CN1175292C - 变迹光纤光栅制造设备 - Google Patents

Abstract

变迹光纤光栅制造设备包括：紫外激光器；分束器；多个反射镜；相位掩模，它让反射的光束通过，以便以预定的周期在光纤内形成光栅；第一遮断装置，它位于相位掩模和反射镜之一之间，逐渐遮断两束光束之一，使之不能从一个方向投射在光纤上而向形成的光栅提供变迹；相对于光纤位于第一遮断装置对面的第二遮断装置，它逐渐遮断另一束光束，使之不能从另一个方向投射在光纤上，于是向形成的光栅提供变迹，使得在整个光栅上平均折射率的变化是恒定的。

Description

变迹光纤光栅制造设备

本申请要求对1999年7月2日在韩国产权局提交的并被赋予序号No.99-26671的题为“变迹光纤光栅制造设备”的申请的优先权，其内容附此作参考。

本发明一般地涉及光纤光栅，详细地说，涉及变迹光纤光栅的制造设备。

随着WDM(波分多址)系统数据传输能力的增大，信道间距变得更窄。因此，日益需要带宽狭窄并有优异的相邻信道隔离特性的光纤滤波器。

光纤光栅满足这种光纤滤波器的要求，亦即低损耗、低偏振依赖性和高信道选择性。另外，光纤光栅的成本效益使它们作为光纤滤波器得到广泛应用。

但是，用传统方法利用准分子激光器和均匀的相位掩模(phasemask)制造一般的光纤光栅时，如图1所示，其折射率整个发生变化。

正如图11中点划线(a)所指出的，出现旁瓣，结果在光纤光栅中未实现变迹(apodization)。

通过令光纤光栅变迹，使得折射率的变化幅度向光纤光栅的两端减小，来减小这种旁瓣。图11另一条点划线(b)指出变迹光纤光栅折射率的变化。

变迹光纤光栅是指其折射率向中央或向两端增大或减小的光纤光栅。变迹光纤光栅既在波长较短的频带，又在波长较长的频带表现出最小的旁瓣。

尽管在波长较长的频带上变迹在减小旁瓣上是有效的，但由于光纤光栅的自感应线性调频，在波长较短的频带上减小旁瓣方面有限制。

如图2所示，自感应线性调频在造成光纤光栅不恒定平均折射率方面起作用。因而，为了减小自感应线性调频引起的旁瓣，对光栅长度而言必须令平均折射率恒定。

除图2所示的传统方法外，其他传统的光纤光栅变迹法包括重叠写入、PTZ(压电换能器)的使用、光学扫描和空间滤波器的使用。

重叠写入法是指一种干涉法，其中变迹是通过在光纤中把光栅重叠写在另一个不同周期和尺寸的光栅上而实现的。

作为另一种传统的变迹法，在利用PZT给光纤施加拉力的同时把光栅写在光纤上。在写入光栅的过程中，利用PZT在光纤的长度方向上使光纤或相位掩模振动所要求的长度。

第三，用UV(紫外)光在不同的扫描速率下在长度方向上以不同的光强度扫描用相位掩模覆盖的光纤，写入变迹光栅。

空间滤波器根据光干涉原理工作。采用这种方法时，穿过衍射缝的干涉光的强度呈现高斯分布。沿着光纤的长度方向把具有不同透射率的空间滤波器放置在相位掩模的前面，并把UV光投射在相位掩模上。

上述传统的变迹光纤光栅制造方法有以下缺点：

(1)重叠写入：为了适当的重叠写入，需要一个准确控制小于光栅周期的长度的装置，因而使它制造光纤光栅复杂化；

(2)利用PZT：亦难以可靠地控制小于光栅周期的长度；

(3)光学扫描：必须适当地控制光扫描速率和光的强度，以获得变迹光纤光栅；而

(4)使用空间滤波器：因为光栅是利用干涉图案制造的，所以必须阻止振动，为此需要昂贵的装置。

尤其是当光纤光栅是利用相位掩模制造时，相位掩模必须用聚焦的离子束注入和湿法蚀刻来制造，使其具有有效的轮廓。每一次改变变迹条件都需要新的相位掩模。因此，就成本和灵活性而言，这种方法效率差。

