CN1174282C - 生产长周期光纤光栅的设备 - Google Patents

Abstract

一种生产长周期纤维光栅的设备，包括：激光源(200)；调节激光源(200)产生的激光焦点的第一透镜(204)；发散通过第一透镜(204)的发散激光的发散部分(206)；校准发散激光的第二透镜(208)；和用来周期性把被第二透镜(208)校准的激光传递到光纤的合成振幅屏蔽罩(210)，其中，光纤芯的折射率被已通过合成振幅屏蔽罩(210)的激光周期性地改变。通过调节到达光纤的激光束的尺寸控制长周期纤维光栅的耦合带宽。通过调节两个振幅屏蔽罩的旋转角控制产生耦合波长，这样容易产生所需光传递波谱。

Description

生产长周期光纤光栅的设备

技术领域

本发明涉及一种生产长周期光纤光栅的设备。

背景技术

典型的长周期光纤光栅，是将光通过光纤芯的芯线模耦合到包层模的元件，非常适合于铒掺杂的纤维放大器(EDFA)的增益矫平。长周期光纤光栅是通过周期改变对紫外光线(UV)敏感的光纤芯的折射率而形成的。也就是说，暴露到UV的光纤部分折射率增加，没有暴露到UV的光纤部分折射率不变，这样光纤的折射率周期性改变。耦合经过光纤芯的光的条件表示在下面的方程1中：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{co}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}^n=\frac{2\mathrm{\Π}}{\mathrm{\Λ}}\·\·\·\left(1\right)$

其中β_co是芯线模的传播常数，β_cl ⁿ是第n包层模的传播常数，Λ是光栅周期。

在方程1中，当用2πn/Λ(这里，n代表折射率)代替β，芯线模和包层模的折射率(n_co-n_cl)的差就变为λ/Λ。因此，就必须测定周期Λ和折射率的差(n_co-n_cl)以将一定的波长耦合到包层模上。可以通过在对UV敏感的光学纤维适当照射一定的UV激光得出折射率差。

在制造长周期纤维光栅的步骤中，首先，激光通过圆柱型透镜并射到一个与振幅屏蔽罩相连的光学纤维上。振幅屏蔽罩具有一个结构，在其中激光通过的面积与激光没有通过的面积相互交替。光纤芯的折射率通过通过振幅屏蔽罩的激光周期性地改变，借此形成长周期纤维光栅。

这里，对振幅屏蔽罩而言具有精确的周期是很重要的。通过使用几种方法使振幅屏蔽罩具有精确的周期。其中的一个方法是在转换阶段安装单个裂缝后照射激光，并按照一个所需的周期移动狭缝或光纤。

这一方法具有能获得精确的周期的优点，并且周期可以控制。然而，这一方法具有的缺点在于，当周期改变时，代表光通过的面积与光没有通过的面积的比率的占空系数不是恒定的，因为狭缝宽度是固定的。另外，这一方法耗时，因为折射率的改变是逐点进行的，不能有效使用大束激光。而且，需要一个昂贵的转换阶段。

屏蔽罩周期也可以通过在二氧化硅上制作一个图案然后用铬掺杂图案而制作一个屏蔽罩的方法达到，但屏蔽罩的制作过程是复杂和需要许多成本的。由于周期是固定的，一个屏蔽罩只能设计为一个光传递光谱。在此种情况下，破坏的阈值功率非常低，这样就不能有效使用具有高输出功率的激发物激光。

或者，通过使用多狭缝的方法精确制作屏蔽罩周期。这是一种同时向光栅形成的整个部分照射的方法。在此方法中，制备屏蔽罩的步骤简单，只需少量的成本。然而，当激光被加工时产生±5μm的误差，这样很难准确设计波谱。同前面的方法相似，在此方法中周期也固定，这样能设计的波谱数就很有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种制作长周期纤维光栅的设备，使用该设备通过调节激光束的尺寸，包括一个用以发散入射光的发散部分，一个校准发散光的圆柱型透镜和一个具有可控周期的合成振幅的屏蔽罩来控制长周期光栅的周期。

因此，为了达到上述目标，本发明提供一种生产长周期纤维光栅的设备，设备包括：一个激光源；一个调节激光源产生的激光焦点的第一透镜；一个发散通过第一透镜的发散激光的发散部分这样激光束的尺寸就被加宽；一个校准发散激光的第二透镜；和一个用来周期性把被第二透镜校准的激光传递到光纤的合成振幅屏蔽罩，其中，光纤芯的折射率被已通过合成振幅屏蔽罩的激光周期性地改变。为了达到上述目标，本发明还提供一种生产长周期光栅的设备，包括：一个激光源；一个调节激光源产生的激光焦点的第一透镜；一个发散通过第一透镜的发散激光的发散部分这样激光束的尺寸就被加宽；一个校准发散激光的第二透镜；和一个用来周期性把被第二透镜校准的激光传送到在传输区域周期中的光纤的合成振幅屏蔽罩，一个控制合成振幅屏蔽罩旋转角的控制单元这样在所需的波长产生测定过的耦合峰值，其中，合成振幅屏蔽罩的传输区域周期通过旋转两个振幅屏蔽罩测定，每个振幅屏蔽罩都通过预先确定在相反方向的角度，交替传递激光的传输区域和激光不通过的非传输区域而形成。

