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(dǎo)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(xué)元件。傳統(tǒng)光柵是由許多重復(fù)的具有一定間距光柵結(jié)構(gòu)組成。這些重復(fù)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(jī)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(xué)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(dǎo))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(dāng)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾牟ㄩL滿足布拉格條件時(shí)，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(shí)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(diǎn)。FBG的上述特點(diǎn)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(fù)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(bǔ)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(kuò)展。擴(kuò)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(yù)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(diǎn)。但高質(zhì)量的模板制作困難，故價(jià)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(zhǔn)備多種不同的模板。
在制作FBG時(shí)，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(shí)保持平均折射率不變。又如，F(xiàn)BG用作EDFA增益均衡器時(shí)，需按照EDFA增益曲線設(shè)計(jì)和制作FBG以使其透射光譜補(bǔ)償EDFA增益變化而達(dá)到增益均衡的目的。
經(jīng)過多年的研究與實(shí)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(fù)性的光纖布拉格光柵，需要高精度的位移或角度控制，實(shí)際應(yīng)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(yīng)用，如高速率(10Gbit/s以上)光纖通信系統(tǒng)的色度色散補(bǔ)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(dǎo)，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(qiáng)相等或接近相等的激光束，所述的兩束光強(qiáng)相等或接近相等的激光束可由附加的裝置進(jìn)行改變相互間距的平行移動，然后，分別經(jīng)過光學(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)頻移器，光學(xué)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(xué)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(qiáng)相等或接近相等的兩束激光分別進(jìn)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(jìn)行刻畫；在刻畫的同時(shí)，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(qiáng)度和對比度，以實(shí)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(diǎn)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(shí)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(qiáng)度和對比度，即可實(shí)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(dǎo)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(shí)施例中光學(xué)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(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)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(qiáng)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(xué)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(xué)頻移器111和112。在這里給出的本發(fā)明的實(shí)施例中，光學(xué)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(xué)頻率調(diào)制器。
附圖3給出了用于本發(fā)明的實(shí)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(lì)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(xué)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(shí)會產(chǎn)生其他級次的衍射光，圖中未標(biāo)出)。
附圖1中，光學(xué)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(xué)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(dǎo)，波導(dǎo)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(dá)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(xué)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(xué)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(xué)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(dāng)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(dǎo)而制成布拉格光柵。當(dāng)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(shí)，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(dāng)光束113和114的間距和透鏡115的焦距為固定值時(shí)，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(dāng)光束間距D＝25mm時(shí)，不同透鏡焦距F所對應(yīng)的干涉條紋間距d，以及光纖有效折射率neff＝1.46時(shí)光纖布拉格光柵的中心波長。因此，當(dāng)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(dāng)選用焦距F＝53mm的聚焦透鏡，以及光纖有效折射率neff＝1.46時(shí)，光束間距在D＝25±1.5mm范圍內(nèi)改變時(shí)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(diǎn)是，在改變光束間距時(shí)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(qiáng)，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(qiáng)(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(qiáng)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(qiáng)度和對比度，故可實(shí)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(xué)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(qiáng)相等或接近相等的激光束，所述的兩束光強(qiáng)相等或接近相等的激光束可由附加的裝置進(jìn)行改變相互間距的平行移動，然后，分別經(jīng)過光學(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)頻移器，光學(xué)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(xué)頻移器為光學(xué)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(qiáng)相等或接近相等的兩束激光分別進(jìn)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(jìn)行刻畫；在刻畫的同時(shí)，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(qiáng)度和對比度，以實(shí)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(dǎo)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(dǎo),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(diǎn)在于:將光強(qiáng)相等或接近相等的兩束激光分別進(jìn)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(jìn)行刻畫;在刻畫的同時(shí),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(dǎo)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