專利名稱：寬帶光纖光柵非均勻溫度場制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電子、光纖通信和光纖傳感領域，尤其是涉及一種制作寬帶光纖光柵的方法。
背景技術：
光纖布喇格光柵是一種光纖內器件。光纖布喇格光柵中，纖芯的折射率沿光纖軸線方向周期性變化，這種周期性變化是通過特殊的光學方法用紫外光對光纖纖芯進行照射所形成的。普通光纖布喇格光柵的光柵常數(纖芯折射率變化的周期和幅度)是均勻的，我們稱之為均勻光纖光柵，它所反射的光帶寬很窄(一般＜0.5nm)，所以也稱窄帶光纖光柵。而寬帶光纖光柵的光柵常數是不均勻的，所反射的光頻帶很寬(通常＞0.5nm～幾十nm)。光柵常數沿光纖軸線單調變化的寬帶光纖光柵一般稱之為啁啾光纖光柵(有時我們統(tǒng)稱為寬帶光纖光柵)。寬帶光纖光柵可以用作寬帶濾波器。具有特殊光柵常數分布的寬帶光纖光柵或啁啾光纖光柵可以用來進行色散補償、脈沖壓縮、波形整形以及光纖光柵傳感信號解調等多方面的應用。因此寬帶光纖光柵是一種可用于光纖通信、光纖傳感、寬帶濾波、光纖光源和半導體光源等光電子技術的重要器件。
如何有效地制作所需要的寬帶光纖光柵是一個廣為關注的問題，為此提出了許多制作方法。雖然強均勻周期光纖光柵(通過強紫外光和長時間曝光獲得)也可以提供寬帶，但在布喇格共振的短波部分伴有大量的和不可避免的損耗。因此制作既有所需帶寬又有最小損耗的寬帶光纖光柵是非常重要的。目前寬帶光纖光柵的制作方法基本上可分為兩大類第一類是直接寫入法，既光纖光柵的光柵常數非均勻化是在寫入過程中完成的，直接得到寬帶光纖光柵；第二類是間接制作法，既首先制作均勻光纖光柵，然后通過特殊處理使均勻光纖光柵的光纖常數非均勻化，從而得到寬帶光纖光柵。
清華大學的謝世鐘等人申請了一項制作寬帶光纖光柵的專利(公告日2000/12/17，公告號CN1278069)，其方法是用安裝在掃描移動平臺上的反射鏡，按設定的函數分布通過等周期相位掩模板對光纖進行掃描，則光纖各點的曝光量按預先設計分布，制得寬帶光纖光柵。
還有一種使用均勻周期相位掩模板寫入寬帶光纖光柵的技術，是在相位掩模板前加一塊透鏡，光纖相對于掩模板傾斜一個角度，利用不同的離焦距離有不同的放大率來獲得非均勻周期效果。這種方法將受到光源空間相干長度的限制。
逐點寫入技術也被用于制作寬帶光纖光柵，然而非常緩慢耗時，完全不實用。
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術。啁啾相位掩模板的周期按所設計的要求逐漸變化，用此掩模板即可寫出所需要的寬帶光纖光柵。江西大學的鄒道文等人承擔的國家自然科學基金項目，意欲用此方法獲得1nm帶寬的啁啾光纖光柵，補償一百公里以上光纖的色散。此方法的關鍵是啁啾相位掩模板，目前世界上只有少數幾家公司能生產啁啾相位掩模板，一塊好的啁啾相位掩模板價格很貴。
總的來說，雖然通過多年的努力，研究出了許多寬帶光纖光柵的制作方法，但仍然存在許多技術上的問題，投入實際應用的方法只有啁啾相位掩模板等少數幾種方法，而啁啾相位掩模板方法是一種制作成本很高且極不靈活的方法。因此進一步加強寬帶光纖光柵制作方法的研究，改進現(xiàn)有的制作方法，發(fā)明新的制作方法，對于光纖通信、光纖傳感、光纖光源合半導體光源等光電子技術的發(fā)展是十分有意義的。

發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種較為簡單的制作寬帶光纖光柵的方法。
