CN1228653C - 一种任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法，选择透过率调制函数与所需任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅反射谱分布函数相同的振幅光栅，垂直入射的平行紫外光被振幅光栅衍射，石英透镜(L)会聚衍射光，L后焦面上的光场分布函数为振幅光栅透过率调制函数的一次傅氏变换；会聚光通过置于L后焦面的相位掩膜版对光敏光纤曝光，光敏光纤平均折射率调制函数为L后焦面上的光场分布函数，光纤光栅反射谱分布函数是振幅光栅透过率调制函数的二次傅氏变换，即还原为振幅光栅的透过率调制函数。光纤光栅反射谱的切趾直接由透射率调制函数的特点来实现。本发明对任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅产业化具有重要意义。

Description

一种任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法

技术领域

本发明涉及光电子学的光纤光栅技术，特别是一种任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法。

背景技术

光纤光栅是一种新的光纤器件，它的原材料为具有光敏性的光纤，光纤光栅的基本制作方法是采用紫外线对光敏光纤曝光，使光敏光纤的折射率沿轴向周期性变化，这种具有折射率周期性变化结构的光敏光纤就称为光纤光栅。光纤光栅在满足布拉格条件的波长处形成强反射，具有窄带滤波特性，这种特性在光纤通信和传感器领域有着广泛的应用。

在同一根光纤光栅中多段光栅形成周期性排列的结构称为抽样光纤光栅。抽样光纤光栅能够实现多波长反射，形成梳状滤波。通常抽样光纤光栅各反射波长的反射率不相等，且在各反射峰附近存在旁瓣，严重影响其应用。解决反射峰两侧的旁瓣及反射率均衡的问题成为这一器件能否实用化的关键。为了解决反射率均衡问题，英国人提出了采用sinc抽样函数曝光的方法，并进行了实验，得到了各波长反射率相同的抽样反射谱。但是他们采用的实验方法在实现上有很大难度，制作过程中相邻的sinc抽样函数需要严格的相位匹配，对曝光精度要求很高，各反射峰两侧的旁瓣问题还需采取其他措施来切趾。

目前，采用几种制作方法制作不同的反射谱光纤光栅。单通道光纤光栅滤波器通常采用相位掩膜版法直接曝光生成，其方法主要分成两种：一种是静态扩束曝光，另一种是扫描曝光。两种方法都需要进行切趾曝光处理，才能够得到无旁瓣反射谱光纤光栅。对于多通道光纤光栅需要在相位掩膜版前加入振幅光栅抽样曝光，曝光过程中仍需进行严格地切趾曝光处理，如固定通道数抽样光纤光栅需要通过精确地相位匹配sinc抽样函数曝光实现。因此，通过上述方法，无法制作可用于波长编码的缺级抽样光纤光栅，或可用于光通信系统色散及色散斜率补偿的变占空比抽样光纤光栅等。采用相位掩膜版法制作普通光纤光栅是通过直接曝光实现的，并不引入振幅光栅进行调制。制作抽样光纤光栅时，相位掩膜版前放置振幅光栅进行抽样，由于反射峰两侧的旁瓣问题，根本无法得到与振幅光栅透过率调制函数相同的反射谱光纤光栅。

图1示出了制作抽样光栅光纤的一般光路图，如图1所示：扩束后的平行光101射入振幅光栅102形成衍射光谱，将相位掩膜版103和光敏光纤104放置在振幅光栅102后进行曝光，由此得到抽样光纤光栅。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法，得到实际应用所需的光纤光栅。

为了达到上述目的，本发明提供了一种任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法，得到实际应用所需的光纤光栅，采用平行紫外光垂直照射振幅光栅，利用振幅光栅对入射平行紫外光进行衍射，通过相位掩膜版对光敏光纤进行曝光，其特征在于该方法进一步包含以下步骤：

A、选择透过率调制函数是与所需任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅反射谱分布函数相同的振幅光栅，在该振幅光栅和相位掩膜版间设置石英透镜，石英透镜会聚所述振幅光栅的衍射光，石英透镜后焦平面上的光场分布函数为所述振幅光栅透过率调制函数的一次傅氏变换；

