任意切趾光纖光柵刻寫裝置和刻寫方法

2023-09-11 09:31:55

專利名稱：任意切趾光纖光柵刻寫裝置和刻寫方法
技術領域：
本發明涉及光纖光柵，特別是一種任意切趾光纖光柵的刻寫裝置及方法。
背景技術：
隨著光纖光柵在光通信領域的廣泛應用，人們對光纖光柵的性能也提出了更高的要求，切趾技術就是在這個背景下誕生的。切趾光纖光柵可以極大的減少光柵反射譜中的旁瓣，抑制光通信中信號傳輸產生的時延振蕩，降低相鄰信道之間的碼元串擾，並起到很好的色散補償作用，因而切趾技術是決定光纖光柵性能好壞的一項關鍵技術。目前，製作切趾光纖光柵最常用的方法主要有紫外脈衝相干寫入法、切趾相位掩模法以及共軛振幅模板掃描法。切趾相位掩模法參見J. J. Pan, Y. , et al. , Steep skirt fiber Bragggrating fabrication using a new apodised phase mask[J]· Electronics Letters,1997. 33(22)利用聚焦電子束和溼法刻蝕技術製作出板槽尺寸不均勻的相位掩模板，當紫外光照射該掩模板後，級衍射光的強度沿著光纖方向呈現切趾函數分布，從而達到切趾的目的。該法實現起來比較簡單，但是切趾相位模板的製作難度很大，並且隨著切趾函數的不同而需要特別製作，成本很高，同時製作出的光柵平均折射率調製係數不是常數，會出現短波邊的振蕩效應。紫外脈衝相干寫入法參見Cortes P Y, Q. , et al. , Intrinsic Apodisationof Bragg Gratings Written Using UV-Pulse Interferometer[J]. Electron Lett,1998，34(4)對刻寫光源的相干性和反射鏡的掃描精度有很高的要求，並且光柵的中心波長要由刻寫光源的出射雷射波長決定，只能刻寫高斯切趾的光纖光柵，應用起來具有很大的局限性。共軛振幅模板掃描法參見李栩輝，夏曆，劉晶雯等.惆啾和切趾函數可調的光纖光柵的掃描寫入法[J].半導體光電，2001. 22(1)對刻寫雷射的相干性要求不高，可以製作出性能優良的切趾光柵，並且通過切趾和反切趾可以使光柵平均折射率調製係數是常數，但該法依然要對不同的切趾方式製作相應的共軛振幅模板，光柵的切趾質量嚴重依賴共軛振幅模板的加工精度，並且對掃描用移動平臺的精度要求很高。可見，上述三種製作切趾光纖光柵的方法都受到切趾函數具體形式的制約，只能製作單一類型的切趾光纖光柵，不具有普適性。

發明內容
針對上述現有技術的不足，本發明的目的在於提出了一種基於可編程空間光調製器的任意切趾光纖光柵的刻寫裝置和刻寫方法，該裝置記憶結構簡單、經濟實用、易於實現，有很好的可重複性和靈活性，當給定切趾函數和反切趾函數的具體形式以及作用時間後，光柵的切趾操作和反切趾操作可以由可編程空間光調製器自動完成，無需人工幹預，並且製作的切趾光纖光柵性能優良，反射譜中的旁瓣得到很好的抑制。
本發明技術解決方案如下
一種任意切趾光纖光柵刻寫裝置，特徵是其構成包括
雷射器，在雷射器輸出端放置矩形光闌，在該矩形光闌後依次放置可編程空間光調製器、柱面鏡和相位掩模板夾具，用螺母將相位掩模板固定在所述的相位掩模板夾具的卡槽裡並使之保持水平，在該相位掩模板的後面安置2套光纖夾具，所述的相位掩模板夾具和2套光纖夾具分別固定在三個三維調整架上，通過三維調整架改變光纖和相位掩模板之間的水平距離，所述的可編程空間光調製器的驅動電路接函數發生器的輸出端，所述的雷射器、矩形光闌、可編程空間光調製器、函數發生器、柱面鏡、相位掩模板夾具和三維調整架均安裝在同一防震平臺上；
