CN113866866A - 光纤光栅刻写装置和光纤光栅刻写方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光纤光栅刻写装置和光纤光栅刻写方法，该光纤光栅刻写装置包括至少一组激光系统和光片生成系统，以及位移台。激光系统用于发出用于刻写的光；光片生成系统用于使光通过以形成光片，光片为片状光场，光片的厚度方向沿光纤的轴向，光片的宽度方向和长度方向形成的平面与光纤的径向横截面平行；位移台用于装载并周期性移动光纤，使光纤曝光在光片下以完成光纤的光栅刻写。本申请提供的光纤光栅刻写装置通过在空间形成光片对位移台上周期性移动的光纤进行曝光，可以实现光纤光栅的刻写，能够大幅提升刻写效率。

Description

光纤光栅刻写装置和光纤光栅刻写方法

技术领域

本申请涉及光学器件领域，更具体地，涉及一种光纤光栅刻写装置和光纤光栅刻写方法。

背景技术

光纤光栅是一种无源光学器件，近年来光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域得到了广泛地研究和应用。光纤光栅的谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境变化敏感，且具有体积小、熔接损耗低、全兼容于光纤、能植入智能材料等优点。在传统的单模光纤通信系统中，通常利用光纤光栅对光信号谐振波长敏感的特点，将特定波长范围的光进行反射或透射，从而实现光学滤波、光信号上/下站点处理等一系列功能。随着近年来多芯、少模和多芯少模等新型光纤技术的迅猛发展，相较于传统的光纤通信系统，新型的空分复用光纤通信系统有望大幅提升传输和交换的容量。光纤光栅在新型光纤通信系统中既可以实现传统的光学滤波功能，又能够利用相位匹配原理针对不同光纤模式的光信号进行能量的耦合和转换，因而其有望在新型光纤通信系统中起到极为关键的作用。因此，近年来光纤光栅在上述空分复用传输技术领域也受到了格外关注。

常见的光纤光栅按照周期长度的特征通常可以分为短周期(Λ<1μm)光纤光栅和长周期(Λ>1μm)光纤光栅。制作光纤光栅的基本原理是通过特定的刻写方法在光纤纤芯引入轴向的折射率变化，使其发生周期性调制。对于长周期光纤光栅，常见的刻写方法主要有基于掩膜的紫外曝光法和基于二氧化碳(CO₂)激光器的在线逐点写入法等。其中，紫外曝光法需要使用紫外光源，同时要求被刻写的光纤纤芯为光敏材料，这些要求会带来成本的增加。在线逐点写入法能够避免上述成本问题且具有较大的灵活性，对光纤光栅的截面和长度可以进行任意设计制作。随着当前各种精密移动平台对精准的位移控制的实现，在线逐点写入法刻写该长周期光纤光栅正在越来越多地被采用。上述主流的光纤光栅刻写方案刻写成本较高、刻写效率较低。

发明内容

本申请提供一种光纤光栅刻写装置和光纤光栅刻写方法，稳定性及灵活性更高，且能够大幅提升刻写效率。

第一方面，提供了一种光纤光栅刻写装置，包括至少一组激光系统和光片生成系统，以及位移台，其中，激光系统用于发出用于刻写的光；光片生成系统用于使光通过以形成光片，光片为片状光场，光片的厚度方向沿光纤的轴向，光片的宽度方向和长度方向形成的平面与光纤的径向横截面平行；位移台用于装载并周期性移动光纤，使光纤曝光在光片下以完成光纤的光栅刻写。

第一方面的光纤光栅刻写装置，包括激光系统、光片生成系统和位移台，通过在空间形成光片对位移台上周期性移动的光纤进行曝光，可以实现光纤光栅的刻写，能够大幅提升刻写效率。

其中，光片生成系统通过改变入射光的相位波前，使光在空间的预设位置形成无衍射的细长的光束，即片状光场，来实现单芯或者多芯的光纤光栅的刻写，可以有效提升刻写速度和刻写精准度，同时光纤光栅刻写装置的稳定性及灵活性也更高。

应理解，激光系统发出的用于刻写的光可以为激光，也可以为其他类型的光，例如发光二极管(light emitting diode，LED)光源、宽谱光源、超辐射二极管等非相干光源。本申请的激光系统可以是CO₂激光器，也可以是能够产生用于刻写的光的其他类型的激光器，例如紫外激光器等，本申请对此不做限定。

在第一方面的一种可能的实现方式中，光纤光栅刻写装置还可以包括控制模块，用于控制激光系统发出光，或控制光片生成系统形成光片，或控制位移台周期性移动光纤。控制模块可以用来控制激光系统的入射功率，从而控制改变光片的能量而实现高效刻写。控制模块可以用来控制光片生成系统或光片生成系统中的部件进行适当的移动，以在适当位置获得大小合适的光片。控制模块可以用来控制位移台的移动，使装载在移动台上的光纤适当的平移、转动或滚动等，来获得更好的刻写效果。

在第一方面的一种可能的实现方式中，装置可以包括至少两组激光系统和光片生成系统，至少两组激光系统和光片生成系统被设置为均匀环绕光纤的径向横截面。本可能的实现方式中，在环绕光纤的径向横截面所在平面内不同方向放置多台激光系统和光片生成系统同时对光纤进行刻写，可以保证光纤径向横截面上被照射均匀的能量，能够提升刻写效率与性能。

