專利名稱：啁啾和切趾函數(shù)可調(diào)的光纖光柵制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)和光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及光纖光柵制作技術(shù)。
自光纖光柵問世以來，已經(jīng)歷了二十多年的歷程。光纖光柵的制作技術(shù)也經(jīng)歷了幾次變革。K.Hill等人在1978年首先發(fā)明了光纖光柵內(nèi)寫入法，寫入光由光纖的端面引入，在光纖內(nèi)形成駐波而實現(xiàn)光柵寫入。1989年，G.Meltz等人發(fā)明了光纖Bragg光柵的外寫入法，即全息寫入法，光從光纖的側(cè)面寫入，利用光的相干性在光纖上直接形成干涉條紋。1993年以后，K.O.Hill等人相繼提出了相位模板法(Phasemask)，逐點寫入法(Point-by-point)[4]和掃描寫入法。
全息寫入法突破了縱向駐波法對Bragg波長的限制，但它對光源的相干性提出了較高的要求，調(diào)整上也比較困難。相位模板法的提出，大大簡化了光纖光柵的制作難度，提高了研制效率。光柵的精度和均勻性主要由相位模板來保證，對光源的相干性和對實驗裝置的穩(wěn)定性都沒有很高的要求。但是制作出的光柵周期由模板上的光柵周期決定，一塊模板只能用于一個特定中心波長。這對于它在波分復用光纖通信系統(tǒng)中的應用無疑是一個很大的限制。盡管人們想出了一些中心波長微調(diào)方法，如傾斜法和拉伸法，但其效果遠非理想。用掩模法制作光纖光柵需要準備很多不同光柵周期的掩模板，價格在數(shù)千至數(shù)萬美元，這在經(jīng)濟能力有限的情況下是行不通的。逐點寫入法不需要使用模板，它是使寫入光束沿光纖軸向移動，同時控制光的通斷和強度變化，從而將所需的光柵圖案寫在光纖上。顯然，只要控制掃描速度和光強度就可以獲得任意的光柵周期、啁啾量和切趾函數(shù)，從而獲得理想的光譜特性。但對現(xiàn)有機械裝置的精度要求高，實現(xiàn)難度大。
結(jié)合相位掩模法和逐點寫入法兩方面的優(yōu)點，出現(xiàn)了掃描寫入法。1995年W.H.Loh等人在95年的光學學報第20卷第20期(W.H.Loh.，et al.，Optics Letters，20(20)，2051(1995))提出利用壓電陶瓷(PZT)調(diào)諧的掃描法，該實驗裝置如

圖1所示，圖中倍頻Ar+離子激光器244nm光源11經(jīng)掃描鏡12反射照射在相位模板13上，光纖14緊貼模板且兩頭固定在微機控制的PZT掃描移動平臺15上，PZT平臺可產(chǎn)生誤差為5nm、線性度為±0.5、20μm的位移。用此裝置制作光柵的方法是掃描鏡是勻速移動的，它的速率是預先設(shè)置好，無法做到在不同位置有不同的速率值。當掃描鏡移動時，PZT上所加的電壓是隨曝光點的位置改變的，也就是使得光纖在不同地方受到不同程度的抖動。在光纖中部抖動量最小，兩端抖動量最大，這樣本來均勻的曝光量就不均勻的分布在光纖上，從而可得到切趾的光纖光柵。采用這種方法，可得到一個6mm長的切趾光纖光柵。實驗曲線如圖2所示。圖中X軸為波長偏移(nm)，Y軸為反射率(dB)，圖中的實線為實驗中得到的反射譜曲線，虛線為理論計算得到的反射譜曲線，實驗中得到的光纖光柵3dB帶寬約0.3nm，邊模抑制比40dB。
