CN1258686C - 一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于光纤光栅的制作以及光通信系统的一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法。它是利用紫外激光和相位模板在光纤中等间隔的点上曝光而形成的，要求曝光点的间隔、相位模板的啁啾系数和每个曝光点后的相移满足简单的关系。该方法可以制作任意间隔的多信道滤波器而不受模板的啁啾系数的限制。

Description

一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法

技术领域

本发明属于光纤光栅的制作以及光通信系统范围，尤其涉及一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法。

背景技术

多信道滤波器是高速、大容量光纤通信系统中的重要器件。利用光纤光栅来实现多信道滤波器具有工艺简单、价格低廉等优点。所谓光纤光栅，是指利用紫外曝光的方法在一段光纤中引入周期性的折射率调制而得到的光波导器件。一种利用光纤光栅的基本方法是采样光纤光栅，它是利用相位模板在光纤上等间隔的点上曝光形成的；简单的采样光栅形成的多信道滤波器的信道数目非常有限，不能满足实际的要求(覆盖整个C波段甚至C+L波段)，于是更为复杂的采样光纤光栅被提出。一种被成为相位采样光纤光栅的方法，在采样光纤光栅中引入特定的相移而形成多信道。所谓相移，实际上是通过在光栅制作过程中微移动光纤和模板之间的相对距离达到的。例如，在制作采样光纤光栅的过程中，如果我们在从光纤光栅入射端开始计数的第k个曝光点曝光之后，相对光纤而言沿着光入射到光纤光栅的方向微移动模板距离为δL，则在光纤光栅的第k个曝光点之后形成了相移φ，其值为

其中，Λ是光纤光栅的周期性折射率调制的平均周期，或者简称光纤光栅的平均周期。在本文中我们规定，由于上述操作所形成的相移其符号为正，而由于相对光纤而言逆着光入射到光纤光栅的方向微移动模板所形成的相移其符号为负。由于光纤光栅的周期很小，所以相移要求的微移动其精度要求在纳米量级。相移在光纤光栅的制作工艺中占有重要地位，现在这方面的工艺已经基本上成熟，例如利用压电陶瓷(PZT)来实现等。然而，一般的利用相移来形成多信道的光纤光栅要求在一个很小的空间间隔内形成很多的相移，而且相移的数目随信道数目的增多迅速增大；要达到这样的要求，简单的相移工艺，比如PTZ等平移模板的方法很难做到。国际上通用的做法是将要求的相移制作到相位模板上，这将大大增加相位模板的制作难度，增加光纤光栅的制作成本。

还有一种简单的实现多信道滤波器的方法，是当采样光纤光栅的啁啾系数和曝光点间距之间满足一定关系的时候，就可以形成多信道滤波器：

$\mathrm{Chirp}=\frac{{\mathrm{\Λ}}^2}{P^2}---\left(2\right)$

其中，Λ是采样光纤光栅的平均周期，它是制作过程中用到的相位模板的周期的一半，(Chirp)是采样光纤光栅的啁啾系数，即光纤光栅的周期随距离z的变化率，是制作过程中用到的相位模板的啁啾系数的一半，P是曝光点之间的距离，或者简称采样光纤光栅的采样周期。该方法具有工艺简单的优点，无须相移。但是，由于采样周期P和形成的多信道滤波器的信道间隔δλ之间的关系

$P=\frac{{2\mathrm{n\Λ}}^2}{\mathrm{\δ\λ}}---\left(3\right)$

(其中，n是光纤光栅的平均折射率，是由光纤厂家提供的常数)使得一定信道间隔的采样光纤光栅就要求一定啁啾系数的相位模板，限制了设计的灵活性。

发明内容

本发明的目的是提出了一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法。其特征在于：所述基于光纤光栅的多信道滤波器是利用紫外激光和啁啾相位模板在一段光纤中等间隔的点上曝光而形成的光波导器件；该多信道滤波器的制作方法是首先设定光纤光栅的啁啾系数(Chirp)，其光纤光栅的啁啾系数(Chirp)、曝光点之间的间隔P和在光纤光栅中从光纤光栅入射端开始计数的第k个曝光点之后引入的相移(φ_k)由下面的关系决定：

$P=\frac{P_0}{N}---\left(4\right)$

$\mathrm{Chirp}=\frac{{\mathrm{\Λ}}^2}{{P_0}^2}*M---\left(5\right)$

其中，N是大于或者等于1的整数，M是大于零的数，Λ是光纤光栅的平均周期，P₀由下式决定：

$P_0=\frac{{2\mathrm{n\Λ}}^2}{\mathrm{\δ\λ}}---\left(7\right)$

其中，δγ是给定的多信道滤波器的信道间隔，n是光纤光栅的平均折射率，是由光纤厂家提供的常数。

由上述关系式(4)、(5)和(6)可知，光纤光栅的啁啾系数(Chirp)和采样周期P之间并没有决定性的联系，在光纤光栅在很短的距离内不需要做大量相移，要求曝光点的间隔、相位模板的啁啾系数和每个曝光点后的相移满足上述关系式中简单的关系，该方法制作任意间隔的多信道滤波器而不受模板的啁啾系数的限制，利用简单的精密的压电陶瓷平移台实现，制作多种不同信道间隔的多信道滤波器；具体的工艺流程如下：