附图说明

参照附图，通过详细描述其中的一个优选的实施方案，上述目的和本发明的优点将变得更加明显：

图1是根据本发明举例说明的长周期纤维光栅制造设备的框图。

图2A示出图1的合成振幅屏蔽罩的元件。

图2B示出合成振幅屏蔽罩。

图3A、3B、3C和3D示出在图2A和2B表示的振幅屏蔽罩的周期。

图4是表明根据振幅屏蔽罩旋转角振幅屏蔽罩的周期的变化。

图5A和5B表明的是当两个振幅屏蔽罩分别旋转到0°和10°长周期光栅的光传递波谱。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的的长周期纤维光栅制作设备包括一个紫外(UV)激光源200、一个镜子202、一个第一圆柱型透镜204、一个发散部分206、一个第二圆柱型透镜208、一个合成振幅屏蔽罩210、一个狭缝212、一个光纤214、一个光源216、一个测量单元218、和一个控制单元220。

镜子202反射UV激光源200产生的UV激光并改变UV激光的路径。第一圆柱型透镜204控制其路径被镜子202改变的激光的焦点。发散部分206发散其焦点被第一圆柱型透镜204调节的激光。第二圆柱型透镜208校准通过发散部分206的激光。合成振幅屏蔽罩210选择性通过经第二圆柱型透镜208的激光。狭缝212使得通过合成振幅屏蔽罩210的激光仅仅照射到要形成长周期光栅的部分。经过狭缝212的激光照射到光纤214。测量单元218测定通过光纤214的光的特性。控制单元220根据由测量单元218测定的耦合峰值控制合成振幅屏蔽罩210的周期。

这里，耦合峰值意味着通过将每一波长的芯线模耦合到在长周期光栅中的包层模使消光比达到最大。

在操作具有这种配置的设备中，镜子202把由UV激光源产生的入射激光90°反射并改变激光的途径。第一圆柱型透镜204调节激光的焦点，这样焦点位于光纤214上。

发散部分206发散已通过第一圆柱型透镜204的激光以放大激光束的尺寸。优选使用凹透镜作为发散部分206。假如激发物激光的激光束是矩形的，其最大尺寸是10×30mm。实际上，可以用长度约20mm的均匀强度的激光束制作光栅。因此，光束的尺寸必须被放大以调节光栅的长度。

第二圆柱型透镜208校准发散光。第二圆柱型透镜208的焦点必须与用来校准发散光的发散部分206一致。这里，第二圆柱型透镜208的长度必须与要生产的长周期纤维光栅一样长。

合成振幅屏蔽罩210选择性传递从第二圆柱型透镜208发出的平行入射光。狭缝212的宽度与光栅长度一样长。当通过狭缝210和合成振幅屏蔽罩210的光被照射到光纤214上，测量单元218根据由光源216产生并通过光纤214的激光的波长测量耦合峰值。这时，光纤214优选是UV光敏感纤维。

控制单元220通过调节合成振幅屏蔽罩210的旋转角控制耦合峰值波长和消光比，这样，长周期纤维被根据测量的耦合峰值耦合在预定的波长。

图2A表明形成图1合成振幅屏蔽罩210的一个元件。图2B表明用于本发明的合成振幅屏蔽罩。在图2B中，在图2A表示的两个振幅屏蔽罩彼此叠加并以预先确定的角度在相反的方向旋转。图2A的振幅屏蔽罩是金属基质300，厚约0.2mm，由在100μm到999μm的周期传递光的传输区域302和非传输区域304组成。例如，金属基质300是不锈钢材料。传输区域302通过使用二氧化碳激光、通过化学蚀刻或通过其它方法处理。金属基质300的使用去除了因破坏阈值功率造成的限制，这样就能用高功率的UV激光作为光源。传输区域302传递激光，借此光波导的折射率增加。非传输区域304，是金属部分，阻挡UV激光。

图2B的合成振幅屏蔽罩是通过将在图2A中示出的两个振幅彼此叠加而制出的，将两个振幅屏蔽罩在旋转夹具上固定(没有示出)，并在相反方向精确旋转振幅屏蔽罩α°，参考标号306表示光纤或光波导的方向，参考标号308和310表示已经旋转α°的第一和第二基质，参考标号312是激光通过的区域，参考字符Λ表示合成振幅屏蔽罩的周期，参考标号300表示基质。