在第一方面的一种可能的实现方式中，装置还包括分束器和反射元件，经光片生成系统形成的光片被分束器分为多束后被反射元件反射到光纤上。本可能的实现方式中，在激光系统和光片生成器后放置分束器，经反射元件反射成多个光片同时对光纤进行刻写，保证光纤径向横截面上被照射均匀的能量，能够提升刻写效率与性能。

在第一方面的一种可能的实现方式中，光片生成系统包括至少一个光片生成器，光片生成器基于超表面结构，超表面结构包括多个单元，每个单元包括基底和微纳结构，激光系统发出的光由基底入射后经过微纳结构的相位调控形成光片。本可能的实现方式中，利用超表面结构生成光片简单高效易于实现和控制。

其中，微纳结构的材料可以包括硅、氮化硅、锗、二氧化钛、石英玻璃、金、银、铜、液晶、氧化铟锡或铌酸锂中的至少一种。

在第一方面的一种可能的实现方式中，光片生成系统可以包括至少一个光片生成器，光片生成器为圆锥状光片生成器或三棱柱状光片生成器。本可能的实现方式中，圆锥状光片生成器一次可以照射一条路径上的多条纤芯，对纤芯线性排列的多芯光纤的刻写效果较好。三棱柱状光片生成器可以产生一个平面状的光束，对纤芯线性排列的多芯光纤和非线性排列的多芯光纤的刻写效果均较好。

在第一方面的一种可能的实现方式中，光片生成系统包括至少一个光片生成器，光片生成器可以为衍射光学元件(diffractive optical elements，DOE)。本可能的实现方式中，DOE无需通过器件厚度积累光程差，厚度较薄，有利于光纤光栅刻写装置的小型化。

其中，光片生成器的材料包括硅、氮化硅、锗、二氧化钛、石英玻璃、液晶、氧化铟锡或铌酸锂中的至少一种。

在第一方面的一种可能的实现方式中，光片生成系统包括至少三个光片生成器，至少三个光片生成器串行级联设置，包括可移动的第一光片生成器、位置固定的第二光片生成器和位置固定的第三光片生成器，光从第一光片生成器的底面入射，经第一光片生成器后入射到第二光片生成器的非底面上，第二光片生成器的底面与第三光片生成器的底面相对设置，使得光从第二光片生成器平行出射并平行入射第三光片生成器。本可能的实现方式可以任意调整光纤被光片照射的位置和大小，使得光纤光栅刻写装置能够适应于单芯光纤或多芯光纤，从而实现灵活刻写。

在第一方面的一种可能的实现方式中，光片生成系统包括至少两个光片生成器，至少两个光片生成器并行级联设置，每个光片生成器形成一个独立的光片。本可能的实现方式可以实现单次刻写多个光纤光栅周期，因此能大大能提高刻写效率。

在第一方面的一种可能的实现方式中，光纤光栅刻写装置还可以包括在光路上位于光片生成系统之后的倒置望远镜系统。倒置望远镜系统可以包括第一透镜和第二透镜，第一透镜的右焦点与第二透镜的左焦点重合。本可能的实现方式可以任意调整光纤被光片照射的位置和大小，对于纤芯折射率变化的精确控制具有有益价值。

应理解，光纤可以为单模光纤、少模光纤、多模光纤、超模光纤或多芯少模光纤。光栅刻写后光纤的纤芯区域的折射率分布可以为阶跃型分布、多阶跃型分布、渐变型分布或槽式渐变型分布。本申请的光纤光栅刻写装置对于各种光纤纤芯区域的折射率分布和纤芯排布情况均适用，并可以实现高效刻写。

第二方面，提供了一种光纤光栅刻写方法，方法由光纤光栅刻写装置执行，装置包括至少一组激光系统和光片生成系统，以及位移台，方法包括：控制激光系统发出用于刻写的光；使光通过光片生成系统并形成光片，光片为片状光场，光片的厚度方向沿光纤的轴向，光片的宽度方向和长度方向形成的平面与光纤的径向横截面平行；控制位移台周期性移动光纤，使光纤曝光在光片下以完成光纤的光栅刻写。

第三方面，提供了一种计算机可读介质，用于存储计算机程序，该计算机程序包括用于执行第二方面的方法的指令。

附图说明

图1是通过紫外曝光法进行光纤光栅刻写的示意图。

图2是通过在线逐点写入法进行光纤光栅刻写的示意图。

图3是通过CO₂激光器多方向刻写法进行光纤光栅刻写的示意图。

图4是本申请的一个实施例的光纤光栅刻写装置的示意性结构图。

图5是本申请的一个实施例的光纤光栅刻写方法的示意性流程图。

图6是纤芯区域的折射率分布的示意图。

图7是多芯光纤的各种纤芯排布情况的示意图。

图8是光纤光栅刻写装的元件环绕光纤的径向横截面的示意图。

图9是本申请的基于超表面结构的光片生成器进行光纤光栅刻写的局部放大示意图。

图10是本申请的一个实施例的超表面结构的示意图。

图11是本申请的一个实施例的超表面结构的一个单元的示意图。

图12是普通表面结构光传播和超表面结构光传播的原理示意图。

图13是超表面结构需要满足的相位的示意图。

图14是本申请的一个实施例中光通过超表面结构形成的光片的光能分布的示意图。

图15是本申请的一个实施例的通过圆锥状光片生成器产生光片来刻写光纤光栅的示意图。

图16是本申请的一个实施例的通过三棱柱状光片生成器产生光片来刻写光纤光栅的示意图。

图17是对应于图16的三棱柱状光片生成器的侧视图。

图18是圆锥状光片生成器和三棱柱状光片生成器的形成方式示意图。

图19是本申请的一个实施例的圆锥状光片生成器的设计参数示意图。

图20是本申请的一个实施例的衍射光学元件(diffractive optical elements，DOE)的结构示意图。

图21是光片生成系统包括串行级联设置的至少三个光片生成器的示意图。

图22是光片生成系统包括并行级联设置的至少两个光片生成器的示意图。

图23是本申请的一个实施例的光片生成系统与倒置望远镜系统的组合设计的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

