CN1512204A - 一种制作任意函数抽样光纤光栅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制作任意函数抽样光纤光栅的方法，采用平行紫外光垂直照射振幅掩膜版，利用振幅掩膜版对入射平行紫外光进行振幅调制，通过相位掩膜版对光敏光纤进行扫描曝光，该方法包括以下步骤：1)在紫外光照射振幅掩膜版之前，先使用紫外光扩束装置对紫外光进行扩束；2)扩束后的紫外光经过振幅掩膜版进行振幅调制后，使用紫外光聚焦装置压缩光斑，然后通过相位掩膜版对光敏光纤进行扫描曝光。本发明的制作抽样光纤光栅的方法，能够制作任意函数抽样的光纤光栅，过程相对简单，很容易实现任意函数的抽样。且工艺简单易行，曝光精度要求低，易于形成批量生产，对这一器件的产业化具有重要意义。

Description

一种制作任意函数抽样光纤光栅的方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术，特别涉及一种制作任意函数抽样光纤光栅的方法。

背景技术

光纤光栅是一种新型光无源器件，具有波长选择性好，体积小，易于与光纤***兼容等优点。光纤光栅技术对包括光纤通信、光纤传感器和光学信号处理等在内的光纤应用领域产生着深远的影响，尤其是在光纤通信领域，光纤光栅具有更重要的应用价值。

光纤光栅是具有折射率周期性变化结构的光纤，它是利用光纤的光敏特性而制成的。所谓光纤的光敏特性是指光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化。光纤的这种光致折射率的变化具有稳定性，可保持永久不变。其基本制作工艺是采用紫外光对光敏光纤曝光，使光纤的折射率沿轴向呈周期性变化，从而成为光纤光栅，光纤光栅在满足布拉格条件的波长处形成强反射，具有窄带滤波特性，这种特性在光纤通信及传感器领域有着广泛的应用。

抽样光纤光栅是指在同一根光纤中形成周期性排列结构的多段光栅。抽样光纤光栅能够实现多波长反射，形成梳状滤波。通常抽样光纤光栅各反射波长的反射率不相等，这严重影响了它的应用，解决反射率均衡的问题成为这一器件能否实用化的关键。

关于不同反射谱光纤光栅的制作可以采用多种不同的制作方法来实现，目前普遍采用相位掩膜版法直接曝光制成，其方法主要分两种：一是静态扩束曝光，二是扫描曝光。

静态扩束曝光的方法在制作抽样光纤光栅时，通常在相位膜版前放置振幅光栅进行抽样，参见图1，图1为现有技术中采用静态扩束曝光方法制作抽样光纤光栅的光路图，如图1所示：宽光束紫外平行光101射入振幅光栅102，进行抽样，将相位掩膜版103和光敏光纤104放置在振幅光栅102后进行曝光，由此得到抽样光纤光栅。这种方法对于在很小的抽样范围内(为毫米量级)的较复杂的振幅调制，这对振幅光栅102的精度要求很高，一般制作不了这么小抽样范围的振幅光栅102，因此实现起来比较困难。

目前扫描曝光的方法，普遍采用变迹扫描法来制作抽样光纤光栅，参见图2，图2为现有技术中采用扫描曝光的方法制作抽样光纤光栅的光路图。如图2所示，紫外激光器201将平行光入射到凸透镜202和凹透镜203后会聚成窄光束照射到紫外光反射镜204上，紫外光反射板204将反射光照射到相位掩膜版205后对光敏光纤206进行曝光，在曝光过程中，根据要得到抽样光纤光栅的要求分别不规则地移动紫外光反射镜204和相位掩膜版205。这里，相位掩膜版205和光敏光纤同时移动，它们可以看成一个整体，且紫外光反射镜204和相位掩膜版205虽然同时移动，但移动的速度是不同的。该方法由于扫描移动的不规则性称为变迹扫描法。可见，这种方法对移动的精度要求非常高，所以实现起来也很困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种制作任意函数抽样光纤光栅的方法，该方法能够制作任意函数抽样的光纤光栅，且实现简单。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种制作任意函数抽样光纤光栅的方法，采用平行紫外光垂直照射振幅掩膜版，利用振幅掩膜版对入射平行紫外光进行振幅调制，通过相位掩膜版对光敏光纤进行扫描曝光，该方法包括以下步骤：

1)在紫外光照射振幅掩膜版之前，先使用紫外光扩束装置对紫外光进行扩束；

2)扩束后的紫外光经过振幅掩膜版进行振幅调制后，使用紫外光聚焦装置压缩光斑，然后通过相位掩膜版对光敏光纤进行扫描曝光。

该方法可以进一步包括：根据要制作抽样光纤光栅不同的反射谱特性，设计、制作相应透过率函数的振幅掩膜版；在制作不同函数抽样光纤光栅时，选择相应透过率函数的振幅掩膜版进行调制。

所述步骤2)可以进一步包括：扩束后的紫外光先使用光阑对其进行过滤，将其中间均匀部分照射到振幅掩膜版。

对紫外光进行扩束的可以方法为：所述的紫外光扩束装置采用石英透镜或面镜组1，通过选择石英透镜或面镜组1中的不同焦距的透镜或面镜，和调整透镜或面镜间的距离，使紫外光经过石英透镜透射或面镜反射后形成平行扩束光。