B、会聚光通过置于石英透镜后焦平面上的相位掩膜版对光敏光纤进行曝光，该光敏光纤的平均折射率调制函数为石英透镜后焦平面上的光场分布函数，光纤光栅的反射谱分布函数是振幅光栅透过率调制函数的二次傅氏变换，即还原为振幅光栅的透过率调制函数，该任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的波长间隔 $\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\τ\λ}}^2}{{2n}_f{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{uv}}f},$ 其中，τ为振幅型透射光栅的周期，λ为相位掩膜版的中心波长，n_f为光纤光栅的平均折射率，λ_uv为紫外激光光源的波长，f为石英透镜的焦距。

该方法进一步包括：制作任意多通道反射谱光纤光栅时，选择透过率调制函数是与所需任意多通道反射谱光纤光栅的反射谱分布函数相同的振幅光栅。

步骤A进一步包括：振幅光栅与石英透镜贴在一起；

步骤B进一步包括：相位掩膜版与光敏光纤贴在一起。

振幅光栅包括振幅型透射光栅或振幅型反射光栅。

本发明从理论上保证了相邻sinc抽样函数的相位匹配，而且能够同时形成整个光纤光栅的sinc函数切趾，无需附加切趾，光敏光纤一次曝光便能得到均匀一致的无旁瓣反射谱光纤光栅，制作过程简单灵活。本发明能够在同样的光路条件下制作单通道和多通道反射谱光纤光栅，光纤光栅的波长数及波长间隔能够根据需要进行调整。任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作过程简单易行，能够同时解决反射率均衡和各反射峰的旁瓣问题。

采用本发明提供的方法，能够通过采用不同缝数的振幅光栅对光敏光纤进行抽样曝光，制作不同波长数的抽样光纤光栅。本发明提供的制作任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的方法曝光精度要求低，简单易行。采用本发明提供的方法，能够容易地制作以往无法制作的光纤光栅，如可用于波长编码的缺级抽样光纤光栅，或可用于光通信系统色散及色散斜率补偿的变占空比抽样光纤光栅等。

对于最理想的任意波长数及波长间隔光纤光栅反射谱就是完全一致的矩形方波，采用本发明提供的方法能够很容易实现。由于本发明中引入石英透镜，石英透镜能够将振幅光栅透过率分布函数进行傅氏变换，光纤光栅的反射谱分布函数为光敏光纤平均折射率调制函数的傅氏变换，两次傅氏变换后还原为振幅光栅透过率调制函数。而振幅光栅透过率调制函数的特点使得光纤光栅的反射谱达到切趾的目的。所以，可根据所需的光纤光栅制作相应的振幅光栅。通过制作透过率调制函数与所需光纤光栅反射谱分布函数相同的振幅光栅制作所需波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅，而制作这种透过率调制函数的振幅光栅是十分容易的。振幅光栅的制作简单、成本较低，制作振幅光栅的技术成熟、工艺稳定，易于实现批量生产，因此易于形成任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的批量生产，对光纤光栅的产业化具有重要意义。

附图说明

图1示出了制作抽样光栅光纤的一般光路图；

图2示出了依据本发明制作任意波长数及波长间隔反射谱光栅光纤的光路图；

图3示出了N通道波长数光纤光栅的反射谱分布函数图像和制作所需的振幅型透射光栅透过率函数图像；

图4示出了示出了单缝衍射sinc函数切趾色散补偿器反射谱和时延曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。

图2示出了依据本发明制作任意波长数及波长间隔反射谱光栅光纤的光路图，如图2所示：紫外激光器201将平行紫外光202垂直射入置于石英透镜204前的振幅型透射光栅203，经过振幅型透射光栅203的衍射光透射过石英透镜204，在石英透镜204后焦平面上形成弗朗和费衍射谱，将相位掩膜版103和光敏光纤104贴在一起置于石英透镜204后焦平面上进行曝光。采用石英透镜204可保证对振幅型透射光栅203衍射的紫外光进行傅氏变换，其大小与振幅型透射光栅203相当或稍大，必须保证所有衍射光都能够透射过去。振幅型透射光栅203与石英透镜204相距较近，可保证石英透镜204接收的较多的光。