为了便于理解光纤光栅刻写技术，首先对基于掩膜的紫外曝光法、基于CO₂激光器的在线逐点写入法和CO₂激光器多方向刻写法进行简单的说明。

紫外曝光法通过紫外(ultra-violet，UV)光源和特定的曝光装置，使两束紫外光形成周期性相干条纹(相干光)；待刻写光纤的纤芯采用光敏材料；当外部相干光入射到纤芯时，其材料性质发生改变，造成纤芯的折射率发生周期性的变化，从而形成光纤光栅。图1是通过紫外曝光法进行光纤光栅刻写的示意图。如图1所示，入射的紫外(UV)光通过周期性相位掩膜(phase mask，PM)。PM将入射的UV光衍射到相同级次的正负两个角度上(m＝1和m＝-1)，然后入射到两面紫外反射镜(UV mirror)上，经过反射照射到光纤上并在光线上形成一片光纤光栅刻写区域。两束UV光在光纤上相互叠加发生干涉，形成干涉条纹进行光纤光栅刻写。UV反射镜可以进行如图所示的旋转，通过调节两面UV反射镜的旋转可以调整两束UV光反射的角度，从而改变干涉光的空间位置和其他刻写参数。

紫外曝光法具有一些缺点，例如，其要求光纤的纤芯材料为光敏材料，加工过程需要掩膜板，刻写不够灵活且价格昂贵，热稳定性差等。此外，UV光的波长较短，容易在多芯光纤中发生衍射，导致光强度减弱，不利于多芯光纤光栅的刻写。

图2是通过在线逐点写入法进行光纤光栅刻写的示意图。如图2所示，在线逐点写入法的刻写装置由计算机、CO₂激光器、透镜和位移台等组成。通过计算机控制CO₂激光器开启，CO₂激光器发出的光在传播过程中由透镜进行聚焦，在空间上形成光斑，光斑照射在位移台上的光纤的纤芯上。由于激光照射时会产生热，基于热效应作用可使光纤的纤芯的折射率发生改变。同时，置于位移台上的光纤由位移台控制进行移动(例如以恒定速度移动)，从而实现光纤光栅的在线刻写和周期控制。

在线逐点写入法采用将激光聚焦的方式进行刻写，由于光斑尺寸的限制，同一时刻只能对光纤的一个纤芯进行刻写。对多芯光纤而言，此方式不能同时实现多芯的刻写，光纤光栅的刻写效率较低。

图3是通过CO₂激光器多方向刻写法进行光纤光栅刻写的示意图。CO₂激光器多方向刻写法的刻写装置由CO₂激光器(CO₂ laser)、柱透镜(例如，硒化锌柱透镜，ZnSecylindrical lens)和反射元件(reflector)构成。如图3所示，CO₂激光器发出的光经过柱透镜聚焦，再经过一个上下对称的反射元件后被反射至待刻写的光纤(fiber)的不同部位。由于热效应，致使光纤的纤芯的折射率发生改变，完成光纤光栅的刻写。由图3所示可知，光纤各个方向(光纤的左方、右上方与右下方)都能够受到激光照射，因此受照相对均匀，可以提高光纤光栅的刻写质量。

为了保证光纤的各个方向都能够受到激光照射，光纤需要置于比较精准的位置上。当光纤距离反射元件太近或太远时，部分光经反射元件反射回来照射不到光纤表面，会使刻写效果下降。通过适当地增加入射光的宽度，可以对光纤的位置要求有相应地放宽，但也会浪费入射光的能量。另外，CO₂激光器多方向刻写法目前主要用于传统的单芯光纤的刻写。如果将其用于新型多芯光纤，在刻写排布在多芯光纤中心位置处的纤芯时，可能对周围其他纤芯产生不可避免的影响，致使输出的光纤光栅完全无法实现预期功能。

上述刻写方案主要是针对传统的单模单芯光纤的，对于多芯光纤、少模光纤、多芯少模光纤等极具未来应用前景的新型光纤而言，上述刻写方案均存在着效率低问题。此外成本高、性能差也是亟需解决的问题。

基于上述问题，本申请提出一种全新的基于光片的刻写方法，其可以认为是一种改进的在线逐点写入法。

本申请提供了一种光纤光栅刻写装置。图4是本申请的一个实施例的光纤光栅刻写装置400的示意性结构图。如图4所示，光纤光栅刻写装置400包括至少一组激光系统410和光片生成系统420，以及位移台430。激光系统410用于发出用于刻写的光；光片生成系统420用于使光通过以形成光片，光片为片状光场，光片的厚度方向沿光纤的轴向，光片的宽度方向和长度方向形成的平面与光纤的径向横截面平行；位移台430用于装载并周期性移动光纤，使光纤曝光在光片下以完成光纤的光栅刻写。

应理解，激光系统发出的用于刻写的光可以为激光，也可以为其他类型的光，例如发光二极管(light emitting diode，LED)光源、宽谱光源、超辐射二极管等非相干光源。