所述的函數發生器通過GPIB接口與計算機相連，並利用其自帶的波形編輯軟體生成想要的切趾和反切趾電壓信號，以此電壓信號來控制所述的空間光調製器的驅動電路，實現空間光調製器的可編程工作；
ASE光源的輸出尾纖接光環形器的第一埠，待製作光柵的光纖一端接光環形器的第二埠，將待製作光柵的光纖的另一端和環形器的第三埠接入光譜儀，利用光譜儀對刻寫的光纖光柵的透射譜和反射譜分別進行監測。所述的可編程空間光調製器由函數發生器產生的電壓信號控制其驅動電路，它含有許多獨立的像素，這些像素在空間排成一維或二維陣列，每個像素可以獨立接受電信號的控制並改變自身的光強透過率，從而實現曝光光束的空間強度調製，並且可編程空間光調製器要根據雷射器出射雷射的波段選用合適的晶體或者聚合物材料。所述的函數發生器與計算機相連，在Windows環境下使用計算機自帶的波形編輯軟體生成切趾電脈衝信號和反切趾電脈衝信號，其在使用過程中所述的函數發生器輸出的電脈衝信號的重複頻率高於所述雷射器出射脈衝的重複頻率。利用上述任意切趾光纖光柵刻寫裝置進行任意切趾光纖光柵刻寫方法，特徵在於該方法包括以下步驟
步驟I、光纖載氫
將待刻寫光柵的光纖放在常溫高壓氫氣環境中以提高光纖纖芯的光敏性；
步驟2、準直刻寫光路
準直刻寫光路要通過以下步驟實現
步驟2. I :調節矩形光闌、可編程空間光調製器和柱面鏡的相對位置，使三者的中心同在雷射器出射光束的方向上；
步驟2. 2 :通過三維調整架調整相位掩模板的高度，以使雷射脈衝垂直輻照在相位掩模板的有效掩模區域內；
步驟2. 3 :通過三維調整架調整待刻寫光柵的光纖高度，使經過柱面鏡的光束恰好聚焦在光纖的纖芯上，並使光纖緊貼著相位掩模板平行放置；
步驟2. 4打開雷射器，將雷射器的重複頻率設定為1Hz，然後把光敏紙放在待刻寫光柵的光纖後面觀察光纖的衍射成像，當待刻寫光柵的光纖的位置正好處在級衍射條紋的中間時，則雷射束已經聚焦到了光纖的纖芯；
步驟3、根據需要，選定待刻寫光柵的切趾函數的參數和反切趾的參數，進行的切趾和反切趾刻寫包括以下步驟步驟3. I :把光環形器的第一埠接ASE光源，第二埠接待寫光柵的光纖一端，該待寫光柵的光纖另一端和光環形器的第三埠與光譜儀連接，實現光柵製作過程中光柵透射譜和反射譜的監測；
步驟3. 2 :將函數發生器通過GPIB接口與計算機相連，通過計算機在線輸入切趾函數的參數，使函數發生器產生切趾分布的電脈衝信號，並以此信號驅動可編程空間光調製器實現纖芯曝光量的空間強度調製；
步驟3. 3 :打開雷射器，並在雷射器控制面板上設置雷射脈衝的能量、重複頻率以及輻照時間，完成切趾光柵的刻寫，並實時監測光柵的光譜變化，輻照時間結束後將相位掩模板拿掉；
步驟3. 4 :通過計算機在線輸入的反切趾函數參數，使函數發生器產生反切趾分布的電脈衝信號，並以此信號驅動可編程空間光調製器實現纖芯曝光量的空間強度調製；
步驟3.5 :根據反切趾所需曝光劑量的要求，通過雷射器的控制面板對雷射脈衝的輸出能量、重複頻率以及輻照時間等參數作相應調整，完成反切趾光柵的刻寫，並實時監測光柵的光譜變化，輻照時間結束後完成切趾光纖光柵刻寫。本發明的有益效果
與現有技術相比，本發明結構簡單、經濟實用、易於實現，有很好的可重複性和靈活性，克服了傳統切趾光柵製作過程中需要用到切趾相位掩模板或者加工兩塊共軛的振幅模板，並且只能製作單一切趾光纖光柵的局限性。


