CN106980224A - 一种相位掩模板以及光纤光栅的制造设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种相位掩模板以及光纤光栅的制造设备及方法；所述相位掩模板，用于设置在光纤(5)的前方，以使紫外光束透过相位掩模板(118)形成的干涉条纹打在光纤(5)的纤芯上，从而形成光纤光栅，包括透明衬底(1)，以及开设在透明衬底(1)上的多个不透明的凹槽(2)；该多个凹槽(2)呈扇形栅状图案分布；位于所述扇形栅状图案中部的凹槽与光纤(5)垂直；相邻两个凹槽(2)之间形成有透过部(3)，紫外光束透过多个透过部(3)形成干涉条纹。本发明所提出的非均匀相位掩模板可以快速调整干涉条纹周期，可与模板抖动算法配合制造复杂光纤光栅，实用性强。

Description

一种相位掩模板以及光纤光栅的制造设备及方法
技术领域
本发明涉及光纤器件领域，尤其涉及一种非均匀相位掩模板，包括该非均匀相位掩模板、用于制造光纤光栅的制造设备，以及采用该非均匀相位掩模板制造光纤光栅的方法。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件。由于其所具有独特的波长选择性反射或过滤光波的性能，光纤布拉格光栅(FBG)成为光纤传感器和通信工业中最重要的器件之一。
由于光纤布拉格光栅的光栅周期多为处于亚微米范围之内，这样，高质量的光纤布拉格光栅需要采用一种尖端高精密设备来制造。现有制造光纤布拉格光栅的技术可分为两类：1)相位掩模法；2)双光束干涉法。
相位掩模法是采用衍射光栅来将紫外光束拆分，并在相位掩模板的后方形成干涉条纹。这样，通过将光纤靠近设置在相位掩模板后方，则可以在光纤上形成光纤布拉格光栅(FBG)。相位掩模法不需要对紫外光束进行高精密的定位，并且容易实现，因此，大多数FBG生产商采用这种方法。然而，现有相位掩模法不具有改变FBG的布拉格波长的能力，而很多相位掩模板被要求具有能用于制造具有不同布拉格波长的FBG的能力。FBG的周期不依赖入射光波长，只与相位掩模板的衍射光栅的周期有关。目前所使用的商用相位掩模板的衍射光栅的周期精度约为0.01nm。
对于双光束干涉法，紫外光束通过分束器或衍射光栅被拆分成两束子紫外光束；该两束子紫外光束然后采用超高精度光学校准方式重新组合在一起，从而形成周期性的干涉条纹。通过改变两束子紫外光束的方向的方式，可以改变该两束子紫外光束干涉条纹的周期，从而可用于制造出具有不同波长的FBG。这里，子紫外光束的方向的调整精度约为0.001°，从而使FBG的波长精度控制在0.1nm。这样高的精度要求光学和机械动作都要具有非常高的稳定性，这样，双光束干涉法的实施过程是非常复杂且昂贵的。
发明内容
本发明针对现有相位掩模法不具有改变FBG的布拉格波长的能力，而现有双光束干涉法的实施过程是非常复杂且昂贵的的问题，提出了一种非均匀相位掩模板，包括该非均匀相位掩模板、用于制造光纤光栅的制造设备，以及采用该非均匀相位掩模板制造光纤光栅的方法。
本发明提出的解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提出了一种相位掩模板，用于设置在光纤的前方，以使紫外光束透过相位掩模板形成的干涉条纹打在光纤的纤芯上，从而形成光纤光栅，其特征在于，包括透明衬底，以及开设在透明衬底上的多个不透明的凹槽；该多个凹槽呈扇形栅状图案分布；位于所述扇形栅状图案中部的凹槽与光纤垂直；相邻两个凹槽之间形成有透过部，紫外光束透过多个透过部形成干涉条纹。
本发明上述的相位掩模板中，相位掩模板的凹槽在沿平行于光纤的方向上具有均匀周期；相位掩模板的凹槽的沿平行于光纤的方向上的周期在沿垂直于光纤的方向上呈线性变化。
