CN1186652C - 无自致啁啾效应的切趾布拉格光纤光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

无自致啁啾效应的切趾布拉格光纤光栅的制作方法在于首先制作周期长度渐变相位掩模板2，该相位掩模板2中央处的周期比两边略小，相位掩模板2的齿槽21深度根据紫外光1的波长确定；然后将紫外光敏光纤3靠在相位掩模板2的正面即有齿槽21的一面，且保持平行和相对静止，最后用紫外光1垂直于相位掩模板2的背面入射，对紫外光敏光纤3进行扫描，使用这种方法刻写出光纤光栅消除了因为折射率切趾而导致的自致啁啾效应，即消除了短波长方向上的类似于F-P腔效应的谐振次峰。

Description

无自致啁啾效应的切趾布拉格光纤光栅的制作方法

一、技术领域：

本发明是一种切趾布拉格光纤光栅的制作方法属于光纤光栅制作的技术领域。

二、背景技术：

均匀布拉格光纤光栅边界折射率调制的突变会引起其反射光谱较大的旁瓣。旁瓣的出现给应用带来诸多不便。通常通过对光栅进行切趾来减小光栅耦合系数的突变，从而抑制光谱旁瓣。采用扫描相位掩模板法刻写均匀周期的切趾光栅时，装置中的相位掩模板为均匀相位掩模板，折射率调制深度可以通过调整光纤紫外光的曝光量来实现。利用这种方法可以刻写高斯切趾光栅，其有效折射率调制的平均值呈高斯分布。这种光栅的反射光谱在短波长方向有次峰。为了制作没有次峰的、旁瓣抑制的切趾光栅，有人使用切趾相位掩模板，或者采用特殊遮蔽板法，或者采用多次曝光法等方法来制作平均折射率调制深度恒定的切趾光栅，其有效折射率的平均值不变，而条纹对比度为切趾包络。这种光栅对模式场的耦合作用是渐变的，同时光栅的中心耦合波长是不变的。

三、技术内容：

1.技术问题：

本发明的目的是提供一种刻写出的光纤光栅消除因为折射率切趾而导致的自致啁啾效应，即消除短波方向上的类似于F-P(法布里-珀罗)腔效应的谐振次峰的无自致啁啾效应的切趾布拉格光纤光栅的制作方法。

2.技术方案：

本发明首先制作周期长度渐变相位掩模板，该相位掩模板中央处的周期从两边略小，相位掩模板的齿槽深度根据紫外光的波长确定；然后将紫外光敏光纤靠在相位掩模板的正面即有齿槽的一面，且保持平行和相对静止，最后用紫外光垂直于相位掩模板的背面入射，对紫外光敏光纤进行扫描。相位掩模板的周期随着切趾光纤光栅折射率调制深度而改变，其数学描述为： ${\mathrm{\Δ\Λ}}_m=-2\×\frac{{2\mathrm{\Λ}}_0^2\mathrm{\Δ\δn}\left(z\right)}{{\mathrm{\λ}}_c},$ 式中 ${\mathrm{\λ}}_c={2\mathrm{\Λ}}_0(n_{\mathrm{eff}0}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\δn}}_{\mathrm{eff}0}})$ 为切趾光纤光栅的中心耦合波长，n_eff0为光纤纤芯有效折射率，Λ₀和

分别为对应于光纤光栅折射率调制最大处的周期和纤芯有效折射率调制，Δδn(z)为有效折射率调制相对于

的变化量；相位掩模板的齿槽(21)深度h与紫外曝光光源的波长λ₀之间的关系为 $h=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2({\mathrm{n\λ}}_0-1)},$ 掩模板对零级衍射光抑制，其中n为对应于紫外光源波长λ₀时的掩模板的折射率。具体的方法为

(1)制作周期长度渐变相位掩模板，要求掩模板中间处的周期比两边略小。然后根据紫外光的波长设计相位掩模板的槽齿深度。

这种相位掩模板的设计首先根据所需布拉格光纤光栅的中心反射波长λ_c，确定光纤光栅中间处得周期Λ₀，对应于相位掩模板中间处的周期为2Λ₀；其次是根据实际需要的光纤光栅的反射光谱特性，确定光纤光栅的切趾包络函数，以便得到光纤光栅有效折射率沿z向的变化和平均有效折射率调制的改变量Δδn(z)，然后根据下式确定相位掩模板各处的周期相对于其中间处周期2Λ₀的变化：