本申请提供的光纤光栅刻写装置，包括激光系统、光片生成系统和位移台，通过在空间形成光片对位移台上周期性移动的光纤进行曝光，可以实现光纤光栅的刻写，能够大幅提升刻写效率。

本申请的光片生成系统通过改变入射光的相位波前，使光在空间的预设位置形成无衍射的细长的光束，即片状光场，来实现单芯或者多芯的光纤光栅的刻写，可以有效提升刻写速度和刻写精准度，同时光纤光栅刻写装置的稳定性及灵活性也更高。

应理解，本申请的激光系统可以是CO₂激光器，也可以是能够产生用于刻写的光的其他类型的激光器，例如紫外激光器等，本申请对此不做限定。

在本申请的一些实施例中，光纤光栅刻写装置400还可以包括控制模块440，用于控制激光系统410发出光，或控制光片生成系统420形成光片，或控制位移台430周期性移动光纤。

控制模块440可以用来控制激光系统410的入射功率，从而控制改变光片的能量而实现高效刻写。

控制模块440可以用来控制光片生成系统420或光片生成系统420中的部件进行适当的移动，以在适当位置获得大小合适的光片。

控制模块440可以用来控制位移台430的移动，使装载在移动台上的光纤适当的平移(沿光纤的轴向平移或在与光纤的径向横截面平行的平面内上/下/左/右/斜向平移等)、转动或滚动等，来获得更好的刻写效果。位移台430可以按照特定的周期(例如，典型周期为100nm～1000μm移动光纤，位移台典型的步进距离例如可以为1μm。

基于上述光纤光栅刻写装置，本申请还提供了一种光纤光栅刻写方法。图5是本申请的一个实施例的光纤光栅刻写方法500的示意性流程图。光纤光栅刻写方法500由光纤光栅刻写装置执行，该装置包括至少一组激光系统和光片生成系统，以及位移台。光纤光栅刻写方法500可以包括：S510，控制激光系统发出用于刻写的光；S520，使光通过光片生成系统并形成光片，光片为片状光场，光片的厚度方向沿光纤的轴向，光片的宽度方向和长度方向形成的平面与光纤的径向横截面平行；S530，控制位移台周期性移动光纤，使光纤曝光在光片下以完成光纤的光栅刻写。

应理解，以上光纤光栅的刻写操作可在光纤拉制的同时进行，也可在光纤拉制完成之后、涂敷之前进行。

在本申请的一些实施例中，由激光系统发出的光经过光片生成系统形成片状的光束，光束穿过光纤，曝光一定时间，继续移动曝光下一点，不断重复，直到整个光纤光栅刻写完成。

在本申请的一些实施例中，光纤光栅刻写后光纤的纤芯区域的折射率分布可以为阶跃型分布、多阶跃型分布、渐变型分布或槽式渐变型分布。图6是纤芯区域的折射率分布的示意图。在本申请的一些实施例中，本申请的光纤光栅刻写装置和方法可以应用于单芯光纤，例如单模光纤(芯区直径约9μm)、少模光纤(芯区直径约10～50μm)、多模光纤(芯区直径大于50μm)或直径较大的超模光纤。本申请的光纤光栅刻写装置也可以应用于多芯光纤，例如多芯少模光纤(芯区直径可达到数百微米)。图7是多芯光纤的各种纤芯排布情况的示意图。本申请的光纤光栅刻写装置和方法可以适用于图6所示的纤芯区域的折射率分布和图7所示的纤芯排布的情况。值得注意的是，图6和图7示出的仅是部分光纤设计的示例，对于其他光纤纤芯区域的折射率分布和纤芯排布情况，本申请提出的光纤光栅刻写装置和方法同样适用，并可以实现高效刻写。

在本申请的一些实施例中，可以在环绕光纤径向横截面的不同方向上生成光片，同时对光纤进行刻写，可以保证光纤径向横截面上被照射均匀的能量，能够提升刻写效率与性能。

在一些实施例中，光纤光栅刻写装置可以包括至少两组激光系统和光片生成系统，该至少两组激光系统和光片生成系统被设置为均匀环绕光纤的径向横截面。图8中的A是三组激光系统和光片生成系统均匀环绕光纤的径向横截面的示意图。在环绕光纤的径向横截面所在平面内不同方向放置多台激光系统(例如CO₂激光器)和光片生成系统同时对光纤进行刻写，可以保证光纤径向横截面上被照射均匀的能量，能够提升刻写效率与性能。

在另一些实施例中，光纤光栅刻写装置还可以包括分束器和反射元件，经光片生成系统形成的光片被分束器分为多束后被反射元件反射到光纤上。换句话说，光纤光栅刻写装置可以包括一组激光系统和光片生成系统、若干分束器和若干反射元件。经过分束器和反射元件后的环绕光纤的径向横截面内各光片位置均匀排列。图8中的B是一组激光系统和光片生成系统、分束器、反射元件环绕光纤的径向横截面的示意图。在激光系统和光片生成器后放置一分三的分束器，经两个反射元件(例如可以是可调节反射镜)，反射元件1和反射元件2反射出多个光片，例如三个光片同时对光纤进行刻写，保证光纤径向横截面上被照射均匀的能量，能够提升刻写效率与性能。应理解，上述光片的个数仅是举例而非限定。

