在光波导中形成光栅的方法技术

一种在光敏光纤内写入布拉格光栅的方法和装置，包括具有精密可调节光收集和引导部件的干涉仪，将由紫外光照射的相位掩模作为干涉仪的光源。该干涉仪的可调节性允许所写的布拉格光栅滤除１２７５毫微米至１５７５毫微米范围内的波长，而合适的干涉仪部件每个仅需调节＋／－０．７５度。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在光导纤维内形成布拉格(Bragg)反射光栅的方法，尤其涉及一种在光栅制作中采用可调相位掩模的方法。自七十年代后期以来，光导纤维对具有某一波长和强度的光的敏感度已众所周知。人们发现，使具有给定波长和强度的光作用于光波导，可以永久地改变光导纤维的损耗特性和折射率。1993年4月出版的「BT Techno」第11卷，第2期上发表了Kashyap等人撰写的“光敏光纤和平面波导”一文，其中披露了这种效应以及如何利用该效应。该文的第2.1部分第150页讨论了由光引起的反射光栅的制作，并指出其折射率的变化量随着光波长从600nm减小到240nm而增大，在该波长光波导的光敏性呈现峰值。最初利用光敏性制成的光栅采用了光纤中的反向传输相干光束。所形成的干涉图形使波导折射率产生一种周期性的变化，它相当于布拉格反射光栅。Kashyap一文的第3部分第151页提供了对该光敏性作用的物理解释。这种布拉格光栅可用作波长滤波器。光纤中的布拉格光栅将有选择地滤除波长为两倍于该光栅周期的传输光。由于采用光纤的系统可以进行波分复用，故非常希望能有形成用于一定波长范围的布拉格滤波器的方法和装置。此外，这种方法和装置必须是有效、经济、精密和简单的，以确保该方法的速度、可重复性和精确性。这样一种方法适合于可以批量生产对预选波长有效的窄带滤波器的生产环境，应用于复杂的系统例如采用波分复用通信信号的系统。当然，也有大量的方法可以用反射光栅的滤波性能来产生信息。Glenn等人获得的第4725110号美国专利所讨论的应变计就是一个例子。Glenn等人的第4725110号美国专利中所述的在光纤内形成光栅的方法示于该专利文献的附图说明图1。与上面提到的利用通过波导传输的光的方法不同，这里是通过从侧面照射光纤形成布拉格光栅的。此外，光栅的形成是利用干涉仪进行的。此种形成光栅的方法，其缺陷在于，如需要具有不同周期的光栅，就必须调整该干涉仪光源和光学元件的位置。而且，该专利所披露的干涉仪光源是由分束器出射的两束光。与相位掩模光源相比，分束器光源的效率、光的控制以及灵活性受到一定的限制。1983年10至12月出版的《J.Vac.Sci.，B》第1卷第43期发表了Hawryluk等人的“通过组合使用多层镜与衍射光栅加倍远紫外空间频率”一文，其中第1202页的图3示出了一个干涉仪的基本配置，它将一个光栅作为该干涉仪的输入光源。该文的光栅形成方法或装置没有解决在光纤中形成具有不同周期之光栅的问题。Anderson等人的第5327515号美国专利披露了利用透镜将光源对准相位掩模。由该相位掩模出射不同级的衍射，并通过第二透镜对准光纤，如该专利的图2所示。不同衍射级干涉而在光纤上产生条纹图形。该相位掩模光栅的周期是照射在该光纤上的条纹图形周期的整数倍。该整数取干涉的两级衍射图形中较高的一个。由Anderson等人的上述专利方法所形成的光栅的锐度，因用以将条纹图形聚焦在光纤上的透镜的质量而受到限制。透镜吸收光，这样对光源就提出了更严格的要求。此外，所能得到的光栅周期数因光的强度随着衍射级的增加而迅速降低故受到了限制。Anderson等人的第5327515号美国专利和Hill等人的第5367588号美国专利都提到了相位掩模的使用，它将至少两个相互具有不同周期的部分结合在一起，由此可采用单个相位掩模在光纤中形成至少两个具有不同周期的光栅。采用具有至少两个周期的相位掩模光栅所遇到的固有困难在于相位掩模光栅较复杂，故难以精确地制造；而且，在光纤中形成的光栅的空间间隔因相位掩模的空间尺寸而受到限制。因此，需要一种在光纤内形成光栅的方法和装置，它能利用单周期相位掩模在光纤内形成光栅，其中如此形成的光栅可以具有一个范围的周期；形成具有清晰界定的折射率界面的波导光栅；以及采用一种结构简单的调节光栅周期的装置，故在光栅制造中可以易于获得精密性。