圖I為本發明任意切趾的光纖光柵刻寫裝置的結構框圖。圖2為本發明測試光纖光柵的反射譜和透射譜的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。圖I為本發明任意切趾的光纖光柵刻寫裝置的結構框圖。也是裝置實施例的框圖。由圖可見，本發明任意切趾光纖光柵刻寫裝置，特徵是其構成包括
雷射器I，在雷射器I輸出端放置矩形光闌2,在該矩形光闌後依次放置可編程空間光調製器3、柱面鏡5和相位掩模板夾具，用螺母將相位掩模6板固定在所述的相位掩模板夾具的卡槽裡並使之保持水平，在該相位掩模板6的後面安置2套光纖夾具，所述的相位掩模板夾具和2套光纖夾具分別固定在三個三維調整架上，通過三維調整架改變光纖7和相位掩模板6之間的水平距離，所述的可編程空間光調製器3的驅動電路接函數發生器4的輸出端，所述的雷射器I、矩形光闌2、可編程空間光調製器3、函數發生器4、柱面鏡5、相位掩模板夾具和三維調整架均安裝在同一防震平臺上；
所述的函數發生器4通過GPIB接口與計算機相連，並利用其自帶的波形編輯軟體生成想要的切趾和反切趾電壓信號，以此電壓信號來控制所述的空間光調製器3的驅動電路，實現空間光調製器3的可編程工作；
ASE光源8的輸出尾纖接光環形器9的第一埠，待製作光柵的光纖7 —端接光環形器9的第二埠，將待製作光柵的光纖7的另一端和環形器9的第三埠接入光譜儀10，利用光譜儀10對刻寫的光纖光柵的透射譜和反射譜分別進行監測。
所述的可編程空間光調製器3由函數發生器(4)產生的電壓信號控制其驅動電路，它含有許多獨立的像素，這些像素在空間排成一維或二維陣列，每個像素可以獨立接受電信號的控制並改變自身的光強透過率，從而實現曝光光束的空間強度調製，並且可編程空間光調製器3要根據雷射器I出射雷射的波段選用合適的晶體或者聚合物材料。所述的函數發生器4與計算機相連，在Windows環境下使用計算機自帶的波形編輯軟體生成切趾電脈衝信號和反切趾電脈衝信號，其在使用過程中所述的函數發生器4輸出的電脈衝信號的重複頻率高於所述雷射器I出射脈衝的重複頻率。實施例中，雷射器I採用248nm KrF準分子雷射器，光柵刻寫過程中雷射的單脈衝能量為130 mj，脈衝寬度為20 ns，重複頻率為20 Hz，光斑大小為。矩形光闌2的大小為，用來選取雷射束中光斑質量較好的部分。函數發生器4選用美國Tek公司生產的AFG320產品，它可通過GPIB接口與計算機相連，使用其自帶的波形編輯軟體生成重複頻率大於20Hz的切趾電脈衝信號和相應的反切趾電脈衝信號，並用產生的電壓信號控制可編程空間光調製器3的各個像素單元的光強透過率，實現光柵刻寫過程中的纖芯曝光量的強度調製，可編程空間光調製器3可選用電學尋址的液晶空間光調製器。柱面鏡5對248 nm的紫外光鍍有增透膜，透射率可以達99.9%，其焦距為150 mm，它具有聚焦的功能並把雷射器輸出的紫外光經過矩形光闌2和可編程空間光調製器3均勻照射到相位掩模板6上，該相位掩模板6長度為25mm,周期為735. 32nm,紫外光經過相位掩模板照射位於其後經載氫處理的標準單模光纖7上。通過在計算機上運行函數發生器自帶的波形編輯軟體，設置切趾函數的具體參數，就可以使待寫光柵的纖芯曝光劑量呈切趾函數的規律分布，從而得到不同形狀的切趾光柵；其次，通過計算機上的波形編輯軟體設置反切趾函數的具體參數，同時移走相位掩模板6，使待寫光柵的纖芯曝光劑量按反切趾函數的規律分布，實現光柵的反切趾。在製作的整個過程中，採用1064波段、譜寬為40nm的ASE光源8，通過光環形器9可以得到光柵的反射響應，同時用一解析度為0. Olnm的AQ-6317B光譜儀10進行光柵性能的測試，對光纖光柵的反射譜和透射譜進行分析，可得到光纖光柵的性能參數。本實施例的主要工藝流程如下
