專利名稱：一種光柵的制造裝置及光柵的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光柵的制造方法及其裝置，特別涉及衍射光柵和包括光纖布拉格光柵(簡稱FBG)在內(nèi)的各種波導光柵的制造方法及其裝置。
背景技術(shù)：
光柵是一種常用的光學元件。傳統(tǒng)光柵是由許多重復的具有一定間距光柵結(jié)構(gòu)組成。這些重復的光柵結(jié)構(gòu)對入射光的振幅，相位(或兩者)產(chǎn)生調(diào)制，而使入射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生衍射，形成各級衍射光。傳統(tǒng)衍射光柵是構(gòu)成各種光譜分析儀的關(guān)鍵器件。最早的衍射光柵是用機械刻劃的方法制成，現(xiàn)在的光柵大多采用全息干涉曝光和化學刻蝕法以及電子束刻劃法制成。
將光柵結(jié)構(gòu)寫入光纖(或平面光波導)內(nèi)，可形成光纖布拉格光柵。光纖布拉格光柵器件是人們發(fā)現(xiàn)光纖的光敏特性后而迅速發(fā)展起來的全光纖器件。FBG的出現(xiàn)給光纖通信及光纖傳感技術(shù)帶來了一場革命。FBG在結(jié)構(gòu)上看非常簡單，即在光纖芯內(nèi)形成具有一定周期的折射率調(diào)制。當光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾牟ㄩL滿足布拉格條件時，由于光的干涉作用，該波長的光被FBG反射，其反射率可接近100％。需要時可將其制成寬帶器件。由于FBG為全光纖器件，與其他類型的光纖器件相比，F(xiàn)BG具有插入損耗低，無需光路調(diào)整等顯著特點。FBG的上述特點對光纖通信及光纖傳感都是極其重要的。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖布拉格光柵器件常被用作波分復用(WDM)技術(shù)中光濾波器，摻鉺光纖放大器(EDFA)增益均衡器以及色度色散補償器等。
FBG的制造過程就是用紫外激光通過一定的方式產(chǎn)生干涉條紋在具有光敏性的光纖芯內(nèi)產(chǎn)生周期性的折射率調(diào)制。上述的干涉條紋可由雙光束干涉光路產(chǎn)生，所形成的干涉條紋場的長度由激光束寬度決定。為了產(chǎn)生一定長度的干涉條紋場，常常將激光束沿橫向擴展。擴束后的激光波陣面為球面或近似球面，因此可形成一定的條紋梯度，該梯度對干涉條紋場是固定的，無法控制局部條紋梯度的大小。目前工業(yè)生產(chǎn)中，普遍使用掩模技術(shù)，即用預制的相位光柵(俗稱模板)產(chǎn)生干涉條紋，將具有光敏特性的光纖置于模板后而制成光纖布拉格光柵。與雙光束干涉儀相比，模板具有穩(wěn)定性好，對紫外激光器的相干性要求低，使用簡單等顯著的優(yōu)點。但高質(zhì)量的模板制作困難，故價格昂貴。此外，一種模板只能產(chǎn)生一種固定周期的條紋，故常常需要準備多種不同的模板。
在制作FBG時，不論是采用雙光束干涉法還是掩模技術(shù)，都要考慮如何引入所需的切趾(或稱變跡)函數(shù)。例如，用于WDM濾波的FBG，為抑制邊模需控制折射率調(diào)制的幅度，使其由光柵兩端向中心按特定規(guī)律增加，而在同時保持平均折射率不變。又如，F(xiàn)BG用作EDFA增益均衡器時，需按照EDFA增益曲線設(shè)計和制作FBG以使其透射光譜補償EDFA增益變化而達到增益均衡的目的。
經(jīng)過多年的研究與實踐，人們已提出多種切趾方法。在發(fā)表于ELECTRONICS LETTERSVol.31，No.17(1995)的論文中，Cole等人提出在模板與待寫光纖之間沿光纖方向引入微小抖動，從而使光纖內(nèi)的干涉條紋“模糊”的切趾方法，該方法已被授予美國專利(專利號US Pat No.6072926)。美國專利No.6130973公開了一種通過改變紫外激光至模板入射角的切趾方法。這些方法均要使用模板，要制作高品質(zhì)和具有良好重復性的光纖布拉格光柵，需要高精度的位移或角度控制，實際應用困難。而且所能寫出的光柵長度受模板長度的限制。而長光柵對于許多應用，如高速率(10Gbit/s以上)光纖通信系統(tǒng)的色度色散補償都是至關(guān)重要的。