所述的采用石英透镜或面镜组1对紫外光进行扩束的过程可以为：先照射石英凹透镜或凸面镜，再照射石英凸透镜或凹面镜。

所述的压缩光斑的方法可以为：所述的紫外光聚焦装置采用石英透镜或面镜组2，通过选择石英透镜或面镜组2中的不同焦距的透镜或面镜，和调整透镜或面镜间的距离，经过石英透镜透射或面镜反射来压缩平行扩束光，形成平行照射光或渐细照射光，得到压缩光斑。

所述的采用石英透镜或面镜组2压缩光斑的过程为：先照射石英凸透镜或凹面镜，再照射石英凹透镜或凸面镜。

所述的扫描曝光的方法可以为：将光敏光纤每隔预定位移曝光一次。

所述的预定位移可以根据所要制作的抽样光纤光栅反射谱和时延曲线的要求，制作出满足要求的抽样光纤光栅，包括啁啾抽样光纤光栅。

该方法可以进一步包括，在制作变占空比抽样光纤光栅时，根据要制作的抽样光纤光栅的不同占空比，同时调整所述的相位掩膜版和光敏光纤与垂直方向的倾斜角度，且相位掩膜版和光敏光纤的相对位置保持不变，使扫描曝光时得到不同大小的压缩光斑。

由上述的技术方案可见，本发明的制作任意函数抽样光纤光栅的方法，能够制作任意函数抽样的光纤光栅，过程相对简单，很容易实现任意函数的抽样。且工艺简单易行，曝光精度要求较低，易于形成批量生产，对这一器件的产业化具有重要意义。

附图说明

图1为现有技术中采用静态扩束曝光方法制作抽样光纤光栅的光路图；

图2为现有技术中采用扫描曝光的方法制作抽样光纤光栅的光路图；

图3为本发明方法的制作抽样光纤光栅的光路图；

图4为本发明透过率函数为sinc函数的振幅掩膜版示意图；

图5为用图4所示振幅掩膜版得到压缩后的光斑；

图6为本发明透过率函数为升余弦函数的振幅掩膜版示意图；

图7为用图6所示振幅掩膜版得到压缩后的光斑；

图8为曝光后的啁啾抽样光纤光栅结构示意图；

图9为本发明制作变占空比抽样光纤光栅的光路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

本发明方法是利用振幅掩膜版和扫描曝光来实现的。它能够在同样的光路条件下制作单通道和多通道滤波器或色散补偿器，光纤光栅通道数能够根据需要进行调整，对于所需通道数的光纤光栅只需相应调整振幅掩膜版即可实现，曝光过程工艺简单、灵活，易于实现。采用这一方法还可以很容易地制作以往无法实现的光纤光栅，如缺级抽样反射谱光栅，变占空比抽样光纤光栅等。

本发明采用的技术方案如下：首先根据需要得到的抽样光纤光栅反射谱特性，设计、制作出相应透过率函数的振幅掩膜版，这是实现本发明方法的重要一步。例如制作出透过函数为sinc函数的振幅掩膜版、透过函数为升余弦函数的振幅掩膜版、缺级抽样反射谱光栅用振幅掩膜版等等，然后通过一组光学变换后扫描曝光即可实现任意函数的抽样光纤光栅。

图3为本发明方法的制作抽样光纤光栅的光路图。如图3所示，利用包含凹透镜302和凸透镜303的石英透镜组1，把从紫外激光器301射出的紫外光平行扩束，可以通过选择不同焦距的透镜和调整两透镜间的距离，形成平行扩束光。其中，石英透镜组1为紫外光扩束装置，是利用光的透射原理来实现的，它还可以由包含凸面镜和凹面镜的面镜组，利用光的反射原理来实现，但是用面镜组实现一般比较复杂，所以本实施例没有采用面镜组。

然后用光阑304滤出中间均匀的部分照射到振幅掩膜版305上，振幅掩膜版305是按抽样光纤光栅反射谱特性预先设计好的，其对紫外光进行调制，然后利用包含凸透镜306和凹透镜307的透镜组2，通过选择不同焦距的透镜和调整两透镜的距离，形成平行照射光或渐细照射光，得到压缩光斑。该光斑照射到相位掩膜版308后对光敏光纤206进行扫描曝光。采用扫描法每隔预定位移曝光一次即可得到一种函数调制的抽样光纤光栅。预定位移根据所要制作的抽样光纤光栅的函数设定。对光强进行任意函数的调制通过选择不同的振幅掩膜版305来实现。其中，石英透镜组2为紫外光聚焦装置，是利用光的透射原理来实现的，它还可以由包含凹面镜和凸面镜的面镜组，利用光的反射原理来实现，但是用面镜组实现一般比较复杂，所以本实施例没有采用面镜组。