本發(fā)明使用普通均勻周期光纖光柵制作方法在光敏光纖中寫入光柵，但是和普通均勻周期光纖光柵制作方法的不同之處在于在光敏光纖的待寫入光柵段，沿光纖軸線設置有非均勻溫度場分布，從而使光敏光纖的力學和光學性質沿軸向產生了非均勻變化。當光柵寫入完成后，撤掉非均勻溫度場，原本是均勻周期的窄帶光纖光柵將變成寬帶光纖光柵或啁啾光纖光柵。簡單地說，本發(fā)明是普通均勻周期光纖光柵制作方法和沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場方法的結合。并且，沿光敏光纖軸線設置非均勻溫度場的裝置應當使光柵寫入光束的入射光路不受阻礙。
本發(fā)明采用較為簡單的方法，使用常規(guī)的加熱裝置，即可利用現(xiàn)有制作普通窄帶光纖光柵的設備制作寬帶光纖光柵或啁啾光纖光柵。具有方法簡單，操作方便，制作成本低等優(yōu)點。
上述普通均勻周期光纖光柵制作方法包括逐點寫入法、雙光束干涉法、均勻周期相位掩模板方法等，其中均勻周期相位掩模板方法包括印刷法、環(huán)路法、棱鏡法等。原則上講，所有能在光敏光纖中寫入光纖光柵的方法都可以在本發(fā)明中使用。以下對上述各種方法做簡要介紹。
逐點寫入法是將光源聚焦成一點，通過精密控制的機械移動使聚焦光點沿光敏光纖軸線進行掃描，從而寫出光纖光柵。
雙光束干涉法是將一束光分成兩路，然后使兩路光經一定的光程以一定的角度重新相交，在兩路光重疊區(qū)產生空間干涉條紋；將光敏光纖5按一定的方式置于空間干涉條紋中曝光，即可在光敏光纖中形成光纖光柵(參看附圖1)。附圖中標記分別是1、用于寫入光柵的光源；2、半反半透鏡；3、反射鏡；4、反射鏡；5、光敏光纖；6、寫入光光束；7、空間干涉區(qū)；8、均勻周期相位掩模板；9、正一級衍射光束；10、負一級衍射光束；11、長方體玻璃棱鏡；12、高溫細棒；13、待寫入光柵處；14、加溫器；15、冷凝器；16導熱線；17、絕緣細棒；18、電阻絲。
均勻周期相位掩模板方法是使光源1通過特制的均勻周期相位掩模板8產生正負兩束強的一級衍射光束9、10，而其它級的衍射很弱，正負兩束一級衍射的重疊區(qū)形成空間干涉條紋7，將光敏光纖5按一定的方式置于空間干涉條紋中曝光制作光纖光柵(參看附圖2)。相對于雙光束干涉法而言，此方法降低了對光源相干性的要求，避免了分光、光程和夾角調整控制的難度，系統(tǒng)裝置穩(wěn)定性的要求不那么苛刻，同時制作光纖光柵的重復性大大提高，這是目前最實用、應用最廣泛的方法。
使用均勻周期相位掩模板制作光纖光柵也有許多不同的方法，其中包括印刷法利用正負兩束一級衍射在貼近相位掩模板的重疊區(qū)域所形成的空間干涉條紋，將光敏光纖靠近相位掩模板放置，從而制作光纖光柵(參看附圖2)。此方法比較簡單，光纖光柵似乎是光通過相位掩模板印刷到光敏光纖中去的。
環(huán)路法用兩個反射鏡3、4分別引導正負兩束一級衍射光9、10，在離開相位掩模板的地方相交，形成空間干涉條紋7(參看附圖3)。這樣光敏光纖5安放在遠離相位掩模板的地方，寫入光束焦點的位置離相位掩模板比較遠，有利于保護相位掩模板免受光照損壞，另外此方法中，光敏光纖的安放也比較方便。此方法的缺點和雙光束干涉法相同，只是分光和光程調整控制相對容易些。
棱鏡法均勻周期相位掩模板8和光敏光纖5之間放置一塊長方體玻璃棱鏡11，相位掩模板產生的正負兩束一級衍射光束9、10進入長方體玻璃棱鏡，分別在長方體玻璃棱鏡的兩個側面全反射，在出長方體玻璃棱鏡后相交形成空間干涉條紋7，光束相交干涉區(qū)域有適當安放的光敏光纖(參看附圖4)。此方法既可以讓光敏光纖遠離相位掩模板，使相位掩模板免受光照損壞，又可以避免環(huán)路法的缺點。
