长周期纤维光栅的制造装置和用其制造双波段长周期纤维光栅的装置

摘要

提供一种长周期纤维光栅的制造装置和用其制造双波段长周期纤维光栅的装置,该装置包含一个产生紫外激光的光源(100),一个以一定的角度反射光源(100)产生的紫外激光并改变其光路的反射镜(102),一个聚焦由反射镜(102)改变光路的激光的透镜(104),一个色散部件(106),用于对通过透镜(104)的激光进行色散,一个幅度模板,设置在色散部件(106)和光纤(112)之间并具有透光区,色散的激光周期性地通过该透光区照射到光纤(112),通过调节照射到光纤(112)上的激光束的大小来调节长周期纤维光栅的带宽,幅度模板可以低成本制造,同时损伤功率阈值高。

说明书

本发明涉及制造长周期纤维光栅的装置和用其制造双段长周期纤维光栅的装置。

一个长周期纤维光栅将基芯模耦合至主包层模。由于长周期纤维光栅不是反射型的，所以它具有平坦光栅增益的优点。

典型的长周期纤维光栅是通过改变对紫外线灵敏的光纤的芯的折射率制造，受紫外线照射的部分光纤芯呈现折射率增加，而没有照射的部分其折射率不改变，所以折射率出现周期性的改变。按照下述等式(1)所述的条件在光纤维芯内出现耦合：

β_co－β_clⁿ＝2π/∧          (1)

式中β_co是芯模的传播常数，β_clⁿ是包层模的传播常数，∧是光纤的光栅常数。

用2πn/∧替代β，其中，n是有效的折射率，等式(1)可以写成芯模和包层模的折射率差(n_co－n_clⁿ)＝λ/∧。所以，对于固定的光栅周期来说，耦合波长λ取决于光栅周期∧和折射率差n_co－n_clⁿ，耦合波长随n_co－n_clⁿ改变，而折射率差可以由合适的紫外激光照射对紫外光灵敏的光纤得到。

如果将紫外激光照射到光敏的光纤上，光纤芯的折射率增加，则在较长波长处发生耦合。利用柱面透镜将紫外激光器例如准分子激光器的紫外激光聚集在x-或者y-轴上，并通过具有周期∧的幅度模板将紫外激光照射到光敏的光纤上。在具有10×30mm大小的准分子激光的情况下，在将它聚集到30mm长的方形准分子激光时它的光束最大。

这里，对于幅度模板最重要的是要有精确的周期。为了获得幅度模板的精确周期，需采用各种方法。一种方法是，在移动台上设置一个狭缝或者光纤，然后按照所需要的周期将工作台移动，使激光照射到其上。采用狭缝的优点是，它的周期精确并可任意调节。然而，按照该方法，由于狭缝的宽度是固定的，在改变长周期纤维光栅的周期时，占孔系数(光的透射域与非透射域之比)不是常数。同时，由于在使用狭缝时逐点获得折射率改变，所以需要较多的时间，并且不能有效的利用大的激光光束。因此，为了精确的设计所需的滤波器，将就需要知道每个脉冲精确的折射率的改变，并需要昂贵的移动工作台。

另外，为了使模板的周期性精确，可以通过在石英上形成带铬的图形制造模板。然而，利用这种方法使模板的制造过程复杂并费钱。同时，由于模板的周期固定，因此只能利用这种模板设计单一的光谱。还有，在该情况下，由于这种类型的模板它的阈值损伤功率低，所以不能有效的使用高功率的准分子激光器。

其它方法是采用多狭缝。它的制备模板的方法简单，所以成本低。然而，由于激光处理时会使模板的周期性误差非常大，即，±5mm，所以不容易得到精确的光谱设计。同时，由于周期固定，将使所设计的光谱受到限制。

通常，在需要两个或者三个不同的长周期纤维光栅，即需要两个和三个不同的模板周期时，可以使EDFA的增益曲线平坦。因为增益曲线取决于单个输入光功率，泵浦功率，稀土掺杂率，玻璃基质，纤维长度等因素，所以需要尽可能多的模板周期。

为了解决上述的问题，本发明的目的是提供一种制造长周期纤维光栅的装置，用于通过一种色散入射光的凹透镜和具有一定周期的幅度模板，以及改变幅度模板的位置来调节形成在光纤上的光栅周期，以及一种利用上述装置制造两个波段的长周期纤维光栅的装置。