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種高精度、低成本的光柵的制造方法及其裝置，該方法及其裝置能產(chǎn)生延續(xù)光柵結(jié)構(gòu)，可直接用于將所要求的條紋寫入光纖或平面波導，以形成布拉格光柵，它也可以用于各種光柵包括用于FBG制造的相位光柵(模板)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種光柵的制造裝置包括；激光光源、反射鏡、半透半反鏡、透鏡，其特征是，激光光源產(chǎn)生的激光束被半透半反鏡分為兩束光強相等或接近相等的激光束，所述的兩束光強相等或接近相等的激光束可由附加的裝置進行改變相互間距的平行移動，然后，分別經(jīng)過光學頻移器、透鏡匯聚產(chǎn)生干涉條紋，此外還包括速度傳感器和使被刻畫感光介質(zhì)以速度V＝d(fs2-fs1)，朝向所述的兩束激光變頻后頻移量小的激光束的方向進行移動的裝置，其中V表示速度；d表示干涉條紋間距；fs1和fs2為光學頻移器的頻率；速度傳感器將測得的所述移動速度和方向反饋給光學頻移器，光學頻移器改變頻率使所述的干涉條紋與感光介質(zhì)的移動速度、方向相等。所述的激光光源產(chǎn)生的激光束為連續(xù)紫外激光或連續(xù)可見激光。所述的光學頻移器為電光頻率調(diào)制器或聲光頻率調(diào)制器。所述聲光頻率調(diào)制器的聲光晶體，對可見光波段，典型材料為鉬酸鉛晶體；對紫外光波段可采用熔英。所述的頻率調(diào)制器由驅(qū)動源驅(qū)動，驅(qū)動源產(chǎn)生的驅(qū)動信號間可引入相移。所述速度傳感器可采用可以是激光干涉儀或激光多普勒測速儀；一種光柵的制造方法，包括下列步驟將光強相等或接近相等的兩束激光分別進行頻率移動，并使兩束激光具有一定的頻率差，因而兩束激光匯聚產(chǎn)生的干涉條紋以一定的速度和方向移動；將所述的干涉條紋匯聚在感光介質(zhì)，使其對感光介質(zhì)的表面或內(nèi)部進行刻畫；在刻畫的同時，使感光介質(zhì)以與所述的干涉條紋相同的速度和方向移動；其中，所述的激光可選用連續(xù)紫外激光或連續(xù)可見激光；然后，可分別采用下列步驟改變所述干涉條紋的間距，以制作不同波長的窄帶光柵；在光柵寫入過程中連續(xù)改變所述兩激光光束間距，以制作寬帶光柵；
改變所述干涉條紋的強度和對比度，以實現(xiàn)不同形狀的切趾函數(shù)；使干涉條紋產(chǎn)生相位移動，以制作具有相移的衍射光柵和布拉格光柵。
與已有的方法比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1 條紋間距連續(xù)可調(diào)并可精確控制，且在調(diào)節(jié)條紋間距時可保持條紋區(qū)的位置不變。
2 可制作任意長度的衍射光柵或光纖布拉格光柵(長度僅受裝載感光材料的移動平臺的最大范圍限制)。
3 可控制局部條紋梯度(啁啾)，因而可制作具有線性，非線性啁啾的光柵。
4 可引入任意條紋相位移動。
5 可連續(xù)調(diào)節(jié)條紋強度和對比度，即可實現(xiàn)任意形狀的切趾函數(shù)。
6 光路為等光程布置，對環(huán)境變化不敏感。
7 降低制造成本。
總之，本發(fā)明提供了一種光柵(包括傳統(tǒng)衍射光柵和光纖布拉格光柵以及其他波導光柵)制作中綜合解決啁啾，切趾，相位移動和長光柵寫入的方案。
圖1是按照本發(fā)明所述方法構(gòu)成的產(chǎn)生延續(xù)光柵結(jié)構(gòu)的裝置。
圖2為由兩束相干光產(chǎn)生的干涉條紋場。
圖3為用于本發(fā)明的實施例中光學頻移器的聲光頻率調(diào)制器。
圖4為聲光頻率調(diào)制器1級衍射光衍射效率與驅(qū)動功率的關(guān)系曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明。
附圖1中，連續(xù)激光束101經(jīng)過半透半反鏡102后，被分成光束106和107。光束106和光束107的光強相等或接近相等。光束106和光束107分別被全反射鏡105和103反射，得到平行光束109和光束110。反射鏡102，103，104，105可由棱鏡或其他形式的光學元件代替而完成分束功能。光束109和光束110分別經(jīng)過光學頻移器111和112。在這里給出的本發(fā)明的實施例中，光學頻移器111和112為聲光頻率調(diào)制器，它們也可以是電光或其他形式的光學頻率調(diào)制器。
