CN1105924C - 啁啾和切趾函数可调的光纤光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属光电子和光纤通信领域，包括用紫外光激光器作为光源，将扫描反射镜固定在扫描移动平台上，再将光敏光纤固定在适当位置，该光纤前设置均匀相位模板，通过在线输入设定切趾函数参数，用微机中的软件来控制扫描移动平台的运动状态，使其带动扫描反射镜按照该切趾函数曲线对称分布规律运行，对光纤进行扫描，则光纤各点的曝光量按该函数曲线分布，制得光纤光栅。本发明简单、经济、实用、易于实现，有很好的可重复性和灵活性。

Description

啁啾和切趾函数可调的光纤光栅制作方法

本发明属于光电子技术和光纤通信技术领域。特别涉及光纤光栅制作技术。

自光纤光栅问世以来，已经历了二十多年的历程。光纤光栅的制作技术也经历了几次变革。K.Hill等人在1978年首先发明了光纤光栅内写入法，写入光由光纤的端面引入，在光纤内形成驻波而实现光栅写入。1989年，G.Meltz等人发明了光纤Bragg光栅的外写入法，即全息写入法，光从光纤的侧面写入，利用光的相干性在光纤上直接形成干涉条纹。1993年以后，K.O.Hill等人相继提出了相位模板法(Phasemask)，逐点写入法(Point-by-point)[4]和扫描写入法。

全息写入法突破了纵向驻波法对Bragg波长的限制，但它对光源的相干性提出了较高的要求，调整上也比较困难。相位模板法的提出，大大简化了光纤光栅的制作难度，提高了研制效率。光栅的精度和均匀性主要由相位模板来保证，对光源的相干性和对实验装置的稳定性都没有很高的要求。但是制作出的光栅周期由模板上的光栅周期决定，一块模板只能用于一个特定中心波长。这对于它在波分复用光纤通信系统中的应用无疑是一个很大的限制。尽管人们想出了一些中心波长微调方法，如倾斜法和拉伸法，但其效果远非理想。用掩模法制作光纤光栅需要准备很多不同光栅周期的掩模板，价格在数千至数万美元，这在经济能力有限的情况下是行不通的。逐点写入法不需要使用模板，它是使写入光束沿光纤轴向移动，同时控制光的通断和强度变化，从而将所需的光栅图案写在光纤上。显然，只要控制扫描速度和光强度就可以获得任意的光栅周期、啁啾量和切趾函数，从而获得理想的光谱特性。但对现有机械装置的精度要求高，实现难度大。

结合相位掩模法和逐点写入法两方面的优点，出现了扫描写入法。1995年W.H.Loh等人在95年的光学学报第20卷第20期(W.H.Loh.，et al.，Optics Letters，20(20)，2051(1995))提出利用压电陶瓷(PZT)调谐的扫描法，该实验装置如图1所示，图中：倍频Ar+离子激光器244nm光源11经扫描镜12反射照射在相位模板13上，光纤14紧贴模板且两头固定在微机控制的PZT扫描移动平台15上，PZT平台可产生误差为5nm、线性度为±0.5、20μm的位移。用此装置制作光栅的方法是：扫描镜是匀速移动的，它的速率是预先设置好，无法做到在不同位置有不同的速率值。当扫描镜移动时，PZT上所加的电压是随曝光点的位置改变的，也就是使得光纤在不同地方受到不同程度的抖动。在光纤中部抖动量最小，两端抖动量最大，这样本来均匀的曝光量就不均匀的分布在光纤上，从而可得到切趾的光纤光栅。采用这种方法，可得到一个6mm长的切趾光纤光栅。实验曲线如图2所示。图中：X轴为波长偏移(nm)，Y轴为反射率(dB)，图中的实线为实验中得到的反射谱曲线，虚线为理论计算得到的反射谱曲线，实验中得到的光纤光栅3dB带宽约0.3nm，边模抑制比40dB。

该方法虽然实现了高的边模抑制比，但从它的反射谱曲线可看出，反射谱曲线顶部并不平坦，反射带宽较窄；而且须扫描镜和PZT平台同时运动、相互配合，控制精度要求高，实验装置复杂，实现难度大。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种啁啾和切趾函数可调的光纤光栅制作方法，采用氩离子倍频连续波激光器为光源，使用均匀的相位模板，通过在微机上运行不同的软件、控制和动态调整光束的扫描速度及曝光量，能够在氢载的标准单模光纤上制作出具有高反射率、高边模抑制比、反射谱平顶带较宽的光栅，用设定的软件输入不同的切趾函数，可制作不同的光栅，使本发明更加简单、经济、实用、易于实现，具有很好的可重复性和灵活性。便于在国内企业推广应用。