根据一般经验，使用CO₂激光器在单模光纤上刻写光纤光栅所需的芯区折射率变化率一般不超过10^-3量级。对于多芯少模光纤的光纤光栅的刻写，所需的折射率变化率会更低，一般远小于10^-3量级。但是随着新型光纤径(例如多芯少模光纤)的纤芯数和模式数的增加，新型光纤的径向横截面积也相比单模光纤增大(例如19芯6模光纤的径向横截面积约为单模光纤的径向横截面积100倍左右)，作用于单位径向横截面上的激光能量可能会相应降低，因此需要从影响芯区折射率变化量的主要因素，例如光纤类型、光纤轴向应力大小、激光系统的功率、刻写时间等方面入手，确保本申请的光纤光栅刻写装置和方法能够提供光纤的纤芯所需要的折射率变化率。具体设计可以通过适当增加光纤轴向应力和刻写时间，结合激光系统功率的提升，来达到所需的折射率变化量。根据现有数据，目前中国运载火箭技术研究院已装配1kW的CO₂激光打标机。

下面以几个具体的实施例来说明本申请的光纤光栅刻写装置和方法。

在本申请的一些实施例中，光片生成系统可以包括至少一个光片生成器，该光片生成器基于超表面结构，该超表面结构可以包括多个单元，每个单元包括基底和微纳结构，激光系统发出的光由基底入射后经过微纳结构的相位调控形成光片。

用于光纤光栅刻写的光片生成器可由基于超表面结构的波束形成器实现。图9是本申请的基于超表面结构的光片生成器进行光纤光栅刻写的局部放大示意图。如图9所示，激光系统发出的光从超表面结构的基底入射，经超表面基底上微纳结构的相位调控作用，形成一个片状光场(光片)。形成的光片处于y-z平面，x方向定义为光片的厚度，y方向定义为光片的宽度，z方向定义为光片的长度。将光纤置于x-y平面，与光片的位置正交，进行光纤光栅的刻写。

图10是本申请的一个实施例的超表面结构的示意图。如图10所示，超表面结构是一种可以任意调控光束波前的二维结构。之所以称之为二维结构，是由于其高度方向的尺寸较小且一致，因此人们通常将其视为平面结构。

在本申请的一些实施例中，超表面结构可以包括多个单元，每个单元又包括两部分，基底和放置在基底上的微纳结构。多个单元紧密排列可以形成超表面结构。图11是本申请的一个实施例的超表面结构的一个单元的示意图。

微纳结构又称为亚波长结构，所谓亚波长，是指结构的各个尺寸均小于入射光的波长。对于光波段，亚波长意味着尺寸在微米或纳米尺度。其中，基底起到承托作用，基底的材料可以选取对于工作激光的波长无吸收的材料。微纳结构可以为柱状或类柱状结构，例如微纳结构可以使用但不限于立方柱、圆柱、椭圆柱、层状、条状、十字架型、字母型等各种结构，各单元中的微纳结构的上述结构可以相同或不同。微纳结构常选用高折射率材料，例如可以使用但不限于如硅(Si)、氮化硅(SiN)、锗(Ge)、二氧化钛(TiO₂)、石英玻璃(SiO₂)等电介质材料，金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)等贵金属，以及液晶、氧化铟锡(ITO)、铌酸锂等可调谐材料中的至少一种。激光系统发出的光入射到超表面结构时，不同位置处放置的不同的微纳结构，即不同位置处放置的微纳结构的参数不同，经过微纳结构的光场响应也会不同，相位和幅度被调制，在原始波阵面上叠加附加相位使得波阵面发生改变，当波阵面满足光片生成器对应相位分布时即可生成光片。

图12是普通表面结构光传播和超表面结构光传播的原理示意图。其中，图12中的A是普通表面结构光传播的原理示意图；B、C和D是超表面结构光传播的原理示意图。图中平行线(或曲线)代表波阵面，箭头代表波矢方向，波矢方向与波阵面互相垂直，光从空气中入射至表面(普通表面或超表面)后经表面后又出射到空气中。

图12的A中的表面为普通表面结构，可以理解为玻璃或水等介质形成的平行平板，根据光学传播原理，垂直表面入射的光将垂直表面出射。

图12的B中的光入射到超表面结构时，不同位置处放置不同的微纳结构可引入相位突变，在原始波阵面上叠加附加相位使波阵面发生改变。

如图12的C所示，当所选择的微纳结构尺寸使得波阵面可以转化为球面时，该超表面结构就可以形成一个超表面透镜，实现透镜的聚焦功能。

光片生成器需要形成的波阵面为两列对称的倾斜平面。如图12的D所示，当所选择的微纳结构尺寸使得波阵面为两列对称的倾斜平面时，光通过该超表面结构就可以形成光片，可以用于本申请提出的光纤光栅刻写装置中。

图13是超表面结构需要满足的相位的示意图。在x方向上，超表面结构需要满足如图13所示的相位；并将该结构在y方向上重复排列，即可形成光片。图12中D_A表示形成光片的厚度，其沿着x方向，光片在y方向延展，θ表示波前与法线的夹角。

由于超表面结构可视为平面结构，因此可以使用如下公式(1)进行设计：

其中，D表示超表面结构的口径，θ表示波阵面的倾角，即指波前与超表面结构基底的法线方向之间的夹角，λ表示激光系统生成的光的波长，此处以10.6μm为例进行说明。

根据光片的波前相位轮廓，可以挑选合适的微纳结构，来设计光片生成器，其中这里可使用图11所示的结构作为单元。根据公式(1)，为保证正常刻写，光片的厚度D_A应该小于光纤光栅的周期(例如长周期光纤光栅的周期约为100-1000μm)，例如可以取临界值，即光片的厚度D_A为100μm。此时计算可以得到光束波阵面的倾角θ为4.642度。超表面结构的口径D和光片的无衍射传输距离(光片在z轴方向的可用距离)Z_max也可以基于公式(1)得到。根据图12的D和图13分析可知，超表面结构在x方向上关于原点对称，而在原点的同一侧，是微纳结构周期性排布形成的。因此只要完成一个周期组(例如左侧第一个周期组)的设计，通过重复排列和对称即可得到完整的x方向上的设计，在y方向上重复排列即可得到完整器件。