該方法雖然實現(xiàn)了高的邊模抑制比，但從它的反射譜曲線可看出；反射譜曲線頂部并不平坦，反射帶寬較窄；而且須掃描鏡和PZT平臺同時運動、相互配合，控制精度要求高，實驗裝置復雜，實現(xiàn)難度大。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種啁啾和切趾函數(shù)可調(diào)的光纖光柵制作方法，采用氬離子倍頻連續(xù)波激光器為光源，使用均勻的相位模板，通過在微機上運行不同的軟件、控制和動態(tài)調(diào)整光束的掃描速度及曝光量，能夠在氫載的標準單模光纖上制作出具有高反射率、高邊模抑制比、反射譜平頂帶較寬的光柵，用設(shè)定的軟件輸入不同的切趾函數(shù)，可制作不同的光柵，使本發(fā)明更加簡單、經(jīng)濟、實用、易于實現(xiàn)，具有很好的可重復性和靈活性。便于在國內(nèi)企業(yè)推廣應用。
本發(fā)明提出的一種啁啾和切趾函數(shù)可調(diào)的光纖光柵制作方法，包括以下步驟1)采用連續(xù)的紫外光激光器作為光源；2)將具有掃描及反射光束的功能的掃描反射鏡固定在掃描移動平臺上，該掃描移動平臺與微機的PIO口相連；3)將光敏光纖固定在適當位置，使其能接收到掃描反射鏡反射的光斑，并緊靠該光纖前設(shè)置一個均勻相位模板；4)通過在線輸入設(shè)定切趾函數(shù)參數(shù)，用存儲在微機中的軟件來控制掃描移動平臺的運動狀態(tài)，使其按照該切趾函數(shù)曲線對稱分布規(guī)律運行，并帶動掃描反射鏡對所說的光纖進行掃描，則光纖各點的曝光量按該函數(shù)曲線分布，得到所需的啁啾和切趾光纖光柵。
本發(fā)明通過輸入不同的切趾函數(shù)，改變掃描移動平臺的運動速度、運動時間、運動距離，既可制作出不同的啁啾和切趾光纖光柵。
本發(fā)明的方法與現(xiàn)有采用壓電陶瓷調(diào)諧的掃描法的不同之處在于本發(fā)明是基于在光纖上每一點處掃描速度變化時，停留時間是不同的，因而所受的曝光量也是變化的，且與掃描速度有互補的關(guān)系。即如果要使光纖在軸向的曝光量是沿某一曲線變化，那么必須使掃描速度的變化曲線和曝光量的曲線呈對稱分布。例如，如果要使光纖在軸向的曝光量是按高斯曲線變化，那么應使掃描速度的變化曲線和高斯曲線呈對稱分布。如圖3所示的一個高斯切趾函數(shù)曲線，X軸為時間(min)，Y軸為歸一化強度(a.u.)。圖4為與之相對應的掃描速度的變化曲線，X軸為時間(min)，Y軸為歸一化強度(a.u.)，得到的光纖在軸向的曝光量也是按高斯曲線變化。當然要使光纖在軸向的曝光量是沿其它不同的函數(shù)曲線變化，則使掃描速度的變化曲線與其相應即可。本發(fā)明采用在微機上進行程序設(shè)計、用軟件驅(qū)動一個微機控制的掃描移動平臺，在該平臺上有反射光束的反射鏡，通過在線輸入切趾函數(shù)參數(shù)，從而由微機控制動態(tài)調(diào)整光束的掃描速度及曝光量，最后獲得不同的光纖光柵。
本發(fā)明采用的原理如下均勻光纖Bragg光柵具有嚴格均勻的周期性折射率調(diào)制，它的Bragg中心波長λB＝2Λneff其中，L為光柵的周期，neff是光纖的有效折射率。只要改變光纖折射率，就可以改變光纖光柵的中心波長，從而得到不同性能要求的光纖光柵。
在本發(fā)明中為抑制光纖光柵反射譜的旁瓣，須采用切趾方法，原理如下將光柵反射率ρ＝σej(2δ＝-)，代入Riccati微分方程ρ＝j(luò)(2δ-)ρ+jκ(1+ρ2)可以得到σ′＝j(luò)k[e-j(2δz-)+σ2ej(2δz-)]其中σ為反射率振幅，δ是失諧量，為光柵相位。對低反射率光柵，σ2項可以忽略，有
這表明，不考慮相位因子，振幅反射率r(d)實際上就是耦合系數(shù)分布函數(shù)的Fourier變換。如果光柵的耦合系數(shù)也就是所受曝光量沿光柵的長度方向逐漸變化，使得在光柵的兩端逐漸趨近于零，就可以改善光柵的特性。耦合系數(shù)可選用Blackman，Hamming，Gauss，Tanh，Sinc，Cauchy等函數(shù)。