${\mathrm{\Δ\Λ}}_m=-2\×\frac{{2\mathrm{\Λ}}_0^2\mathrm{\Δ\δn}\left(z\right)}{{\mathrm{\λ}}_c}$

(2).将光纤紧靠在相位掩模板，并使他们相互平行，然后将他们都固定在移动平台上。平台移动时，掩模板和光纤是相对静止的。

(3).最后，制作这种光纤光栅。紫外光垂直相位掩模板入射，紫外光的功率保持不变。平台移动时，紫外光沿着光纤扫描。根据光敏光纤紫外曝光量和折射率变化的关系曲线，控制平台的移动速度，也就是调整光敏光纤上的紫外光的曝光量。当所刻写光纤光栅的折射率满足 $\mathrm{\Δ\Λ}=-\frac{{2\mathrm{\Λ}}_0^2\mathrm{\Δ\δn}}{{\mathrm{\λ}}_c}$ 时，光纤光栅平均有效折射率变化引起的中心耦合波长的漂移刚好可以被光纤光栅的周期变化抵消掉，因此切趾布拉格光纤光栅由于有效折射率的变化引起的自致啁啾效应也就可以消除了。

工作原理及工作过程：因为均匀布拉格光栅耦合的中心波长与光栅平均折射率变化，与空间周期都成正比，所以对于空间周期不变而纤芯有效折射率呈高斯切趾的布拉格光栅，由于其沿光纤轴向的中心耦合波长随高斯变迹而改变，光栅两端处的中心耦合波长λ₁要比光栅中间处的λ₀要小。当某一波长为λ₁的光沿光栅传输时，光只在光栅的两端受到光栅的耦合反射作用，这种作用类似于F-P腔的作用，而且因为高斯切趾光栅由中间往两端对光的耦合作用随调制深度减小而逐渐减弱，相当于F-P腔的反射率逐渐减小。因此，这种周期均匀的高斯切趾光栅的反射光谱将会在短波长方向出现逐渐减小的振荡次峰。

因此，将高斯切趾光纤光栅的折射率调制设计成：光纤光栅平均有效折射率较大处的周期较小，而平均折射率较小处的周期较大，即增加折射率调制较小处光纤光栅的周期，其数学描述如下：

$\mathrm{\Δ\Λ}=-\frac{{2\mathrm{\Λ}}_0^2\mathrm{\Δ\δn}}{{\mathrm{\λ}}_c}---\left(1\right)$

上式中：光纤光栅周期变化ΔΛ和Δδn是以整个光纤光栅折射率调制最大处的周期Λ₀和平均有效折射率调制

为参考的， ${\mathrm{\λ}}_c={2\mathrm{\Λ}}_0(n_{\mathrm{eff}0}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\δn}}_{\mathrm{eff}0}}).$ 对于满足上式条件的光纤光栅，其中心耦合布拉格波长是近似恒定的。这样就消除了F-P腔效应。同时其耦合系数也不存在突变，也就不会有均匀光栅所具有的大的旁瓣。

严格的理论分析采用有效介质法，其实质就是当光在非均匀介质中传输时，认为介质是自由介质，而自由介质是由μ^eff和ε^eff描述的。光栅中模式的传播等效于自由光栅介质中波的传播。 $n^{\mathrm{eff}}=\sqrt{{\mathrm{\μ}}^{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{eff}}}$ 为虚数的光栅处，模式是衰减的，相当于经过一个分布式的反射镜；n^eff为实数的光栅处，模式是透明传输的。

以高斯切趾光栅为例，高斯包络函数为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\δn}}_{\mathrm{eff}}}\left(z\right)={\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\mathrm{esp}\left(\frac{{-4\ln 2z}^2}{{\mathrm{FWHM}}^2}\right)---\left(2\right)$

对于满足式(1)的高斯切趾光栅，其有效介质折射率n^eff为：

$n^{\mathrm{eff}}=\[{(\mathrm{\δ}+\frac{{2\mathrm{\π\Δn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}})}^2-{\left(\frac{{\mathrm{\π\Δn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}{e}^{-4\ln 2\frac{z^2}{{\mathrm{FWHM}}^2}}\right)}^2{\]}^{1/2}---\left(3\right)$

式(3)中的Δn_eff是高斯光栅折射率调制的最大值，FWHM是高斯函数的半高全宽， $\mathrm{\δ}=\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0},$ β为传播常数，Λ₀是光栅最大折射率调制处的周期。光沿这种光栅传播时，n^eff在一段连续的z值上取虚数，也就是只会遇到一个连续的反射区域，也就不会出现F-P腔效应。

