用振幅模板实现具有目标反射响应的光纤光栅的制作方法技术

用振幅模板实现具有目标反射响应的光纤光栅的制作方法属于光滤波器技术领域，其特征在于：它是在制作光纤光栅用的相位模板方法中引入振幅模板，来实现由重构－等效啁啾方法设计的光纤光栅，并使其适合大规模制作。它含有依次平行且贴近放置的振幅模板、相位模板和光纤，使紫外激光束垂直入射并依次通过振幅模板、相位模板而射到光敏光纤的芯径上。它提出了振幅模板透光缝隙中心位置、周期和长度的计算公式，还通过改变缝隙长度的方法实现免切趾，通过改变透光缝隙周期的方法实现免切趾补偿，并给出了相应的公式。经过实例，其结果和设计值相吻合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤通信、光传感以及其它有关光信号处理的领域，尤其涉及其中的光滤波器。
技术介绍
光纤光栅在光纤通信、光传感等很多涉及光信号处理的领域中，作为单输入、单输出的光滤波器有广泛的应用。所谓光纤光栅，是在光纤上沿光纤方向形成周期性折射率调制形成的光波导器件。其传统的相位模板-扫描的制作方法如图1所示紫外线13由紫外激光器11输出，先被固定在平移台15上的平面镜14所反射、而后又被相位模板16所衍射，形成±1级衍射光，在其交叠区域18形成沿着模板16方向的周期性起伏的光强分布，使光敏光纤17的折射率相应的得到一个同周期起伏、即形成一段光纤光栅。称上述折射率周期起伏为光纤光栅的折射率调制，其幅度和激光器11的能量、光照时间(对连续激光器而言)或者光脉冲数目(对脉冲激光器而言)有关，这个关系可以通过反复的实验得到；折射率调制的周期是模板周期的一半。移动平移台15从而移动区域18，同时控制激光器11的能量、光照时间或脉冲数量，便可以在光纤17的不同位置曝光、得到不同的折射率调制幅度，从而得到结构更为复杂的光纤光栅。利用光纤光栅实现目标的反射响应，是光纤光栅应用的基础，一直受到人们的关注。在理论上，人们提出了光纤光栅的重构算法利用目标反射响应求光纤光栅的结构，即折射率调制的分布 其中，z是到光纤光栅初始端的距离，AS(z)大于或等于零，表示光纤光栅的折射率调制幅度函数；ΛS是折射率调制的周期；S(z)是相位函数，表征光纤光栅的啁啾和相移；c.c表示前一项的共轭。但是，由重构算法得到的光纤光栅采用传统的相位模板-扫描的制作方法难以实现一方面重构得到的光纤光栅往往要求复杂的切趾，而切趾和随之带来的切趾补偿使制作过程繁琐或者难以控制；另一方面现在比较成熟的相位模板包括均匀和线性啁啾的相位模板，由该相位模板和传统的相位模板-扫描方法制作得到的光纤光栅具有固定的相位函数 其中，Λ是制作得到的光纤光栅的平均周期，C是该光纤光栅的周期对z的变化率，而重构得到的光纤光栅往往具有复杂的啁啾和相移，要实现它或者利用特制的相位模板，或者要求纳米量级的控制精度，使制作成本提高或者不利于大规模生产。最近提出的重构-等效啁啾方法绕开了上面的两个困难，该方法在参考文献“戴一堂、陈向飞、夏历、姜典杰和谢世钟，‘一种实现具有任意目标响应的光纤光栅’，中国专利技术专利，申请号200410007530.5”当中有详述。该理论表明，利用特殊结构的采样光纤光栅和普通相位模板，虽然得到的采样光纤光栅只具有如式2表示的相位函数，也可以得到目标反射响应。