在超表面结构的设计中，各单元的尺寸最优可以设计为小于真空波长λ₀。因此，微纳结构的高度可取范围通常在0.3λ₀～2λ₀。微纳结构过高需要较高的深宽比(微纳结构的高度与宽度的比值)，对于加工不利；微纳结构过矮难以实现覆盖较大的相位范围，难以实现设计需求。根据公式(1)，D可以取任意大小，通常可取到毫米(mm)量级，θ也可以取任意的角度(优选地，可以选取10-80度)。因此理论上，利用该超表面结构可以产生mm量级以内的光束长度以及接近衍射极限的光斑半径。若要满足波阵面的倾角θ为4.642度，微纳结构的周期应约为130μm，即每130μm引入2π的相位变化。在一个具体的例子中，可将这130μm划分为26个单元，每个单元周期为5μm，其引入的相位变化应满足图13所示的曲线。

在一个具体的例子中对于10.6μm的光的波长，超表面结构的基底和微纳结构材料可以分别选为BaF₂和Ge，也可选用其他适用于该波长的材料但不限于，例如Si。在该例子中，对于一个单元而言，基底的厚度可以为500μm、底面可以为长度是5μm的正方形；放置在基底上的微纳结构可以是底面为正方形的长方体，高度均为1μm、底面正方形的边长根据不同的相位需求有不同选择。在该例子中，这26个单元引入的相位及微纳结构的底面正方形的边长大小满足下表1所示。其中，p代表微纳结构引入的相位，单位为度；l代表微纳结构的底面正方形的边长，单位为μm。

表1一个周期中26个微纳结构的底面正方形的边长和单元引入的相位

p	-40	-53.8	-67.7	-81.5	-95.4	-109.2	-123.1	-136.9	-150.8	-164.6
											l	1.4	1.507	1.565	1.613	1.644	1.675	1.705	1.726	1.746	1.764
p	-178.5	167.7	153.8	140	126.2	112.31	98.46	84.61	70.77	56.92
											l	1.782	1.8	1.819	1.839	1.86	1.88	1.9	1.935	1.97	2.01
p	43.07	29.23	15.38	1.54	-12.3	-26.16
											l	2.069	2.144	2.246	2.374	2.515	2.6543

根据上述具体的例子中超表面结构的尺寸建模可以得到光能分布的结果。图14是本申请的一个实施例中光通过超表面结构形成的光片的光能分布的示意图。图14中A所示表示所形成的光片的厚度的截面即x-z平面的光能分布。图14中B为图14中A在x方向中点处在所有y方向上沿z轴方向的光能分布，其表示光片沿着y方向的宽度截面。图14中C为图14中A在x＝0μm位置沿着z方向的光能分布。由图14中C可知光片约在500-1500μm的范围内光强均保持在2V²/m²以上，该高能量区域长度远远超过多一般光纤的纤芯的尺寸250μm。图14中D为图14中A在z＝1200μm处沿x方向的光能分布。由图14中D可知光片沿着x轴方向场强2V²/m²对应的光片厚度约为70μm，且光片旁瓣的强度明显低于主瓣强度。在实际刻写光纤光栅的过程中，采用此方案形成的光片，将光纤放置于x-y平面的光片高亮度区域，其与光片正交放置，进行光纤光栅的刻写。如果将2V²/m²当做刻写阈值，则光片的厚度小于刻写周期，且旁瓣不会对刻写过程造成不利影响，同时光片的宽度大于250μm，满足刻写光纤光栅的要求，可以实现高效刻写。当然，在实际情况中由于光纤材料的不同刻写阈值存在差异，可以调节激光系统的入射功率来改变光片的能量来实现高效刻写。

在本申请的一些实施例中，光片生成系统包括至少一个光片生成器，该光片生成器为圆锥状光片生成器或三棱柱状光片生成器。这些实施例中，光片生成器的材料可以包括硅、氮化硅、锗、二氧化钛、石英玻璃、液晶、氧化铟锡或铌酸锂中的至少一种，本申请对此不做限定。

图15是本申请的一个实施例的通过圆锥状光片生成器产生光片来刻写光纤光栅的示意图。如图15所示，使用圆锥状光片生成器可以产生细长的光束，其也可以视为光片。该光片所在平面处于y-z平面，x方向与光片垂直，光片在x方向体现的是其厚度，该光片在y方向的光斑较小，即光片在y方向较窄，一次可以照射一条路径上的多条纤芯。圆锥状光片生成器对纤芯线性排列的多芯光纤的刻写效果较好。

图16是本申请的一个实施例的通过三棱柱状光片生成器产生光片来刻写光纤光栅的示意图。如图16所示，使用三棱柱状光片生成器可以产生一个平面状的光束，平面状的光束所在平面处于y-z平面，x方向与光片垂直，光片在x方向体现的是其厚度，这样可以一次性照射不同位置处的纤芯，刻写效率将大大提高。三棱柱状光片生成器对纤芯线性排列的多芯光纤和非线性排列的多芯光纤的刻写效果均较好。三棱柱状光片生成器的功耗较圆锥状光片生成器的功耗稍大。