本发明还提出了一种光纤光栅的制造设备，包括：紫外光束发生器，用于引导由紫外光束发生器发出的紫外光束的光束引导单元，用于调整由光束引导单元引出的紫外光束的形状的射束成形单元，用于监测由光束引导单元引出的紫外光束的位置、以便于调整由光束引导单元引出的紫外光束打在射束成形单元上所形成的光斑的位置的紫外光束监测单元，用于使由射束成形单元整形过的紫外光束透过如权利要求所述且竖直设置的相位掩模板、从而形成用于打在水平设置的光纤的纤芯上以制造光纤光栅的干涉条纹的条纹生成和控制单元，用于放置光纤、并在水平方向上移动光纤的位移工作台，用于移动相位掩模板、以调整光纤与相位掩模板在竖直方向上的相对位置的纳米移动台，以及用于检测光纤与相位掩模板的平行度的紫外光干涉仪。
本发明上述的制造设备中，还包括用于在竖直方向上移动纳米移动台的垂直升降台。
本发明还提出了一种光纤光栅的制造方法，采用如权利要求所述的相位掩模板实现，包括：调整相位掩模板与光纤在竖直方向上的相对位置，以调整所述干涉条纹的周期，从而调整所述光纤光栅的波长的步骤。
本发明提出一种非均匀相位掩模板，该相位掩模板上具有呈扇形栅状图案分布的多个凹槽，通过垂直于相位掩模板的紫外光束对该相位掩模板的照射，实现在相位掩模板后方形成用于制造FBG的干涉条纹。通过调整光纤和相位掩模板在竖直方向上的相对位置，可以调整形成于光纤的纤芯上的FBG的波长。本发明所提出的非均匀相位掩模板可以快速调整干涉条纹周期，可与模板抖动算法配合制造复杂光纤光栅，实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的非均匀相位掩模板的示意图；
图2为图1所示的非均匀相位掩模板的第一使用状态参考图；
图3为图1所示的非均匀相位掩模板的第二使用状态参考图；
图4为包括图1所示的非均匀相位掩模板的光纤光栅的制造设备的示意图。
具体实施方式
本发明要解决的技术问题是：现有相位掩模法不具有改变FBG的布拉格波长的能力，而很多光纤光栅制造平台被要求具有能用于制造具有不同布拉格波长的FBG的能力；同时，现有双光束干涉法的实施过程是非常复杂且昂贵的。本发明提出的解决上述技术问题的技术思路是：提出一种非均匀相位掩模板，该非均匀相位掩模板上具有呈扇形栅状图案分布的多个凹槽，通过垂直于相位掩模板的紫外光束对该相位掩模板的照射，实现在相位掩模板后方形成用于制造FBG的干涉条纹。通过调整光纤和相位掩模板在竖直方向上的相对位置，可以调整形成于光纤的纤芯上的FBG的波长。
为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更加清楚，以便本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
参照图1，图1为本发明实施例的非均匀相位掩模板的示意图。
如图1所示，相位掩模板118包括透明衬底1，以及开设在透明衬底1上的多个凹槽2；该多个凹槽2呈扇形栅状图案分布；这里，凹槽2是不透明的。这样，相邻两个凹槽2之间形成有透过部3，紫外光束透过多个透过部3可形成干涉条纹。
进一步地，在本实施例中，如图1所示，相位掩模板的凹槽2(或透过部3)在沿平行于光纤5的方向上具有均匀周期；相位掩模板118的凹槽2(或透过部3)的沿平行于光纤5的方向上的周期在沿垂直于光纤5的方向上呈线性变化。
如图1所示，相位掩模板118与光纤5平行，且光纤5设置在相位掩模板118的后方；紫外光束垂直打在非均匀相位掩模板118上并透过透过部3，可在非均匀相位掩模板118的后方形成干涉条纹；该干涉条纹打在光纤5上，从而形成光纤光栅。
在本实施例中，相位掩模板118竖直设置，光纤5水平设置；当紫外光束打在相位掩模板118的竖直方向上的不同位置时，会产生具有不同周期的干涉条纹。具体地，图1还示出了非均匀相位掩模板118在竖直方向上的两处的截面，紫外光束透过该两处截面而形成的干涉条纹的周期分别为Λ1和Λ2。由此，非均匀相位掩模板118可用来制造独立的、连续的或重叠的光纤布拉格光栅，该光纤布拉格光栅可具有不同的布拉格波长。