1)调节光路，使紫外激光从激光器11出射，平移台15的移动方向平行于紫外光13的入射方向；紫外光13被固定在平移台15上的平面镜14反射后，垂直入射到相位模板16上；相位模板16的周期是设定的光纤光栅的周期的两倍，啁啾系数是设定的光纤光栅的啁啾系数的两倍；相位模板16放置在具有纳米量级的移动精度的压电陶瓷平移台18上；±1级衍射光所构成的平面和平移台15移动方向平行；光敏光纤17固定在相位模板16后，尽量靠近但不贴上；在平移台15移动的过程中，紫外光13透过相位模板16后照射在光纤17的芯径上；调节光阑12，使得各个曝光点不重合。

2)把激光束移动到第k个曝光点、即kP处，打开激光器11，曝光以形成需要的折射率调制幅度，然后关闭激光器，移动压电陶瓷平移台18形成需要的相移φ_k；各个曝光点的曝光时间相同，而得到多种采样周期的采样光纤光栅，从而实现制作多种不同信道间隔的多信道滤波器。

所述简单的精密平移台为压电陶瓷平移台。

本发明的有益效果本发明的制作方法在光纤光栅在很短的距离内不需要做大量相移，可以利用简单的精密平移台实现，所以具有一定啁啾系数的相位模板可以制作多种不同信道间隔的多信道滤波器。给设计带来了很大的方便，解决利用光纤光栅实现多信道滤波器的工艺上的困难，并且实现设计的灵活性。同时也降低了成本。

附图说明

图1为基于光纤光栅的多信道滤波器制作装置示意图。

图2为实施例I光纤光栅的反射谱图。

图3为实施例I的光栅中心波长附近4个反射峰的谱线图

图4为实施例II光纤光栅的反射谱图。

图5实施例II光栅中心波长附近4个反射峰的谱线图。

图6为实施例III光纤光栅的反射谱图。

图7为实施例III光栅中心波长附近5个反射峰的谱线图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法。所述基于光纤光栅的多信道滤波器是利用紫外激光和啁啾相位模板在一段光纤中等间隔的点上曝光而形成的光波导器件；该多信道滤波器的制作方法是首先设定光纤光栅的啁啾系数(Chirp)，其光纤光栅的啁啾系数(Chirp)，曝光点之间的间隔P和在光纤光栅中从光纤光栅入射端开始计数的第k个曝光点之后引入的相移φ_k由下面的关系决定：

$P=\frac{P_0}{N}---\left(4\right)$

$\mathrm{Chirp}=\frac{{\mathrm{\Λ}}^2}{{P_0}^2}*M---\left(5\right)$

其中，N是大于或者等于1的整数，M是大于零的数，Λ是光纤光栅的平均周期，P₀由下式决定：

$P_0=\frac{{2\mathrm{n\Λ}}^2}{\mathrm{\δ\λ}}---\left(7\right)$

其中，δλ是给定的多信道滤波器的信道间隔，n是光纤光栅的平均折射率，是由光纤厂家提供的常数。

由上述关系式(4)、(5)和(6)可知，光纤光栅的啁啾系数(Chirp)和采样周期P之间并没有决定性的联系，在光纤光栅在很短的距离内不需要做大量相移，要求曝光点的间隔、相位模板的啁啾系数和每个曝光点后的相移满足上述关系式中简单的关系，该方法制作任意间隔的多信道滤波器而不受模板的啁啾系数的限制，利用简单的精密的压电陶瓷平移台实现，制作多种不同信道间隔的多信道滤波器；具体的工艺流程(如图1所示)如下：

1)调节光路，使紫外激光从激光器11出射，平移台15的移动方向平行于紫外光13的入射方向；紫外光13被固定在平移台15上的平面镜14反射后，垂直入射到相位模板16上；相位模板16的周期是设定的光纤光栅的周期的两倍，啁啾系数是设定的光纤光栅的啁啾系数的两倍；相位模板16放置在具有纳米量级的移动精度的压电陶瓷平移台18上；±1级衍射光所构成的平面和平移台15移动方向平行；光敏光纤17固定在相位模板16后，尽量靠近但不贴上；在平移台15移动的过程中，紫外光13透过相位模板16后照射在光纤17的芯径上；调节光阑12，使得各个曝光点不重合。

2)把激光束移动到第k个曝光点、即kP处，打开激光器11，曝光以形成需要的折射率调制幅度，然后关闭激光器，移动压电陶瓷平移台18形成需要的相移(φ_k)；各个曝光点的曝光时间相同，而得到多种采样周期的采样光纤光栅，从而实现制作多种不同信道间隔的多信道滤波器。下面例举实施例对本发明的制作方法予以进一步说明。