本發(fā)明中提到的光敏光纖是指對輻射敏感的光纖，這種光纖的纖芯受到輻射后，其纖芯折射率將發(fā)生永久性變化。一般光敏光纖可通過光纖纖芯摻雜獲得。對普通通信光纖進行載氫就可以使其纖芯折射率對紫外光敏感。紫外光可以來自于準分子激光、或者是氬離子激光倍頻、或者是銅蒸汽激光倍頻等。一般來講，只要能使光敏光纖的纖芯折射率發(fā)生永久性變化的輻射都行。但目前幾乎所有用于制作光纖光柵的光敏光纖都只對紫外光敏感。


附圖1為制作光纖光柵的雙光束干涉法原理示意圖。
附圖2為制作光纖光柵的相位掩模板印刷法原理示意圖。
附圖3為制作光纖光柵的相位掩模板環(huán)路法原理示意圖。
附圖4為制作光纖光柵的相位掩模板棱鏡法原理示意圖。
附圖5為沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場方法之一的原理示意圖。
附圖6為沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場方法之二的原理示意圖。
附圖7為沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場方法之三和方法之四的原理示意圖。
附圖8為沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場方法之五和方法之六的原理示意圖。
附圖9為不加非均勻溫度場情況下制作的光纖光柵的反射譜，3dB線寬約0.2nm。
附圖10為使用非均勻溫度場方法制作的寬帶光纖光柵的反射譜，3dB線寬2.162nm。
具體實施例方式本發(fā)明中，沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場的方法可以有多種，適用于本發(fā)明的方法至少應滿足以下條件1、使光敏光纖沿軸線有非均勻溫度場分布。
2、實現(xiàn)非均勻溫度場分布的裝置不能妨礙光柵寫入光路。
以下列舉幾種沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場的方法方法之一用一根溫度足夠高(其溫度視所需要的溫度場情況和細棒周圍物體的耐高溫性而定)的細棒12靠近光敏光纖待寫入光柵處13，細棒軸線與光纖5軸線共面，但不平行，細棒軸線與寫入光束軸線不共面(參看附圖5)。這樣離細棒較近的光敏光纖處溫度較高，離細棒較遠的光敏光纖處溫度較低，從而在光敏光纖待寫入光柵段沿軸線形成非均勻溫度場分布。
方法之二在盡可能靠近光敏光纖待寫入光柵處13的一端的光纖5上安裝加溫器14，另一端的光纖上安裝冷凝器15(參看附圖6)。當加溫器和冷凝器工作時，光敏光纖待寫入光柵段一端的溫度高，另一端的溫度低，從而沿軸線形成非均勻溫度場分布。
方法之三在方法之二的基礎上，加上一根導線16，導線軸線與光纖軸線平行，與寫入光束軸線不共面，在不阻擋寫入光路和不接觸相位掩模板的原則下，導線盡可能與光敏光纖5靠近。導線的一端安裝在方法之二所述的加溫器14中，另一端安裝在方法之二說述的冷凝器15中(參看附圖7)。這樣當加溫器和冷凝器工作時，沿導線軸線形成非均勻溫度場分布，從而也引起光敏光纖待寫入光柵段13沿軸線形成非均勻溫度場分布?？紤]到方法之二中光纖的熱傳導性能差，難以達到滿意的非均勻溫度場分布，因此方法之三中加入導線以便獲得滿意的非均勻溫度場分布。
方法之四在方法之三的基礎上，加上多根導線16，安裝方式和原則與方法之三相同，多根導線分布在光敏光纖待寫入光柵段13周圍(參看附圖7)。此方法的目的是為了進一步改善熱傳導性能，以便沿光敏光纖軸線獲得滿意的非均勻溫度場分布。
方法之五在一根絕緣細棒17上，按設計要求，沿棒軸線非均勻地繞上電阻絲18。將繞有電阻絲的細棒安放在光敏光纖待寫入光柵段13附近，棒軸線與光纖5軸線平行，與寫入光束軸線不共面，在不阻擋寫入光路和不接觸相位掩模板的原則下，繞有電阻絲的細棒與光敏光纖盡可能地靠近(參看附圖8)。當電阻絲中有電流通過時，沿細棒軸線將產生非均勻溫度場分布，從而導致光敏光纖待寫入光柵段沿軸線形成非均勻溫度場分布。