本发明的基本原理与现有技术的原理相比有很大差别。下面详细描述本发明的技术方案。

紫外激光器将平行紫外光垂直射入振幅型透射光栅，振幅型透射光栅对入射的紫外光进行衍射，衍射光经石英透镜会聚。石英透镜后焦平面的光场分布函数是振幅型透射光栅透过率调制函数的傅氏变换。将相位掩膜版和光敏光纤贴在一起置于石英透镜的后焦平面进行曝光。因为石英透镜对振幅型透射光栅透过率调制函数进行傅氏变换，光敏光纤的平均折射率调制函数为石英透镜后焦平面上的光场分布函数，所以光纤光栅的反射谱分布函数是振幅光栅透过率调制函数的二次傅氏变换，经过两次傅氏变换后，还原为振幅型透射光栅的透过率调制函数。

依据本发明的原理，可根据所需的波长数反射谱光纤光栅选择振幅型透射光栅制作该光纤光栅。得到的光纤光栅的反射谱分布函数与振幅型透射光栅的透过率调制函数相同，振幅型透射光栅透过率调制函数的特点使得光纤光栅的反射谱达到切趾的目的，不需再采取其他措施进行切趾。

根据上述本发明提供的方法，可根据所需的任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的反射谱分布函数确定振幅型透射光栅的透过率调制函数，使振幅型透射光栅的透过率调制函数与任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的反射谱分布函数相同，引入石英透镜进行傅氏变换，制得与振幅型透射光栅透过率调制函数相同的任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅。

制作N通道的反射谱光纤光栅需采用相应的N缝数振幅型透射光栅，所得光纤光栅反射谱具有N个反射波长，且反射波长间隔与振幅型透射光栅的周期存在一定的关系。

根据所需的任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的反射谱分布函数确定振幅型透射光栅的透过率调制函数，制作具有该透过率调制函数的振幅型透射光栅是十分容易的，因此使任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作过程简单易行。

制作多通道反射谱光纤光栅(即抽样光纤光栅)时，首先根据需要得到的抽样光栅光纤反射谱分布函数及相关的实验条件，如紫外激光光源波长、石英透镜焦距等，设计出相应的振幅型透射光栅，利用振幅型透射光栅在石英透镜后焦平面的弗朗和费衍射谱分布，曝光制作抽样光纤光栅，由于平面光栅衍射后在该石英透镜后焦平面同时形成sinc函数抽样和sinc函数包络切趾，通过这种曝光方法得到的抽样光纤光栅各波长反射率完全相同且无旁瓣。

对于多通道光纤光栅，该多通道的波长间隔与振幅型透射光栅周期间的关系按照傅氏变换理论由下式给出：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\τ\λ}}^2}{{2n}_f{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{uv}}f}$

其中：Δλ为抽样光纤光栅的波长间隔；τ为振幅型透射光栅的周期；λ为相位掩膜版的中心波长；n_f为光纤光栅的平均折射率；λ_uv为紫外激光光源的波长；f为石英透镜的焦距。

制作用于密集波分复用(DWDM)光通信系统中的多通道反射谱光纤光栅，用平行紫外光照射有N个缝的振幅型透射光栅，经石英透镜会聚后，石英透镜后焦平面上的光场分布函数是振幅型透射光栅透过率调制函数的傅氏变换，在石英透镜后焦平面形成弗朗和费衍射场分布，将相位掩膜版和光敏光纤贴在一起置于石英透镜后焦平面衍射场中进行曝光，制得有N个近似矩形反射峰的多通道反射谱光纤光栅。

如果τ＝0.4毫米，f＝200毫米，λ＝1.55微米，n_f＝1.447，λ_uv＝0.248微米，根据多通道反射谱光纤光栅波长间隔与振幅型透射光栅周期间的关系计算得反射谱波长间隔为0.8微米。