在受控的光强度下用紫外光沿着长度方向扫描光纤的方法，尽管有制造具有各种特性的的光栅的优点，但有制造时间长和重复性差的明显缺点。

因而，利用变迹相位掩模的方法就成本和灵活性而言效率差，因为相位掩模难以制造，而每一次改变变迹条件都需要新的相位掩模。此外，光束扫描方法具有制造困难、制造时间长和重复性差的缺点。

因此，本发明的一个目的是提供一种利用分束器和屏幕掩模(screen mask)容易地制造变迹光纤光栅的设备。

本发明的另一个目的是提供一种用来制造折射率在长度方向上均匀分布的变迹光纤光栅的设备。

为了达到上述目的，在按照本发明的一个方面的变迹光纤光栅的制造设备中，紫外光激光器发出一束紫外激光束，分束器把从所述紫外激光器发出的所述紫外激光束分成两个光束，多个反射镜形成光路，以便通过对所述光束的反射，把分开的光束同时从两个方向投射在光纤上，相位掩模让反射的光束通过，以便以预定的周期在光纤内形成光栅，第一遮断装置放置在相位掩模和所述反射镜之一之间，逐渐地遮断两束光束中的一束，使之不能从一个方向投射在光纤上，并提供变迹以形成光栅，而可动的并对于光纤而言位于所述第一遮断装置对面的第二遮断装置，逐渐地遮断另一束光束，使之不能从另一个方向投射在光纤上，并提供变迹以形成光栅，使得在整个光栅上平均折射率的变化是恒定的。

在按照本发明另一方面的变迹光纤光栅制造设备中，第一紫外激光器从一个方向向光纤发出第一紫外激光束，而第二紫外激光器从相反方向向光纤发出第二紫外激光束。通过使第一紫外激光束增强和干涉，相位掩模以预定的周期在光纤内形成光栅。位于第一紫外激光器和相位掩模之间的第一遮断装置逐渐地遮断两束光束中的一束，使之不能投射在所述光纤上，于是向形成的光栅提供变迹，而第二遮断装置对光纤而言在第一遮断装置的对面，它逐渐地遮断另一束光束，使之不能投射在所述光纤上，于是向形成的光栅提供变迹，使得在整个光栅上平均折射率的变化是恒定的。

从结合附图的以下详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是表示用传统方法中的均匀相位掩模制造的一般光纤光栅的折射率在长度方向上的变化的曲线图；

图2是表示用另一种传统方法制造的变迹光纤光栅的折射率在长度方向上的变化的曲线图；

图3是按照本发明最佳实施例的变迹光纤光栅制造设备的示意图；

图4是按照本发明另一个最佳实施例的变迹光纤光栅制造设备的示意图；

图5A图解说明t＝0时第一屏幕掩模的操作；

图5B图解说明t＝0时第二屏幕掩模的操作；

图6A图解说明t＝t₁时第一屏幕掩模的操作；

图6B图解说明t＝t₁时第二屏幕掩模的操作；

图7A图解说明t＝t₂时第一屏幕掩模的操作；

图7B图解说明t＝t₂时第二屏幕掩模的操作；

图8是表示利用按照本发明第一屏幕掩模制造的变迹光纤光栅的折射率在长度方向上的变化的曲线图；

图9是表示利用按照本发明第二屏幕掩模制造的变迹光纤光栅的折射率在长度方向上的变化的曲线图；

图10是表示通过同时移动按照本发明第一和第二屏幕掩模制造的变迹光纤光栅的折射率在长度方向上的变化的曲线图；以及

图11图解说明相对于图1，2和9所示的折射率变化的光纤光栅的反射光谱。

下面将参照附图详细地描述本发明的最佳实施例。在以下描述中，由于众所周知的功能或结构会因不必要的细节而使本发明变得模糊不清，故将不予详细描述。

图3示意地图解说明按照本发明的最佳实施例的变迹光纤光栅制造设备的配置。

在图3中，变迹光纤光栅制造设备包括：作为光源的紫外激光器2；分束器10，用来把从紫外激光器2发出的光束8分开；多个反射镜20、22和24，用来控制从分束器10投射来的光束的方向；第一和第二可移动的屏幕掩模30和50，准备在从反射镜20，22和24反射的光束投射在光纤60上时用来使光栅变迹；和相位掩模40，用来通过对投射的光的增强和干涉产生光栅。