由于本发明的非均匀相位掩模板具有现有相位掩模板可形成稳定干涉条纹的优点，也具有超高精度地调整干涉条纹周期的性能，这样，采用本发明的非均匀相位掩模板可以克服现有光纤布拉格光栅的制备方法所存在的问题。
同时，采用本发明的非均匀相位掩模板的制造方法所制造的光纤布拉格光栅的质量由以下几点决定：
1)采用现有光刻工艺(如电子束微影技术)所制造的非均匀相位掩模板的质量，即在二氧化硅衬底上制造的呈扇形放射状的透过部的质量。
2)写入非均匀相位掩模板上的非均匀光栅的能实现的最小周期变化率；这里，非均匀光栅的最小周期变化率是由非均匀相位掩模板相对于光纤的移动速度决定的。
3)紫外光束水平运动的精度和准确性，和/或非均匀相位掩模板沿光纤移动的精度和准确度。例如，为制造带宽为1550nm±30nm的非均匀光栅，需要精密地将非均匀相位掩模板沿光纤移动几十个纳米；制造的非均匀光栅的总啁啾量约为0.02μm，其相对偏差为1.9％。
在本实施例中，如果将有效宽度为200μm的紫外光束打在非均匀相位掩模板上，光斑沿非均匀相位掩模板的垂直方向移动10mm，该光斑所经过的透过部的最大倾斜角度为0.011°。而这么小的倾斜角度对由本实施例的非均匀相位掩模板的非均匀光栅所制造的光纤光栅质量的影响可以忽略不计。进一步地，在制造FBG的过程中，紫外光束在透过非均匀相位掩模板在水平方向上多个位置所形成的多个干涉条纹可以重叠地打在光纤的纤芯上，这样，由透过部的倾斜角度对FBG质量的影响可以被平均掉。
采用本发明的非均匀相位掩模板，并通过控制光纤在非均匀相位掩模板上照射的位置，可以快速制造具有不同波长(λ1、λ2、λ3)的多个光纤光栅，如图2和图3所示。这种方法可用于制造独立的、连续的或重叠的光纤布拉格光栅。
进一步地，如果采用一个相位掩模板取代数百个相位掩模板，在同一光纤上制造具有不同波长的多个光纤布拉格光栅，本发明的非均匀相位掩模板是非常有效率的。例如，在25GHz的DWDM系统中，相邻两个通道之间的波长间隔需要小于0.2nm；因此，对于现有技术，需要采用150(30nm/0.2nm)个相位掩模板来覆盖C波段(1530nm-1560nm)。最重要地，本发明的非均匀相位掩模板消除了现有更换和重排相位掩模板的时间。
参照图4，图4示出了包括图1所示的非均匀相位掩模板的光纤光栅的制造设备的示意图。
如图4所示，该制造设备包括：
紫外光束发生器110，
用于引导由紫外光束发生器110发出的紫外光束的光束引导单元111，
用于调整由光束引导单元111引出的紫外光束的形状的射束成形单元113，该射束成形单元113用于使紫外光束变圆、成为椭圆、准直化、发散、会聚和/或类似的应用。
用于监测由光束引导单元111引出的紫外光束的位置、以便于调整由光束引导单元111引出的紫外光束打在射束成形单元113上所形成的光斑的位置的紫外光束监测单元112，
用于使由射束成形单元113整形过的紫外光束透过如权利要求2所述且竖直设置的相位掩模板118、从而形成用于打在水平设置的光纤5的纤芯上以制造光纤光栅的干涉条纹的条纹生成和控制单元114，
用于放置光纤5、并在水平方向上移动光纤5的位移工作台116，
用于移动相位掩模板118、以调整光纤5与相位掩模板118在竖直方向上的相对位置的纳米移动台120，
以及用于检测光纤5与相位掩模板118的平行度的紫外光干涉仪121。
优选地，在本实施例中，制造设备还包括用于在竖直方向上移动纳米移动台120的垂直升降台119。