在图2B示出的合成振幅屏蔽罩的周期(Λ)由下面方程2根据旋转角(α)测定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{2{\mathrm{\Λ}}_0\cos \mathrm{\α}}{\sin 2\mathrm{\α}}\·\·\·\·\left(2\right)$

其中，Λ₀表示在图2A示出的振幅屏蔽罩的周期。

图3A、3B、3C和3D表示当在每一个振幅屏蔽罩下安装一张热敏纸并旋转屏蔽罩时产生的周期。图3A和图3B表明在图2A示出的振幅屏蔽罩周期，图3C表明旋转角(α)45°的合成振幅屏蔽罩的周期，图3D表示当两个与图2A示出的相同的振幅屏蔽罩各旋转a°和b°时的周期。

图4是表明合成振幅屏蔽罩周期对合成振幅屏蔽罩旋转角的变化图。表1表示的是取决于旋转角的合成振幅屏蔽罩旋转角和合成振幅屏蔽罩周期。合成振幅屏蔽罩的周期是420.0μm。

              表1

旋转角(°)	屏蔽罩周期(μm)
		0	420.0
5	421.6
		10	426.5
15	434.8
		20	447.0
25	463.4
		30	485.0
35	512.7
		40	548.3
45	594.0
		50	653.4
55	732.2
		60	840.0
65	993.8
		70	1228.0

图5A和图5B表示当具有420μm周期的两个振幅屏蔽罩各旋转0°和10°时，具有相同的消光比的长周期纤维光栅的光传递波谱。图5A和5B的耦合波长各为1495nm和1512nm。

根据本发明，能通过调节到达光纤的激光束的尺寸，控制长周期纤维光栅的耦合带宽。通过调节振幅屏蔽罩的旋转角控制要耦合的波长，这样很容易产生所需的光传递波谱。另外，可以不需昂贵的设备调节振幅屏蔽罩的周期，这样同周期固定的现有技术相比很容易获得连续峰波长。

Claims (8)

1.一种制造长周期纤维光栅的设备，其特征在于，包括：

一个激光源(200)；

一个调节激光源(200)产生的激光焦点的第一透镜(204)；

一个发散通过第一透镜(204)的发散激光的发散部分(206)，这样激光束的尺寸就被加宽；

一个校准发散激光的第二透镜(208)；和

一个用来周期性把被第二透镜(208)校准的激光传递到光纤的合成振幅屏蔽罩(210)，

其中，光纤芯的折射率被已通过合成振幅屏蔽罩的激光周期性地改变，合成振幅屏蔽罩(210)包括两个振幅屏蔽罩，在每个屏蔽罩中传递激光的传输区域(302)和激光不通过的非传输区域(304)相互交替，两个振幅屏蔽罩在相同的角度以相反的方向旋转，从而调节激光通过的传输区域的周期。

2.权利要求1的设备，其特征在于，发散部分(206)是凹透镜。

3.权利要求1的设备，其特征在于，第二透镜(208)是圆柱型透镜，其长度与长周期纤维光栅的长度相同。

4.权利要求1的设备，其特征在于，两个振幅屏蔽罩由金属制成。

5.权利要求1的设备，其特征在于，还包括一个旋转夹具，在其上固定有两个振幅屏蔽罩并在相同角度以相反方向旋转。

6.权利要求1的设备，其特征在于，合成振幅屏蔽罩(210)的周期(Λ)由下面方程测定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{{2\mathrm{\Λ}}_0\cos \mathrm{\ρ}}{\sin 2\mathrm{\θ}}$

其中，Λ₀表示每个振幅屏蔽罩的周期，θ代表两个振幅屏蔽罩在相反方向旋转的角度。

7.权利要求1的设备，其特征在于，在第二透镜(208)和振幅屏蔽罩(210)之间还包括一个宽度与所需的长周期纤维光栅长度相等的狭缝(212)。

8.一种生产长周期光栅的设备，其特征在于，包括：

一个激光源(200)；

一个调节激光源(200)产生的激光焦点的第一透镜(204)；

一个发散通过第一透镜(204)的发散激光的发散部分(206)这样激光束的尺寸就被加宽；

一个校准发散激光的第二透镜(208)；

一个用来周期性把被第二透镜(208)校准的激光传送到在传输区域周期中的光纤的合成振幅屏蔽罩(210)；

一个测量在光纤上由已经过合成振幅屏蔽罩(210)的激光形成的长周期纤维光栅耦合峰值的测量单元(218)；和

一个控制合成振幅屏蔽罩(210)旋转角的控制单元(220)，这样在所需的波长产生测定过的耦合峰值，

其中，合成振幅屏蔽罩的传输区域周期通过旋转两个振幅屏蔽罩测定，每个振幅屏蔽罩都通过预先确定在相反方向的角度，使传输激光的传输区域(302)和不通过激光的非传输区域(304)交替相间而形成。

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