相应地，为了取得上述的目的，提供一种制造长周期纤维光栅的装置，用于利用周期性地将紫外激光照射到光纤上从而周期性地改变光纤芯的折射率，所述装置包含一个产生紫外激光的光源，一个用于以一定的角度反射由光源产生的紫外激光并改变激光光路的反射镜，一个用于聚焦由反射镜改变光路的激光束的透镜，一个色散部件，用于色散通过透镜的激光，以及一个位于色散部件和光纤之间，并具有周期性地将色散激光透射到光纤的透视区的幅度模板。

按照本发明的其它方面，提供一种利用周期性地照射紫外激光来周期性改变光纤芯的折射率的制造长周期纤维光栅的装置，该装置包含一个产生紫外激光的光源，一个用于以一定的角度反射由光源产生的紫外激光并改变激光光路的反射镜，一个色散部件，用于色散通过透镜的激光，以及一个位于色散部件和光纤之间，并具有周期性地将色散激光透射到光纤的透视区的幅度模板，一个测量装置，用于测量形成在光纤上的长周期纤维光栅的耦合峰，一个控制器，用于调节按照由测量装置测量的耦合峰波长获得所需耦合峰幅度模板的位置。

按照本发明的其它方面，还提供一种利用调准具有周期性重复的透射区，并由在光纤的长度方向互相位于不同位置的受到紫外光照射的第一和第二幅度模板来制造一个双波段长周期纤维光栅的装置，该装置包含，一个第一长周期光纤光栅制造部件，用于通过调节第一幅度模板和光纤之间的距离，并将具有一定周期的第一长周期纤维光栅形成在光纤上来确定第一长周期纤维光栅的周期，一个第二长周期光纤光栅制造部件，用于通过调节第二幅度模板和光纤之间的距离，并将具有一定周期的第二长周期纤维光栅形成在光纤上来确定第二长周期纤维光栅的周期，其中，第一和第二长周期光栅制造部件基本上以相同的方式制造第一和第二长周期光栅，一个光源，一个测量部件，用于测量由光源产生的并通过其上具有第一和第二长周期光纤光栅的光纤的输出光谱，一个控制器，用于检查由测量部件测量的输出光谱，并调节第一和第二幅度模板的位置，以获得所需要的输出光谱。

本发明的上述目的和优点将通过参见附图和详细地描述优选的实施例更为清楚，其中：

图1是本发明的制造长周期光纤光栅的装置示意图；

图2是图1所示幅度模板的实施例；

图3是通过调节幅度模板的位置确定光栅周期的过程；

图4A和4B分别是光栅周期依据在x＋y＝700mm和300mm时x值的改变的图形；

图5A至5D是在x＋y＝430时对于x值的变化在各个波长具有一定消光比的长周期光栅纤维的光谱说明图；

图6是按照本发明制造具有长周期纤维光栅的双波段长周期纤维光栅的装置示意图；

图7A和7B是在一定的曝光时间内出现耦合的波长的改变图形，在图7A中说明在紫外曝光时耦合出现的波长的改变图形，而图7B中说明在H₂引入后的一定时间内耦合开始的波长的改变图形；

图8是光纤放大器的增益特性与波长的关系图。

图1所示的装置包含一个紫外光源100，一个反射镜102，用于改变由紫外光源100产生的紫外光的光路，一个柱面透镜104，用于将光路受到反射镜改变的激光进行聚焦，一个色散部件106，用于色散由柱面透镜104聚焦的激光，一个幅度模板108，用于有选择地通过由色散部件106色散的光，一个狭缝110，用于让通过幅度模板108的激光只照射到可以在光纤112上形成长周期光纤光栅的部位，一个光源114，一个测量部件116，用于测量通过光纤112的光的特性，以及一个控制器118，用于依据由测量部件116测量的耦合峰和耦合峰的波长确定幅度模板108的位置。

具有上述结构的装置其操作如下：反射镜102以一定的角度反射由紫外激光光源100产生的激光，以改变激光的光路。柱面透镜104将反射的激光会聚到光纤112的轴上。色散部件106色散通过柱面镜104的激光。通常采用一个凹透镜作为色散部件106。

幅度模板108选择性地透过通过色散部件106的光。狭缝110的宽度根据长周期光纤光栅的光谱带宽确定。如果将通过狭缝110的光照射到光纤112上，则芯内照光部分的折射率改变。测量部件116测量从光源114产生的并通过光纤112的光波长的耦合峰。