分束器10把从紫外激光器2发出的光束8分成两束光束12和14。两束光束中的一束12从反射镜20和22被反射，并到达第一屏幕掩模30，而另一束光束14从反射镜24反射，并达到达第二屏幕掩模50。这两束光束12和14从分束器10起相互正交地行进。光束12依次被第一和第二反射镜20和22反射，并射在相位掩模40上。第一掩模30和第二掩模50面对面地位于光纤60的两侧。相位掩模40插在第一屏幕掩模30和光纤60之间。

光束12投射在相位掩模40上，并在光束12通过相位掩模40时通过对光的增强和干涉以预定的周期在光纤60上形成多个光栅。光束14被第三个反射镜24反射，达到第二屏幕掩模50。于是，从紫外激光器2发出的光束8通过分束器10和反射镜20，22和24同时投射在第一和第二屏幕掩模30和50上。

第一和第二屏幕掩模30和50是可移动的，以便按照本发明对光栅进行变迹。

图4是按照本发明另一个最佳实施例的变迹光纤光栅制造设备的示意图。图3的变迹光纤光栅制造设备利用分束器和多个反射镜把来自紫外激光器的光束在两个方向上投射在光纤上，而图4中所示的变迹光栅制造设备利用两个紫外激光器在两个方向上把光束投射在光纤上。

参见图4，按照本发明第二实施例的变迹光纤光栅制造设备包括：第一紫外激光器4，它位于光纤60的一侧；第二紫外激光器6，它位于光纤60的另一侧；相位掩模40，从紫外激光器4发出的光束16从其中通过，利用光的增强和干涉，把光栅写在光纤60上；第一屏幕掩模30，它在相位掩模40之上，使光纤光栅变迹；和第二屏幕掩模50，它位于第二紫外激光器6和光纤60之间，用来使光纤光栅变迹。第一和第二屏幕掩模30和50面对面，彼此相隔预定的距离，中间插入光纤60。另外，第一和第二屏幕掩模30和50是可移动的，用来进行写入光栅的变迹。从第一紫外激光器4发出的光束16投射在相位掩模40上，并在它通过相位掩模40时借助光的增强和干涉在光纤60内以预定的周期形成光栅。第一和第二屏幕掩模30和50在它们彼此接近时使制造的光栅变迹。

下面将描述第一和第二屏幕掩模30和50的配置和操作。首先要指出，第一和第二屏幕掩模30和50起遮断光束的作用，并可用任何材料形成，只要它能遮断光束的行进。

按照本发明，光束16和18通过多个反射镜的引导，从两个方向射在光纤60上。光束16和18通过相位掩模40时，它们在光纤60内形成光栅。然后，光束16和18通过第一和第二屏幕掩模30和50使光栅变迹，而同时第一和第二屏幕掩模30和50在一段预定的时间内移动，按照高斯分布把光束传递到相位掩模40上。

现将参照图5A至7B详细地描述可移动的第一和第二屏幕掩模30和50的配置和操作。图5A和5B分别图解说明时间t＝0时第一和第二屏幕掩模30和50的操作。图6A和6B分别图解说明时间t＝t₁时第一和第二屏幕掩模30和50的操作。图7A和7B分别图解说明时间t＝t₂时第一和第二屏幕掩模30和50的操作。

