CN1177238C - 一种光栅的制造装置及光栅的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光栅的制造方法及其装置，特别涉及衍射光栅和包括光纤布拉格光栅(简称FBG)在内的各种波导光栅的制造方法及其装置。为提供一种高精度、低成本的光纤光栅的制造装置及光栅的制造方法，该装置及方法能产生延续光栅结构，可直接用于将所要求的条纹写入光纤或平面波导，以形成布拉格光栅，它也可以用于各种光栅包括用于FBG制造的相位光栅(模板)。本发明的主要技术特点在于：将光强相等或接近相等的两束激光分别进行频率移动，并使两束激光具有一定的频率差，因而两束激光汇聚产生的干涉条纹以一定的速度和方向移动；将所述的干涉条纹汇聚在感光介质，使其对感光介质的表面或内部进行刻画；在刻画的同时，使感光介质以与所述的干涉条纹相同的速度和方向移动本发明提供了一种光栅，包括传统衍射光栅和光纤布拉格光栅以及其他波导光栅制作中综合解决啁啾，切趾，相位移动和长光栅写入的方案。

Description

一种光栅的制造装置及光栅的制造方法

                           技术领域

本发明涉及光栅的制造方法及其装置，特别涉及衍射光栅和包括光纤布拉格光栅(简称FBG)在内的各种波导光栅的制造方法及其装置。

                           背景技术

光栅是一种常用的光学元件。传统光栅是由许多重复的具有一定间距光栅结构组成。这些重复的光栅结构对入射光的振幅，相位(或两者)产生调制，而使入射光经过光栅后产生衍射，形成各级衍射光。传统衍射光栅是构成各种光谱分析仪的关键器件。最早的衍射光栅是用机械刻划的方法制成，现在的光栅大多采用全息干涉曝光和化学刻蚀法以及电子束刻划法制成。

将光栅结构写入光纤(或平面光波导)内，可形成光纤布拉格光栅。光纤布拉格光栅器件是人们发现光纤的光敏特性后而迅速发展起来的全光纤器件。FBG的出现给光纤通信及光纤传感技术带来了一场革命。FBG在结构上看非常简单，即在光纤芯内形成具有一定周期的折射率调制。当光纤内传输的光的波长满足布拉格条件时，由于光的干涉作用，该波长的光被FBG反射，其反射率可接近100％。需要时可将其制成宽带器件。由于FBG为全光纤器件，与其他类型的光纤器件相比，FBG具有插入损耗低，无需光路调整等显著特点。FBG的上述特点对光纤通信及光纤传感都是极其重要的。在光通讯系统中，光纤布拉格光栅器件常被用作波分复用(WDM)技术中光滤波器，掺铒光纤放大器(EDFA)增益均衡器以及色度色散补偿器等。

FBG的制造过程就是用紫外激光通过一定的方式产生干涉条纹在具有光敏性的光纤芯内产生周期性的折射率调制。上述的干涉条纹可由双光束干涉光路产生，所形成的干涉条纹场的长度由激光束宽度决定。为了产生一定长度的干涉条纹场，常常将激光束沿横向扩展。扩束后的激光波阵面为球面或近似球面，因此可形成一定的条纹梯度，该梯度对干涉条纹场是固定的，无法控制局部条纹梯度的大小。目前工业生产中，普遍使用掩模技术，即用预制的相位光栅(俗称模板)产生干涉条纹，将具有光敏特性的光纤置于模板后而制成光纤布拉格光栅。与双光束干涉仪相比，模板具有稳定性好，对紫外激光器的相干性要求低，使用简单等显著的优点。但高质量的模板制作困难，故价格昂贵。此外，一种模板只能产生一种固定周期的条纹，故常常需要准备多种不同的模板。

在制作FBG时，不论是采用双光束干涉法还是掩模技术，都要考虑如何引入所需的切趾(或称变迹)函数。例如，用于WDM滤波的FBG，为抑制边模需控制折射率调制的幅度，使其由光栅两端向中心按特定规律增加，而在同时保持平均折射率不变。又如，FBG用作EDFA增益均衡器时，需按照EDFA增益曲线设计和制作FBG以使其透射光谱补偿EDFA增益变化而达到增益均衡的目的。

