长周期光纤光栅增益平坦器及其设计方法

摘要

本发明属光纤通信领域,涉及一种长周期光纤光栅平坦器及其设计。光纤(4)放在振幅掩模版(8)下,并一起固定于平台(7)上,(5)为白光源,(6)为光谱仪,激光器(1)发射紫外光束通过柱透镜(3)照射光纤(4)。控制平台(7)移动制作相应长度光栅,控制激光输出频率和能量,控制光栅的透射强度。通过弱导光纤近似法将矢量场转化为标量场求解光栅特征参数。本发明制作容易,简单实用,光栅设计中计算量小,适于批量生产。

说明书

本发明属光纤通信领域，特别涉及采用准分子激光扫描振幅式长周期光纤光栅增益平坦器及其设计方法。

光纤光栅是光纤纤芯折射率被周期性调制而形成的一种新型全光纤无源器件。由于其具有高的波长选择性、与光纤系统兼容、插入损耗小、结构简单、体积小、成本低等优点，使光纤光栅在光通信系统有着广阔的应用前景。1.55μm掺铒光纤放大器(EDFA)是光纤通信系统中的关键器件。EDFA增益谱能利用的带宽在1530～1560nm之间约30nm，并且在1532nm和1560nm处有两个明显的峰值，致使平坦区只有10nm左右。对于密集波分复用(DWDM)系统利用1.55μm低损耗窗口显然是不够的，因此需要对其增益平坦化。

对EDFA的增益平坦化，一般是采用共掺P、A1光纤或闪耀光栅的方式。但前者光纤制作困难，且只能使EDFA增益谱的第二个峰值平坦化；后者制作工艺复杂。而采用长周期光纤光栅进行增益平坦化，在性能和价格比上有很大的优势。与本发明最相近的长周期光纤光栅平坦器的构造，可参考图1，由紫外激光器1、反射镜2、柱透镜3、光纤4、白光源5、光谱仪6及平台7构成。白光源5和光谱仪6装于光纤4的两端，光纤4固定在平台7上能随平台7的平移而一起按光纤4的纵向平动。平台7是由步进电机带动平移的。按光路顺序，紫外激光器1发出的激光束经反射镜2反射，再经柱透镜3聚焦照射在平台7上的光纤4上。用计算机及数摸转换卡控制紫外激光束的曝光周期，并且要求紫外激光束要聚焦成小于光栅周期的光束，才能制成长周期光纤光栅增益平坦器，达到增益平坦的目的。制作这种平坦器要求紫外光源具有很高的空间相干性，光栅写入时的能量密度也要求很高；在光栅制作中，平台7一次移动，往往达不到制作要求，因而需要平台7往复运动，这又要求步进电机精度要达到微米量级。现有的这种长周期光纤光栅增益平坦器的设计是采用矢量模分析法来设计长周期光栅的特征参数的。这种矢量模分析法采用的模式特征方程为： $>>>>U>>J>0>>>(>>U>0>>)>>>J>1>>>(>U>)>>->>U>0>>>J>0>>>(>U>)>>>J>1>>>(>>U>0>>)>>>>U>>Y>0>>>(>>U>0>>)>>>J>1>>>(>U>)>>->>U>0>>>J>0>>>(>U>)>>>Y>1>>>(>>U>0>>)>>>>=>>>>W>0>>>J>0>>>(>>U>0>>Q>)>>>K>1>>>(>>W>0>>Q>)>>->>U>0>>>K>0>>>(>>W>0>>Q>)>>>J>1>>>(>>U>0>>Q>)>>>>>W>0>>>Y>0>>>(>>U>0>>Q>)>>>K>1>>>(>>W>0>>Q>)>>->>U>0>>>K>0>>>(>>W>0>>Q>)>>>Y>1>>>(>>U>0>>Q>)>>>>>s>其中，U=\rho (k2n$_co²-β_co²)^1/2,U₀=ρ(k²n_cl²-β_cl²)^1/2,W₀=ρ(β_cl²-k²n₀²)^1/2,(n₀=1)；Q=σ/ρ(σ为光纤包层直径，ρ为光纤芯径)，J₀,K₀,Y₀,J₁,K₁,Y₁分别为0阶和1阶贝塞耳系列函数。

