採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法
2023-05-07 17:05:46 3
專利名稱：採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法
技術領域：
本發明屬於光纖光柵的光學寫入技術、製造及應用技術領域。
光纖光柵的製造原理是利用不同的方法，使寫入光在光纖芯內產生沿軸向的周期性光強分布，這種光強的周期性分布將引起光纖材料的折射率產生沿軸向周期性調製，從而形成光柵。
隨著光纖光柵技術的迅猛發展，對光纖光柵製造技術也產生了越來越迫切的需求。象所有的工業技術一樣，光柵製造也希望有一種方便使用，且物美價廉的方法；同時也更要適宜於大批量的製造。
現有的光纖光柵製造方法可分為兩大類內寫入法和外寫入法。
內寫入法是利用光纖內部的前向傳輸光與光纖出射端反射產生的背向傳輸光相干疊加，在光纖內沿軸向形成光強的周期性分布。
外寫入法是利用不同的方法在光纖側面外部形成光強沿軸向的周期性分布，並利用光學手段將這一模斑投影在光纖上，從而在光纖內沿軸向形成光強的周期性分布。其中又包括相位模板法、振幅模板法和逐點寫入法三類(1)相位模板法(Phase Mask)該法利用相位模板產生的衍射波相干疊加形成的光強周期性調製製造光柵。優點是寫入精度高、穩定；缺點是造價昂貴，一般長度在1cm，不適合製造長光柵，並且一旦製成其周期不可改變，使用不便。
(2)振幅模板法(Amplitude Mask)此方法直接利用模板的周期性結構或光學成象投影在光纖上形成光強的周期性分布。優點是簡單、價廉，可以大大延伸其長度以製作長光柵；但是由於直接利用模板的周期性結構，所以要求模板周期的精度要好(尤其對短周期的FBG而言)，且已有的振幅模板技術中，通常採用固定周期的光柵、其它精密的周期性結構作為模板。另外，模板必須緊貼光纖放置。
(3)逐點寫入法(Point-by-Point)逐點寫入法實際屬于振幅模板法的一種。它是在聚集的光源前面放置一縫寬等於光柵周期的狹縫，然後通過控制光纖或光源規律性的沿光纖軸向移動，逐點地對光纖進行曝光。累積成為沿光纖軸向的折射率周期性調製。優點是所需光學元件少，裝置較簡單、方便，可以在線寫入；缺點是對移動機械結構(直接關係光柵周期)的精度要求高，寫入費時，易受環境因素幹擾。
本發明的目的在於為克服已有技術的不足之處，利用莫爾條紋的優點和普及性，溶入振幅模板的結構特點，使製作光纖光柵簡便易行、成本低廉，可方便地改變所寫入光柵的周期，模板可重複使用、條紋分布穩定、價格低，且適用於製造長光柵的振幅模板。
本發明提出一種採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，包括以下步驟1)利用兩個透射/反射式周期性結構重疊，並繞某一定點相互旋轉使兩結構中的條紋方向互成一微小角度θ，製成莫爾條紋振幅模板，且θ滿足=d2sin(/2),]]>其中Λ為所寫入的光柵周期，d為原光柵的周期；2)使該莫爾條紋振幅模板緊貼待製作光柵的光纖放置；採用能產生光敏效應的光源作為寫入光3)將該光源經過莫爾條紋振幅模板之後，正好投射在待寫入的光纖之上，這樣振幅模板的周期性光強分布就投射在光纖上；4)曝光一定時間後在該光纖內形成折射率的周期性調製結構。
本發明所說的莫爾條紋振幅模板的製造方法可以是兩個通過光學底片曝光或玻璃刻蝕形成的透射式周期性結構重疊，並繞某一定點相互旋轉使兩結構中的條紋方向互成一微小角度，這樣就形成了莫爾條紋振幅模板。
所說的莫爾條紋振幅模板的製造方法也可以是利用一至兩個反射式周期性結構的像疊加在同一像平面上，並使兩結構中的條紋方向互成一微小夾角，形成莫爾條紋振幅模板。
所說的兩個透射/反射式周期性結構重疊，互成的微小角度一般小於10度使用，以獲得好的條紋對比度；所說的莫爾條紋模板與光纖之間的間隙最好小於1mm，因在更大的區域，由於衍射、幹涉和成像等因素的影響，條紋的周期將發生改變，並有幹涉現象的幹擾。
