CN1092338C - 采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光栅制作技术领域。包括用两个透射/反射式周期性结构重叠，制成莫尔条纹振幅，使该模板紧贴待制作光栅的光纤放置；采用能产生光敏效应的光源为写入光；将该线光源经过模板之后，投射在待写入的光纤之上，曝光一定时间后在该光纤内形成折射率的周期性调制结构。本发明制作光纤光栅简便易行、成本低廉，可方便地改变所写入光栅的周期，模板可重复使用、条纹分布稳定、价格低，且适用于制造长光栅的振幅模板。

Description

采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法

本发明属于光纤光栅的光学写入技术、制造及应用技术领域。

光纤光栅的制造原理是利用不同的方法，使写入光在光纤芯内产生沿轴向的周期性光强分布，这种光强的周期性分布将引起光纤材料的折射率产生沿轴向周期性调制，从而形成光栅。

随着光纤光栅技术的迅猛发展，对光纤光栅制造技术也产生了越来越迫切的需求。象所有的工业技术一样，光栅制造也希望有一种方便使用，且物美价廉的方法；同时也更要适宜于大批量的制造。

现有的光纤光栅制造方法可分为两大类：内写入法和外写入法。

内写入法是利用光纤内部的前向传输光与光纤出射端反射产生的背向传输光相干叠加，在光纤内沿轴向形成光强的周期性分布。

外写入法是利用不同的方法在光纤侧面外部形成光强沿轴向的周期性分布，并利用光学手段将这一模斑投影在光纤上，从而在光纤内沿轴向形成光强的周期性分布。其中又包括相位模板法、振幅模板法和逐点写入法三类：

(1)相位模板法(Phase Mask)：该法利用相位模板产生的衍射波相干叠加形成的光强周期性调制制造光栅。优点是写入精度高、稳定；缺点是造价昂贵，一般长度在1cm，不适合制造长光栅，并且一旦制成其周期不可改变，使用不便。

(2)振幅模板法(Amplitude Mask)：此方法直接利用模板的周期性结构或光学成象投影在光纤上形成光强的周期性分布。优点是简单、价廉，可以大大延伸其长度以制作长光栅；但是由于直接利用模板的周期性结构，所以要求模板周期的精度要好(尤其对短周期的FBG而言)，且已有的振幅模板技术中，通常采用固定周期的光栅、其它精密的周期性结构作为模板。另外，模板必须紧贴光纤放置。

(3)逐点写入法(Point-by-Point)：逐点写入法实际属于振幅模板法的一种。它是在聚集的光源前面放置一缝宽等于光栅周期的狭缝，然后通过控制光纤或光源规律性的沿光纤轴向移动，逐点地对光纤进行曝光。累积成为沿光纤轴向的折射率周期性调制。优点是所需光学元件少，装置较简单、方便，可以在线写入；缺点是对移动机械结构(直接关系光栅周期)的精度要求高，写入费时，易受环境因素干扰。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，利用莫尔条纹的优点和普及性，溶入振幅模板的结构特点，使制作光纤光栅简便易行、成本低廉，可方便地改变所写入光栅的周期，模板可重复使用、条纹分布稳定、价格低，且适用于制造长光栅的振幅模板。

本发明提出一种采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用两个透射/反射式周期性结构重叠，并绕某一定点相互旋转使两结构中的条纹方向互成一微小角度θ，制成莫尔条纹振幅模板，且θ满足

其中A为所写入的光栅周期，d为原光栅的周期；

2)使该莫尔条纹振幅模板紧贴待制作光栅的光纤放置；采用能产生光敏效应的光源作为写入光：

3)将该光源经过莫尔条纹振幅模板之后，正好投射在待写入的光纤之上，这样振幅模板的周期性光强分布就投射在光纤上；

4)曝光一定时间后在该光纤内形成折射率的周期性调制结构。

本发明所说的莫尔条纹振幅模板的制造方法可以是两个通过光学底片曝光或玻璃刻蚀形成的透射式周期性结构重叠，并绕某一定点相互旋转使两结构中的条纹方向互成一微小角度，这样就形成了莫尔条纹振幅模板。