例如，对于要制作sinc函数抽样光纤光栅，其选择的振幅掩膜版参见图4，图4为本发明透过函数为sinc函数的振幅掩膜版示意图；其压缩后获得的光斑如图5所示，图5为用图4所示振幅掩膜版得到压缩后的光斑。这样再通过扫描曝光，就可以得到sinc函数抽样光纤光栅。

再如，对于要制作升余弦函数抽样光纤光栅，其选择的振幅掩膜版参见图6，图6为本发明透过函数为升余弦函数的振幅掩膜版示意图；其压缩后获得的光斑如图7所示，图7为用图6所示振幅掩膜版得到压缩后的光斑。这样再通过扫描曝光，就可以得到升余弦函数抽样光纤光栅。

图4、图5、图6、图7中所示的尺寸只是一种实施例，在具体制作时，尺寸可以根据需要来设定。

可见，本发明是在大面积范围内调制光斑，然后利用光学成像原理对光斑进行压缩，只要改变振幅掩膜版就可以制作不同函数调制的抽样光纤光栅，实现起来非常简单，且可以通过控制扫描位移间隔来实现均匀或啁啾抽样。图8为曝光后的啁啾抽样光纤光栅结构示意图；假设第一次曝光间隔为τ₁，第二次为τ₂，第n次为τ_n。如果

                 τ_n＝τ₁+(n-1)×s

s为啁啾系数，则实现了线性啁啾抽样，其曝光后的光纤光栅结构示意图8所示。

利用本发明可以很容易地制作变占空比抽样光纤光栅，图9为本发明制作变占空比抽样光纤光栅的光路图。如图9所示，该光路图与图3相似。实现变占空比的方法是：调整包含凸透镜906和凹透镜707的透镜组2，通过选择不同焦距的透镜和调整两透镜的距离，形成渐细照射光，同时，根据要制作的抽样光纤光栅的不同占空比，同时调整所述的相位掩膜版908和光敏光纤与垂直方向的倾斜角度，得到不同大小的压缩光斑。这里，相位掩膜版908和光敏光纤同时移动，且它们之间的相对位置保持不变，所以可以看成是一个整体。这样再通过扫描曝光，就可以得到变占空比抽样光纤光栅。

由上述的实施例可见，本发明的制作任意函数抽样光纤光栅的方法，过程相对简单，很容易实现任意函数的抽样。且工艺简单易行，曝光精度要求较低，易于形成批量生产，对这一器件的产业化具有重要意义。

Claims (10)

1、一种制作任意函数抽样光纤光栅的方法，采用平行紫外光垂直照射振幅掩膜版，利用振幅掩膜版对入射平行紫外光进行振幅调制，通过相位掩膜版对光敏光纤进行扫描曝光，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在紫外光照射振幅掩膜版之前，先使用紫外光扩束装置对紫外光进行扩束；

2)扩束后的紫外光经过振幅掩膜版进行振幅调制后，使用紫外光聚焦装置压缩光斑，然后通过相位掩膜版对光敏光纤进行扫描曝光。

2、如权利要求1所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于，该方法进一步包括：根据要制作抽样光纤光栅不同的反射谱特性，制作相应透过率函数的振幅掩膜版；在制作不同函数抽样光纤光栅时，选择相应透过率函数的振幅掩膜版进行调制。

3、如权利要求1或2所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于，所述步骤2)进一步包括：扩束后的紫外光先使用光阑对其进行过滤，将其中间均匀部分照射到振幅掩膜版。

4、如权利要求1所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于，对紫外光进行扩束的方法为：所述的紫外光扩束装置采用石英透镜或面镜组1，通过选择石英透镜或面镜组1中的不同焦距的透镜或面镜，和调整透镜或面镜间的距离，使紫外光经过石英透镜透射或面镜反射后形成平行扩束光。

5、如权利要求4所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于，所述的采用石英透镜或面镜组1对紫外光进行扩束的过程为：先照射石英凹透镜或凸面镜，再照射石英凸透镜或凹面镜。

6、如权利要求1所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于，压缩光斑的方法为：所述的紫外光聚焦装置采用石英透镜或面镜组2，通过选择石英透镜或面镜组2中的不同焦距的透镜或面镜，和调整透镜或面镜间的距离，经过石英透镜透射或面镜反射来压缩平行扩束光，形成平行照射光或渐细照射光，得到压缩光斑。

7、如权利要求6所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于，所述的采用石英透镜或面镜组2压缩光斑的过程为：先照射石英凸透镜或凹面镜，再照射石英凹透镜或凸面镜。

8、如权利要求1所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于，所述的扫描曝光的方法为：将光敏光纤每隔预定位移曝光一次。

9、如权利要求8所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于：所述的预定位移根据所要制作的抽样光纤光栅的反射谱和时延曲线的要求设定。

10、如权利要求1所述的制作抽样光纤光栅的方法，其特征在于：该方法进一步包括，在制作变占空比抽样光纤光栅时，根据要制作的抽样光纤光栅的不同占空比，同时调整所述的相位掩膜版和光敏光纤与垂直方向的倾斜角度，且相位掩膜版和光敏光纤的相对位置保持不变，使扫描曝光时得到不同大小的压缩光斑。

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