當所說的光源功率足夠大，而所寫光柵的長度小於1cm時，可直接使用模斑直徑大於1cm的寫入光源；當光源功率相對較小(約幾十mw)，而所寫光柵長度＞1cm，這時就需要將點光源擴束並聚焦成長/寬比合適的線光源(如寬0.5mm，長度可以控制)。
本發明所說的莫爾條紋原理結合
圖1簡述如下利用兩個通過光學底片曝光或玻璃刻蝕形成的透射式光柵(用於形成莫爾條紋的光柵A,B(下稱原光柵)的周期應儘量小，以使兩光柵的夾角相對較小，這樣所形成的條紋有好的對比度)重疊，或利用一至兩個反射式周期性結構(光柵)的像疊加在同一像平面上，並繞某一定點相互旋轉使兩結構中的條紋方向互成一微小角度。
設兩柵線夾角為θ，原光柵的周期為d，則莫爾條紋周期(即所寫入的光柵周期)為=d2sin(/2)]]>如果這一微小角度滿足根據莫爾條紋公式計算的結果，所得到的莫爾條紋就正是符合製作光纖光柵要求的周期性結構。
例如當原光柵的周期為20線/mm，所寫光柵周期要求為370μm時，可由上式計算得到夾角θ約等於7.8°。即當我們採用周期為20線/mm的兩個原光柵來形成莫爾條紋，當它們之間的夾角等於7.8°時，經過寫入光源照射後所製成的光纖光柵的周期就是370μm。
本發明具有如下特點(1)莫爾條紋形成簡便、價格極便宜。
(2)周期可根據需要在一定範圍內調整，重複使用，製成不同周期的光柵。
(3)既可用於長周期光柵，又可用於較短周期光柵的製作。
(4)適合製作長光柵(主要考慮光源功率因素的限制)；適合大批量生產。
附圖簡要說明圖1為莫爾條紋原理圖。
圖2為本發明的實施例一示意圖。
圖3為本發明的實施例二示意圖。
本發明提出採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法的二種實施例結合附圖分別詳細說明如下實施案例一為採用兩個透射光柵重疊製成莫爾條紋振幅模板在硫化物光纖中寫入光柵，如圖2所示。具體實施方法步驟寫入光源11由於硫化物光纖12對可見光譜區特定波長具有光敏性，因而在寫入過程中採用波長6328A、功率大於30mw的He-Ne雷射器作為寫入光源。
監測光源13為了實時觀測光柵寫入的效果，需要一個監測用光源。考慮到目前所使用的單模硫化物光纖損耗較大，且與普通光纖的耦合損耗很高，因此所需的監測光源既要具備寬的線寬，又要有足夠高的功率。本實施例中選用摻鉺光纖放大器(EDFA)作為監測光源監測光源利用中心波長在1540nm,3dB譜寬35nm，和功率14mw的摻鉺光纖放大器(EDFA)的ASE譜。
莫爾條紋振幅模板14用兩塊完全相同的透射光柵構成。為消除衍射效應，兩光柵間隔小於1mm。在本實施例中採用底片曝光製成的光柵，周期為20線/mm。根據莫爾條紋形成原理及所需的光柵周期，計算得到兩光柵柵線夾角為7.8°。
寫入光源He-Ne雷射器發出的30mw光，通過擴束鏡15和柱透鏡16擴束和聚焦後成為30×0.5mm平行於光纖軸的矩形光斑，再通過莫爾條紋模板14橫向入射到硫化物光纖12上。同樣為了濾除衍射效應，莫爾條紋模板與光纖緊靠，間隙小於1mm。監測光源-EDFA光源發出的光經過硫化物光纖後被光譜儀17接收。
從光譜儀上顯示的EDFA的ASE譜線在寫入光柵之前經過硫化物光纖傳輸後的光譜曲線，與經過數小時的曝光之後的光譜曲線對比可以看出寫入所引起光纖折射率周期性調製-即光柵效應。
實施例二為使用普通的反射光柵的像形成莫爾條紋振幅模板採用紫外光作為寫入光源製作石英光纖光柵，如圖3所示。具體實施步驟寫入光源21由於石英光纖對可見光譜區不具有光敏性，而對特定波段的紫外光敏感，因而在寫入過程中一般採用紫外光一波長為248nm的準分子雷射器作為寫入光源。
監測光源23相比較而言，石英光纖損耗低、接續方便，因此所需的監測光源應該是具備寬的譜寬的光源即可。尤其是在FBG的寫入過程中，對光源譜寬的要求亦可放鬆。本實施例中選普通的寬帶LED作為監測光源3dB線寬為30nm，出纖功率約1mw。