本發(fā)明的特點本發(fā)明通過編制的軟件，可改變掃描移動平臺的運動狀態(tài)，精確地控制它的速度變化，使其按照所需的函數(shù)運動，就可得到高反射率、高邊模抑制比，具有一定反射帶寬范圍的、啁啾和切趾函數(shù)可調(diào)的光纖光柵。該方法將光纖固定，依靠反射鏡的運動，來改變光纖的曝光量，從而使得制作光柵的裝置簡單、經(jīng)濟、實用、操作方便，具有很好的可重復性和靈活性。
附圖簡單說明圖1為已有的壓電陶瓷(PZT)調(diào)諧的掃描法實驗裝置圖。
圖2為已有的實驗曲線圖。
圖3為已有的高斯切趾函數(shù)曲線。
圖4為本發(fā)明的掃描速度的變化曲線。
圖5為本發(fā)明的光纖光柵方法裝置示意圖。
圖6為本發(fā)明的反射譜曲線圖。
圖7為本發(fā)明的切趾光纖光柵逐點掃描控制軟件流程圖。
本發(fā)明的啁啾和切趾函數(shù)可調(diào)的光纖光柵制作方法實施例結(jié)合附圖詳細說明如下本實施例光柵制作方法的裝置如圖5所示。其中，光源采用連續(xù)的244nm倍頻氬離子激光器21(美國coherent公司生產(chǎn))。掃描反射鏡22固定在ESP6000掃描移動平臺(Newport公司生產(chǎn))23上，掃描移動平臺運動精度為0.1mm。反射鏡22具有掃描及反射光束的功能，并將激光器21輸出的紫外光反射到均勻相位模板24上，該相位模板長度為25mm，紫外光經(jīng)過相位模板照射在其下的經(jīng)氫載處理的標準單模光纖25上。ESP6000掃描移動平臺與微機的PIO口(圖中未示出)相連。通過在微機上運行事先設(shè)計好的驅(qū)動軟件，改變移動平臺的運動狀態(tài)(運動速度、運動時間、運動距離)，使其按照某一運動規(guī)律運行，就可得到不同的光纖光柵。
在制作的整個過程中，采用譜寬為25nm的寬譜光源27、環(huán)行器26和精度為0.05nm的AQ-6315B光譜儀28進行光柵性能的測試，對光纖光柵的反射譜和透射光譜進行分析，可得到光纖光柵的性能參數(shù)。
本實施例的主要工藝流程如下①將光纖進行載氫處理并剝?nèi)ゼs30mm左右長的涂覆層；②將光纖固定在均勻相位掩模板后，使之盡量貼近但不要貼上；③調(diào)整激光器至輸出約100mW的光功率；④調(diào)整光路，使經(jīng)掃描反射鏡反射的光斑照射在光纖的纖芯上；⑤打開微機的ESP 6000系統(tǒng)，進入軟件的工作界面，并對ESP 6000進行初始化；⑥啟動掃描移動平臺，使它可以自由運動；⑦設(shè)置偏移量，使掃描移動平臺運動到切趾運動的起始位置；⑧輸入切趾運動的總距離，最大、最小速度；令掃描移動平臺開始作切趾運動，直至光柵制作完畢。
其中，控制掃描移動平臺運動狀態(tài)的軟件編程為采用Visual Basic 6.0編程語言，在ESP 6000系統(tǒng)提供的動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接庫(Dynamic Link Library)的基礎(chǔ)上，編制了基于Windows95操作系統(tǒng)的切趾光纖光柵逐點掃描制作軟件，用來精確控制掃描移動平臺的變速運動，以便得到理想的切趾光纖光柵。該軟件工作流程圖如圖7所示。它主要包括以下過程1、初始化過程對系統(tǒng)進行初始化；2、錯誤檢查過程讀取錯誤信息，并將其逐一顯示在窗口中；3、啟動掃描移動平臺過程打開掃描移動平臺，使之可以自由運動；4、選擇切趾方式過程選擇所需的切趾函數(shù)，使掃描移動平臺可以按選取的方式運動，切趾函數(shù)為Blackman，Hamming，Gauss，Tanh，Sinc，Cauchy等函數(shù)，本實施例中選用Gauss切趾函數(shù)5、掃描移動平臺歸零過程選取掃描移動平臺的初始位置；6、參數(shù)輸入過程輸入相關(guān)的速度、距離等參量；7、計算過程根據(jù)選取的切趾函數(shù)計算掃描運動時間及實際掃描長度；8、運動過程驅(qū)動掃描移動平臺進行切趾運動。