图17是对应于图16的三棱柱状光片生成器的侧视图。由于生成的光片在图17中y方向上延伸，因此在图17中用省略号表示，D_A为形成光片的厚度，W为光片的宽度，Z_max为形成光片的无衍射传输距离。

图18是圆锥状光片生成器和三棱柱状光片生成器的形成方式示意图。图15和图16所使用的光片生成器的截面的形状均为三角形。不同的是图15的圆锥状光片生成器由截面三角形沿轴线旋转得到，而图16的三棱柱状光片生成器则是使用截面三角形沿y方向延伸得到的，如图18的A和B分别所示。由圆锥状光片生成器和三棱柱状光片生成器得到的光束均为轴对称的光片。

以圆锥状光片生成器为例，其产生的无衍射传输距离Z_max和光斑尺寸D_A大小分别可以通过以下公式2表示。

图19是本申请的一个实施例的圆锥状光片生成器的设计参数示意图。如图19所示，阴影部分表示圆锥状光片生成器，D表示圆锥状光片生成器的口径大小，上式在光充满整个口径的情况下推导得到。因此，D也可以认为是入射光的直径；n代表圆锥状光片生成器的材料折射率；α表示圆锥状光片生成器的底角(以弧度为单位)；Z_max表示贝塞尔光斑的长度，即“无衍射传输距离”；D_A表示光片(光斑)的厚度，λ表示热射光的波长，此处以10.6μm的波长为例进行说明。

在一个具体的例子中，要实现高效刻写，一次照射即可覆盖所有纤芯，要求光片的无衍射传输距离Z_max应大于待刻写光纤的包层直径，以一般多芯光纤的经验参数为例，可以取250μm。对于三棱柱状光片生成器，入射光的宽度W也应大于包层直径(250μm)，同时光片直径D_A应小于光纤光栅的周期。其中，圆锥状光片生成器的材料可以选取为石英玻璃，折射率为1.53，综合上述要求，通过公式(2)计算可以得到，圆锥状光片生成器的口径应选择250μm，底角应选为18.13度，此时光片的宽度为250μm，无衍射传输距离为751μm，光片最小处的半径约为10μm，光片完全可以覆盖所有纤芯截面，实现高效精确刻写。

在本申请的一些实施例中，光片生成系统包括至少一个光片生成器，该光片生成器为衍射光学元件(diffractive optical elements，DOE)。这些实施例中，光片生成器的材料可以包括硅、氮化硅、锗、二氧化钛、石英玻璃、液晶、氧化铟锡或铌酸锂中的至少一种，本申请对此不做限定。

图20是本申请的一个实施例的DOE的结构示意图。DOE采用光刻技术，提供透射光的全相位控制。DOE由对称的两部分构成，通过将入射光衍射到固定的角度，在空间上预设位置进行干涉相长，从而形成光片。与传统的折射光学器件相比，DOE无需通过器件厚度积累光程差，厚度较薄，有利于光纤光栅刻写装置的小型化。DOE作为光片生成器时，光从如图20所示的DOE的上方或下方入射。

在本申请的一些实施例中，光片生成系统可以包括至少三个光片生成器，至少三个光片生成器串行级联设置，包括可移动的第一光片生成器、位置固定的第二光片生成器和位置固定的第三光片生成器，光从第一光片生成器的底面入射，经第一光片生成器后入射到第二光片生成器的非底面上，第二光片生成器的底面与第三光片生成器的底面相对设置，使得光从第二光片生成器平行出射并平行入射第三光片生成器。应理解，本申请的光片生成系统还可以包括类似第二光片生成器和第三光片生成器的更多的底面相对的光片生成器组合，从而可以任意调整光纤被光片照射的位置和大小。

图21是光片生成系统包括串行级联设置的至少三个光片生成器的示意图。以前三个光片生成器为例说明光片生成系统的工作原理。三个光片生成器串行级联，第一光片生成器可以移动，光从其底面入射。第二、第三光片生成器底面与底面相对，保证光可以从第二光片生成器平行出射并平行入射第三光片生成器，且第二、第三光片生成器位置固定。后面如果设置更多的光片生成器，则其传播过程重复前述过程。从图21示出的光路可以看出，通过移动第一光片生成器或者后续的光片生成器，可以把光片移动到任意位置进行调整以刻写光纤的不同位置，同时光片的大小也可能会发生变化。这样光片生成系统可以使得光纤光栅刻写装置能够适应于单芯光纤或多芯光纤，从而实现灵活刻写。

应理解，光片生成器的底面可以理解为光片生成器接收入射光的一面。例如，可以是超表面结构的基底这一面。再如，可以是图20示出的DOE的上边一面或下边一面。

在本申请的一些实施例中，光片生成系统可以包括至少两个光片生成器，该至少两个光片生成器并行级联设置，每个光片生成器形成一个独立的光片。

图22是光片生成系统包括并行级联设置的至少两个光片生成器的示意图。如图22所示，光片生成系统使用可同时产生沿光纤轴向即沿着x方向周期性排列的多个光片的多个光片生成器，即多个产生单光片的光片生成器并行级联。如图22所示，阴影部分代表多个光片生成器，将其并行级联，可以形成多个独立分布的光片。光片在x方向代表其厚度，在y方向上延展宽度W，当这些独立光片的间隔满足刻写光纤光栅的周期时，将光纤放置于x-y平面光片中心的位置，可以实现单次刻写多个光纤光栅周期，因此能大大能提高刻写效率。

