CN1168982A - 在光波导中形成光栅的方法 - Google Patents

Abstract

一种在光敏光纤内写入布拉格光栅的方法和装置，包括具有精密可调节光收集和引导部件的干涉仪，将由紫外光照射的相位掩模作为干涉仪的光源。该干涉仪的可调节性允许所写的布拉格光栅滤除1275毫微米至1575毫微米范围内的波长，而合适的干涉仪部件每个仅需调节+/-0.75度。

Description

在光波导中形成光栅的方法

本发明涉及一种在光导纤维内形成布拉格(Bragg)反射光栅的方法，尤其涉及一种在光栅制作中采用可调相位掩模的方法。

自七十年代后期以来，光导纤维对具有某一波长和强度的光的敏感度已众所周知。人们发现，使具有给定波长和强度的光作用于光波导，可以永久地改变光导纤维的损耗特性和折射率。1993年4月出版的「BT Techno」第11卷，第2期上发表了Kashyap等人撰写的“光敏光纤和平面波导”一文，其中披露了这种效应以及如何利用该效应。该文的第2.1部分第150页讨论了由光引起的反射光栅的制作，并指出其折射率的变化量随着光波长从600nm减小到240nm而增大，在该波长光波导的光敏性呈现峰值。最初利用光敏性制成的光栅采用了光纤中的反向传输相干光束。所形成的干涉图形使波导折射率产生一种周期性的变化，它相当于布拉格反射光栅。Kashyap一文的第3部分第151页提供了对该光敏性作用的物理解释。

这种布拉格光栅可用作波长滤波器。光纤中的布拉格光栅将有选择地滤除波长为两倍于该光栅周期的传输光。由于采用光纤的系统可以进行波分复用，故非常希望能有形成用于一定波长范围的布拉格滤波器的方法和装置。此外，这种方法和装置必须是有效、经济、精密和简单的，以确保该方法的速度、可重复性和精确性。这样一种方法适合于可以批量生产对预选波长有效的窄带滤波器的生产环境，应用于复杂的系统例如采用波分复用通信信号的系统。

当然，也有大量的方法可以用反射光栅的滤波性能来产生信息。Glenn等人获得的第4725110号美国专利所讨论的应变计就是一个例子。

Glenn等人的第4725110号美国专利中所述的在光纤内形成光栅的方法示于该专利文献的图1。与上面提到的利用通过波导传输的光的方法不同，这里是通过从侧面照射光纤形成布拉格光栅的。此外，光栅的形成是利用干涉仪进行的。此种形成光栅的方法，其缺陷在于，如需要具有不同周期的光栅，就必须调整该干涉仪光源和光学元件的位置。而且，该专利所披露的干涉仪光源是由分束器出射的两束光。与相位掩模光源相比，分束器光源的效率、光的控制以及灵活性受到一定的限制。

1983年10至12月出版的《J.Vac.Sci.，B》第1卷第43期发表了Hawryluk等人的“通过组合使用多层镜与衍射光栅加倍远紫外空间频率”一文，其中第1202页的图3示出了一个干涉仪的基本配置，它将一个光栅作为该干涉仪的输入光源。该文的光栅形成方法或装置没有解决在光纤中形成具有不同周期之光栅的问题。

Anderson等人的第5327515号美国专利披露了利用透镜将光源对准相位掩模。由该相位掩模出射不同级的衍射，并通过第二透镜对准光纤，如该专利的图2所示。不同衍射级干涉而在光纤上产生条纹图形。该相位掩模光栅的周期是照射在该光纤上的条纹图形周期的整数倍。该整数取干涉的两级衍射图形中较高的一个。

由Anderson等人的上述专利方法所形成的光栅的锐度，因用以将条纹图形聚焦在光纤上的透镜的质量而受到限制。透镜吸收光，这样对光源就提出了更严格的要求。此外，所能得到的光栅周期数因光的强度随着衍射级的增加而迅速降低故受到了限制。