3.技术效果：

这种制作方法的装置简单，与使用切趾相位掩模板法类似，只需要设计符合要求的相位掩模板，可以采用扫描相位掩模板法进行刻写光纤光栅，装置易于安装调节。所刻写的光纤光栅的耦合系数是渐变的，同时光纤光栅各处中心耦合波长是不变的，也就是说这种方法制作的光栅具有切趾光栅抑制旁瓣的效果，同时消除了折射率切趾引起的自致啁啾效应。即消除了短波方向  的类似于F-P腔效应的谐振次峰。与切趾相位掩模板法相比，这种制作方法所刻写的光纤光栅的平均有效折射率也是渐变的。

与多次曝光方法相比，只需要一次扫描曝光，无需两次或者多次曝光；与特殊遮蔽板法相比，不需要遮蔽板以及比较繁琐的光路调整。

四、附图说明：

图1是扫描相位掩模板法制作光纤光栅的示意图，其中有紫外光1，相位掩模板2，紫外光敏光纤3

图2是纤芯折射率调制的周期保持不变，而平均有效折射率是高斯函数包络的光纤光栅图。

图3是纤芯折射率调制的周期和有效折射率都不变，而条纹对比度呈高斯变化的折射率调制，其耦合系数也呈高斯变化的波形图。

图4是周期随折射率调制深度改变的高斯切趾折射率调制示意图。

五、具体实施方式：

首先根据所需布拉格光纤光栅的中心反射波长λ_c，确定光纤光栅中间处得周期Λ₀，对应于相位掩模板中间处的周期为2Λ₀；其次是根据实际需要的光纤光栅的反射光谱特性，确定光纤光栅的切趾包络函数，以便得到光纤光栅有效折射率沿z向的变化和平均有效折射率的改变量Δδn(z)，然后根据下式确定相位掩模板各处的周期相对于其中间处周期2Λ₀的变化：

${\mathrm{\Δ\Λ}}_m=-2\×\frac{{2\mathrm{\Λ}}_0^2\mathrm{\Δ\δn}\left(z\right)}{{\mathrm{\λ}}_c}$

相位掩模板的齿槽(21)深度h与紫外曝光光源的波长λ₀之间的关系为 $h=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2({\mathrm{n\λ}}_0-1)},$ 掩模板对零级衍射光抑制，其中n为对应于紫外光源波长λ₀时的掩模板的折射率。再根据上述设计相位掩模板，最后利用扫描相位掩模板法制作光纤光栅：光纤与相位掩模板都固定在可精确移动的平台上，要求相互平行，并尽量靠近。紫外光垂直入射，根据曝光量和折射率改变量的关系确定紫外光的曝光时间，即确定平台的移动速度，来满足光栅有效折射率的高斯包络函数。

Claims (2)

1、一种无自致啁啾效应的切趾布拉格光纤光栅的制作方法，其特征在于首先制作周期长度渐变相位掩模板(2)，该相位掩模板(2)中央处的周期从两边小，相位掩模板(2)的齿槽(21)深度根据紫外光(1)的波长确定；然后将紫外光敏光纤(3)靠在相位掩模板(2)的正面即有齿槽(21)的一面，且保持平行和相对静止，最后用紫外光(1)垂直于相位掩模板(2)的背面入射，对紫外光敏光纤(3)进行扫描。

2、根据权利要求1所述的无自致啁啾效应的切趾布拉格光纤光栅的制作方法，其特征在于相位掩模板的周期随着切趾光纤光栅折射率调制深度而改变，其数学描述为： ${\mathrm{\Δ\Λ}}_m=-2\×\frac{2{\mathrm{\Λ}}_0^2\mathrm{\Δ\δn}\left(z\right)}{{\mathrm{\λ}}_0},$ 式中 ${\mathrm{\λ}}_c=2{\mathrm{\Λ}}_0(n_{\mathrm{eff}0}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}{n}_{\mathrm{eff}0}})$ 为切趾光纤光栅的中心耦合波长，n_eff0为光纤纤芯有效折射率，Λ₀和 分别为对应于切趾光纤光栅折射率调制最大处的周期和纤芯有效折射率调制，Δδn(z)为有效折射率调制相对于 的变化量；相位掩模板的齿槽(21)深度h与紫外曝光光源的波长λ_n之间的关系为 $h=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2({\mathrm{n\λ}}_0-1)},$ 相位掩模板对零级衍射光抑制，其中n为对应于紫外光源波长λn时的相位掩模板的折射率。

Images