在本申请的一些实施例中，光纤光栅刻写装置还可以包括在光路上位于光片生成系统之后的倒置望远镜系统。

图23是本申请的一个实施例的光片生成系统与倒置望远镜系统的组合设计的示意图。由前述公式(1)可以看出，光片的长度(无衍射传输距离)Z_max和光片的厚度均与光片生成器的底角大小有关，底角越小，则Z_max越大，D_A越大，这对于光纤光栅刻写是不利的。因此，本申请的一些实施例提出如图23所示的方案，在光片生成系统后加倒置望远系统，可以任意调控无衍射传输距离Z_max和光片厚度大小。

在一个实施例中，倒置望远镜系统可以包括第一透镜和第二透镜，第一透镜的右焦点与第二透镜的左焦点重合。

如图23所示，倒置望远镜系统可以由两个透镜组成，透镜可以使用传统的透镜或基于超表面的超透镜。第一透镜的焦距是f1，第二透镜的焦距是f2，且第一透镜的右焦点与第二透镜的左焦点重合，此时公式(1)可以变为如下形式的公式(3)。

假设规定光片生成器的底角为4°，如果D、f2/f1分别为250μm和0.448，则可以得到Z_max为751μm，厚度小于100μm，宽度为250μm的光片。此时可以一次性刻写光纤中所有的纤芯。在光片生成系统之后设置倒置望远镜系统可以帮助设计任意长度和厚度的光片。对于刻写光纤光栅的而言，即可以任意调整光纤被光片照射的位置和大小，对于纤芯折射率变化的精确控制具有有益价值。

在其他实施例中，倒置望远镜系统还可以是其他的结构，本申请对此不做限定。

本申请还提供了一种计算机可读介质，用于存储计算机程序，该计算机程序包括用于执行前文的光栅光纤刻写方法的指令。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的各步骤的执行，可以基于前述产品实施例中的对应模块、单元和器件来实现，在此不再赘述。

应理解，本文中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的范围。

应理解，在本申请实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

1.一种光纤光栅刻写装置，其特征在于，包括至少一组激光系统和光片生成系统，以及位移台，其中，

所述激光系统用于发出用于刻写的光；

所述光片生成系统用于使所述光通过以形成光片，所述光片为片状光场，所述光片的厚度方向沿所述光纤的轴向，所述光片的宽度方向和长度方向形成的平面与所述光纤的径向横截面平行；

所述位移台用于装载并周期性移动所述光纤，使所述光纤曝光在所述光片下以完成所述光纤的光栅刻写。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少两组所述激光系统和所述光片生成系统，所述至少两组所述激光系统和所述光片生成系统被设置为均匀环绕所述光纤的径向横截面。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分束器和反射元件，经所述光片生成系统形成的光片被所述分束器分为多束后被所述反射元件反射到所述光纤上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述光片生成系统包括至少一个光片生成器，所述光片生成器基于超表面结构，所述超表面结构包括多个单元，每个所述单元包括基底和微纳结构，所述激光系统发出的所述光由所述基底入射后经过所述微纳结构的相位调控形成所述光片。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微纳结构的材料包括硅、氮化硅、锗、二氧化钛、石英玻璃、金、银、铜、液晶、氧化铟锡或铌酸锂中的至少一种。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述光片生成系统包括至少一个光片生成器，所述光片生成器为圆锥状光片生成器或三棱柱状光片生成器。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述光片生成系统包括至少一个光片生成器，所述光片生成器为衍射光学元件DOE。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述光片生成器的材料包括硅、氮化硅、锗、二氧化钛、石英玻璃、液晶、氧化铟锡或铌酸锂中的至少一种。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述光片生成系统包括至少三个光片生成器，所述至少三个光片生成器串行级联设置，包括可移动的第一光片生成器、位置固定的第二光片生成器和位置固定的第三光片生成器，所述光从所述第一光片生成器的底面入射，经所述第一光片生成器后入射到所述第二光片生成器的非底面上，所述第二光片生成器的底面与所述第三光片生成器的底面相对设置，使得所述光从所述第二光片生成器平行出射并平行入射所述第三光片生成器。

10.根据权利要求4至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述光片生成系统包括至少两个光片生成器，所述至少两个光片生成器并行级联设置，每个光片生成器形成一个独立的光片。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括在光路上位于所述光片生成系统之后的倒置望远镜系统。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述倒置望远镜系统包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜的右焦点与所述第二透镜的左焦点重合。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤为单模光纤、少模光纤、多模光纤、超模光纤或多芯少模光纤。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其特征在于，光栅刻写后所述光纤的纤芯区域的折射率分布为阶跃型分布、多阶跃型分布、渐变型分布或槽式渐变型分布。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制模块，用于控制所述激光系统发出所述光，或控制所述光片生成系统形成所述光片，或控制所述位移台周期性移动所述光纤。

16.一种光纤光栅刻写方法，其特征在于，所述方法由光纤光栅刻写装置执行，所述装置包括至少一组激光系统和光片生成系统，以及位移台，所述方法包括：

控制所述激光系统发出用于刻写的光；

使所述光通过所述光片生成系统并形成光片，所述光片为片状光场，所述光片的厚度方向沿所述光纤的轴向，所述光片的宽度方向和长度方向形成的平面与所述光纤的径向横截面平行；

控制所述位移台周期性移动所述光纤，使所述光纤曝光在所述光片下以完成所述光纤的光栅刻写。

17.一种计算机可读介质，其特征在于，用于存储计算机程序，所述计算机程序包括用于执行权利要求16所述的方法的指令。

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