CN114265142A - 一种提高超窄带光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高超窄带光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法，通过控制位移平台的移动速度来控制光斑的移动速度，对光纤折射率进行调制，达到切趾补偿的效果，并考虑刻写过程中紫外辐照的不均匀分布，来对切趾过程进行修正，补偿光斑不均匀性或调节误差造成的影响，达到光栅光谱高边模抑制比和高矩形度的要求。

Description

一种提高超窄带光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅，特别是一种用于刻写光学滤波器用超窄带光纤光栅，提高窄带光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法。

背景技术

超窄带光学滤波器作为光信号处理的关键器件，在微波光子学、相干通信和密集波分复用等领域有着重要的用途。随着微波光子学领域的飞速发展，以及对光信号处理的精细化要求越来越高，因此对于光学滤波器的性能参数也提出了更高的要求。为了降低主峰信号与其他信道的串扰和带宽内信号的失真，就需要超窄带光学滤波器的通带平坦度要足够高，通带的边模抑制比既要非常高，也必须陡峭，这样才能达到最佳的使用效果。

光纤布拉格光栅(FBG)作为全光纤化的关键无源器件，在光纤光学领域有着多种用途，同时也是一种常见的带通光学滤波器。相移光纤光栅(PS FBG)和法布里-珀罗光纤光栅(F-P FBG)由于其在光栅反射带宽内有一个或者多个透射窗口，这些透射窗口的带宽可达100MHz以下，可以得到超窄的滤波通带。但是这两种滤波器的频率响应为洛伦兹线型或准洛伦兹线型，达不到超窄带光学滤波器所需的高矩形度要求。窄带均匀光纤光栅也可以作为一种光学滤波器，如果要得到超窄的带宽，则需要刻写的栅区长度非常长，达到5cm，甚至10cm以上。同时还需要对光栅进行切趾，来减小光栅的旁瓣，降低时延振荡。但是由于刻写工艺和误差，长栅区长度的光纤光栅切趾效果并不好，很难达到要求的高边模抑制比。

目前光纤光栅切趾主要有几种方法：一是利用切趾相位掩模板法，这个方法简单方便，但是使用起来不灵活，切趾函数和栅区长度固定，需要改变栅区长度则需要购买不同的相位掩模板，成本很高；二是利用变迹切趾板法，这种方法常用于准分子激光器紫外刻写，通过变迹切趾板的切趾函数预先对紫外光斑进行整形，但是这种方法刻不同的光栅需要经常更换切趾板，也不是很灵活；三是利用逐点扫描法，在扫描通过不同栅区位置，利用压电晶体控制相位掩模板的抖动幅度，来改变光纤折射率变化达到切趾效果，但是这种受限压电晶体本身的精度和材料特性，控制精度相对比较低，而对环境操作要求比较高，远远无法达到窄带光学滤波器要求的高边模抑制比和矩形度的要求。

此外，在上述几种方法刻写切趾光栅的过程中，都没有考虑到紫外光束辐照不均匀的影响。实际上紫外激光辐照的不均匀是经常遇到的，比如紫外光斑不均匀，或者刻写误差等因素，导致了非有意的切趾。由此产生的本底辐照使布拉格波长在光栅长度方向呈非均匀分布，后续无论哪种切趾方法，都达不到预期的效果，影响光学滤波器的性能。特别是长栅区的超窄带光纤光栅，其误差的影响更大。

因此，亟需一种能消除紫外辐照不均匀或调节误差造成切趾效果不好的影响，提高超窄带光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种消除紫外辐照不均匀性或调节误差造成切趾效果不好的影响，提高超窄带均匀光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种提高超窄带光纤光栅边模抑制比和矩形度的方法，包括以下步骤：

S1.考虑紫外辐照不均匀的因素，通过直接测量光纤不同位置受到辐照的光功率，得到由于紫外辐照不均匀造成的本底辐照不均匀分布，计算拟合出紫外辐照不均匀函数F(z)。再通过紫外辐照不均匀函数F(z)对切趾函数f(z)进行修正，得到修正后的切趾函数f′(z)和修正后的补偿函数ff′(z)，

f′(z)＝f(z)/F(z)，ff′(z)＝(1-f(z))/F(z)。

本发明所述的切趾函数f(z)，指通常采用并不限于如下函数：Gauss函数、tanh函数、sinc函数等。

S2.通过修正后的切趾函数f′(z)和修正后的补偿函数ff′(z)来设定高精度位移平台移动的切趾速度v₁(z)和补偿速度v₂(z)，z为高精度位移平台移动的某一个位置点，切趾速度v₁(z)＝v₀/f′(z)，补偿速度v₂(z)＝v₀/ff′(z)，v₀为常数，跟刻写时间与光纤折射率调制深度有关。

