CN1399149A - 宽带光纤光栅非均匀温度场制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电子、光纤通信和光纤传感领域，尤其是涉及一种制作宽带光纤光栅的方法。该方法使用普通均匀周期光纤光栅制作方法在光敏光纤中写入光栅，其特征在于：在光敏光纤的待写入光栅段，沿光纤轴线设置有非均匀温度场分布。当光栅写入完成后，撤掉非均匀温度场，原本是均匀周期的窄带光纤光栅则变成宽带光纤光栅或啁啾光纤光栅。本发明采用较为简单的方法，使用常规的加热装置，即可利用现有制作普通窄带光纤光栅的设备制作宽带光纤光栅或啁啾光纤光栅。具有方法简单，操作方便，制作成本低等优点。

Description

宽带光纤光栅非均匀温度场制作方法

技术领域：

本发明属于光电子、光纤通信和光纤传感领域，尤其是涉及一种制作宽带光纤光栅的方法。

背景技术：

光纤布喇格光栅是一种光纤内器件。光纤布喇格光栅中，纤芯的折射率沿光纤轴线方向周期性变化，这种周期性变化是通过特殊的光学方法用紫外光对光纤纤芯进行照射所形成的。普通光纤布喇格光栅的光栅常数(纤芯折射率变化的周期和幅度)是均匀的，我们称之为均匀光纤光栅，它所反射的光带宽很窄(一般＜0.5nm)，所以也称窄带光纤光栅。而宽带光纤光栅的光栅常数是不均匀的，所反射的光频带很宽(通常＞0.5nm～几十nm)。光栅常数沿光纤轴线单调变化的宽带光纤光栅一般称之为啁啾光纤光栅(有时我们统称为宽带光纤光栅)。宽带光纤光栅可以用作宽带滤波器。具有特殊光栅常数分布的宽带光纤光栅或啁啾光纤光栅可以用来进行色散补偿、脉冲压缩、波形整形以及光纤光栅传感信号解调等多方面的应用。因此宽带光纤光栅是一种可用于光纤通信、光纤传感、宽带滤波、光纤光源和半导体光源等光电子技术的重要器件。

如何有效地制作所需要的宽带光纤光栅是一个广为关注的问题，为此提出了许多制作方法。虽然强均匀周期光纤光栅(通过强紫外光和长时间曝光获得)也可以提供宽带，但在布喇格共振的短波部分伴有大量的和不可避免的损耗。因此制作既有所需带宽又有最小损耗的宽带光纤光栅是非常重要的。目前宽带光纤光栅的制作方法基本上可分为两大类：第一类是直接写入法，既光纤光栅的光栅常数非均匀化是在写入过程中完成的，直接得到宽带光纤光栅；第二类是间接制作法，既首先制作均匀光纤光栅，然后通过特殊处理使均匀光纤光栅的光纤常数非均匀化，从而得到宽带光纤光栅。

清华大学的谢世钟等人申请了一项制作宽带光纤光栅的专利(公告日：2000/12/17，公告号：CN1278069)，其方法是：用安装在扫描移动平台上的反射镜，按设定的函数分布通过等周期相位掩模板对光纤进行扫描，则光纤各点的曝光量按预先设计分布，制得宽带光纤光栅。

还有一种使用均匀周期相位掩模板写入宽带光纤光栅的技术，是在相位掩模板前加一块透镜，光纤相对于掩模板倾斜一个角度，利用不同的离焦距离有不同的放大率来获得非均匀周期效果。这种方法将受到光源空间相干长度的限制。

逐点写入技术也被用于制作宽带光纤光栅，然而非常缓慢耗时，完全不实用。

目前使用最多，也是控制最精密的方法之一是啁啾相位掩模板技术。啁啾相位掩模板的周期按所设计的要求逐渐变化，用此掩模板即可写出所需要的宽带光纤光栅。江西大学的邹道文等人承担的国家自然科学基金项目，意欲用此方法获得1nm带宽的啁啾光纤光栅，补偿一百公里以上光纤的色散。此方法的关键是啁啾相位掩模板，目前世界上只有少数几家公司能生产啁啾相位掩模板，一块好的啁啾相位掩模板价格很贵。

总的来说，虽然通过多年的努力，研究出了许多宽带光纤光栅的制作方法，但仍然存在许多技术上的问题，投入实际应用的方法只有啁啾相位掩模板等少数几种方法，而啁啾相位掩模板方法是一种制作成本很高且极不灵活的方法。因此进一步加强宽带光纤光栅制作方法的研究，改进现有的制作方法，发明新的制作方法，对于光纤通信、光纤传感、光纤光源合半导体光源等光电子技术的发展是十分有意义的。