将设计好的振幅型透射光栅、石英透镜、相位掩膜版和光敏光纤按照设计光路固定于光学平台上，用平行紫外激光光源垂直照射到振幅型透射光栅上，经石英透镜会聚后，石英透镜后焦平面上的光场分布函数是振幅型透射光栅透过率调制函数的傅氏变换，石英透镜后焦平面处形成弗朗和费衍射场，将相位掩膜版和光敏光纤贴在一起置于石英透镜的后焦平面上，经过适当曝光，能够得到抽样光纤光栅的反射谱分布函数与振幅型透射光栅透过率调制函数相同。

图3示出了N通道波长数光纤光栅的反射谱分布函数图像和制作所需的振幅型透射光栅透过率函数图像。图3(a)示出了振幅型透射光栅透过率函数图像，其中横轴为时间长度(Z)，纵轴为透过率(T)，能够透射的透射率为1，不能够透射的透射率为0，沿横轴Z方向有N个缝，每两个缝之间的时间间隔为τ，即振幅型透射光栅的周期；图3(b)示出了N通道反射谱光纤光栅的反射谱分布函数图像，其中横轴为波长(λ)，纵轴为反射率(R)，根据本发明可得到沿横轴λ方向的N个近似矩形的理想反射峰，每两个反射峰之间的波长间隔为Δλ。由此可见多通道反射谱光纤光栅的反射谱分布函数与振幅型透射光栅透过率调制函数相同。

本发明可用一条狭缝替代振幅型透射光栅制作出切趾的单通道光纤光栅，基本原理和实现步骤与上述制作抽样光纤光栅基本原理和实现步骤相同。

用一条狭缝替代振幅型透射光栅可得到sinc函数切趾的反射谱光纤光栅滤波器，如果采用周期变化的啁啾掩膜版，可得到抖动很小的色散补偿器。图4示出了单缝衍射sinc函数切趾色散补偿器反射谱和时延曲线图，如图4所示：采用本发明所述的任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法制作单通道反射谱光纤光栅，能够得到符合实用要求的光纤光栅反射曲线401和时延曲线402。

本发明中同样可采用振幅型反射光栅制作任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅，振幅型透射光栅和振幅型反射光栅统称为振幅光栅。

本发明还可采用各种相位光栅制作相应的任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅，基本原理与上述内容相同，只需在算法上有所改进。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1、一种任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的制作方法，采用平行紫外光垂直照射振幅光栅，利用振幅光栅对入射平行紫外光进行衍射，通过相位掩膜版对光敏光纤进行曝光，其特征在于该方法进一步包含以下步骤：

A、选择透过率调制函数是与所需任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅反射谱分布函数相同的振幅光栅，在该振幅光栅和相位掩膜版间设置石英透镜，石英透镜会聚所述振幅光栅的衍射光，石英透镜后焦平面上的光场分布函数为所述振幅光栅透过率调制函数的一次傅氏变换；

B、会聚光通过置于石英透镜后焦平面上的相位掩膜版对光敏光纤进行曝光，该光敏光纤的平均折射率调制函数为石英透镜后焦平面上的光场分布函数，光纤光栅的反射谱分布函数是振幅光栅透过率调制函数的二次傅氏变换，即还原为振幅光栅的透过率调制函数，该任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的波长间隔 $\mathrm{\Δ\λ}=\frac{\mathrm{\τ}{\mathrm{\λ}}^2}{2n_f{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{uv}}f},$ 其中，τ为振幅型透射光栅的周期，λ为相位掩膜版的中心波长，n_f为光纤光栅的平均折射率，λ_uv为紫外激光光源的波长，f为石英透镜的焦距。

2、根据权利要求1所述的任意波长数及波长间隔反射谱光纤光栅的制作方法，其特征在于该方法进一步包括：制作任意多通道反射谱光纤光栅时，选择透过率调制函数是与所需任意多通道反射谱光纤光栅的反射谱分布函数相同的振幅光栅。

3、根据权利要求1所述的任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法，其特征在于所述的步骤A进一步包括：振幅光栅与石英透镜贴在一起。

4、根据权利要求1所述的任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法，其特征在于所述的步骤B进一步包括：相位掩膜版与光敏光纤贴在一起。

5、根据权利要求1所述的任意波长数及波长间隔反射谱的光纤光栅制作方法，其特征在于所述的振幅光栅包括振幅型透射光栅或振幅型反射光栅。

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