经过多年的研究与实践，人们已提出多种切趾方法。在发表于ELECTRONICSLETTERS Vol.31，No.17(1995)的论文中，Cole等人提出在模板与待写光纤之间沿光纤方向引入微小抖动，从而使光纤内的干涉条纹“模糊”的切趾方法，该方法已被授予美国专利(专利号US Pat No.6072926)。美国专利No.6130973公开了一种通过改变紫外激光至模板入射角的切趾方法。这些方法均要使用模板，要制作高品质和具有良好重复性的光纤布拉格光栅，需要高精度的位移或角度控制，实际应用困难。而且所能写出的光栅长度受模板长度的限制。而长光栅对于许多应用，如高速率(10Gbit/s以上)光纤通信系统的色度色散补偿都是至关重要的。

                           发明内容

为克服现有技术不足，提供一种高精度、低成本的光栅的制造方法及其装置，该方法及其装置能产生延续光栅结构，可直接用于将所要求的条纹写入光纤或平面波导，以形成布拉格光栅，它也可以用于各种光栅包括用于FBG制造的相位光栅(模板)。本发明采用的技术方案是：

一种光栅的制造装置包括：激光光源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、半透半反镜、透镜，其特征是，还包括第一光学频移器、第二光学频移器和移动平台，激光光源产生的激光束投射到可将入射光分为两束光强相等或接近相等的半透半反镜，经半透半反镜分成的第一光束、第二光束中第二光束经第一反射镜反射形成第一反射光束，第二光束经第二反射镜反射到第三反射镜，再经第三反射镜反射后形成第二反射光束，第一反射镜和第三反射镜设置在能使其相互间进行连续平行移动的移动平台上，经第一反射镜和第三反射镜反射得到的平行的第一反射光束、第二反射光束分别投射到对应的第一光学频移器和第二光学移频器，分别经过第一光学频移器和第二光学移频器后到达透镜，经透镜汇聚产生干涉条纹，干涉条纹对固定在移动平台上的感光介质进行刻画，

此外，固定感光介质的移动平台上还固定有速度传感器，该移动平台及固定在上面的感光介质以速度：V＝d(f_s2-f_s1)移动，移动方向为第一反射光束、第二反射光束中经频移后频移量小的光束的方向，其中：

V：表示速度；d：表示干涉条纹间距；f_s1：为第一光学频移器，f_s2：第二光学频移器的频移量；

速度传感器将测得的固定感光介质的移动平台移动速度信息反馈给第一光学频移器，第一光学频移器改变频移量，使所述的干涉条纹与固定感光介质的移动平台的移动速度相等、方向相同。

其中，所述的激光光源产生的激光束为紫外激光或连续可见激光；

所述的第一光学频移器、第二光学频移器为光学频率调制器或声光频率调制器；

所述声光频率调制器的声光晶体，对可见光波段，典型材料为钼酸铅晶体；对紫外光波段可采用熔英；

所述的第二光学频移器由驱动源驱动，驱动源产生的驱动信号间可引入相移；

所述速度传感器可以是激光干涉仪或激光多普勒测速仪；

一种光栅的制造方法，包括下列步骤：

将激光光源产生的激光束通过半透半反镜分成光强相等或接近相等的第一光束和第二光束，再通过第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜将第一光束、第二光束调整为两平行的第一反射光束和第二反射光束，使第一反射光束、第二反射光束分别对应通过第一光学频移器、第二光学频移器进行频率移动，第一光学频移器、第二光学频移器的频移量不同，第一反射光束、第二反射光束分别对应通过第一光学频移器、第二光学频移器后形成的第一频移光束、第二频移光束具有一定的频率差，频率差使第一频移光束和第二频移光束经透镜汇聚产生的干涉条纹以速度V＝d(f_s2-f_s1)沿频移量小的光束的方向移动，其中，V：表示速度，d：表示干涉条纹间距，f_s1：为第一光学频移器的频移量，f_s2：为第二光学频移器的频移量；

将速度传感器和感光介质固定在移动平台上，并使速度传感器、移动平台和感光介质以速度：V＝d(f_s2-f_s1)移动，移动方向为第一反射光束、第二反射光束中经频移后频移量小的光束的方向；