利用这个特征方程，再通过计算机的数值求解，可以得到对应不同波长的参数U,U₀，从而得到光栅的相应特征参数。这种矢量模分析法，数值计算量很大，不便于实际应用。

本发明的目的，在现有技术基础上加装振幅掩模版，从而不需对紫外激光束进行聚焦，不需用计算机和数摸转换卡控制激光器的曝光周期，不必让平台往复运动，不要求步进电机有高的精确度，因而制作容易，简单实用；而且简化了长周期光纤光栅特征参数的设计。

本发明的目的是这样实现的。在现有技术的基础上，只需在平台7和光纤4上面加装一块振幅掩模版。现有技术是采用逐点写入法制作的光纤光栅增益平坦器，而本发明是采用振幅掩模版扫描法制作平坦器的。在光纤光栅特征参数设计上将矢量场转化为标量场求解。

本发明的具体结构由图2给出。图2中，1是紫外激光源，2是反射镜，3是柱透镜，4是光纤，5是白光源，6是光谱仪，7是平台，8是振幅掩模版。除振幅掩模版8外，其余结构及结构间的联接关系与现有技术相同。振幅掩模版8是透光与遮光条状相间的光栅，固定安装在平台7和光纤4之上。振幅掩模版8与光纤4固定在一起，能够随平台7平动。紫外激光束1经反射镜2、柱透镜3之后照射在振幅掩模版8上，制作成在光纤4上与振幅掩模版周期相同的长周期光纤光栅增益平坦器。光栅的长度是通过平台7的移动控制的，写入光栅的能量密度是由紫外激光器的输出频率和强度决定的。

振幅掩模版8可以用金属材料板制作，因为金属板易刻蚀，按设计要求精细地大批量地加工。

由于光纤4紧贴于振幅式掩模版8后，制作中，对紫外光源的空间相干性的要求大大降低，而且平台的单次移动就可以满足要求，降低了对步进电机精度的要求，制作难度降低；总之，大大降低了对各部件精度要求，因而制作容易，简单实用，振幅式掩模版成本低，适合大批量光栅的制作。

本发明中，还简化了长周期光纤光栅增益平坦器的设计。对于长周期光栅的设计现有技术是采用矢量模分析法来设计长周期光栅的特征参数。这种矢量法的数值计算工作量很大，不便于实际应用。本发明采用弱导光纤近似法将矢量场转化成标量场求解，减少了数值计算量。利用此方法计算的光栅周期与光波长间的对应关系，与实验制作也符合的很好。

具体设计过程(方法)如下。

这种方法采用的标量场特征方程为： $>>>>(>>u>2>>->>l>2>>)>>>1>/>2>>>->l>>cos>>->1>>>>(>>1>u>>)>>=>>cos>>->1>>>[>>>>(>>u>2>>->>l>2>>)>>>1>/>2>>>V>>]>+>>(>m>->>3>4>>)>>>s>(l=0,1,2\dots ,M=1,2,3\dots ,$ >>V>=>ak>sup>>n>cl>2sup>>-sup>>n>0>2sup>>,>>>s>)a包层半径，n$$_cl为包层有效折射率，n₀为空气折射率。由此方程可以求出光纤的特征参数u，而u=a(k²n_cl²-β_cl²)^1/2，于是可以得到包层模的传播常数β_cl，再利用相位匹配条件，就可以得到光栅周期与光波长及模式阶次间的关系。从而设计出满足不同需要的长周期光纤光栅器件。

图3是采用此方法制作的长周期光纤光栅增益平坦器的光谱图，图中同时也给出了理论计算曲线。

附图说明：图1是现有制作长周期光纤光栅增益平坦器的示意图。图2是本发明采用的制作长周期光纤光栅增益平坦器示意图。图3是本发明的增益平坦器的光谱图。图3中，横坐标为波长，单位为nm；纵坐标为透射强度，单位为dB,L为光栅长度。