发明实施例I

本实施例实现了一个0.8nm间隔的多信道滤波器。

实现装置如图1所示，紫外激光的波长为244nm，相位模板采用平均周期为1065.3nm的啁啾模板，相位模板的啁啾系数为2.664nm/cm，光敏光纤的平均折射率为1.455，紫外曝光引起的折射率调制为1e-3，采样周期为1.032mm，光斑大小为采样周期的一半，光栅的长度为10.32cm；设计中采用了N＝1，M＝0.5，可得第k个采样后面的相移为kπ。

利用传输矩阵方法仿真上述设计，得到光纤光栅的反射谱如图2所示。该光栅中心波长附近4个反射峰的谱线如图3所示，该光纤光栅很好的实现了覆盖40nm的多信道滤波器，具有平顶、高边模抑制等高性能多信道滤波器所要求的品质。在工艺上，相移的间隔只有1.032mm，利用压电陶瓷等精密平移台很容易达到。

发明实施例II

本发明实施例实现了一个0.96nm间隔的多信道滤波器。

本实例的实现装置如图1所示，紫外激光的波长为244nm，相位模板采用平均周期为1065.3nm的啁啾模板，相位模板的啁啾系数为2.664nm/cm，光敏光纤的平均折射率为1.455，紫外曝光引起的折射率调制为1e-3，采样周期为0.8600mm，光斑大小为采样周期的一半，光栅的长度为8.600cm；设计中采用了N＝1，M＝0.347222，可得第k个采样后面的相移为1.306kπ。

利用传输矩阵方法仿真上述设计，得到光纤光栅的反射谱如图4所示。该光栅中心波长附近4个反射峰的谱线如图5所示，该光纤光栅很好的实现了覆盖33nm的多信道滤波器，具有平顶、高边模抑制等高性能多信道滤波器所要求的品质。在工艺上，相移的间隔只有0.8600mm，利用压电陶瓷等精密平移台很容易达到。和实例I相比，利用同样的相位模板实现了信道间隔不同的多信道滤波器。

发明实施例III

本发明实施例实现了一个0.8nm间隔的多信道滤波器。

本实例的实现装置如图1所示，紫外激光的波长为244nm，相位模板采用平均周期为1065.3nm的啁啾模板，相位模板的啁啾系数为2.664nm/cm，光敏光纤的平均折射率为1.455，紫外曝光引起的折射率调制为0.5e-3，采样周期为0.344mm，光斑大小为采样周期的一半，光栅的长度为10.320cm；设计中采用了N＝3，M＝0.5，可得第k个采样后面的相移为0.5556kπ。

利用传输矩阵方法仿真上述设计，得到光纤光栅的反射谱如图6所示。该光栅中心波长附近5个反射峰的谱线如图7所示，该光纤光栅很好的实现了覆盖40nm的多信道滤波器，具有平顶、高边模抑制等高性能多信道滤波器所要求的品质。在工艺上，相移的间隔只有0.344mm，利用压电陶瓷等精密平移台很容易达到。和实例I相比，降低了实验中所需的折射率调制幅度。

Claims (1)

1.一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法，其特征在于：所述基于光纤光栅的多信道滤波器是利用紫外激光和啁啾相位模板在一段光纤中等间隔的点上曝光而形成的光波导器件；该多信道滤波器的制作方法是首先设定光纤光栅的啁啾系数(Chirp)，其光纤光栅的啁啾系数(Chirp)、曝光点之间的间隔(P)和在光纤光栅中从光纤光栅入射端开始计数的第k个曝光点之后引入相移(φ_k)由下面的关系决定：

$P=\frac{P_0}{N}$

$\mathrm{Chirp}=\frac{{\mathrm{\Λ}}^2}{{P_0}^2}*M$

其中，N是一个大于或者等于1的整数，M是大于零的数，Λ是光纤光栅的平均周期，P₀由下式决定：

$P_0=\frac{2n{\mathrm{\Λ}}^2}{\mathrm{\δ\λ}}$

其中，δλ是给定的多信道滤波器的信道间隔，n是光纤光栅的平均折射率，是由光纤厂家提供的常数；

按照上述关系式，具体制作多种不同信道间隔的多信道滤波器采用如下的工艺来实现：

1)调节光路，使紫外激光从激光器(11)出射，平移台(15)的移动方向平行于紫外光(13)的入射方向；紫外光(13)被固定在平移台(15)上的平面镜(14)反射后，垂直入射到相位模板(16)上；相位模板(16)的周期是设定的光纤光栅的周期的两倍，啁啾系数是设定的光纤光栅的啁啾系数的两倍；相位模板(16)放置在具有纳米量级的移动精度的压电陶瓷平移台(18)上；±1级衍射光所构成的平面和平移台(15)移动方向平行；光敏光纤(17)固定在相位模板(16)后，尽量靠近但不贴上；在平移台(15)移动的过程中，紫外光(13)透过相位模板(16)后照射在光纤(17)的芯径上；调节光阑(12)，使得各个曝光点不重合；

2)把激光束移动到第k个曝光点、即kP处，打开激光器(11)，曝光以形成需要的折射率调制幅度，然后关闭激光器，移动压电陶瓷平移台(18)形成需要的相移(φ_k)；各个曝光点的曝光时间相同，得到多种采样周期的采样光纤光栅，即制作出多种不同信道间隔的多信道滤波器。

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