将所述的干涉条纹汇聚在感光介质，使其对感光介质的表面及内部进行刻画；

在刻画的同时，将速度传感器速度信息反馈到第二光学频移器，改变第二光学频移器的频移量，使感光介质和所述的干涉条纹移动的速度相等；

然后，可分别采用下列步骤中的任何一个：

改变所述干涉条纹的间距，以制作不同波长窄带光栅；

在光栅写入过程中连续改变所述两激光光束间距，以制作宽带光栅；

改变所述干涉条纹的强度和对比度，以实现不同形状的切趾函数；

使干涉条纹产生相位移动，以制作衍射光栅和布拉格光栅。

其中，所述激光可选用连续紫外激光或连续可见激光。

与已有的方法比较，本发明具有以下优点：

1条纹间距连续可调并可精确控制，且在调节条纹间距可保持条纹区的位置不变。

2可制作任意长度的衍射光栅或光纤布拉格光栅(长度仅受装载感光材料的移动平台的最大范围限制)。

3可控制局部条纹梯度(啁啾)，因而可制作具有线性，非线性啁啾的光栅。

4可引入任意条纹相位移动。

5可连续调节条纹强度和对比度，即可实现任意形状的切趾函数。

6光路为等光程布置，对环境变化不敏感。

7降低制造成本。

总之，本发明提供了一种光栅(包括传统衍射光栅和光纤布拉格光栅以及其他光波光栅)制作中综合解决啁啾，切趾，相位移动和长光栅写入的方案。

                           附图说明

图1是按照本发明所述方法构成的产生延续光栅结构的装置。

图2为由两束相干光产生的干涉条纹场。

图3为用于本发明的实施例中光学频移器的声光频率调制器。

图4为声光频率调制器1级衍射光衍射效率与驱动功率的关系曲线。

                       具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

附图1中，连续激光束101经过半透半反镜102后，被分成光束106和107。光束106和光束107的光强相等或接近相等。光束106和光束107分别被全反射镜105和103反射，得到平行光束109和光束110。反射镜102，103，104，105可由棱镜或其他形式的光学元件代替而完成分束功能。光束109和光束110分别经过光学频移器111和112。在这里给出的本发明的实施例中，光学频移器111和112为声光频率调制器，它们也可以是电光或其他形式的光学频率调制器。

附图3给出了用于本发明的实施例中的声光频率调制器，其中305为声光晶体，对可见光波段，典型材料为钼酸铅晶体；对紫外光波段可采用熔英。在驱动信号307激励下，换能器306在声光晶体305内产生超声波308。入射光301与超声波308相互作用，产生具有光学频移的1级衍射光303，其频移量等于驱动信号频率，光束304为0级光(有时会产生其他级次的衍射光，图中未标出)。

附图1中，光学频移器111由驱动源118产生的信号驱动，调制频率为设置的某一固定频率f_s1。光学频移器112由驱动源119产生的信号驱动，其调制频率f_s2由速度传感器120反馈控制。经过频移的光束113和114为平行光，光束间距为D。该平行光束通过正透镜115，汇聚光束116和117在感光介质121相交。感光介质可以是具有光敏性的光纤，平面波导，波导管或是表面涂有感光材料的基片。由于激光的相干性，光束116和117在感光介质表面或内部形成一组干涉条纹，如附图2所示。干涉条纹的间距d取决于光束113和114的间距D和透镜115的焦距F，其表达式为：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2}{(1+\frac{{4F}^2}{D^2})}^{1/2}$

式中λ为激光波长。

如果入射到正透镜115上激光束直径为W，干涉条纹区的宽度B为：

$B=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πW}}{(D^2+{4F}^2)}^{1/2}$

其中包含的条纹数N为：

$N=\frac{4D}{\mathrm{\πW}}$

由于光束116和117具有频率差，所形成干涉条纹以一定的速度移动。条纹移动方向取决于光学频移器111和112引入频移量的大小。如果频移器112的频移量f_s2大于光学频移器111的频移量f_s1，条纹将沿图1中箭头124所指方向向上移动，反之则向下移动。条纹移动速度由光束116和117之间的频率差和干涉条纹间距决定，即

