位掩模位置调节单元(掩模位置调节单元)42、台部51、固定夹具52和同步控制器(控制器)60。
激光源11输出具有波长(例如，244nm)的激光，在该波长下，光纤2的芯部的折射率可以是变化的。光束直径调节单元12调节已从激光源11输出的激光的光束直径和波阵面并且输出已调节的激光。扫描镜21能够沿光纤2的轴向移动并且朝向光纤2偏转已从光束直径调节单元12输出的激光。反射镜位置调节单元22调节扫描镜21的位置，以便调节光纤2中的光栅写入位置。柱面透镜31接收已被扫描镜21偏转的激光并且使激光沿光纤2的轴向会聚。透镜位置调节单元32调节柱面透镜31与光纤2之间的距离。
相位掩模41被设置在柱面透镜31与光纤2之间。相位掩模41在面向光纤2的表面上包括具有周期为约1μm的突起和凹部的光栅。相位掩模41接收已从柱面透镜31输出的激光，以便产生正/负一阶衍射光束并使这些正/负一阶衍射光束在光纤2的芯部中彼此干涉，从而形成光强度分布，以便在光纤2的芯部中形成光栅。掩模位置调节单元42调节相位掩模41的位置，以便调节相位掩模41与光纤2之间的距离。光纤2被固定夹具52固定在台部51上。
同步控制器60以扫描镜21的位置调节与相位掩模41的位置调节彼此相关联的方式控制由反射镜位置调节单元22执行的扫描镜21的位置调节和由掩模位置调节单元42执行的相位掩模41的位置调节。优选地，同步控制器60还关联由光束直径调节单元12执行的激光的光束直径的调节，以便控制激光束的光束直径的调节。此外，优选地，同步控制器60还关联由透镜位置调节单元32执行的柱面透镜31的位置调节，以便控制柱面透镜31的位置调节。
优选地，柱面透镜31的焦距为100mm至200mm，照射相位掩模41的激光的波阵面的曲率半径为20mm以上，在照射相位掩模41的激光的束宽在500μm至3000μm内变化的同时，扫描镜21在光纤2的轴向上移动，并且入射到柱面透镜31上的激光的束宽为500μm至3000μm。此外，反射镜位置调节单元22、透镜位置调节单元32和掩模位置调节单元42优选地分别包括例如线性电动机、步进电动机和压电元件。
为了便于描述，在图1中示出了xyz正交坐标系。x轴与光纤2的轴向平行。z轴与照射光纤2的激光平行。y轴与x轴和z轴这两者垂直。在以下描述中使用xyz正交坐标系。
基于以下假设计算下述计算结果：入射到相位掩模41上的激光具有高斯分布，并且激光的光束直径为200μmφ。此外，下述计算结果可以仅表示入射光束的中心(高斯分布的中心)的一侧的情况。实际分布是关于入射光束的中心对称的。
图2至图7是示出在自相位掩模41起的距离(z方向)变化的情况下照射光纤2的光的强度在轴向(x方向)上的分布的曲线图。图2示出了距离为10μm的情况，图3示出了距离为50μm的情况，图4示出了距离为70μm的情况，图5示出了距离为90μm的情况，图6示出了距离为110μm的情况，以及图7示出了距离为130μm的情况。光纤2的轴向上的原点O表示入射到相位掩模41上的激光的高斯分布的中心。干涉光的强度的峰值位置用图2至图7中的每一副图的部分(a)中的箭头表示。另外，在图2至图7中的每一副图中，部分(b)是对应部分(a)的一部分的放大图，并且部分(b)示出了干涉图样的周期为约0.5μm。
如可以从这些附图看到的那样，随着自相位掩模41起的距离增大，干涉光强度的峰值位置离开原点。在分开距离为任意值的位置处，因背景光而造成的折射率的变化与因干涉图样而造成的折射率的变化彼此叠加。背景光可能造成干涉图样的可见度下降。此外，随着自相位掩模41起的距离增大，背景光的比率提高。另外，已经发现，随着距离进一步增大，在干涉光强度的峰值成长的同时，干涉光以约14度的角度出射。
图8是概括了在自相位掩模41起的距离(z方向)变化的情况下照射光纤2的光的强度在轴向(x方向)上的分布的概念图。在此，距离被设定为10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm或500μm。随着自相位掩模41起的距离增大，干涉光的峰值成长为正/负一阶衍射光束，并且干涉光的峰值位置与原点分开。同时，随着自相位掩模41起的距离增大，干涉光区域的比率减小，而背景光的比率提高。此外，可以看出，在距离为500μm时，自干涉光的峰值位置起的干涉光的出射角为约14度。这与相位掩模41的远场图样的计算结果一致。