发明内容：

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种较为简单的制作宽带光纤光栅的方法。

本发明使用普通均匀周期光纤光栅制作方法在光敏光纤中写入光栅，但是和普通均匀周期光纤光栅制作方法的不同之处在于：在光敏光纤的待写入光栅段，沿光纤轴线设置有非均匀温度场分布，从而使光敏光纤的力学和光学性质沿轴向产生了非均匀变化。当光栅写入完成后，撤掉非均匀温度场，原本是均匀周期的窄带光纤光栅将变成宽带光纤光栅或啁啾光纤光栅。简单地说，本发明是普通均匀周期光纤光栅制作方法和沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场方法的结合。并且，沿光敏光纤轴线设置非均匀温度场的装置应当使光栅写入光束的入射光路不受阻碍。

本发明采用较为简单的方法，使用常规的加热装置，即可利用现有制作普通窄带光纤光栅的设备制作宽带光纤光栅或啁啾光纤光栅。具有方法简单，操作方便，制作成本低等优点。

上述普通均匀周期光纤光栅制作方法包括：逐点写入法、双光束干涉法、均匀周期相位掩模板方法等，其中均匀周期相位掩模板方法包括：印刷法、环路法、棱镜法等。原则上讲，所有能在光敏光纤中写入光纤光栅的方法都可以在本发明中使用。以下对上述各种方法做简要介绍。

逐点写入法：是将光源聚焦成一点，通过精密控制的机械移动使聚焦光点沿光敏光纤轴线进行扫描，从而写出光纤光栅。

双光束干涉法：是将一束光分成两路，然后使两路光经一定的光程以一定的角度重新相交，在两路光重叠区产生空间干涉条纹；将光敏光纤5按一定的方式置于空间干涉条纹中曝光，即可在光敏光纤中形成光纤光栅(参看附图1)。附图中标记分别是：1、用于写入光栅的光源；2、半反半透镜；3、反射镜；4、反射镜；5、光敏光纤；6、写入光光束；7、空间干涉区；8、均匀周期相位掩模板；9、正一级衍射光束；10、负一级衍射光束；11、长方体玻璃棱镜；12、高温细棒；13、待写入光栅处；14、加温器；15、冷凝器；16导热线；17、绝缘细棒；18、电阻丝。

均匀周期相位掩模板方法：是使光源1通过特制的均匀周期相位掩模板8产生正负两束强的一级衍射光束9、10，而其它级的衍射很弱，正负两束一级衍射的重叠区形成空间干涉条纹7，将光敏光纤5按一定的方式置于空间干涉条纹中曝光制作光纤光栅(参看附图2)。相对于双光束干涉法而言，此方法降低了对光源相干性的要求，避免了分光、光程和夹角调整控制的难度，系统装置稳定性的要求不那么苛刻，同时制作光纤光栅的重复性大大提高，这是目前最实用、应用最广泛的方法。

使用均匀周期相位掩模板制作光纤光栅也有许多不同的方法，其中包括：

印刷法：利用正负两束一级衍射在贴近相位掩模板的重叠区域所形成的空间干涉条纹，将光敏光纤靠近相位掩模板放置，从而制作光纤光栅(参看附图2)。此方法比较简单，光纤光栅似乎是光通过相位掩模板印刷到光敏光纤中去的。

环路法：用两个反射镜3、4分别引导正负两束一级衍射光9、10，在离开相位掩模板的地方相交，形成空间干涉条纹7(参看附图3)。这样光敏光纤5安放在远离相位掩模板的地方，写入光束焦点的位置离相位掩模板比较远，有利于保护相位掩模板免受光照损坏，另外此方法中，光敏光纤的安放也比较方便。此方法的缺点和双光束干涉法相同，只是分光和光程调整控制相对容易些。

棱镜法：均匀周期相位掩模板8和光敏光纤5之间放置一块长方体玻璃棱镜11，相位掩模板产生的正负两束一级衍射光束9、10进入长方体玻璃棱镜，分别在长方体玻璃棱镜的两个侧面全反射，在出长方体玻璃棱镜后相交形成空间干涉条纹7，光束相交干涉区域有适当安放的光敏光纤(参看附图4)。此方法既可以让光敏光纤远离相位掩模板，使相位掩模板免受光照损坏，又可以避免环路法的缺点。

本发明中提到的光敏光纤是指对辐射敏感的光纤，这种光纤的纤芯受到辐射后，其纤芯折射率将发生永久性变化。一般光敏光纤可通过光纤纤芯掺杂获得。对普通通信光纤进行载氢就可以使其纤芯折射率对紫外光敏感。紫外光可以来自于准分子激光、或者是氩离子激光倍频、或者是铜蒸汽激光倍频等。一般来讲，只要能使光敏光纤的纤芯折射率发生永久性变化的辐射都行。但目前几乎所有用于制作光纤光栅的光敏光纤都只对紫外光敏感。