Anderson等人的第5327515号美国专利和Hill等人的第5367588号美国专利都提到了相位掩模的使用，它将至少两个相互具有不同周期的部分结合在一起，由此可采用单个相位掩模在光纤中形成至少两个具有不同周期的光栅。采用具有至少两个周期的相位掩模光栅所遇到的固有困难在于：相位掩模光栅较复杂，故难以精确地制造；而且，在光纤中形成的光栅的空间间隔因相位掩模的空间尺寸而受到限制。

因此，需要一种在光纤内形成光栅的方法和装置，它能：

利用单周期相位掩模在光纤内形成光栅，其中如此形成的光栅可以具有一个范围的周期；

形成具有清晰界定的折射率界面的波导光栅；以及

采用一种结构简单的调节光栅周期的装置，故在光栅制造中可以易于获得精密性。

定义

光纤光栅就是波导折射率沿波导长轴的周期性变化。

光敏性是某些玻璃成分与选定波长的光之间的相互影响，其中入射光改变了被照射玻璃的折射率或损耗特性。

侧面写入是在光纤内形成光栅的一种技术，其中使光在光纤的侧面上沿光纤长轴的一部分形成一种干涉图形。因光的干涉而产生的周期性的光强图形致使折射率沿着光纤长轴的一部分呈周期性的变化。

相位掩模实际上是一种传输衍射光栅。尤其是，本文中相位掩模是一种对所选范围的波长透明的材料，它形成一个具有一对平坦、平行和相对的侧面的平板，其中一个侧面上刻有一组周期性间隔的线。刻线的深度可以选择成使它提供一个是π的整数倍的相移，因此抑制零级衍射图形。此外，也可以利用位于相位掩模与光纤之间的光阑(beam stop)消除零级衍射图形。在沿着线性光栅任何一点离开相位掩模的发散光线的发散角可以用2ρ表征。

本申请的新颖方法和装置满足了人们对获得在光纤中形成精密光栅的方法的要求，该方法简单且该装置简单、牢固，由此可实际应用于制造业。

本申请的发明提供一种方法和装置，它采用一种大功率紫外光源，具有较短的相干长度，即大约300微米，连同相位掩模和可调干涉仪，在光纤内侧面写入光栅。可以用相干长度如10微米那样短的写入激光器有效地形成光栅。然而，在光栅可写入的长度及其对比度方面，相干长度较长的光源可提供更大的灵活性。可以采用倍频氩离子激光器的相干长度为10米的激光。

干涉仪的可调节性使其可调节在干涉平面上形成的干涉条纹的周期。光纤的长轴设置在干涉平面中并取向成使干涉平面中形成的干涉条纹与光纤长轴相交。

光纤玻璃的光敏性有效地沿着光纤的长轴复制或书写条纹图形。即，入射在光纤上的光在相长干涉条纹区域增大了折射率，而在相消干涉条纹区域的折射率保持不变。

因此，本发明的第一方面是一种在光纤内侧面写入布拉格光栅的方法。一相位掩模设置成接收来自一光源的光，并将该光衍射到干涉仪。该干涉仪的部件收集来自相位掩模的光，并引导光会聚，即重叠在称为干涉平面的一平面上。从相位掩模出射的光线具有小于或等于光源相干长度的光程差，使其在干涉平面上产生干涉条纹。由于该干涉仪的集光和引导部件可调节，故干涉图形可调节。尤其是，该条纹图形的周期可调节。这样，布拉格光栅就可以写入在光纤内，它用以从一个范围的波长中滤除一个波长或一个窄波段。

在紫外波长范围，即大约100毫微米至400毫微米范围的高强度、单色光源尤其适合于在以二氧化硅为基础的光纤内侧面写入光栅。然而，波长为600毫微米的光也可有效地在光纤内写入光栅。相干长度约为100微米的光源可以在光纤内产生一个具有足够长度的光栅，以提供效率大于99％的高效滤波。然而，大约10微米的相干长度就足以产生有用的光纤光栅。准分子激光器是一种优良的高强度紫外光光源，其相干长度一般约为300微米。准分子激光器可以具有大约10微米至2.5厘米的范围的相干长度。准分子激光器可以制成工作于几个波长，包括193毫微米、248毫微米以及351毫微米。