定义光纤光栅就是波导折射率沿波导长轴的周期性变化。光敏性是某些玻璃成分与选定波长的光之间的相互影响，其中入射光改变了被照射玻璃的折射率或损耗特性。侧面写入是在光纤内形成光栅的一种技术，其中使光在光纤的侧面上沿光纤长轴的一部分形成一种干涉图形。因光的干涉而产生的周期性的光强图形致使折射率沿着光纤长轴的一部分呈周期性的变化。相位掩模实际上是一种传输衍射光栅。尤其是，本文中相位掩模是一种对所选范围的波长透明的材料，它形成一个具有一对平坦、平行和相对的侧面的平板，其中一个侧面上刻有一组周期性间隔的线。刻线的深度可以选择成使它提供一个是π的整数倍的相移，因此抑制零级衍射图形。此外，也可以利用位于相位掩模与光纤之间的光阑(beam stop)消除零级衍射图形。在沿着线性光栅任何一点离开相位掩模的发散光线的发散角可以用2ρ表征。本申请的新颖方法和装置满足了人们对获得在光纤中形成精密光栅的方法的要求，该方法简单且该装置简单、牢固，由此可实际应用于制造业。本申请的专利技术提供一种方法和装置，它采用一种大功率紫外光源，具有较短的相干长度，即大约300微米，连同相位掩模和可调干涉仪，在光纤内侧面写入光栅。可以用相干长度如10微米那样短的写入激光器有效地形成光栅。然而，在光栅可写入的长度及其对比度方面，相干长度较长的光源可提供更大的灵活性。可以采用倍频氩离子激光器的相干长度为10米的激光。干涉仪的可调节性使其可调节在干涉平面上形成的干涉条纹的周期。光纤的长轴设置在干涉平面中并取向成使干涉平面中形成的干涉条纹与光纤长轴相交。光纤玻璃的光敏性有效地沿着光纤的长轴复制或书写条纹图形。即，入射在光纤上的光在相长干涉条纹区域增大了折射率，而在相消干涉条纹区域的折射率保持不变。因此，本专利技术的第一方面是一种在光纤内侧面写入布拉格光栅的方法。一相位掩模设置成接收来自一光源的光，并将该光衍射到干涉仪。该干涉仪的部件收集来自相位掩模的光，并引导光会聚，即重叠在称为干涉平面的一平面上。从相位掩模出射的光线具有小于或等于光源相干长度的光程差，使其在干涉平面上产生干涉条纹。由于该干涉仪的集光和引导部件可调节，故干涉图形可调节。尤其是，该条纹图形的周期可调节。这样，布拉格光栅就可以写入在光纤内，它用以从一个范围的波长中滤除一个波长或一个窄波段。在紫外波长范围，即大约100毫微米至400毫微米范围的高强度、单色光源尤其适合于在以二氧化硅为基础的光纤内侧面写入光栅。然而，波长为600毫微米的光也可有效地在光纤内写入光栅。相干长度约为100微米的光源可以在光纤内产生一个具有足够长度的光栅，以提供效率大于99％的高效滤波。然而，大约10微米的相干长度就足以产生有用的光纤光栅。准分子激光器是一种优良的高强度紫外光光源，其相干长度一般约为300微米。准分子激光器可以具有大约10微米至2.5厘米的范围的相干长度。准分子激光器可以制成工作于几个波长，包括193毫微米、248毫微米以及351毫微米。干涉仪的集光和引导部件可以选自透镜、棱镜、镜子及其组合。镜子为较佳，因为其效率高。此外，在干涉仪包括一对相对设置的可调节的镜子的情况下，也可以方便地调节条纹间距。调节量可以用图2所示镜子平面与相位掩模平面之间的夹角24来表示。对于具有所需相干长度的典型的紫外光源，两个镜子之每个镜子相对初始角度9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在光敏光纤内侧面写入光栅的方法，其特征在于包括以下步骤：（ａ）放置一个相位掩模，它具有平坦且相互平行的第一和第二侧面，在第一侧面上接收来自光源的光，所述光经所述相位掩模衍射并从第二侧面出射成一阵列的发散光线，所述相位掩模的第二侧面设 置为干涉仪的光源，其中该干涉仪使所述光线重叠并在干涉平面中形成干涉条纹图形，该干涉仪具有可调节的光学部件以改变干涉平面中条纹间的间距；（ｂ）调节所述的光学部件以得到预选的条纹间距，其中，所述光学部件包括消除零级衍射的装置；以及（ｃ） 将光纤的长轴放置在干涉平面中，使干涉条纹图形沿该长轴入射在光纤上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特亚当莫戴维斯，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]