附图说明：

附图1为制作光纤光栅的双光束干涉法原理示意图。

附图2为制作光纤光栅的相位掩模板印刷法原理示意图。

附图3为制作光纤光栅的相位掩模板环路法原理示意图。

附图4为制作光纤光栅的相位掩模板棱镜法原理示意图。

附图5为沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场方法之一的原理示意图。

附图6为沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场方法之二的原理示意图。

附图7为沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场方法之三和方法之四的原理示意图。

附图8为沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场方法之五和方法之六的原理示意图。

附图9为不加非均匀温度场情况下制作的光纤光栅的反射谱，3dB线宽约0.2nm。

附图10为使用非均匀温度场方法制作的宽带光纤光栅的反射谱，3dB线宽2.162nm。

具体实施方式：

本发明中，沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场的方法可以有多种，适用于本发明的方法至少应满足以下条件：

1、使光敏光纤沿轴线有非均匀温度场分布。

2、实现非均匀温度场分布的装置不能妨碍光栅写入光路。

以下列举几种沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场的方法

方法之一：用一根温度足够高(其温度视所需要的温度场情况和细棒周围物体的耐高温性而定)的细棒12靠近光敏光纤待写入光栅处13，细棒轴线与光纤5轴线共面，但不平行，细棒轴线与写入光束轴线不共面(参看附图5)。这样离细棒较近的光敏光纤处温度较高，离细棒较远的光敏光纤处温度较低，从而在光敏光纤待写入光栅段沿轴线形成非均匀温度场分布。

方法之二：在尽可能靠近光敏光纤待写入光栅处13的一端的光纤5上安装加温器14，另一端的光纤上安装冷凝器15(参看附图6)。当加温器和冷凝器工作时，光敏光纤待写入光栅段一端的温度高，另一端的温度低，从而沿轴线形成非均匀温度场分布。

方法之三：在方法之二的基础上，加上一根导线16，导线轴线与光纤轴线平行，与写入光束轴线不共面，在不阻挡写入光路和不接触相位掩模板的原则下，导线尽可能与光敏光纤5靠近。导线的一端安装在方法之二所述的加温器14中，另一端安装在方法之二说述的冷凝器15中(参看附图7)。这样当加温器和冷凝器工作时，沿导线轴线形成非均匀温度场分布，从而也引起光敏光纤待写入光栅段13沿轴线形成非均匀温度场分布。考虑到方法之二中光纤的热传导性能差，难以达到满意的非均匀温度场分布，因此方法之三中加入导线以便获得满意的非均匀温度场分布。

方法之四：在方法之三的基础上，加上多根导线16，安装方式和原则与方法之三相同，多根导线分布在光敏光纤待写入光栅段13周围(参看附图7)。此方法的目的是为了进一步改善热传导性能，以便沿光敏光纤轴线获得满意的非均匀温度场分布。

方法之五：在一根绝缘细棒17上，按设计要求，沿棒轴线非均匀地绕上电阻丝18。将绕有电阻丝的细棒安放在光敏光纤待写入光栅段13附近，棒轴线与光纤5轴线平行，与写入光束轴线不共面，在不阻挡写入光路和不接触相位掩模板的原则下，绕有电阻丝的细棒与光敏光纤尽可能地靠近(参看附图8)。当电阻丝中有电流通过时，沿细棒轴线将产生非均匀温度场分布，从而导致光敏光纤待写入光栅段沿轴线形成非均匀温度场分布。

方法之六：在方法之五的基础上，使用多根沿轴线非均匀地缠绕有电阻丝的绝缘细棒，这些棒适当地安放在光敏光纤待写入光栅段周围，每根棒的安放原则和方法之五相同(参看附图8)。此方法是为了在光敏光纤待写入光栅段沿轴线获得更满意的非均匀温度场分布。

还有一些沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场的方法，这里就不一一列举了。

选用一种前述的普通均匀周期光纤光栅制作方法，配合一种前述的沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场的方法，安装调整好装置，然后写入光栅。光栅写入完成后，将光敏光纤从装置中取出，这样原本在非均匀温度场中的均匀周期光纤光栅，在均匀温度场环境中将变成宽带光纤光栅或啁啾光纤光栅。

为了进一步说明本发明的可行性，现提供如图9、图10所示的反射谱图进行比较，附图9为不加非均匀温度场情况下制作的光纤光栅的反射谱，3dB线宽约0.2nm。附图10为使用非均匀温度场方法制作的宽带光纤光栅的反射谱，3dB线宽2.162nm。由此可明显看出，采用本发明制作的光纤光栅，其3dB线宽达到2.162nm，完全能够制作出宽带光纤光栅。