干涉仪的集光和引导部件可以选自透镜、棱镜、镜子及其组合。镜子为较佳，因为其效率高。此外，在干涉仪包括一对相对设置的可调节的镜子的情况下，也可以方便地调节条纹间距。调节量可以用图2所示镜子平面与相位掩模平面之间的夹角24来表示。

对于具有所需相干长度的典型的紫外光源，两个镜子之每个镜子相对初始角度90度调节大约+/-0.75度，就足以产生对大约1275毫微米至1575毫微米的波长范围有效的滤波器，这范围包括了分别位于1300毫微米和1550毫微米附近的两个重要的通信信号波长。这类滤波器可用单个掩模写入。应理解，通过选择具有合适周期的相位掩模，本发明可以写入用在不同的波长范围的光栅。例如，本发明可以写入用于500毫微米至1275毫微米范围的光栅，由此可以覆盖一部分重要的光纤通信波长范围。

当波长范围为1275毫微米至1575毫微米时，所写入光栅的周期从大约435毫微米变化到540毫微米。

相位掩模的一个实施例为一种扁平体，它由对紫外波长范围内的光透明的一种材料制成。在该扁平体的一个平坦表面内形成一组均匀间隔的凹槽，以提供一种光栅结构。为了消除零级衍射图形，可以采用光阑。作为该光阑的一种替换，可以选择凹槽的深度，便其乘以该基片的折射率等于π的整数倍，以消除零级衍射图形，如常规的相位掩模技术那样，其中该掩模基本上与光敏表面接触。

本发明的第二方面为一种在光纤上侧面写入布拉格光栅的装置，其中，该装置可调节以形成在一个波长范围有效的光栅，即具有一个预选周期的光栅。

该装置包括一个光源，它照亮一个相位掩模。光从该相位掩模出射成一阵列的发散光线。在光线路径内设置了用以收集和引导所述光线的光学装置，使光线重叠在空间中的各点处，这些点确定了称为干涉平面的一个平面。重叠的光线的光程差小于或等于相干长度，它们将在干涉平面上干涉，产生一个干涉图形。收集并引导从相位掩模出射的光的光学装置是可调节的，故干涉平面中各条纹之间的间距可以调节。该装置包括将光纤的长轴固定于干涉平面中的器件。通过上述任一种方法可以消除零级衍射。

在一个较佳实施例中，用以收集和引导从相位掩模出射的光的光学装置为一对相对相位掩模对称设置的镜子。这两个镜子安装成可绕枢轴旋转，使镜子平面与相位掩模平面之间的夹角可以改变，由此改变条纹图形中各条纹之间的间距。

为了形成在几百毫微米的波长范围内有效的光栅，每个镜子相对初始角度(通常选择为90度)至少必须有大约+/-0.75度的调节量。

一种较佳的光源为工作于大约100毫微米至400毫微米的紫外波长范围的准分子激光器。采用紫外准分子激光器光源，每个镜子角度大约为0.75度的对称变化将产生大约435毫微米至540毫微米范围内的条纹间距变化。

以下将结合附图讨论本发明的上述和其它的方面。

图1a表示新颖侧面写入装置的基本部件。

图1b表示在干涉平面中的一根光纤，干涉条纹叠合在其上。

图2表示镜子的可调节性。

图3表示在相位掩模内形成的光栅。

该新颖的方法结合使用了一个简单的干涉仪与相位掩模，以在光纤中侧面写入具有预选周期的布拉格光栅。光栅周期通过干涉仪中可绕枢轴旋转的部件而调节。应理解，除了光纤外，该方法也可用于在光敏玻璃物体内侧面写入光栅。这种物体的例子为平面波导或诸如分束器的平面结构。