在该计算中，设定相位掩模41的光栅周期，使得干涉图样的周期为约0.5μm。如可以从图2至图7看到的那样，可以通过调节相位掩模41与光纤2之间的距离来调节干涉光与背景光之比。在此，相位掩模41与光纤2之间的距离是相位掩模41的形成光栅的主面与光纤2的轴线之间的距离。
图9包括示出光纤2的在轴向上的折射率变化的曲线图。折射率调制振幅Δn与偏移量Δnbias之比对应于干涉光与背景光之比。也就是说，折射率调制振幅Δn与偏移量Δnbias之比对应于相位掩模41与光纤2之间的距离。也就是说，代替专利文献3和专利文献4所公开的通过相位掩模方法进行光栅的形成和使用非干涉光的照射进行有效折射率的调节，根据本实施例，可以在调节相位掩模41与光纤2之间的距离的同时通过在轴向上移动扫描镜21来适当地设定在光纤2的轴向上的各位置处的干涉光与背景光之比。因此，可以通过以下方式容易地制造具有所需衰减波长特性的光栅：使用线性调频型光栅相位掩模，并且在控制扫描镜的位置调节(其确定干涉图样的周期)和相位掩模与光纤之间的距离(其确定干涉光与背景光之比)的同时，以上述位置调节和上述距离彼此相关联的方式在光波导中写入光栅。
图10至图12是示出在入射光束的直径被设定为100μm、150μm和200μm的情况下自相位掩模41起的距离Gap与背景光面积和干涉图样面积之比之间的关系的曲线图。图13是示出背景光面积和干涉图样面积之比的曲线图。在图13中，在光纤纵向上的距离的负侧上的光强度分布也在图7的部分(a)中示出。如图13所示，背景光面积和干涉图样面积可以被获得作为在光纤纵向上的面积(积分区间为-1000μm至+1000μm)。当背景光面积为0％时，这意味着仅存在干涉图样，而当背景光面积为100％时，仅存在背景光。
如可以从这些曲线图中看到的那样，随着入射光束的宽度增大，背景光面积和干涉图样面积之比相对于自相位掩模41起的距离Gap的上升被延迟，并且上升的倾斜度减小。为了简化计算区域，这里的计算限于入射光束宽度达到200μm的范围。然而，可以推断的是，通过进一步增大入射光束宽度，可以进一步减小背景光面积和干涉图样面积之比的上升的倾斜度。也就是说，随着入射光束宽度增大，背景光面积和干涉图样面积之比变为对Gap变化不敏感。这对于写入光栅比较有利。
图14至图20是图12(入射光束直径为200μm)的放大图，并且示出了自相位掩模41起的距离Gap分别为100μm至105μm、150μm至155μm、200μm至205μm、250μm至255μm、300μm至305μm、350μm至355μm和400μm至405μm的范围。
如可以从这些曲线图中看到的那样，背景光面积和干涉图样面积之比以约1μm的周期振荡，并且在Gap为0μm附近以及当Gap较大时，变化幅度Δ较小，也就是说，变化幅度Δ为7％至8％。当入射光束的直径为200μm时，变化幅度Δ在Gap为150μm附近至Gap为250μm附近具有类似的形状(在振荡的小侧的比率为0％至3％且Δ为12％至14％)。因此，相对于Gap变化的变动较小。也就是说，可以在该范围内吸收因写入光栅时台部扫描而造成的振动干扰。这对于写入光栅比较有利。尽管在Gap为300μm附近变化幅度Δ的程度类似，但在该范围内明显地观察到了背景光强度的趋向。因此，这不利于写入光栅。
如可以从上述计算结果清楚看出的那样，背景光面积和干涉图样面积之比的变化幅度以及抑制变化幅度的Gap长度均沿Gap轴线由入射光束的直径唯一确定。
图21是示出被柱面透镜31会聚的激光的状态的概念图。在此，假设：入射在柱面透镜31上的激光的光束直径为1mm，柱面透镜31的焦距为130mm，并且激光在柱面透镜31的焦点位置处的束宽为约200μm。在图21中，从柱面透镜31输出的激光的功率密度由阴影部分表示，并且还示出了沿着柱面透镜31的光轴的激光强度分布。
同样在图21中，光纤截面A表示设置为比焦点位置更靠近柱面透镜31侧(-z侧)的光纤2的截面。光纤截面B表示设置在焦点位置处的光纤2的截面。光纤截面C表示设置为比焦点位置更靠近远侧(+z侧)的光纤2的截面。
图22是光纤2中的激光强度分布的概念图，并且示出了当光未被光纤2吸收时(A'至C')和当光被光纤2吸收时(A"至C")图21的光纤截面A至C中的激光强度分布。