附圖3給出了用于本發(fā)明的實施例中的聲光頻率調(diào)制器，其中305為聲光晶體，對可見光波段，典型材料為鉬酸鉛晶體；對紫外光波段可采用熔英。在驅(qū)動信號307激勵下，換能器306在聲光晶體305內(nèi)產(chǎn)生超聲波308。入射光301與超聲波308相互作用，產(chǎn)生具有光學頻移的1級衍射光303，其頻移量等于驅(qū)動信號頻率，光束304為0級光(有時會產(chǎn)生其他級次的衍射光，圖中未標出)。
附圖1中，光學頻移器111由驅(qū)動源118產(chǎn)生的信號驅(qū)動，調(diào)制頻率為設(shè)置的某一固定頻率fs1。光學頻移器112由驅(qū)動源119產(chǎn)生的信號驅(qū)動，其調(diào)制頻率fs2由速度傳感器120反饋控制。經(jīng)過頻移的光束113和114為平行光，光束間距為D。該平行光束通過正透鏡115，匯聚光束116和117在感光介質(zhì)121相交。感光介質(zhì)可以是具有光敏性的光纖，平面波導，波導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在感光介質(zhì)表面或內(nèi)部形成一組干涉條紋，如附圖2所示。干涉條紋的間距d取決于光束113和114的間距D和透鏡115的焦距F，其表達式為d=λ2(1+4F2D2)1/2]]>式中λ為激光波長。
如果入射到正透鏡115上激光束直徑為W，干涉條紋區(qū)的寬度B為B=2λπW(D2+4F2)1/2]]>其中包含的條紋數(shù)N為N=4DπW]]>由于光束116和117具有頻率差，所形成干涉條紋以一定的速度移動。條紋移動方向取決于光學頻移器111和112引入頻移量的大小。如果頻移器112的頻移量fs2大于光學頻移器111的頻移量fs1，條紋將沿圖1中箭頭124所指方向向上移動，反之則向下移動。條紋移動速度由光束116和117之間的頻率差和干涉條紋間距決定，即V＝d(fs2-fs1)感光介質(zhì)121可裝載在移動平臺或其他裝置上，其移動速度由速度傳感器120檢測。速度傳感器120可以是激光干涉儀，激光多普勒測速儀或其他速度測量裝置。速度傳感器120的輸出信號反饋控制光學頻移器112的頻率，使所產(chǎn)生的干涉條紋的移動方向和速度等于感光介質(zhì)121的移動方向和速度。因此，可在感光介質(zhì)121表面或者內(nèi)部產(chǎn)生延續(xù)的光柵結(jié)構(gòu)。
當光束101為連續(xù)紫外激光，例如由氬離子激光器經(jīng)倍頻產(chǎn)生的波長為244nm的激光，根據(jù)本發(fā)明的方法和如附圖1所示或類似的裝置，可以將各種光柵結(jié)構(gòu)寫入光纖或平面波導而制成布拉格光柵。當光束101為連續(xù)可見激光，感光介質(zhì)121是表面涂有感光材料的基片時，根據(jù)本發(fā)明所提供的方法和如圖1所示或類似的裝置，可在基片表面形成各種延續(xù)光柵結(jié)構(gòu)，經(jīng)過其他處理后，而制成各種振幅或相位光柵。
改變光束113和114的間距或透鏡115的焦距可控制干涉條紋的間距。當光束113和114的間距和透鏡115的焦距為固定值時，形成的布拉格光柵為單波長，可作窄帶濾波器。下面的表格列出了當光束間距D＝25mm時，不同透鏡焦距F所對應的干涉條紋間距d，以及光纖有效折射率neff＝1.46時光纖布拉格光柵的中心波長。因此，當光束間距選定后，只要更換不同焦距的透鏡，即可制作出具有不同周期的衍射光柵或不同波段的布拉格光柵。
若光柵寫入過程中連續(xù)改變光束間距D，則可制作具有各種啁啾率的寬帶光柵。改變光束間距D的方法包括平移反射鏡103和反射鏡105，或是其他類似方法。例如，激光波長為244nm，當選用焦距F＝53mm的聚焦透鏡，以及光纖有效折射率neff＝1.46時，光束間距在D＝25±1.5mm范圍內(nèi)改變時可寫出1469nm-1646nm的啁啾布拉格光柵。采用本發(fā)明所提供的方法的另一特點是，在改變光束間距時條紋區(qū)的位置保持不變。
如果用I1和I2分別表示入射光束116和117的光強，則I1＝I·k(P1)I2＝I·k(P2)其中，I為入射到聲光頻率調(diào)制器111和112的光強(為方便起見設(shè)為相等)，k(P)表示如圖4所示的聲光頻率調(diào)制器1級衍射光衍射效率與驅(qū)動功率的關(guān)系曲線，P1和P2分別為馳動源118和119的輸出功率。光束相交區(qū)內(nèi)干涉條紋的強度由直流分量Ldc和交流分量Iac構(gòu)成，它們可表示為Idc＝I1+I2＝I[k(P1)+k(P2)]Iac＝2(I1I2)1/2＝2I[k(P1)k(P2)]1/2可見，改變驅(qū)動源118和119的輸出功率P1和P2即可分別控制干涉條紋的強度和對比度，故可實現(xiàn)任意形狀的切趾函數(shù)。