控制器118通过调节幅度模板108的位置控制长周期纤维光栅的周期，从而使耦合出现在通过由上述方法形成的长周期纤维光栅的波长中的所需要的波长处。

图2是图1所示的幅度模板的一个实施例。由图所示的幅度模板形成在具有厚度约为0.2mm的薄金属基体，例如不锈钢基体上，具有一个透过区202和一个非透过区204，在透过区内光具有几百微米的周期∧₀。透过区202由CO₂激光工艺或者化学蚀刻形成。由于金属基体200消除损伤阈值的限制，所以可将高功率紫外激光器用作光源。激光通过透过区202，使光波导的折射率增加。由金属构成的非透过区204屏蔽紫外激光。

图3是通过调节幅度模板的位置确定光栅周期的方法。参见图3，通过柱面透镜300的激光由凹透镜302发散，并由幅度模板304遮挡，然后选择性地将激光照射到光纤306上。为了方便说明，假设凹透镜302和幅度模板304之间的距离是x，幅度模板304和光纤306之间的距离是y。同时假设幅度模板304的半周期是a，从凹透镜302的焦点经幅度模板304到达光纤306的激光相对于水平激光308的角度分别是γ，β和α，周期性照射到光纤306上的激光长度分别是C，B和A。于是，满足下述的等式。

tanα＝3a/x＝A/x＋y

tanβ＝2a/x＝B/x＋y    ……(2)

tanγ＝a/x＝C/x＋y

假设∧是形成在光纤306上的周期，则由等式(2)得到的∧

表示为：

  ∧＝2a(x＋y)/x＝∧₀(x＋y)/x    ……(3)

其中，∧₀是幅度模板304的周期，∧₀＝2a。

换言之，在调节凹透镜302与光纤306之间的距离时，按照幅度模板304的位置调节形成在光纤306上的长周期纤维光栅的周期。

图4A表示在x＋y＝700mm时光栅周期随x值变化的情况。表1表示取决于x值的周期。这里，幅度模板304的周期是420μm。

表1

x(mm)                       光栅周期(μm)

700                          420.0

690                          426.1

680                          432.4

670                          438.8

660                        445.5

650                        452.3

640                        459.4

630                        466.7

620                        474.2

610                        482.0

600                        490.0

590                        498.3

580                        506.9

570                        515.8

560                        525.0

550                        534.5

540                        544.4

530                        554.7

520                        565.4

510                        576.5

500                        588.0

490                        600.0

480                        612.5

470                        625.5

460                        631.1

450                        653.3

图4B表示在x＋y＝430mm时光栅周期随x值变化的情况。表2表示取决于x值的周期。这里，幅度模板304的周期是420μm。   x(mm)                         光栅周期(μm)

430                             420.0

420                             430.0

410                             440.5

400                             451.5

390                        463.1

380                        475.3

370                        488.1

360                        501.7

350                        516.0

340                        531.2

330                        547.3

320                        564.4

310                        582.6

300                        602.0

290                        622.8

280                        645.0

270                        668.9

260                        694.6

250                        722.4

240                        752.5

230                        785.2

220                        820.9

210                        860.0

200                        903.0

190                        950.5

180                        1003.3

在凹透镜与光纤之间的距离x＋y增加时，周期的变化小于x值的变化，这就有利于精确地调节周期。换言之，在设计所需要的光谱时，由狭缝的宽度调节谱带宽度，x相应于凹透镜302与幅度模板304之间的距离，而y相应于幅度模板304与光纤306之间的距离，他们均可调节，因此可调节耦合峰的波长和耦合峰。

图5A至5D表示在x＋y＝430时，相对于x值的改变在不同的波长具有消光比为5.4dB的长周期光栅的频谱，即，在将幅度模板设置在x＝400mm，395mm，385mm，355mm位置时的耦合峰。如图所示，在355≤x≤400mm时，可以依次得到从1300nm至1500nm波长范围的耦合峰。

所以，为了制造具有所需要输出频谱的长周期光栅，可利用狭缝大小调节带宽，并调节凹透镜和幅度模板之间的距离x以及幅度模板和光纤之间的距离y。

图6是按照本发明利用长周期纤维光栅制造双波段长周期纤维光栅的装置示意图。图6所示的双波段长周期纤维光栅包括一个紫外光源600，一个第一长周期纤维光栅制造部件610，一个第二长周期纤维光栅制造部件620，一个光源630，一个光纤640，一个测量部件650，一个控制器(未图示)。