S3.构建与调整光路：让紫外光斑经由固定安装在高精度位移平台上的反射镜反射，打在相位掩模板上，经相位掩模板干涉后照射在掩模板后面的光纤上；

光斑一开始照射到光纤上，高精度位移平台以切趾速度v₁(z)带动反射镜和光斑沿光纤长度方向移动，并确保长距离移动时光斑都照射在光纤上。光纤不同位置的速度不同，可以改变不同位置光纤的折射率调制。

去掉相位掩模板，使紫外光斑直接通过反射镜打在光纤上，同时高精度位移平台以补偿速度v₂(z)带动反射镜和光斑沿光纤长度方向移动同样的位置和距离。即完成了整个光栅刻写切趾补偿的过程。

实施上述方法的刻写长栅区超窄带宽均匀光纤光栅的装置，包括紫外激光器、小孔光阑、反射镜、高精度位移平台、相位掩模板，以及待刻写的光纤构成。

所述的紫外激光器为高重频点光源紫外固体激光器，所述的反射镜安装在高精度位移平台上，紫外光斑经反射镜反射，随高精度位移平台沿光纤长度方向移动，并保持移动过程中，光斑都照射在相位掩模板后面的光纤上。所述的待刻写的光纤，经紫外光斑照射的长度即为光栅的栅区长度，刻写长度与高精度移动平台的移动距离相关，可以刻写任意长度，特别是超窄带光纤滤波器用的超长栅区窄带光纤光栅。

用于紫外激光器逐点扫描法刻写超窄带均匀布拉格光纤光栅，紫外激光器发出的紫外光斑经反射镜照射到相位掩模板后面的光纤上，反射镜安装在高精度位移平台上，通过控制软件程序控制光斑移动速度来对光纤折射率进行调制，达到切趾补偿的效果，并考虑刻写过程中紫外辐照的不均匀分布，来对切趾过程进行修正，补偿光斑不均匀性或调节误差造成的影响，达到光栅光谱高边模抑制比和高矩形度的要求。

本发明的技术解决方案，针对紫外激光辐照不均匀，比如紫外光斑不均匀，光斑照射不均匀等情况下，对上述光栅切趾过程进行优化。紫外光辐照的不均匀，通常是中部高的凸状分布，从而引起折射率本底和折射率调制沿光栅长度方向的不均匀分布。将这种不均匀分布代入到正常的切趾函数中，形成一个新的修正后的切趾补偿函数，通过高精度位移平台改变刻写速度来实现对光栅进行切趾补偿效果。

本发明具有以下优点：通过在高精度位移平台软件控制刻写扫描速度时，将紫外光斑不均匀性考虑进切趾函数中，得到一个优化后的全新切趾函数，来消除刻写不均匀分布造成的影响，提高切趾效果，即提高了光栅的边模抑制比和光谱矩形度。同时这种方法适用于各种栅区长度，各种不均匀性的光斑分布，每次刻写只需修改相应的高精度位移平台的移动距离和移动速度，即可完成光栅切趾过程，方案简单易行。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不应该以此限定本发明的保护范围。

本发明整体光路结构，如图1所示，包括紫外固体激光器1、小孔光阑2、反射镜3、高精度位移平台4、相位掩模板5，以及待刻写的光纤6构成。用于紫外激光器1逐点扫描法刻写超窄带均匀布拉格光纤光栅，紫外激光器1发出的紫外光斑7经小孔光阑2，再经反射镜3照射到相位掩模板5后面的光纤6上，反射镜3安装在高精度位移平台4上，通过控制位移平台的移动速度来控制光斑的移动速度，对光纤折射率进行调制，达到切趾补偿的效果，并考虑刻写过程中紫外辐照的不均匀分布，来对切趾过程进行修正，补偿光斑不均匀性或调节误差造成的影响，达到光栅光谱高边模抑制比和高矩形度的要求。