通過驅(qū)動源118或119在驅(qū)動信號上引入相移可使干涉條紋產(chǎn)生相位移動，從而制作沿與柵格垂直方向具有相移的衍射光柵和布拉格光柵。
權(quán)利要求
1.一種光柵的制造裝置包括激光光源、反射鏡、半透半反鏡、透鏡，其特征是，還包括光學頻移器，激光光源產(chǎn)生的激光束被半透半反鏡分為兩束光強相等或接近相等的激光束，所述的兩束光強相等或接近相等的激光束可由附加的裝置進行改變相互間距的平行移動，然后，分別經(jīng)過光學頻移器、透鏡匯聚產(chǎn)生干涉條紋，此外還包括速度傳感器和使被刻畫感光介質(zhì)以速度V＝d(fs2-fs1)，朝向所述的兩束激光變頻后頻移量小的激光束的方向進行移動的裝置，其中V表示速度；d表示干涉條紋間距；fs1和fs2；為光學頻移器的頻率；速度傳感器將測得的所述移動速度和方向反饋給光學頻移器，光學頻移器改變頻率使所述的干涉條紋與感光介質(zhì)的移動速度、方向相等；
2.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光柵的制造裝置，其特征是，所述的激光光源產(chǎn)生的激光束為連續(xù)紫外激光或連續(xù)可見激光；
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光柵的制造裝置，其特征是，所述的光學頻移器為光學頻率調(diào)制器或聲光頻率調(diào)制器；
4.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光柵的制造裝置，其特征是，所述聲光頻率調(diào)制器的聲光晶體，對可見光波段，典型材料為鉬酸鉛晶體；對紫外光波段可采用熔英；
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光柵的制造裝置，其特征是，所述的頻率調(diào)制器由驅(qū)動源驅(qū)動，驅(qū)動源產(chǎn)生的驅(qū)動信號間可引入相移；
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光柵的制造裝置，其特征是，所述傳感器可以是激光干涉儀或激光多普勒測速儀；
7.一種光柵的制造方法，其特征是，包括下列步驟將光強相等或接近相等的兩束激光分別進行頻率移動，并使兩束激光具有一定的頻率差，因而兩束激光匯聚產(chǎn)生的干涉條紋以一定的速度和方向移動；將所述的干涉條紋匯聚在感光介質(zhì)，使其對感光介質(zhì)的表面或內(nèi)部進行刻畫；在刻畫的同時，使感光介質(zhì)和所述的干涉條紋移動的速度和方向相同；然后，可分別采用下列步驟改變所述干涉條紋的間距，以制作不同波長窄帶光柵；在光柵寫入過程中連續(xù)改變所述兩激光光束間距，以制作寬帶光柵；改變所述干涉條紋的強度和對比度，以實現(xiàn)不同形狀的切趾函數(shù)；使干涉條紋產(chǎn)生相位移動，以制作具有相移的衍射光柵和布拉格光柵，
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵的制造方法，所述的激光可選用連續(xù)紫外激光或連續(xù)可見激光。
全文摘要
本發(fā)明涉光柵的制造方法及其裝置,特別涉及衍射光柵和包括光纖布拉格光柵(簡稱FBG)在內(nèi)的各種波導光柵的制造方法及其裝置。為提供一種高精度、低成本的光纖光柵的制造裝置及光柵的制造方法,該裝置及方法能產(chǎn)生延續(xù)光柵結(jié)構(gòu),可直接用于將所要求的條紋寫入光纖或平面波導,以形成布拉格光柵,它也可以用于各種光柵包括用于FBG制造的相位光柵(模板)。本發(fā)明的主要技術(shù)特點在于:將光強相等或接近相等的兩束激光分別進行頻率移動,并使兩束激光具有一定的頻率差,因而兩束激光匯聚產(chǎn)生的干涉條紋以一定的速度和方向移動;將所述的干涉條紋匯聚在感光介質(zhì),使其對感光介質(zhì)的表面或內(nèi)部進行刻畫;在刻畫的同時,使感光介質(zhì)以與所述的干涉條紋相同的速度和方向移動；本發(fā)明提供了一種光柵,包括傳統(tǒng)衍射光柵和光纖布拉格光柵以及其他波導光柵制作中綜合解決啁啾,切趾,相位移動和長光柵寫入的方案。
文檔編號G02B6/124GK1371001SQ0210445
公開日2002年9月25日 申請日期2002年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月19日
發(fā)明者李恩邦, 李恩林 申請人:李恩林