由于除了可绕枢轴旋转的部件外干涉仪的各个的部件都是固定的，故该方法可牢靠地应用于制造业。还需要将波导定位于干涉平面内的装置。这种装置包括安装在精密平移平台上的真空吸盘，在光纤领域是众所周知的。将一个物体的轴保持在应有的位置上，并使该物体精确地绕该轴旋转的技术在机械领域是众所周知的。

该方法与装置之间的紧密关系，是由于对光栅结构锐度的要求，即对亮暗条纹之间的锐度或对比度的要求，以及要求用非常稳定的装置，即实际上为固定设置的装置来制得一定范围周期的光栅而引起的。干涉现象提供了波导被照亮与未照亮部分之间的锐度。光源与干涉仪的光收集和引导部件之轴的固定设置，确保了装置的稳定性和可靠性以及在所制光栅周期方面的灵活性。

图1a表示该装置的基本部件。光源2引导光束至相位掩模4。用以收集和引导来自相位掩模之光的部件是图中的平面镜10。然而，这些部件显然也可以是其它单一或组合的用以收集和引导光的光学器件，诸如棱镜、透镜、非平面镜或它们的组合。由于镜子使干涉仪的结构简单和可靠，故以用镜子为较佳。部件10引导多重光线8重叠在干涉平面12上，在该处光线干涉产生一条纹图形。长度26表示条纹图形的线性尺寸。角度6是离开相位掩模的光束的半角。可任选的光阑11也示于图中。

图示装置位于初始位置。即，平面镜10与相位掩模4之间的角度14图示为90度。条纹图形的长度，即长度26对于估价由该条纹图形用光在波导内形成的光栅的滤波性能是很重要的。如果长度26太短，该滤波性能不足以满足特定的系统要求。然而，光栅长度为几个毫米，滤波效率就可能超过99％，而这样的长度完全能由本发明的装置获得。

图1b示出其长轴20位于干涉平面12内的光纤18。条纹22投射在波导上，由此通过光敏效应沿着波导轴产生周期性的折射率变化。波导中接收亮的条纹的位置折射率增大，而基本上未接收光的位置则保持不变。这样，干涉条纹可有效地在光纤内写入一种布拉格反射光栅。

图2示出的新颖装置表示干涉仪的光收集和引导部件绕轴旋转的特征。如图示情况，每个平面镜绕着固定于该平面镜一个边缘、并与图的平面垂直的轴而旋转。旋转的角度标示为24。随着旋转角度24的增大，干涉平面内条纹图形28的长度则减小。条纹图形长度以及由此在波导中由光形成的光栅长度，完全可满足这里所述的布拉格滤波器的要求。

实例-覆盖1275毫微米至1575毫微米波长窗口的布拉格光栅

将相干长度约为300微米中心波长为248毫微米的准分子激光器连同图2所示的装置，用以在光纤芯中侧面写入光栅。选择相位掩模光栅间隔和干涉仪的参数，将图2所示的角度24设置为等于0，以在干涉平面中产生一个周期为1425毫微米/2(1.46)＝488毫微米的条纹图形，其中1.46为二氧化硅的折射率。此种构造的装置可在光纤芯上写入适合于滤除1425毫微米的光的布拉格光栅。写在光纤内的光栅的空间周期与相位掩的模近场条纹图形周期相同。通过将两个镜子的角度24对称地改变0.75度，可以将适合于滤除1575毫微米的光的光栅写在光纤芯上。通过将两个镜子的角度24对称地改变-0.75度，可以写入用以滤除1275毫微米的光的光栅。对于图示的装置，正角度变化是指绕着各自的轴顺时针旋转右侧镜子以及逆时针旋转左侧镜子。

这样，例举的装置角度24作很小改变，就可写入能滤除1275毫微米至1575毫微米波长范围内所选择的任何波长的布拉格光栅。这一发现至少从两个理由来看是具有优点的。第一，在部件必须移动一个非常精密和可重复量的条件下一般当其运动距离相对较小时，可以获得更好的机械精度和精密度。第二，在所需角度24最大时，干涉平面中的条纹图形长度仍相当的大。对于该例构造的装置，角度24设置在较大值时制得的布拉格光栅，即适合于滤除1575毫微米的光的光栅在光纤内可以有大于2厘米的长度。