V＝d(f_s2-f_s1)

感光介质121可装载在移动平台或其他装置上，其移动速度由速度传感器120检测。速度传感器120可以是激光干涉仪，激光多普勒测速仪或其他速度测量装置。速度传感器120的输出信号反馈控制光学频移器112的频率，使所产生的干涉条纹的移动方向和速度等于感光介质121的移动方向和速度。因此，可在感光介质121表面或者内部产生延续的光栅结构。

当光束101为连续紫外激光，例如由氩离子激光器经倍频产生的波长为244nm的激光，根据本发明的方法和如附图1所示或类似的装置，可以将各种光栅结构写入光纤或平面波导而制成布拉格光栅。当光束101为连续可见激光，感光介质121是表面涂有感光的基片时，根据本发明所提供的方法和如图1所示或类似的装置，可在基片表面形成各种延续光栅结构，经过其他处理后，而制成各种振幅或相位光栅。

改变光束113和114的间距或透镜115的焦距可控制干涉条纹的间距。当光束113和114的间距和透镜115的焦距为固定值时，形成的布拉格光栅为单波长，可作窄带滤波器。下面的表格列出了当光束间距D＝25mm时，不同透镜焦距F所对应的干涉条纹间距d，以及光纤有效折射率n_eff＝1.46时光纤布拉格光栅的中心波长。因此，当光束间距选定后，只要更换不同焦距的透镜，即可在制作出具有不同周期的衍射光栅或不同波段的布拉格光栅。

激光波长为244nm，D＝25mm，neff＝1.46
				透镜焦距F(mm)	44	53	62
干涉条纹间距d(nm)	446.43	531.47	617.30
				布拉格波长λBragg(nm)	1303.59	1551.90	1802.50

若光栅写入过程中连续改变光束间距D，则可制作具有各种啁啾率的宽带光栅。改变光束间距D的方法包括平移反射镜103和反射镜105，或是其他类似方法。例如，激光波长为244nm，当选用焦距F＝53mm的聚焦透镜，以及光纤有效折射率n_eff＝1.46时，光束间距在D＝25±1.5mm范围内改变时可写出1469nm-1646nm的啁啾布拉格光栅。采用本发明所提供的方法的另一特点是，在改变光束间距时条纹区的位置保持不变。

如果用I₁和I₂分别表示入射光束116和117的光强，则

I₁＝I·k(P₁)

I₂＝I·k(P₂)

其中，I为入射到声光频率调制器111和112的光强(为方便起见设为相等)，k(P)表示如图4所示的声光频率调制器1级衍射光衍射效率与驱动功率的关系曲线，P₁和P₂分别为驱动源118和119的输出功率。光束相交区内干涉条纹的强度由直流分量I_dc和交流分量I_ac构成，它们可表示为

I_dc＝I₁+I₂＝I[k(P₁)+k(P₂)]

I_ac＝2(I₁I₂)^1/2＝2I[k(P₁)k(P₂)]^1/2

可见，改变驱动源118和119的输出功率P₁和P₂即可分别控制干涉条纹的强度和对比度，故可实现任意形状的切趾函数。

通过驱动源118或119在驱动信号上引入相移可使干涉条纹产生相位移动，从而制作沿与栅格垂直方向具有相移的衍射光栅和布拉格光栅。

Claims (8)

1.一种光栅的制造装置包括：激光光源、第一反射镜(103)、第二反射镜(104)、第三反射镜(105)、半透半反镜(102)、透镜(115)，其特征是，还包括第一光学频移器(111)、第二光学频移器(112)和移动平台，激光光源产生的激光束(101)投射到可将入射光分为两束光强相等或接近相等的半透半反镜(102)，经半透半反镜(102)分成的第一光束(106)、第二光束(107)中第二光束(107)经第一反射镜(103)反射形成第一反射光束(109)，第二光束(106)经第二反射镜(104)反射到第三反射镜(105)，再经第三反射镜(105)反射后形成第二反射光束(110)，第一反射镜(103)和第三反射镜(105)设置在能使其相互间进行连续平行移动的移动平台上，经第一反射镜(103)和第三反射镜(105)反射得到的平行的第一反射光束(109)、第二反射光束(110)分别投射到对应的第一光学频移器(111)和第二光学移频器(112)，分别经过第一光学频移器(111)和第二光学移频器(112)后到达透镜(115)，经透镜(115)汇聚产生干涉条纹，干涉条纹对固定在移动平台上的感光介质(121)进行刻画，