本实施具体步骤如下：

S1：根据折射率分布公式，正常切趾过的布拉格光栅的折射率分布表示为

为本底折射率，f(z)为切趾函数。当存在紫外辐照不均匀时，本底辐照使布拉格波长在光栅长度方向呈非均匀分布

折射率本底

F(z)即为紫外辐照不均匀分布函数。通过直接测量光纤不同位置受到辐照的光功率，得到由于紫外辐照不均匀造成的本底辐照不均匀分布，计算拟合出紫外辐照不均匀函数F(z)。再通过紫外辐照不均匀函数F(z)对切趾函数f(z)进行修正，得到修正后的切趾函数f′(z)和修正后的补偿函数ff′(z)，f′(z)＝f(z)/F(z)，ff′(z)＝(1-f(z))/F(z)，(切趾函数f(z)一般可以采用Cuass函数或者sinc函数)。

S2.通过修正后的切趾函数f′(z)和修正后的补偿函数ff′(z)来设定高精度位移平台移动的切趾速度v₁(z)和补偿速度v₂(z)，z为高精度位移平台移动的某一个位置点，切趾速度v₁(z)＝v₀/f′(z)，补偿速度v₂(z)＝v₀/ff′(z)，v₀为常数，跟刻写时间与光纤折射率调制深度有关，从而实现光栅栅区有着规律平滑的折射率调制。

S3：设置高精度位移平台的移动距离和速度v₀，让高精度位移平台先按切趾速度v₁(z)移动，在高精度位移平台4开始移动的同时，开启紫外激光器1，让紫外激光器1发出的光斑7经过小孔光阑2、再经固定安装在高精度位移平台4上的反射镜3反射90°，照射在相位掩模板5后面的待刻写的光纤6上，高精度位移平台4带着反射镜使光斑沿光纤长度方向移动，移动结束的同时关闭紫外激光器，移动距离即为光栅刻写的长度。

S4：再去掉相位掩模板5，让高精度移动平台按补偿速度v₂(z)再次移动位移平台，并同时开启紫外激光器1进行二次曝光，移动的起始位置和结束位置同上一遍一样，两遍曝光结束，即完成光栅刻写切趾补偿的过程。

实验结果表明，优化后的光栅边模抑制比和光谱矩形度大大提高，能满足窄带光学滤波器的性能要求。

Claims (4)

1.一种提高超窄带均匀光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1.将切趾函数f(z)进行修正，得到修正后的切趾函数f′(z)和修正后的补偿函数ff′(z)；

S2.通过修正后的切趾函数f′(z)和修正后的补偿函数ff′(z)来设定高精度位移平台移动的切趾速度v₁(z)和补偿速度v₂(z)，z为高精度位移平台移动的某一个位置点。

2.根据权要求1所述的提高超窄带均匀光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法，其特征在于，所述步骤S1通过紫外辐照不均匀函数F(z)对切趾函数f′(z)和补偿函数ff′(z)进行修正，即

f′(z)＝f(z)/F(z)，ff′(z)＝(1-f(z))/F(z)。

3.根据权要求1所述的提高超窄带均匀光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法，其特征在于，还包括：

步骤S3.构建与调整光路：

让紫外光斑经由固定安装在高精度位移平台上的反射镜反射，打在相位掩模板上，经相位掩模板干涉后照射在掩模板后面的光纤上；

光斑一开始照射到光纤上，高精度位移平台以切趾速度v₁(z)带动反射镜和光斑沿光纤长度方向移动，并确保长距离移动时光斑都照射在光纤上，v₁(z)＝v₀/f′(z)，v0为常数，跟刻写时间与光纤折射率调制深度有关；

去掉相位掩模板，使紫外光斑直接通过反射镜打在光纤上，同时高精度位移平台以补偿速度v₂(z)带动反射镜和光斑沿光纤长度方向移动同样的位置和距离，v₂(z)＝v₀/ff′(z)。

4.根据权要求2所述的提高超窄带均匀光纤光栅边模抑制比和光谱矩形度的方法，其特征在于，所述的紫外辐照不均匀函数F(z)，是通过直接测量光纤不同位置受到辐照的光功率，计算拟合得到由于紫外辐照不均匀造成的本底辐照不均匀分布。

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