方法之六在方法之五的基礎上，使用多根沿軸線非均勻地纏繞有電阻絲的絕緣細棒，這些棒適當地安放在光敏光纖待寫入光柵段周圍，每根棒的安放原則和方法之五相同(參看附圖8)。此方法是為了在光敏光纖待寫入光柵段沿軸線獲得更滿意的非均勻溫度場分布。
還有一些沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場的方法，這里就不一一列舉了。
選用一種前述的普通均勻周期光纖光柵制作方法，配合一種前述的沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場的方法，安裝調整好裝置，然后寫入光柵。光柵寫入完成后，將光敏光纖從裝置中取出，這樣原本在非均勻溫度場中的均勻周期光纖光柵，在均勻溫度場環(huán)境中將變成寬帶光纖光柵或啁啾光纖光柵。
為了進一步說明本發(fā)明的可行性，現(xiàn)提供如圖9、圖10所示的反射譜圖進行比較，附圖9為不加非均勻溫度場情況下制作的光纖光柵的反射譜，3dB線寬約0.2nm。附圖10為使用非均勻溫度場方法制作的寬帶光纖光柵的反射譜，3dB線寬2.162nm。由此可明顯看出，采用本發(fā)明制作的光纖光柵，其3dB線寬達到2.162nm，完全能夠制作出寬帶光纖光柵。
這里需要指出的是不是任意一種前述的普通均勻周期光纖光柵制作方法都可以和任意一種前述的沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場的方法很好地配合使用。例如前述的均勻周期相位掩模板印刷法就很難和沿光敏光纖軸線建立非均勻溫度場的方法之二配合使用。因為在均勻周期相位掩模板印刷法中光敏光纖的待寫入光柵段和相位掩模板靠得很近(通常相距約幾百微米)，一般相位掩模板的尺寸約幾厘米，再加上固定相位掩模板支架的尺寸，也就是說光敏光纖待寫入光柵處數厘米長度的光纖上難以安裝任何裝置，這樣加溫器和冷凝器之間的間隔至少為數厘米，而光纖是熱的不良導體，因此難以在光敏光纖待寫入光柵段沿軸線形成滿意的非均勻溫度場分布。
權利要求
1.一種寬帶光纖光柵制作方法，使用普通均勻周期光纖光柵制作方法在光敏光纖中寫入光柵，其特征在于在光敏光纖的待寫入光柵段，沿光纖軸線設置有非均勻溫度場分布；當光柵寫入完成后，撤掉非均勻溫度場，原本是均勻周期的窄帶光纖光柵則變成寬帶光纖光柵或啁啾光纖光柵。
2.根據權利要求1所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述沿光纖軸線設置有非均勻溫度場分布的裝置應當既能夠使光敏光纖的待寫入光柵段，沿其軸線的溫度分布非均勻化，同時也能夠保證光柵寫入光束的入射光路不受阻礙。
3.根據權利要求1或2所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述沿光纖軸線設置非均勻溫度場的方法是用一根溫度足夠高的細棒靠近光敏光纖待寫入光柵處放置，細棒軸線與光纖軸線共面，但不平行，細棒軸線與寫入光束軸線不共面；這樣離細棒較近的光敏光纖處溫度較高，離細棒較遠的光敏光纖處溫度較低，從而在光敏光纖待寫入光柵段沿軸線形成非均勻溫度場分布。
4.根據權利要求1或2所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述沿光纖軸線設置非均勻溫度場的方法是在盡可能靠近光敏光纖待寫入光柵處的一端的光纖上安裝加溫器，另一端的光纖上安裝冷凝器；當加溫器和冷凝器工作時，光敏光纖待寫入光柵段一端的溫度高，另一端的溫度低，從而沿軸線形成非均勻溫度場分布。