本发明提出的制造设备，可以用于制造超长非均匀光纤布拉格光栅(CFBG)。对于CFBG，由于其长度决定其偏差量(即色散光纤链路的距离)，这样，CFBG在对40Gbps和100Gbps光通信系统中传播的狭窄光脉冲进行色散补偿方面，是一种非常令人满意组件。在现有相位掩模板技术中，如果想要制造CFBG，则需要非常长的啁啾相位掩模板，而这样的啁啾相位掩模板不仅非常昂贵，而且其长度具有限制。然而，如果采用本发明的非均匀相位掩模板，用于色散补偿的光栅的长度则不会由相位掩模板长度决定，而会由位移工作台116的移动距离决定。
在光纤光栅制造过程中，光纤会移动地通过干涉条纹区域，为了在光纤的纤芯上形成变迹和/或啁啾光栅结构，可采用垂直升降台119驱动非均匀相位掩模板，以调整非均匀相位掩模板与光纤在垂直方向上的相对位置，从而调整打在光纤纤芯上的干涉条纹的周期。纳米移动台120用于驱动非均匀相位掩模板，以微调非均匀相位掩模板与光纤在竖直方向的相对位置，以使干涉条纹能打在光纤纤芯上。在大多数实施例中，干涉条纹打在光纤上的位置由纳米米移动台120调整，使干涉条纹打在光纤上的位置可以精密调整。在制造CFBG时，非均匀相位掩模板在垂直方向上会移动了一个特定距离(具体为1-20μm)；之后，非均匀相位掩模板将快速返回初始位置，从而制造新的CFBG。如果非均匀相位掩模板需要变迹，可以调整非均匀相位掩模板的初始位置。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种相位掩模板，用于设置在光纤(5)的前方，以使紫外光束透过相位掩模板(118)形成的干涉条纹打在光纤(5)的纤芯上，从而形成光纤光栅，其特征在于，包括透明衬底(1)，以及开设在透明衬底(1)上的多个不透明的凹槽(2)；该多个凹槽(2)呈扇形栅状图案分布；位于所述扇形栅状图案中部的凹槽与光纤(5)垂直；相邻两个凹槽(2)之间形成有透过部(3)，紫外光束透过多个透过部(3)形成干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的相位掩模板，其特征在于，相位掩模板(118)的凹槽(2)在沿平行于光纤(5)的方向上具有均匀周期；相位掩模板(118)的凹槽(2)的沿平行于光纤(5)的方向上的周期在沿垂直于光纤(5)的方向上呈线性变化。
3.一种光纤光栅的制造设备，其特征在于，包括：紫外光束发生器(110)，用于引导由紫外光束发生器(110)发出的紫外光束的光束引导单元(111)，用于调整由光束引导单元(111)引出的紫外光束的形状的射束成形单元(113)，用于监测由光束引导单元(111)引出的紫外光束的位置、以便于调整由光束引导单元(111)引出的紫外光束打在射束成形单元(113)上所形成的光斑的位置的紫外光束监测单元(112)，用于使由射束成形单元(113)整形过的紫外光束透过如权利要求2所述且竖直设置的相位掩模板(118)、从而形成用于打在水平设置的光纤(5)的纤芯上以制造光纤光栅的干涉条纹的条纹生成和控制单元(114)，用于放置光纤(5)、并在水平方向上移动光纤(5)的位移工作台(116)，用于移动相位掩模板(118)、以调整光纤(5)与相位掩模板(118)在竖直方向上的相对位置的纳米移动台(120)，以及用于检测光纤(5)与相位掩模板(118)的平行度的紫外光干涉仪(121)。
4.根据权利要求3所述的制造设备，其特征在于，还包括用于在竖直方向上移动纳米移动台(120)的垂直升降台(119)。
5.一种光纤光栅的制造方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的相位掩模板(118)实现，包括：调整相位掩模板(118)与光纤(5)在竖直方向上的相对位置，以调整所述干涉条纹的周期，从而调整所述光纤光栅的波长的步骤。
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