它的基本原理是对采样光纤光栅的采样函数进行合适的啁啾和切趾、即控制采样光纤光栅制作过程中的曝光位置和曝光量，从而达到对其某一非零级反射峰(通常是-1级)的切趾和啁啾，使得该反射峰具有目标反射响应。具有亚微米精度的振幅模板在半导体工艺中已经是非常成熟的技术，图2是一个振幅模板的示意图，其中21和22分别是透光缝隙和不透光部分。下面称透光缝隙的总个数为N，第k条透光缝隙的中点处到振幅模板初始端的距离为zk，该透光缝隙的长度为Lk，并定义该透光缝隙的周期为 可见，利用振幅模板方法可以精确的实现对曝光位置的控制。变占空比的方法被用来实现采样光纤光栅的切趾，这种方法通过控制每一个曝光位置处的曝光光斑的大小来等效的实现对曝光强度的控制，从而实现对采样光纤光栅的切趾。而控制每一处曝光光斑的大小可以通过由图2表示的振幅模板控制。变占空比方法避免了采样光纤光栅的切趾，因为各个曝光点的曝光量相同，所以光纤光栅的制作过程简化为图3紫外光从紫外激光器31输出，被扩束器32扩束，覆盖到整个光纤光栅区域；振幅模板33紧靠相位模板34，透过振幅模板的紫外光在光敏光纤35的特定位置36上形成光纤光栅。可见，结合振幅模板，简化了光纤光栅的制作方法，适合大规模的光纤光栅制作。切趾补偿一直是光纤光栅制作中的重要环节。切趾会造成光纤光栅各处直流折射率调制不同，从而引入附加啁啾；切趾补偿就是对该附加啁啾进行补偿。直流折射率调制D和光纤光栅折射率调制A的关系一般为D＝αA (4)α是一个大于或等于1的数，可以通过多次实验估计。二次曝光方法是常用的切趾补偿技术，该方法在光纤光栅制作之后去掉相位模板，对光纤光栅再曝光一次，使得两次曝光后光纤光栅各处的总曝光量一致。然而该方法有两个缺点一是去掉相位模板后光路发生变化，二是第二次曝光位置受到制作平台精度影响可能不完全和第一次的重叠，这两个缺点都会造成二次曝光不能完全补偿直流折射率调制不一致性。
技术实现思路
本专利技术的目的，是在光纤光栅制作的相位模板方法中引入振幅模板，来实现由重构-等效啁啾方法设计的光纤光栅，并使其适合大规模的制作。为此，本专利技术提出了一种光纤光栅的制作方法，该方法由依次放置的、平行且贴近的振幅模板、相位模板和光纤，以及垂直入射并依次透过振幅模板、相位模板并入射到光纤上的紫外激光束组成。本专利技术的基本原理重构-等效啁啾方法表明，通过具有适当的折射率调制幅度轮廓和采样周期分布的采样光纤光栅可以在其-1级反射峰内实现目标反射响应；本专利技术利用振幅模板实现了上述的采样周期分布。采样光纤光栅由很多段短的光纤光栅组成，对采样光纤光栅的切趾本质上是要求各个短的光纤光栅段具有不同的反射率，而光纤光栅的反射率不仅和其折射率调制幅度有关，而且还和其长度有关，所以通过合理设计每一段光纤光栅的长度而保持其折射率调制幅度不变，也可以达到对采样光纤光栅的切趾；本专利技术通过振幅模板实现了对每一段光纤光栅的长度的控制。由光纤光栅的耦合模式理论，采样光纤光栅的直流折射率调制，相当于在每一个短的光纤光栅段后面做了一个相移，等效相移理论证明了通过调整采样光纤光栅的采样周期可以补偿这个相移；本专利技术利用振幅模板实现了这一采样周期的调整。