本发明提出的一种啁啾和切趾函数可调的光纤光栅制作方法，包括以下步骤：

1)采用连续的紫外光激光器作为光源；

2)将具有扫描及反射光束的功能的扫描反射镜固定在扫描移动平台上，该扫描移动平台与微机的PIO口相连；

3)将光敏光纤固定在适当位置，使其能接收到扫描反射镜反射的光斑，并紧靠该光纤前设置一个均匀相位模板；

4)通过在线输入设定切趾函数参数，用存储在微机中的软件来控制扫描移动平台的运动速度、运动时间、运动距离各状态，使其按照该切趾函数曲线对称分布规律运行，并带动扫描反射镜对所说的光纤进行扫描，则光纤各点的曝光量按该切趾函数曲线分布，得到所需的啁啾和切趾光纤光栅。

本发明通过输入不同的切趾函数，改变扫描移动平台的运动速度、运动时间、运动距离，既可制作出不同的啁啾和切趾光纤光栅。

本发明的方法与现有采用压电陶瓷调谐的扫描法的不同之处在于：

本发明是基于在光纤上每一点处扫描速度变化时，停留时间是不同的，因而所受的曝光量也是变化的，且与扫描速度有互补的关系。即如果要使光纤在轴向的曝光量是沿某一曲线变化，那么必须使扫描速度的变化曲线和曝光量的曲线呈对称分布。例如，如果要使光纤在轴向的曝光量是按高斯曲线变化，那么应使扫描速度的变化曲线和高斯曲线呈对称分布。如图3所示的一个高斯切趾函数曲线，X轴为时间(min)，Y轴为归一化强度(a.u.)。图4为与之相对应的扫描速度的变化曲线，X轴为时间(min)，Y轴为归一化强度(a.u.)，得到的光纤在轴向的曝光量也是按高斯曲线变化。当然要使光纤在轴向的曝光量是沿其它不同的函数曲线变化，则使扫描速度的变化曲线与其相应即可。本发明采用在微机上进行程序设计、用软件驱动一个微机控制的扫描移动平台，在该平台上有反射光束的反射镜，通过在线输入切趾函数参数，从而由微机控制动态调整光束的扫描速度及曝光量，最后获得不同的光纤光栅。

本发明采用的原理如下：

均匀光纤Bragg光栅具有严格均匀的周期性折射率调制，它的Bragg中心波长

                  λ_B＝2Λn_eff其中，L为光栅的周期，neff是光纤的有效折射率。只要改变光纤折射率，就可以改变光纤光栅的中心波长，从而得到不同性能要求的光纤光栅。

在本发明中为抑制光纤光栅反射谱的旁瓣，须采用切趾方法，原理如下：将光栅反射率ρ＝σe^j(2δz-)，代入Riccati微分方程：

                   ρ＝j(2δ-)ρ+jκ(1+ρ²)可以得到：

                   σ′＝jκ[e^-j(2δz-)+σ²e^j(2δz-)]其中：σ为反射率振幅，δ是失谐量，为光栅相位。对低反射率光栅，σ²项可以忽略，有这表明，不考虑相位因子，振幅反射率r(d)实际上就是耦合系数分布函数的Fourier变换。如果光栅的耦合系数也就是所受曝光量沿光栅的长度方向逐渐变化，使得在光栅的两端逐渐趋近于零，就可以改善光栅的特性。耦合系数可选用Blackman，Hamming，Gauss，Tanh，Sinc，Cauchy等函数。

本发明的特点：

本发明通过编制的软件，可改变扫描移动平台的运动状态，精确地控制它的速度变化，使其按照所需的函数运动，就可得到高反射率、高边模抑制比，具有一定反射带宽范围的、啁啾和切趾函数可调的光纤光栅。该方法将光纤固定，依靠反射镜的运动，来改变光纤的曝光量，从而使得制作光栅的装置简单、经济、实用、操作方便，具有很好的可重复性和灵活性。

附图简单说明：

图1为已有的压电陶瓷(PZT)调谐的扫描法实验装置图。

图2为已有的实验曲线图。

图3为已有的高斯切趾函数曲线。

图4为本发明的扫描速度的变化曲线。

图5为本发明的光纤光栅方法装置示意图。

图6为本发明的反射谱曲线图。

图7为本发明的切趾光纤光栅逐点扫描控制软件流程图。

本发明的啁啾和切趾函数可调的光纤光栅制作方法实施例结合附图详细说明如下：

本实施例光栅制作方法的装置如图5所示。其中，光源采用连续的244nm倍频氩离子激光器21(美国coherent公司生产)。扫描反射镜22固定在ESP6000扫描移动平台(Newport公司生产)23上，扫描移动平台运动精度为0.1μm。反射镜22具有扫描及反射光束的功能，并将激光器21输出的紫外光反射到均匀相位模板24上，该相位模板长度为25mm，紫外光经过相立模板照射在其下的经氢载处理的标准单模光纤25上。ESP6000扫描移动平台与微机的PIO口(图中未示出)相连。通过在微机上运行事先设计好的驱动软件，改变移动平台的运动状态(运动速度、运动时间、运动距离)，使其按照某一运动规律运行，就可得到不同的光纤光栅。