9、退出過程關(guān)閉掃描移動平臺的運動軸，退出系統(tǒng)，結(jié)束制作過程。
該軟件能夠?qū)崟r監(jiān)測掃描運動的狀態(tài)，實時讀取運動位置和運動時間，這種方法最大的優(yōu)點就是精確，方便。掃描移動平臺的運動誤差為0.1微米。只要輸入相應的控制參數(shù)，就可根據(jù)給定的最大、最小速度，距離等參數(shù)，預先計算出掃描移動平臺在光纖光柵制作過程中的運動時間，以及運動的實際距離，以便用戶能夠合理地調(diào)整輸入的最大、最小速度，控制光纖的曝光時間和曝光量，得到優(yōu)質(zhì)的光纖光柵。
采用界面的方法編制程序，使之直觀、友好。掃描移動平臺的瞬時位置以及時間都能在界面上清楚地顯示，便于用戶隨時監(jiān)控。界面按照操作流程設(shè)計，令用戶一目了然。本程序還有較強的交互性，其中特別設(shè)置了很多提示框和幫助窗口，指導用戶正確地使用本軟件。
利用本實施例制作的典型光纖光柵給出的反射譜如圖6所示。其表現(xiàn)出了良好的啁啾和切趾特性。圖6給出了它的反射譜曲線，X軸為波長(nm)，Y軸為反射率(dB)，邊模抑制比25dB，反射譜平頂帶寬0.6nm。具有一定反射帶寬范圍的切趾光纖光柵將應用于光插分復用器(Optical Add/Drop Multiplexer)中。
權(quán)利要求
1.一種啁啾和切趾函數(shù)可調(diào)的光纖光柵制作方法，包括以下步驟1)采用連續(xù)的紫外光激光器作為光源；2)將具有掃描及反射光束的功能的掃描反射鏡固定在掃描移動平臺上，該掃描移動平臺與微機的PIO口相連；3)將光敏光纖固定在適當位置，使其能接收到掃描反射鏡反射的光斑，并緊靠該光纖前設(shè)置一個均勻相位模板；4)通過在線輸入設(shè)定切趾函數(shù)參數(shù)，用存儲在微機中的軟件來控制掃描移動平臺的運動狀態(tài)，使其按照該切趾函數(shù)曲線對稱分布規(guī)律運行，并帶動掃描反射鏡對所說的光纖進行掃描，則光纖各點的曝光量按該函數(shù)曲線分布，得到所需的啁啾和切趾光纖光柵。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖光柵制作方法，其特征在于，所說的激光器為連續(xù)的244nm倍頻氬離子激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖光柵制作方法，其特征在于，所說的掃描移動平臺為ESP6000掃描移動平臺。
全文摘要
本發(fā)明屬光電子和光纖通信領(lǐng)域,包括用紫外光激光器作為光源,將掃描反射鏡固定在掃描移動平臺上,再將光敏光纖固定在適當位置,該光纖前設(shè)置均勻相位模板,通過在線輸入設(shè)定切趾函數(shù)參數(shù),用微機中的軟件來控制掃描移動平臺的運動狀態(tài),使其帶動掃描反射鏡按照該切趾函數(shù)曲線對稱分布規(guī)律運行,對光纖進行掃描,則光纖各點的曝光量按該函數(shù)曲線分布,制得光纖光柵。本發(fā)明簡單、經(jīng)濟實用、易于實現(xiàn),有很好的可重復性和靈活性。
文檔編號G02B5/18GK1278069SQ0010943
公開日2000年12月27日 申請日期2000年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者謝世鐘, 李栩輝, 夏歷, 王建萍 申請人:清華大學