^將光纖進行載氫處理提高其纖芯的光敏性，並剝去長約20mm左右的塗敷層，然後將光纖的兩端固定在光纖夾具上，光纖要儘量貼近相位掩模板但不要貼上。f調節矩形光闌、可編程空間光調製器和柱面鏡的相對位置，使三者的中心同在雷射器出射光束的方向上。I通過三維調整架調整相位掩模板的高度，以使雷射脈衝垂直輻照在相位掩模板的有效掩模區域內。I通過三維調整架調整待製作光柵的光纖高度，使經過柱面鏡的光束恰好聚焦在光纖的纖芯上，並使光纖緊貼著相位掩模板平行放置。5'把光環形器的I 口接ASE光源，2 口接待寫光柵的光纖一端，通過把待寫光柵的另一端和光環形器的3 口與光譜儀的可插拔連接，實現光柵製作過程中光柵透射譜和反射譜的監測。I將函數發生器通過GPIB接口與計算機相連，通過在線輸入切趾函數的參數產生切趾分布的電脈衝信號，並以此信號驅動可編程空間光調製器實現纖芯曝光量的空間強度調製。I打開雷射器，並在雷射器控制面板上設置雷射脈衝的能量、重複頻率以及輻照時間，完成切趾光柵的製作，並實時監測光柵的光譜變化，輻照時間結束以後把相位掩模板
拿掉。 I'重複步驟I:,但是需要把在線輸入的切趾函數參數改為相應的反切趾函數的具體參數。f根據反切趾所需曝光劑量的要求，通過雷射器的控制面板對雷射脈衝的輸出能量、重複頻率以及輻照時間等參數作相應調整，完成反切趾光柵的製作，並實時監測光柵的光譜變化。經實驗表明，本發明該裝置具有結構簡單、經濟實用、易於實現，有很好的可重複性和靈活性，當給定切趾函數和反切趾函數的具體形式以及作用時間後，光柵的切趾操作和反切趾操作可以由可編程空間光調製器自動完成，無需人工幹預，並且製作的切趾光纖光柵性能優良，反射譜中的旁瓣得到很好的抑制。
權利要求
1.一種任意切趾光纖光柵刻寫裝置，特徵是其構成包括 雷射器(1)，在雷射器(I)輸出端放置矩形光闌(2)，在該矩形光闌後依次放置可編程空間光調製器(3)、柱面鏡(5)和相位掩模板夾具，用螺母將相位掩模(6)板固定在所述的相位掩模板夾具的卡槽裡並使之保持水平，在該相位掩模板(6)的後面安置2套光纖夾具，所述的相位掩模板夾具和2套光纖夾具分別固定在三個三維調整架上，通過三維調整架改變光纖(7 )和相位掩模板(6 )之間的水平距離，所述的可編程空間光調製器(3 )的驅動電路接函數發生器(4)的輸出端，所述的雷射器(I)、矩形光闌(2)、可編程空間光調製器(3)、函數發生器(4)、柱面鏡(5)、相位掩模板夾具和三維調整架均安裝在同一防震平臺上； 所述的函數發生器(4)可通過GPIB接口與計算機相連，並利用其自帶的波形編輯軟體生成想要的切趾和反切趾電壓信號，以此電壓信號來控制所述的空間光調製器(3)的驅動電路，實現空間光調製器(3)的可編程工作； ASE光源(8)的輸出尾纖接光環形器(9)的第一埠，待製作光柵的光纖(7) —端接光環形器(9)的第二埠，將待製作光柵的光纖(7)的另一端和環形器(9)的第三埠接入光譜儀(10)，利用光譜儀(10)對刻寫的光纖光柵的透射譜和反射譜分別進行監測。
2.根據權利要求I所述的任意切趾光纖光柵刻寫裝置，其特徵是所述的可編程空間光調製器(3)由函數發生器(4)產生的電壓信號控制其驅動電路，它含有許多獨立的像素，這些像素在空間排成一維或二維陣列，每個像素可以獨立接受電信號的控制並改變自身的光強透過率，從而實現曝光光束的空間強度調製，並且可編程空間光調製器(3)要根據雷射器(I)出射雷射的波段選用合適的晶體或者聚合物材料。