该光栅长度可以用通用公式计算：

2d＝21cos(ρ-2γ)/tan(2γ)，

其中，2d为图2中的条纹图形长度28，ρ为图2所示的半角6，γ为图2所示的角度24，1为光源的相干长度，对于本例所用的准分子激光器光源它约为300微米。

图3中的标号36表示一个典型的相位掩模。其凹槽的宽度32等于两凹槽之间台阶30的宽度。凹槽的深度34乘以基片的折射率可以令其等于π的整数倍，以提供相消干涉的零级衍射图形。

本发明的其它实施方式对于本领域的熟练人员而言将是显然的。例如，镜子的旋转枢轴不一定位于镜子的边缘。而且，可以采用镜子以外的其它可调节的干涉仪部件。

尽管以上披露和描述了本发明的具体实施例，然而本发明仅仅由所附的权利要求书所限定。

Claims (10)

1.一种在光敏光纤内侧面写入光栅的方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)放置一个相位掩模，它具有平坦且相互平行的第一和第二侧面，在第一侧面上接收来自光源的光，所述光经所述相位掩模衍射并从第二侧面出射成一阵列的发散光线，所述相位掩模的第二侧面设置为干涉仪的光源，其中该干涉仪使所述光线重叠并在干涉平面中形成干涉条纹图形，该干涉仪具有可调节的光学部件以改变干涉平面中条纹间的间距；

(b)调节所述的光学部件以得到预选的条纹间距，其中，所述光学部件包括消除零级衍射的装置；以及

(c)将光纤的长轴放置在干涉平面中，使干涉条纹图形沿该长轴入射在光纤上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，来自该光源的光具有至少为10微米的相干长度，和/或来自该光源的光的波长为大约100毫微米至600毫微米的范围，或该相干长度为10微米至10米的范围，或该光源的相干长度约为100微米且该光源的波长范围为大约100毫微米至400毫微米。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可调节的光学部件为两个平面镜，每个平面镜与相位掩模之间的夹角可调节，或该夹角初始为90度并可以调节至少+/-0.75度，或相邻条纹上相应各点之间的间距可以从约435毫微米调节到约540毫微米。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述消除零级衍射图形的装置为相位掩模，该掩膜包括基片以及其中形成的周期性间距的凹槽，每个凹槽具有一个深度，每个深度乘以该基片材料的折射率选择为π的整数倍。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述消除零级衍射图形的装置为光阑。

6.一种在光敏光纤内侧面写入具有预定周期之光栅的装置，其特征在于包括：

光源；

相位掩模，固定以接收来自所述光源的光并发射该光成为一阵列的发散光线；

用以消除零级衍射图形的光学部件；

用以交截和改变发散光线的方向，使之重叠于限定一个干涉平面之空间中的一连串点上的光学装置，这些重叠的光线使干涉条纹图形形成于干涉平面上，所述光学装置是可调节的，因而干涉条纹之间的间距是可调的；

使光纤的长轴固定定位于干涉平面中，以使该干涉图形沿着该长轴入射在光纤上的装置。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述交截和改变发散光线方向的光学装置为相对所述相位掩模对称设置的一对平面镜，各个平面镜与所述相位掩模之间形成一个夹角，该角度可绕90度的中心值调节，其中所述夹角的调节量可选择为至少+/-0.75度。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，当每个夹角在-0.75度与0.75度之间呈对称变化时，各条纹之间的间距可从约435毫微米变化到约540毫微米。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该光源的波长为大约100毫微米至600毫微米范围。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，该光源为准分子激光器，所述准分子激光器相干长度为大约10微米至2.5厘米的范围，或其波长为大约100毫微米至400毫微米的范围且相干长度为大约100微米。

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