由此，本专利技术提出了一种，其特征在于，它依次含有以下步骤1)自上而下依次平行且贴近的放置振幅模板、相位模板和光敏光纤，调节光路，使得紫外激光束垂直入射并依次通过振幅模板、相位模板而射到光敏光纤的芯径上；所述的相位模板是普通的相位模板，包括均匀的和线性啁啾的相位模板，由该相位模板和传统的相位模板-扫描方法得到的采样光纤光栅具有固定的相位函数 其中z是到光纤光栅初始端的距离，Λ是采样光纤光栅的平均周期，C是该采样光纤光栅的周期对z的变化率；所述的振幅模板的透光缝隙和不透光部分由下式决定 SP是一个大于零的数，是采样周期的一个度量，γ是一个大于零小于1的数，是采样占空比的一个度量，Δ(z)＝S(z)-(z)，S(z)是由任意目标响应重构得到的、或者是任意给定的光纤光栅的相位函数，(z)是采样光纤光栅的相位函数，“{x}”表示求x的小数部分，即x减去小于x的最大整数，由该式可以得到振幅模板第k个透光缝隙的中心位置到振幅模板起始端的距离zk、周期Pk和长度Lk，透光缝隙的总个数为N；所述的由任意模板反射响应重构得到的、或者是任意给定的光纤光栅具有下面的折射率调制分布 其中AS(z)≥0是该光纤光栅的折射率调制幅度分布函数，c.c表示前一项的共轭；在振幅模板的第k个透光缝隙处曝光而在采样光纤光栅上形成的折射率调制幅度用Ak表示；2)调节紫外激光束的宽度，使其大于振幅模板的透光缝隙长度的最大值；本文档来自技高网...

【技术保护点】
用振幅模板实现具有目标反射响应的采样光纤光栅的制作方法，其特征在于，它依次含有以下步骤：１）自上而下依次平行且贴近的放置振幅模板、相位模板和光敏光纤，调节光路，使得紫外激光束垂直入射并依次通过振幅模板、相位模板而射到光敏光纤的芯径上 ；所述的相位模板是普通的相位模板，包括均匀的和线性啁啾的相位模板，由该相位模板和传统的相位模板一扫描方法得到的采样光纤光栅具有固定的相位函数：φ（ｚ）＝－πＣｚ↑［２］／Λ↑［２］（２）其中ｚ是到光纤光栅初始端的 距离，Λ是采样光纤光栅的平均周期，Ｃ是该采样光纤光栅的周期对ｚ的变化率；所述的振幅模板的透光缝隙和不透光部分由下式决定：＊＊＊（５）ＳＰ是一个大于零的数，是采样周期的一个度量，γ是一个大于零小于１的数，是采样占空 比的一个度量，Δφ（ｚ）＝φｓ（ｚ）－φ（ｚ），φｓ（ｚ）是由任意目标响应重构得到的、或者是任意给定的光纤光栅的相位函数，φ（ｚ）是采样光纤光栅的相位函数，“｛ｘ｝”表示求ｘ的小数部分，即ｘ减去小于ｘ的最大整数，由该式可以得到振幅模板第ｋ个透光缝隙的中心位置到振幅模板起始端的距离ｚ↓［ｋ］、周期Ｐ↓［ｋ］和长度Ｌ↓［ｋ］，透光缝隙的总个数为Ｎ；所述的由任意模板反射响应重构得到的、或者是任意给定的光纤光栅具有下面的折射率调制分布：Δｎ↓［ｓ］（ｚ）＝１／２Ａ↓［ ｓ］（ｚ）ｅｘｐ（ｊ２πｚ／Λ↓［ｓ］＋ｊφ↓［ｓ］（ｚ））＋ｃ．ｃ（１）其中Ａ↓［ｓ］（ｚ）≥０是该光纤光栅的折射率调制幅度分布函数，ｃ．ｃ表示前一项的共轭；在振幅模板的第ｋ个透光缝隙处曝光而在采样光纤光栅上形成的折射 率调制幅度用Ａ↓［ｋ］表示；２）调节紫外激光束的宽度，使其大于振幅模板的透光缝隙长度的最大值；３）把激光束移动到ｚ↓［ｋ］处，ｋ＝ｌ到Ｎ，进行曝光而形成所需的折射率调制幅度Ａ↓［ｋ］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴一堂，陈向飞，谢世钟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]