所说的莫尔条纹振幅模板的制造方法也可以是利用一至两个反射式周期性结构的像叠加在同一像平面上，并使两结构中的条纹方向互成一微小夹角，形成莫尔条纹振幅模板。

所说的两个透射/反射式周期性结构重叠，互成的微小角度一般小于10度使用，以获得好的条纹对比度；所说的莫尔条纹模板与光纤之间的间隙最好小于1mm，因在更大的区域，由于衍射、干涉和成像等因素的影响，条纹的周期将发生改变，并有干涉现象的干扰。

当所说的光源功率足够大，而所写光栅的长度小于1cm时，可直接使用模斑直径大于1cm的写入光源；当光源功率相对较小(约几十mw)，而所写光栅长度＞1cm，这时就需要将点光源扩束并聚焦成长/宽比合适的线光源(如宽0.5mm，长度可以控制)。

本发明所说的莫尔条纹原理结合图1简述如下：

利用两个通过光学底片曝光或玻璃刻蚀形成的透射式光栅(用于形成莫尔条纹的光栅A，B(下称：原光栅)的周期应尽量小，以使两光栅的夹角相对较小，这样所形成的条纹有好的对比度)重叠，或利用一至两个反射式周期性结构(光栅)的像叠加在同一像平面上，并绕某一定点相互旋转使两结构中的条纹方向互成一微小角度。

设两栅线夹角为θ，原光栅的周期为d，则莫尔条纹周期(即所写入的光栅周期)为 $A=\frac{d}{2\sin (\mathrm{\θ}/2)}$

如果这一微小角度满足根据莫尔条纹公式计算的结果，所得到的莫尔条纹就正是符合制作光纤光栅要求的周期性结构。

例如：当原光栅的周期为20线/mm，所写光栅周期要求为370μm时，可由上式计算得到夹角θ约等于7.8°。即当我们采用周期为20线/mm的两个原光栅来形成莫尔条纹，当它们之间的夹角等于7.8°时，经过写入光源照射后所制成的光纤光栅的周期就是370μm。

本发明具有如下特点：

(1)莫尔条纹形成简便、价格极便宜。

(2)周期可根据需要在一定范围内调整，重复使用，制成不同周期的光栅。

(3)既可用于长周期光栅，又可用于较短周期光栅的制作。

(4)适合制作长光栅(主要考虑光源功率因素的限制)；适合大批量生产。

附图简要说明

图1为莫尔条纹原理图。

图2为本发明的实施例一示意图。

图3为本发明的实施例二示意图。

本发明提出采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法的二种实施例结合附图分别详细说明如下：

实施案例一为采用两个透射光栅重叠制成莫尔条纹振幅模板在硫化物光纤中写入光栅，如图2所示。具体实施方法步骤：

写入光源11：由于硫化物光纤12对可见光谱区特定波长具有光敏性，因而在写入过程中采用波长6328A、功率大于30mw的He-Ne激光器作为写入光源。

监测光源13：为了实时观测光栅写入的效果，需要一个监测用光源。考虑到目前所使用的单模硫化物光纤损耗较大，且与普通光纤的耦合损耗很高，因此所需的监测光源既要具备宽的线宽，又要有足够高的功率。本实施例中选用掺铒光纤放大器(EDFA)作为监测光源：监测光源利用中心波长在1540nm，3dB谱宽35nm，和功率14mw的掺铒光纤放大器(EDFA)的ASE谱。

莫尔条纹振幅模板14用两块完全相同的透射光栅构成。为消除衍射效应，两光栅间隔小于1mm。在本实施例中采用底片曝光制成的光栅，周期为20线/mm。根据莫尔条纹形成原理及所需的光栅周期，计算得到两光栅栅线夹角为7.8°。

写入光源He-Ne激光器发出的30mw光，通过扩束镜15和柱透镜16扩束和聚焦后成为30×0.5mm平行于光纤轴的矩形光斑，再通过莫尔条纹模板14横向入射到硫化物光纤12上。同样为了滤除衍射效应，莫尔条纹模板与光纤紧靠，间隙小于1mm。监测光源-EDFA光源发出的光经过硫化物光纤后被光谱仪17接收。