此外，固定感光介质(121)的移动平台上还固定有速度传感器(120)，该移动平台及固定在上面的感光介质(121)以速度：V＝d(f_s2-f_s1)移动，移动方向为第一反射光束(109)、第二反射光束(110)中经频移后频移量小的光束的方向，其中：

V：表示速度；d：表示干涉条纹间距；f_s1：为第一光学频移器(111)，f_s2：为第二光学频移器(112)的频移量；

速度传感器(120)将测得的固定感光介质(121)的移动平台移动速度信息反馈给第二光学频移器(112)，第二光学频移器(112)改变频移量，使所述的干涉条纹与固定感光介质(121)的移动平台的移动速度相等、方向相同。

2.根据权利要求1所述的一种光栅的制造装置，其特征是，所述的激光光源产生的激光束为紫外激光或连续可见激光。

3.根据权利要求1所述的一种光栅的制造装置，其特征是，所述的第一光学频移器(111)、第二光学频移器(112)为光学频率调制器或声光频率调制器。

4.根据权利要求3所述的一种光栅的制造装置，其特征是，所述声光频率调制器的声光晶体，对可见光波段，典型材料为钼酸铅晶体；对紫外光波段可采用熔英。

5.根据权利要求3所述的一种光栅的制造装置，其特征是，所述的第二光学频移器(112)由驱动源(119)驱动，驱动源(119)产生的驱动信号间可引入相移。

6.根据权利要求3所述的一种光栅的制造装置，其特征是，所述速度传感器(120)可以是激光干涉仪或激光多普勒测速仪。

7.一种光栅的制造方法，其特征是，包括下列步骤：

将激光光源产生的激光束(101)通过半透半反镜(102)分成光强相等或接近相等的第一光束(106)和第二光束(107)，再通过第一反射镜(103)、第二反射镜(104)和第三反射镜(105)将第一光束(106)、第二光束(107)调整为两平行的第一反射光束(109)和第二反射光束(110)，使第一反射光束(109)、第二反射光束(110)分别对应通过第一光学频移器(111)、第二光学频移器(112)进行频率移动，第一光学频移器(111)、第二光学频移器(112)的频移量不同，第一反射光束(109)、第二反射光束(110)分别对应通过第一光学频移器(111)、第二光学频移器(112)后形成的第一频移光束(113)、第二频移光束(114)具有一定的频率差，频率差使第一频移光束(113)沿第二频移光束(114)经透镜(115)汇聚产生的干涉条纹以速度V＝d(f_s2-f_s1)和频移量小的光束的方向移动，其中，V：表示速度，d：表示干涉条纹间距，f_s1：为第一光学频移器(111)的频移量，f_s2：为第二光学频移器(112)的频移量；

将速度传感器(120)和感光介质(121)固定在移动平台上，并使速度传感器(120)、移动平台和感光介质(121)以速度：V＝d(f_s2-f_s1)移动，移动方向为第一反射光束(109)、第二反射光束(110)中经频移后频移量小的光束的方向；

将所述的干涉条纹汇聚在感光介质(121)，使其对感光介质(121)的表面及内部进行刻画；

在刻画的同时，将速度传感器(120)速度信息反馈到第二光学频移器(112)，改变第二光学频移器(112)的频移量，使感光介质(121)和所述的干涉条纹移动的速度相等；

然后，可分别采用下列步骤中的任何一个：

改变所述干涉条纹的间距，以制作不同波长窄带光栅；

在光栅写入过程中连续改变所述两激光光束间距，以制作宽带光栅；

改变所述干涉条纹的强度和对比度，以实现不同形状的切趾函数；

使干涉条纹产生相位移动，以制作衍射光栅和布拉格光栅。

8.根据权利要求7所述的一种光栅的制造方法，所述的激光可选用连续紫外激光或连续可见激光。

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