当光未被光纤2吸收时，光纤截面A'至C'中的激光强度分布与未设置光纤2时的激光强度分布相同。也就是说，在光纤截面A'中，远侧上的光功率密度大于相位掩模侧上的光功率密度。在光纤截面B'中，远侧上的光功率密度与相位掩模侧上的光功率密度大致相同。在光纤截面C'中，远侧上的光功率密度小于相位掩模侧上的光功率密度。
当光被光纤2吸收时，除了未设置光纤2时的激光强度分布之外，根据光纤2的光吸收确定光纤截面A"至C"中的激光强度分布。也就是说，在光纤截面A"中，尽管随着激光前进到远侧激光因光纤2的光吸收而衰减，但因柱面透镜31所产生的会聚效果而使光功率密度变得均衡。在光纤截面B"中，由于随着激光前进到远侧激光因光纤2的光吸收而衰减，并且在该位置附近激光可以被视为平行光，因此远侧上的光功率密度小于相位掩模侧上的光功率密度。在光纤截面C"中，由于随着激光前进到远侧激光因光纤2的光吸收而衰减，并且在该位置附近激光发散，因此远侧上的光功率密度小于相位掩模侧上的光功率密度，并且远侧上的光功率密度与相位掩模侧上的光功率密度之差增大。
根据本实施例，扫描镜21的位置调节与相位掩模41的位置调节彼此相关联，以便控制扫描镜21的位置调节和相位掩模41的位置调节。因此，可以在光纤2的轴向上的各位置处适当地设定干涉光与背景光之比。因此，可以容易地制造具有所需衰减波长特性的光栅。此外，根据本实施例，除了扫描镜21的位置调节和相位掩模41的位置调节之外，激光的光束直径调节同样是相关联的，以便控制激光的光束直径调节。此外，柱面透镜31的位置调节同样是相关联的，以便控制柱面透镜31的位置调节。这可以提高与光纤固有的感光区域的尺寸和感光灵敏度的大小对应的光栅的写入的自由度。

Claims (8)

1.一种光栅制造装置，其将光栅写入到光波导中，所述光栅制造装置包括：
激光源，其输出激光；
反射镜位置调节单元，其在所述光波导的轴向上能移动，并且调节将所述激光偏转至所述光波导的扫描镜的位置，以便调节所述光波导中的光栅写入位置；
掩模位置调节单元，其调节设置在所述扫描镜与所述光波导之间的相位掩模的位置，以便调节所述相位掩模与所述光波导之间的距离；以及
同步控制器，其以所述扫描镜的位置调节与所述相位掩模的位置调节彼此相关联的方式控制由所述反射镜位置调节单元执行的所述扫描镜的位置调节和由所述掩模位置调节单元执行的所述相位掩模的位置调节。
2.根据权利要求1所述的光栅制造装置，还包括：
光束直径调节单元，其设置在所述激光源与所述扫描镜之间，并且调节所述激光的光束直径和波阵面，
其中，所述同步控制器还关联并控制由所述光束直径调节单元执行的所述激光的光束直径调节。
3.根据权利要求1或2所述的光栅制造装置，还包括：
透镜位置调节单元，其调节所述光波导与接收已被所述扫描镜偏转的所述激光的柱面透镜之间的距离，
其中，所述同步控制器还关联并控制由所述透镜位置调节单元执行的所述柱面透镜的位置调节。
4.根据权利要求3所述的光栅制造装置，
其中，所述柱面透镜的焦距为100mm至200mm。
5.一种光栅制造方法，利用所述光栅制造方法将光栅写入到光波导中，所述光栅制造方法包括：
通过使用在所述光波导的轴向上能移动的扫描镜将已从激光源输出的激光偏转至所述光波导；
用已被所述扫描镜偏转的所述激光经由设置在所述扫描镜与所述光波导之间的相位掩模照射所述光波导；以及
将所述扫描镜的位置调节与所述相位掩模的位置调节彼此相关联，控制所述扫描镜的位置调节和所述相位掩模的位置调节，并且将所述光栅写入到所述光波导中。
6.根据权利要求5所述的光栅制造方法，
其中，照射所述相位掩模的所述激光的波阵面的曲率半径为20mm以上。
7.根据权利要求5或6所述的光栅制造方法，
其中，在照射所述相位掩模的所述激光的束宽在500μm至3000μm内变化的同时，所述扫描镜在所述光波导的轴向上移动。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的光栅制造方法，
其中，使用接收已被所述扫描镜偏转的所述激光的柱面透镜，并且
入射到所述柱面透镜上的所述激光的束宽为500μm至3000μm。
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