5.根據權利要求4所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述沿光纖軸線設置非均勻溫度場的方法是在權利要求4所述方法的基礎上，加上一或多根導線，導線軸線與光纖軸線平行，與寫入光束軸線不共面，在不阻擋寫入光路和不接觸相位掩模板的原則下，導線盡可能與光敏光纖靠近；導線的一端安裝在所述的加溫器中，另一端安裝在所述的冷凝器中；這樣當加溫器和冷凝器工作時，沿導線軸線形成非均勻溫度場分布，從而也引起光敏光纖待寫入光柵段沿軸線形成非均勻溫度場分布。
6.根據權利要求1或2所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述沿光纖軸線設置非均勻溫度場的方法是在一根或多根絕緣細棒上沿棒軸線非均勻地繞上電阻絲；將繞有電阻絲的細棒安放在光敏光纖待寫入光柵段附近，棒軸線與光纖軸線平行，與寫入光束軸線不共面，在不阻擋寫入光路和不接觸相位掩模板的原則下，繞有電阻絲的細棒與光敏光纖盡可能地靠近；當電阻絲中有電流通過時，電阻絲發(fā)熱，沿細棒軸線將產生非均勻溫度場分布，從而導致光敏光纖待寫入光柵段沿軸線形成非均勻溫度場分布。
7.根據權利要求1或5所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述普通均勻周期光纖光柵制作方法是可以在光敏光纖中寫入均勻周期光纖光柵的方法，其中包括逐點寫入法、雙光束干涉法、均勻周期相位掩模板方法，其中均勻周期相位掩模板方法包括印刷法、環(huán)路法、棱鏡法。
8.根據權利要求3所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述普通均勻周期光纖光柵制作方法是可以在光敏光纖中寫入均勻周期光纖光柵的方法，其中包括逐點寫入法、雙光束干涉法、均勻周期相位掩模板方法，其中均勻周期相位掩模板方法包括印刷法、環(huán)路法、棱鏡法。
9.根據權利要求4所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述普通均勻周期光纖光柵制作方法是可以在光敏光纖中寫入均勻周期光纖光柵的方法，其中包括逐點寫入法、雙光束干涉法、均勻周期相位掩模板方法，其中均勻周期相位掩模板方法包括印刷法、環(huán)路法、棱鏡法。
10.根據權利要求6所述的寬帶光纖光柵制作方法，其特征在于所述普通均勻周期光纖光柵制作方法是可以在光敏光纖中寫入均勻周期光纖光柵的方法，其中包括逐點寫入法、雙光束干涉法、均勻周期相位掩模板方法，其中均勻周期相位掩模板方法包括印刷法、環(huán)路法、棱鏡法。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電子、光纖通信和光纖傳感領域，尤其是涉及一種制作寬帶光纖光柵的方法。該方法使用普通均勻周期光纖光柵制作方法在光敏光纖中寫入光柵，其特征在于在光敏光纖的待寫入光柵段，沿光纖軸線設置有非均勻溫度場分布。當光柵寫入完成后，撤掉非均勻溫度場，原本是均勻周期的窄帶光纖光柵則變成寬帶光纖光柵或啁啾光纖光柵。本發(fā)明采用較為簡單的方法，使用常規(guī)的加熱裝置，即可利用現(xiàn)有制作普通窄帶光纖光柵的設備制作寬帶光纖光柵或啁啾光纖光柵。具有方法簡單，操作方便，制作成本低等優(yōu)點。
文檔編號G02B6/124GK1399149SQ0213898
公開日2003年2月26日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權日2002年8月29日
發(fā)明者姜德生, 何偉, 陳宏波, 梅家純, 戴珩 申請人:武漢理工大學