在制作的整个过程中，采用谱宽为25nm的宽谱光源27、环行器26和精度为0.05nm的AQ-6315B光谱仪28进行光栅性能的测试，对光纤光栅的反射谱和透射光谱进行分析，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：

①将光纤进行载氢处理并剥去约30mm左右长的涂覆层；

②将光纤固定在均匀相位掩模板后，使之尽量贴近但不要贴上；

③调整激光器至输出约100mW的光功率；

④调整光路，使经扫描反射镜反射的光斑照射在光纤的纤芯上；

⑤打开微机的ESP 6000系统，.进入软件的工作界面，并对ESP 6000进行初始化；

⑥启动扫描移动平台，使它可以自由运动；

⑦设置偏移量，使扫描移动平台运动到切趾运动的起始位置；

⑧输入切趾运动的总距离，最大、最小速度；令扫描移动平台开始作切趾运动，直至光栅制作完毕。

其中，控制扫描移动平台运动状态的软件编程为：

采用Visual Basic 6.0编程语言，在ESP 6000系统提供的动态数据链接库(Dynamic Link Library)的基础上，编制了基于Windows95操作系统的切趾光纤光栅逐点扫描制作软件，用来精确控制扫描移动平台的变速运动，以便得到理想的切趾光纤光栅。该软件工作流程图如图7所示。它主要包括以下过程：

1、初始化过程：对系统进行初始化；

2、错误检查过程：读取错误信息，并将其逐一显示在窗口中；

3、启动扫描移动平台过程：打开扫描移动平台，使之可以自由运动；

4、选择切趾方式过程：选择所需的切趾函数，使扫描移动平台可以按选取的方式运动，切趾函数为：Blackman，Hamming，Gauss，Tanh，Sinc，Cauchy等函数，本实施例中选用Gauss切趾函数；

5、扫描移动平台归零过程：选取扫描移动平台的初始位置；

6、参数输入过程：输入相关的速度、距离等参量；

7、计算过程：根据选取的切趾函数计算扫描运动时间及实际扫描长度；

8、运动过程：驱动扫描移动平台进行切趾运动。

9、退出过程：关闭扫描移动平台的运动轴，退出系统，结束制作过程。

该软件能够实时监测扫描运动的状态，实时读取运动位置和运动时间，这种方法最大的优点就是精确，方便。扫描移动平台的运动误差为0.1微米。只要输入相应的控制参数，就可根据给定的最大、最小速度，距离等参数，预先计算出扫描移动平台在光纤光栅制作过程中的运动时间，以及运动的实际距离，以便用户能够合理地调整输入的最大、最小速度，控制光纤的曝光时间和曝光量，得到优质的光纤光栅。

采用界面的方法编制程序，使之直观、友好。扫描移动平台的瞬时位置以及时间都能在界面上清楚地显示，便于用户随时监控。界面按照操作流程设计，令用户一目了然。本程序还有较强的交互性，其中特别设置了很多提示框和帮助窗口，指导用户正确地使用本软件。

利用本实施例制作的典型光纤光栅给出的反射谱如图6所示。其表现出了良好的啁啾和切趾特性。图6给出了它的反射谱曲线，X轴为波长(nm)，Y轴为反射率(dB)，边模抑制比：25dB，反射谱平顶带宽：0.6nm。具有一定反射带宽范围的切趾光纤光栅将应用于光插分复用器(Optical Add/Drop Multiplexer)中。

Claims (3)

1、一种啁啾和切趾函数可调的光纤光栅制作方法，包括以下步骤：

1)采用连续的紫外光激光器作为光源；

2)将具有扫描及反射光束的功能的扫描反射镜固定在扫描移动平台上，该扫描移动平台与微机的PIO口相连；

3)将光敏光纤固定在适当位置，使其能接收到扫描反射镜反射的光斑，并紧靠该光纤前设置一个均匀相位模板；

4)通过在线输入设定切趾函数参数，用存储在微机中的软件来控制扫描移动平台的运动速度、运动时间、运动距离各状态，使其按照该切趾函数曲线对称分布规律运行，并带动扫描反射镜对所说的光纤进行扫描，则光纤各点的曝光量按该切趾函数曲线分布，得到所需的啁啾和切趾光纤光栅。

2、如权利要求1所述的光纤光栅制作方法，其特征在于，所说的激光器为连续的244nm倍频氩离子激光器。

3、如权利要求1所述的光纤光栅制作方法，其特征在于，所说的扫描移动平台为ESP6000扫描移动平台。

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