从光谱仪上显示的EDFA的ASE谱线在写入光栅之前经过硫化物光纤传输后的光谱曲线，与经过数小时的曝光之后的光谱曲线对比可以看出写入所引起光纤折射率周期性调制—即光栅效应。

实施例二为使用普通的反射光栅的像形成莫尔条纹振幅模板采用紫外光作为写入光源制作石英光纤光栅，如图3所示。具体实施步骤：

写入光源21：由于石英光纤对可见光谱区不具有光敏性，而对特定波段的紫外光敏感，因而在写入过程中一般采用紫外光—波长为248nm的准分子激光器作为写入光源。

监测光源23：相比较而言，石英光纤损耗低、接续方便，因此所需的监测光源应该是具备宽的谱宽的光源即可。尤其是在FBG的写入过程中，对光源谱宽的要求亦可放松。本实施例中选普通的宽带LED作为监测光源：3dB线宽为30nm，出纤功率约1mw。

莫尔条纹振幅模板24用两块完全相同的反射光栅241、242，通过透镜251、252成象在同一像平面上构成。通过精心调节，两光栅的像可完全重叠在同一平面上。在本实施例中采用玻璃基底上镀铝膜制成的反射光栅，若周期为50线/mm(或更高密度栅线以便在尽可能小的栅线夹角下使用)。根据莫尔条纹形成原理和所需的光栅周期，计算得到两光栅栅线夹角为3度左右。

写入光源21发出的UV光，首先被分束棱镜26分为两束(尺寸可以控制)平行于光纤轴的光束，再经过成像莫尔条纹模板24横向照射到石英光纤22上。为了滤除衍射效应，莫尔条纹模板与光纤紧靠，间隙小于1mm。由于是像，莫尔条纹模板与光纤之间可达到无间隔。监测光源—宽谱LED光源发出的光经过石英光纤后被光谱仪27接收。

从光谱仪上显示的LED谱线在写入光栅之前的光谱曲线，与经过一定时间的曝光之后的光谱曲线对比可以看到写入所引起光纤折射率周期性调制—即光栅效应。

Claims (5)

1.采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用两个透射/反射式光栅重叠，并绕某一定点相互旋转使两结构中的条纹方向互成一小于10度的微小角度θ，制成莫尔条纹振幅模板，且θ满足，其中A为所写入的光栅周期，d为原光栅的周期；

2)使该莫尔条纹振幅模板紧贴待制作光栅的光纤放置，所说的莫尔条纹模板与光纤之间的间隙小于1mm；

3)采用能产生光敏效应的光源为写入光；

4)将该线光源经过莫尔条纹振幅模板之后，正好投射在待写入的光纤之上，这样振幅模板的周期性光强分布就投射在光纤上；

5)曝光一定时间后在该光纤内形成折射率的周期性调制结构。

2.如权利要求1所述的采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法，其特征在于，所说的莫尔条纹振幅模板的制造方法为：利用两个通过光学底片曝光或玻璃刻蚀形成的光栅重叠，并绕某一定点相互旋转使两结构中的条纹方向互成一小于10度的微小角度，这样就形成了莫尔条纹振幅模板。

3.如权利要求1所述的采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法，其特征在于，所说的莫尔条纹振幅模板的制造方法为：利用一至两个反射式光栅的像叠加在同一像平面上，并使两结构中的条纹方向互成一小于10度的微小夹角，形成莫尔条纹振幅模板。

4.如权利要求1所述的采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法，其特征在于，当所说的光源功率足够大，而所写光栅的长度小于1cm时，可直接使用模斑直径大于1cm的写入光源；

5.如权利要求1所述的采用莫尔条纹振幅模板制造光纤光栅的方法，其特征在于，当光源功率相对较小，而所写光栅长度＞1cm，则需将所说的光源扩束并聚焦成长/宽比合适的线光源。

Images