所示的第一长周期纤维光栅制造部件610包含，一个分光镜611，一个第一柱面透镜612，一个第一发散部件613，一个第一幅度模板614，和一个第一狭缝615。

现说明利用上述的构成制造双波段长周期光纤光栅的方法。第一和第二长周期光纤光栅制造部件610和620基本上同时在光纤上形成具有第一和第二周期的长周期光栅。

详细地说，首先，分光镜610将由紫外光源600产生的紫外激光以1∶1的比例分光，以90°的垂直角度将光部分反射，改变光路并使非反射部分光直行，第一柱面透镜612使由反射镜610改变光路的发散的紫外光在轴向聚焦，使焦点落在光纤640上。第一发散部件613将通过第一柱面透镜612的光发散，以增加光束的尺寸。第一幅度模板614使通过第一发散部件613的光有选择地通过模板。第一狭缝615的宽度由所需的长周期纤维光栅的光谱宽度确定。如果通过狭缝615的光照射在光纤640上，则测量部件650在光源630产生的并通过光纤640光的不同波长处测量耦合峰。控制器(未图示)调节第一幅度模板614的位置，使耦合在长周期纤维光栅的所需波长处出现，于是调节长周期纤维光栅的周期。

通过反射镜610的紫外激光由反射镜621作90°分光，从而改变光的前进方向。第二柱面透镜622使由反射镜621改变光路的发散的紫外光在轴向聚焦，使焦点落在光纤640上。第二发散部件623将通过第二柱面透镜622的光发散以增加光束的尺寸。第二幅度模板624允许通过第二发散部件623的光有选择地通过模板。第二狭缝625的宽度由长周期纤维光栅的所需光谱的带宽确定。如果将通过第二狭缝625的光照射到光纤640上，则测量部件650测量由光源630产生的，并通过光纤640的不同光波长位置的耦合峰。控制部件(未图示)调节第二幅度模板624的位置，使耦合峰出现在长周期光纤光束的所需波长处，于是调节长周期纤维光栅的周期。

这里，所述光纤640对紫外光灵敏，并可以通过将氢H2加入掺锗(Ge)的光纤中得到。加氢的温度为80-90℃压力直至100大气压。将加氢的纤维保持在室温。随着时间的推迟，氢分子通过光纤缓慢地扩散到包层的外部。由于氢分子的逃逸，就产生芯与外包层之间的折射率差。于是，依据光纤在室温保持的时间长短，耦合条件将随之改变。

图7A表示耦合出现在紫外光照期间的波长改变，图7B表示在加氢并在室温保持期后耦合开始的波长改变。如图7A和7B所示，随着在室温保持时间的加长，耦合波长向较长的波长方向移动，然后在30小时后向较短的波长方向移动。

在通过对光纤加氢制造长周期光纤光栅时，由于由测量装置，例如光谱分析仪所测量的光谱不稳定，必须进行补偿才能获得最终产品的精确光谱。尤其，如果光纤放大器在1530nm和1550nm处具有增益峰，如图8所示，为了获得增益平坦的光纤放大器，就需要同时使两个波段的增益平坦。

在本发明中，可以通过调节两个幅度模板614和624的位置在两个波段来同时调节增益。作为幅度模板614和624，最适宜使用图2所示的幅度模板。在上述的方式中，可进行幅度模板614和624的位置调节以及长周期光纤光栅的周期调节。

按照本发明，可以利用调节照射到光纤上的激光光束的大小来调节长周期光纤光栅的带宽，同时，可以低成本并很容易地制作幅度模板，并使幅度模板的损伤阈值提高。由于光纤的光栅周期得到精确的调节，所以可利用单个模板简单地制作具有所需特性的滤光器。

另，如果按照本发明同时制做两个波段，由于氢扩散引起的补偿移动的可能性被去除，将使滤光器的设计简化，制造滤光器所需的时间减少。用于长周期纤维光栅的光的功率输出约为120mj。在本发明中，利用分光镜将高功率(600mj)的准分子激光以1∶1的比例分光，按照本发明的长周期光纤光栅可以对于准分子激光器以更为稳定的方式操作。