图中，X轴代表第一和第二屏幕掩模30和50的移动方向，而Z轴代表光纤60的长度方向。参考符号

也指示第一和第二屏幕掩模30和50的移动方向。参考符号L表示光纤60写入光栅的长度，参考符号B表示L的中点，而参考符号A和C表示L的两端。

第一屏幕掩模30包括中部的凹陷部分30a和从凹陷部分30a向第一屏幕掩模30两端逐渐突出的突出部分30b。第二屏幕掩模50包括中部的突出部分50a和从突出部分50a向第二屏幕掩模50两端逐渐下陷的凹陷部分50b。图5A至7B中所示的第一和第二屏幕掩模30和50的构形只是示范性的应用而已，显然，就它们用于使写入的光栅变迹来说，可以作出许多变化。例如，第一和第二屏幕掩模30和50可以作成阶梯形。

t＝0时，从第一紫外激光器发出的第一激光束全部投射在相位掩模40上，并如图5A所示，通过相位掩模40以预定的周期在光纤60内形成光栅。

参见图6A，t＝t₁时，亦即第一屏幕掩模30以预定的速度接近光纤60时，第一屏幕掩模30沿着

指示的方向移动，直至它覆盖光纤60的A和C部分。因此，A和C部分从被第一激光器发出的第一激光束辐照的部分排除，而光纤60的B部被第一激光束辐照预定的时间。

参见图7A，t＝t₂时，亦即第一屏幕掩模30进一步沿着 指示的方向移动，直至它覆盖光纤60的A，B和C所有部分。因此，第一紫外激光束再也达不到光纤60的A，B和C的任何部分。

如上所述，第一激光束的强度受逐渐覆盖相位掩模40的第一屏幕掩模30控制。结果，折射率发生如图8所示的变化。图8是表示利用第一屏幕掩模在光纤内形成光栅时折射率在光纤长度方向上的变化的曲线图。X轴代表折射率的变化，而Z轴代表光纤的长度方向。

变迹光纤光栅在接近光纤的B部时折射率经历较大的变化。相反，接近A或C部时形成的变迹光栅，折射率变化较少。

至于第二屏幕掩模50，如图5B所示，t＝0时，第二紫外激光束以预定的宽度投射在光纤60上。

参见图6B，t＝t₁时，第二屏幕掩模50沿着

指示的方向移动，直至逐渐覆盖光纤的B部，将其排除在第二紫外激光束的辐照之外。而同时，第二紫外激光束投射在光纤60的A和C部分上一段预定的时间。

参见图7B，t＝t₂时，第二屏幕掩模50沿着 指示的方向进一步移动，直至覆盖A，B和C所有部分，这样第二紫外激光束再也达不到A，B和C的任何部分。

如上所述，第二激光束的强度受到第二屏幕掩模50逐渐覆盖相位掩模40的控制。结果，折射率发生如图9所示的变化。图9是表示利用第二屏幕掩模在光纤中形成光栅时、折射率在光纤的长度方向的变化的曲线图。X轴代表折射率的变化，而Z轴代表光纤的长度方向。

变迹光纤光栅在它接近光纤的A或C部分时折射率经历较大的变化。相反，当接近B部分形成变迹光栅时，折射率变化较少。

图10是表示从两个方向把紫外激光束投射在光纤上，同时移动第一和第二屏幕掩模30和50，把光栅写入光纤时，折射率在光纤长度方向上的变化的曲线图。

如图10所示把沿着光纤光栅长度方向的平均折射率设置为常数即可在光栅中达到变迹，而且如图11所示把短和长波长频带的旁瓣减到最小。

现将参照图11描述按照本发明的变迹光纤光栅的特性。在图11中，点划线(a)表示利用图1中所示均匀掩模制造的一般光纤的反射光谱。

另一条点划线(b)表示其折射率的变化如图2所示的变迹光纤光栅的反射光谱。正如可以从(b)看出的。在波长短的频带中旁瓣难以减到最小。

如上所述，本发明变迹光纤光栅制造设备，除现有的光学设备和相位掩模外，还利用分束器和屏幕掩模来容易地形成变迹光纤光栅，而不是每一次改变变迹条件都要单独地形成新的变迹相位掩模或用有制造困难、制造时间长和重复性差等的缺点的光束扫描方法。另外，利用两个紫外激光器可以容易地写入变迹光纤光栅。