3.根據權利要求I所述的任意切趾光纖光柵刻寫裝置，其特徵是所述的函數發生器(4)與計算機相連,在Windows環境下使用計算機自帶的波形編輯軟體生成切趾電脈衝信號和反切趾電脈衝信號，其在使用過程中所述的函數發生器(4)輸出的電脈衝信號的重複頻率高於所述雷射器(I)出射脈衝的重複頻率。
4.利用權利要求I所述的任意切趾光纖光柵刻寫裝置進行任意切趾光纖光柵刻寫方法，特徵在於該方法包括以下步驟 步驟I、光纖載氫 將待刻寫光柵的光纖(7)放在常溫高壓氫氣環境中以提高光纖纖芯的光敏性； 步驟2、準直刻寫光路 準直刻寫光路要通過以下步驟實現 步驟2. I :調節矩形光闌(2)、可編程空間光調製器(3)和柱面鏡(5)的相對位置，使三者的中心同在雷射器(I)出射光束的方向上； 步驟2. 2 :通過三維調整架調整相位掩模板(6)的高度，以使雷射脈衝垂直輻照在相位掩模板(6)的有效掩模區域內； 步驟2. 3 :通過三維調整架調整待刻寫光柵的光纖(7)高度，使經過柱面鏡(5)的光束恰好聚焦在光纖的纖芯上，並使光纖緊貼著相位掩模板(6)平行放置； 步驟2. 4打開雷射器(I )，將雷射器(I)的重複頻率設定為IHz，然後把光敏紙放在待刻寫光柵的光纖(7)後面觀察光纖的衍射成像，當待刻寫光柵的光纖(7)的位置正好處在級衍射條紋的中間時，則雷射束已經聚焦到了光纖的纖芯； 步驟3、根據需要，選定待刻寫光柵的切趾函數的參數和反切趾的參數，進行的切趾和反切趾刻寫包括以下步驟 步驟3. I :把光環形器(9)的第一埠接ASE光源(8)，第二埠接待寫光柵的光纖(7)一端，該待寫光柵的光纖(7)另一端和光環形器(9)的第三埠與光譜儀(10)連接，實現光柵製作過程中光柵透射譜和反射譜的監測； 步驟3. 2 :將函數發生器(4)通過GPIB接口與計算機相連，通過計算機在線輸入切趾函數的參數，使函數發生器(4)產生切趾分布的電脈衝信號，並以此信號驅動可編程空間光調製器(3)實現纖芯曝光量的空間強度調製； 步驟3.3 :打開雷射器(1)，並在雷射器控制面板上設置雷射脈衝的能量、重複頻率以及輻照時間，完成切趾光柵的刻寫，並實時監測光柵的光譜變化，輻照時間結束後將相位掩模板(6 )拿掉； 步驟3. 4 :通過計算機在線輸入的反切趾函數參數，使函數發生器(4)產生反切趾分布的電脈衝信 號，並以此信號驅動可編程空間光調製器(3)實現纖芯曝光量的空間強度調製； 步驟3. 5 :根據反切趾所需曝光劑量的要求，通過雷射器(I)的控制面板對雷射脈衝的輸出能量、重複頻率以及輻照時間等參數作相應調整，完成反切趾光柵的刻寫，並實時監測光柵的光譜變化，輻照時間結束後完成切趾光纖光柵刻寫。
全文摘要
一種任意切趾光纖光柵刻寫裝置和刻寫方法，該裝置由雷射器、矩形光闌、可編程空間光調製器、函數發生器、柱面鏡、相位掩模板夾具和三維調整架組成，本發明具有結構簡單、經濟實用、易於實現，有很好的可重複性和靈活性，克服了傳統切趾光柵製作過程中需要用到高相干光源或者加工兩塊共軛的振幅模板，並且只能製作單一切趾光纖光柵的局限性。
文檔編號G02B5/18GK102621609SQ20121010438
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者劉剛, 葉青, 張鑫, 方祖捷, 楊飛, 蔡海文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所