莫爾條紋振幅模板24用兩塊完全相同的反射光柵241、242，通過透鏡251、252成象在同一像平面上構成。通過精心調節，兩光柵的像可完全重疊在同一平面上。在本實施例中採用玻璃基底上鍍鋁膜製成的反射光柵，若周期為50線/mm(或更高密度柵線以便在儘可能小的柵線夾角下使用)。根據莫爾條紋形成原理和所需的光柵周期，計算得到兩光柵柵線夾角為3度左右。
寫入光源21發出的UV光，首先被分束稜鏡26分為兩束(尺寸可以控制)平行於光纖軸的光束，再經過成像莫爾條紋模板24橫向照射到石英光纖22上。為了濾除衍射效應，莫爾條紋模板與光纖緊靠，間隙小於1mm。由於是像，莫爾條紋模板與光纖之間可達到無間隔。監測光源-寬譜LED光源發出的光經過石英光纖後被光譜儀27接收。
從光譜儀上顯示的LED譜線在寫入光柵之前的光譜曲線，與經過一定時間的曝光之後的光譜曲線對比可以看到寫入所引起光纖折射率周期性調製-即光柵效應。
權利要求
1．採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，包括以下步驟1)利用兩個透射/反射式周期性結構重疊，並繞某一定點相互旋轉使兩結構中的條紋方向互成一微小角度θ，製成莫爾條紋振幅，且θ滿足=d2sin(/2)]]>，其中Λ為所寫入的光柵周期，d為原光柵的周期；2)使該莫爾條紋振幅模板緊貼待製作光柵的光纖放置；3)採用能產生光敏效應的光源為寫入光；4)將該線光源經過莫爾條紋振幅模板之後，正好投射在待寫入的光纖之上，這樣振幅模板的周期性光強分布就投射在光纖上；5)曝光一定時間後在該光纖內形成折射率的周期性調製結構。
2．如權利要求1所述的採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，所說的莫爾條紋振幅模板的製造方法為利用兩個通過光學底片曝光或玻璃刻蝕形成的透射式周期性結構(光柵)重疊，並繞某一定點相互旋轉使兩結構中的條紋方向互成一微小角度，這樣就形成了莫爾條紋振幅模板。
3．如權利要求1所述的採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，所說的莫爾條紋振幅模板的製造方法為利用一至兩個反射式周期性結構的像疊加在同一像平面上，並使兩結構中的條紋方向互成一微小夾角，形成莫爾條紋振幅模板。
4．如權利要求1所述的採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，所說的兩個透射/反射式周期性結構重疊，互成的微小角度θ小於10度，以獲得好的條紋對比度；
5．如權利要求1所述的採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，所說的莫爾條紋模板與光纖之間的間隙小於1mm。
6．如權利要求1所述的採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，當所說的光源功率足夠大，而所寫光柵的長度小於1cm時，可直接使用模斑直徑大於1cm的寫入光源；
7．如權利要求1所述的採用莫爾條紋振幅模板製造光纖光柵的方法，其特徵在於，當光源功率相對較小，而所寫光柵長度＞1cm，則需將所說的光源擴束並聚焦成長/寬比合適的線光源。
全文摘要
本發明屬於光纖光柵製作技術領域。包括用兩個透射/反射式周期性結構重疊,製成莫爾條紋振幅,使該模板緊貼待製作光柵的光纖放置;採用能產生光敏效應的光源為寫入光;將該線光源經過模板之後,投射在待寫入的光纖之上,曝光一定時間後在該光纖內形成折射率的周期性調製結構。本發明製作光纖光柵簡便易行、成本低廉,可方便地改變所寫入光柵的周期,模板可重複使用、條紋分布穩定、價格低,且適用於製造長光柵的振幅模板。
文檔編號G02B6/124GK1236896SQ9910297
公開日1999年12月1日 申請日期1999年3月12日 優先權日1999年3月12日
發明者黎敏, 廖延彪 申請人:清華大學