这里需要指出的是：不是任意一种前述的普通均匀周期光纤光栅制作方法都可以和任意一种前述的沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场的方法很好地配合使用。例如：前述的均匀周期相位掩模板印刷法就很难和沿光敏光纤轴线建立非均匀温度场的方法之二配合使用。因为在均匀周期相位掩模板印刷法中光敏光纤的待写入光栅段和相位掩模板靠得很近(通常相距约几百微米)，一般相位掩模板的尺寸约几厘米，再加上固定相位掩模板支架的尺寸，也就是说光敏光纤待写入光栅处数厘米长度的光纤上难以安装任何装置，这样加温器和冷凝器之间的间隔至少为数厘米，而光纤是热的不良导体，因此难以在光敏光纤待写入光栅段沿轴线形成满意的非均匀温度场分布。

Claims (10)

1、一种宽带光纤光栅制作方法，使用普通均匀周期光纤光栅制作方法在光敏光纤中写入光栅，其特征在于：在光敏光纤的待写入光栅段，沿光纤轴线设置有非均匀温度场分布；当光栅写入完成后，撤掉非均匀温度场，原本是均匀周期的窄带光纤光栅则变成宽带光纤光栅或啁啾光纤光栅。

2、根据权利要求1所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述沿光纤轴线设置有非均匀温度场分布的装置应当既能够使光敏光纤的待写入光栅段，沿其轴线的温度分布非均匀化，同时也能够保证光栅写入光束的入射光路不受阻碍。

3、根据权利要求1或2所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述沿光纤轴线设置非均匀温度场的方法是：用一根温度足够高的细棒靠近光敏光纤待写入光栅处放置，细棒轴线与光纤轴线共面，但不平行，细棒轴线与写入光束轴线不共面；这样离细棒较近的光敏光纤处温度较高，离细棒较远的光敏光纤处温度较低，从而在光敏光纤待写入光栅段沿轴线形成非均匀温度场分布。

4、根据权利要求1或2所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述沿光纤轴线设置非均匀温度场的方法是：在尽可能靠近光敏光纤待写入光栅处的一端的光纤上安装加温器，另一端的光纤上安装冷凝器；当加温器和冷凝器工作时，光敏光纤待写入光栅段一端的温度高，另一端的温度低，从而沿轴线形成非均匀温度场分布。

5、根据权利要求4所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述沿光纤轴线设置非均匀温度场的方法是：在权利要求4所述方法的基础上，加上一或多根导线，导线轴线与光纤轴线平行，与写入光束轴线不共面，在不阻挡写入光路和不接触相位掩模板的原则下，导线尽可能与光敏光纤靠近；导线的一端安装在所述的加温器中，另一端安装在所述的冷凝器中；这样当加温器和冷凝器工作时，沿导线轴线形成非均匀温度场分布，从而也引起光敏光纤待写入光栅段沿轴线形成非均匀温度场分布。

6、根据权利要求1或2所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述沿光纤轴线设置非均匀温度场的方法是：在一根或多根绝缘细棒上沿棒轴线非均匀地绕上电阻丝；将绕有电阻丝的细棒安放在光敏光纤待写入光栅段附近，棒轴线与光纤轴线平行，与写入光束轴线不共面，在不阻挡写入光路和不接触相位掩模板的原则下，绕有电阻丝的细棒与光敏光纤尽可能地靠近；当电阻丝中有电流通过时，电阻丝发热，沿细棒轴线将产生非均匀温度场分布，从而导致光敏光纤待写入光栅段沿轴线形成非均匀温度场分布。

7、根据权利要求1或5所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述普通均匀周期光纤光栅制作方法是可以在光敏光纤中写入均匀周期光纤光栅的方法，其中包括：逐点写入法、双光束干涉法、均匀周期相位掩模板方法，其中均匀周期相位掩模板方法包括：印刷法、环路法、棱镜法。

8、根据权利要求3所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述普通均匀周期光纤光栅制作方法是可以在光敏光纤中写入均匀周期光纤光栅的方法，其中包括：逐点写入法、双光束干涉法、均匀周期相位掩模板方法，其中均匀周期相位掩模板方法包括：印刷法、环路法、棱镜法。

9、根据权利要求4所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述普通均匀周期光纤光栅制作方法是可以在光敏光纤中写入均匀周期光纤光栅的方法，其中包括：逐点写入法、双光束干涉法、均匀周期相位掩模板方法，其中均匀周期相位掩模板方法包括：印刷法、环路法、棱镜法。

10、根据权利要求6所述的宽带光纤光栅制作方法，其特征在于：所述普通均匀周期光纤光栅制作方法是可以在光敏光纤中写入均匀周期光纤光栅的方法，其中包括：逐点写入法、双光束干涉法、均匀周期相位掩模板方法，其中均匀周期相位掩模板方法包括：印刷法、环路法、棱镜法。

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