已经在以下情况下描述了本发明：变迹光纤光栅制造设备具有两个屏幕掩模作为光束遮断装置，但对屏幕掩模的个数并无限制，只要整个变迹光纤光栅的平均折射率的变化恒定即可。

尽管本发明是参照它的某些最佳实施例描述的，但应明白，在不脱离后附权利要求书所定义的精神和范围的情况下，本专业的技术人员在形式上或细节上可以作出许多改变。

如上所述，本发明的变迹光纤光栅制造设备除现有的光学设备和相位掩模外还利用分束器和屏幕掩模来容易地形成变迹光纤光栅，而不是每一次改变变迹条件都要单独地形成新的变迹相位掩模或用有制造困难、制造时间长和重复性差等的缺点的光束扫描方法。

Claims (10)

1.一种用于制造变迹光纤光栅的设备，它包括：

紫外光激光器，用以发射紫外激光束；

分束器，用以把从所述紫外激光器发射的所述紫外激光束分成两束光束；

多个反射镜，用以形成光路，以便通过对所述光束的反射，把所述分开的光束同时从两个方向投射在光纤上；

相位掩模，用以让所述反射的光束通过，以便以预定的周期在所述光纤内形成光栅；

第一遮断装置，它在所述相位掩模和所述各反射镜之一之间，用来逐渐地遮断所述两束光束中的一束，使之不能从一个方向投射在所述光纤上，于是向所述形成的光栅提供变迹；和

第二遮断装置，它可以移动并且相对于所述光纤而言位于所述第一遮断装置的对面，用来逐渐地遮断所述另一束光束，使之不能从另一个方向投射在所述光纤上，于是向所述形成的光栅提供变迹，使得在整个光栅上的平均折射率的变化恒定。

2.权利要求1的设备，其特征在于：所述第一遮断装置是第一屏幕掩模。

3.权利要求2的设备，其特征在于：所述第一屏幕掩模包括：

中央的凹陷部分，用以向所述形成的光栅提供变迹；和

两个突出部分，它的从所述凹陷部分向所述第一屏幕掩模的两端逐渐突出。

4.权利要求1的设备，其特征在于：所述第二遮断装置是第二屏幕掩模。

5.权利要求4的设备，其特征在于：所述第二屏幕掩模包括：

中央的突出部分；和

两个凹陷部分，它们从所述突出部分向所述第二屏幕掩模的两端逐渐下凹。

6.一种用于制造变迹光纤光栅的设备，它包括：

第一紫外激光器，用以从一个方向向所述光纤发射第一紫外激光束；

第二紫外激光器，用以从相反方向向所述光纤发射第二紫外激光束；

相位掩模，用以通过使所述第一紫外激光束增强和干涉，以预定的周期在所述光纤内形成光栅；

第一遮断装置，它位于所述第一紫外激光器和所述相位掩模之间，用来逐渐地遮断所述第一紫外激光束和第二紫外激光束中的一束，使之不能投射在所述光纤上，于是向所述形成的光栅提供变迹；

第二遮断装置，它相对于所述光纤而言位于所述第一遮断装置的对面，用以逐渐地遮断所述另一束光束，使之不能投射在所述光纤上，于是向所述形成的光栅提供变迹，使得在整个光栅上平均折射率的变化恒定。

7.权利要求6的设备，其特征在于：所述第一遮断装置是第一屏幕掩模。

8.权利要求7的设备，其特征在于所述第一屏幕掩模包括：

中央的凹陷部分，用以向所述形成的光栅提供变迹；和

两个突出部分，它们从所述凹陷部分向所述第一屏幕掩模的两端逐渐突出。

9.权利要求6的设备，其特征在于：所述第二遮断装置是第二屏幕掩模。

10.权利要求9的设备，其特征在于所述第二屏幕掩模包括：

中央的突出部分；和

两个凹陷部分，它们从所述突出部分向所述第二屏幕掩模的两端逐渐下凹。

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