啁啾光纤光栅、其制备方法、及啁啾光纤光栅滤波器

摘要

本发明公开了一种啁啾光纤光栅的制备方法，包括以下步骤S1：对啁啾光纤光栅的目标谱形进行形貌分析，利用多个布拉格光栅光谱对目标谱形进行拟合与逼近，将目标谱形分解为多个布拉格光栅光谱；步骤S2：利用布拉格光栅公式，对分解后的每一个布拉格光栅光谱进行参数推导，获得啁啾光纤光栅的制备参数；步骤S3：根据制备参数，通过激光进行啁啾光纤光栅的制备。本发明还提供了一种啁啾光纤光栅，以及一种啁啾光纤光栅滤波器。本申请，实现了根据啁啾光纤光栅的谱形需求进行灵活、柔性制备，本申请的啁啾光纤光栅滤波器，能够通过单个器件实现复杂滤波谱形需求。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，特别是涉及一种啁啾光纤光栅、其制备方法、及啁啾光纤光栅滤波器。

背景技术

现有的光纤光栅滤波器，其主要通过以下途径获得：

１、利用紫外激光掩模板法制备啁啾光栅。利用紫外激光掩模板法是目前制备啁啾光纤光栅的主流方法，通过掩模板法可以制备出高质量啁啾光栅。但是，使用紫外激光掩模板法有以下缺点：制备啁啾光纤光栅常需要对光纤进行载氢处理以增加光敏性，时间成本高、实验危险性大；受限于掩模板的灵活性，所制备的啁啾光纤光栅的周期、啁啾量等参数无法灵活调整，不同参数的啁啾光栅需使用不同掩模板进行制备，成本高。

２、基于级联长周期光纤光栅的滤波器定制方法：利用CO

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种啁啾光纤光栅、其制备方法、及啁啾光纤光栅滤波器。

本发明提供的一种啁啾光纤光栅的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：对啁啾光纤光栅的目标谱形进行形貌分析，利用多个布拉格光栅光谱对目标谱形进行拟合与逼近，将目标谱形分解为多个布拉格光栅光谱；

步骤S2：利用布拉格光栅公式，对分解后的每一个布拉格光栅光谱进行参数推导，获得啁啾光纤光栅的制备参数；

步骤S3：根据制备参数，通过激光进行啁啾光纤光栅的制备。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的制备方法的一种实施方案，啁啾光纤光栅的制备方法还包括以下步骤：

步骤S4：对制备得到的啁啾光纤光栅的光谱与目标谱形进行比对，如啁啾光纤光栅的光谱与目标谱形的差别超过预设误差值，则对制备参数进行优化，并执行步骤S3。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的制备方法的一种实施方案，对制备参数进行优化的方法包括：对步骤S1中布拉格光栅光谱的数量进行调整，以及对步骤S2中的制备参数进行调整。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的制备方法的一种实施方案，对制备参数进行优化的方法包括：对步骤S2中的制备参数进行调整。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的制备方法的一种实施方案，于，所述制备参数包括光栅参数和加工参数；

先利用布拉格光栅公式，对分解后的布拉格光栅光谱进行参数推导，获得啁啾光纤光栅的光栅参数；再获得啁啾光纤光栅的加工参数。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的制备方法的一种实施方案，所述光栅参数包括啁啾光纤光栅的初始周期与最终周期、啁啾量。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的制备方法的一种实施方案，所述啁啾光纤光栅的加工参数包括激光能量、激光重频、加工速度。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的制备方法的一种实施方案，步骤S3中所述激光为飞秒激光。

本发明还提供了一种啁啾光纤光栅，包括光纤、以及形成在光纤的啁啾光纤光栅；所述啁啾光纤光栅，其光栅片段具有不同的调制量。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的一种实施方案，所述啁啾光纤光栅具有不同的线宽/粗细。

作为本发明提供的啁啾光纤光栅的一种实施方案，所述啁啾光纤光栅是其通过上述的制备方法制备而成。

本发明还提供了一种啁啾光纤光栅滤波器，包括上述的啁啾光纤光栅。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

本申请首次提出了谱形可定制化的一种啁啾光纤光栅制备方法，和现有的光纤光栅滤波器制备技术相比，本发明的突出优势是利用激光加工的高灵活性，实现了根据啁啾光纤光栅的谱形需求进行灵活、柔性制备，所制备得到的啁啾光纤光栅插入损耗低。

本申请获得的啁啾光纤光栅滤波器光谱质量高、谱形匹配准。与现有的级联长周期光纤光栅的滤波器相比较，本申请的啁啾光纤光栅滤波器，能够通过单个器件实现复杂滤波谱形需求；能以单个器件满足复杂的滤波需求，有良好的市场前景与现实意义。

附图说明

图1为本申请提供的一种啁啾光纤光栅的加工光路系统示意图；

图2为本申请的一种逐线啁啾光纤光栅结构示意图；

图３为本申请的一种逐点啁啾光纤光栅结构示意图；

图4 为本申请的具有不同光栅调制量的一种逐线啁啾光纤光栅结构示意图；

图5为本申请的啁啾光纤光栅的制备方法中目标谱形拟合过程示意图；

图6为通过本申请的啁啾光纤光栅制备方法所制备的啁啾光纤光栅谱形示意图；

图7为目标谱形与制备的啁啾光纤光栅谱形对比示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本申请所提出的一种啁啾光纤光栅的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：对啁啾光纤光栅的目标谱形进行形貌分析，通过仿真的方式利用多个布拉格光栅光谱对目标谱形进行拟合与逼近，将目标谱形分解为多个布拉格光栅光谱；

步骤S2：利用布拉格光栅公式，对分解后的每一个布拉格光栅光谱进行参数推导，获得啁啾光纤光栅的制备参数；

步骤S3：根据制备参数，通过激光进行啁啾光纤光栅的制备。

在步骤S1中，首先对光栅预期的目标谱形（如滤波谱形）的光谱形貌进行分析，利用多个布拉格光栅光谱对目标谱形进行近似拟合，通过模拟仿真的方式将目标谱形先拆分为多个布拉格光栅光谱的叠加，实现对目标谱形的合理离散化分解。多个布拉格光栅光谱简称为拟合谱形。如图5所示，实线光谱为任意一个滤波目标谱形，虚线表示布拉格光栅光谱，利用多个布拉格光栅光谱对目标谱形进行逼近，当布拉格光栅光谱的数量越多，多个布拉格光栅光谱对目标谱形拟合匹配的准确率越高。可以根据实际需求与误差范围，选择适当的布拉格光栅光谱数量。

步骤S1实现对目标谱形分解后，步骤S2利用布拉格光栅公式来反向推导啁啾光纤光栅制备参数。

在步骤S2中，布拉格光栅公式为如下公式（１）。

其中，n

步骤S2中制备参数包括光栅参数和加工参数。先利用布拉格光栅公式，对分解后的布拉格光栅光谱进行参数推导，获得啁啾光纤光栅的光栅参数；再获得啁啾光纤光栅的加工参数。光栅参数包括啁啾光纤光栅的初始周期与最终周期、啁啾量。啁啾光纤光栅的加工参数包括激光能量、激光重频、加工速度。

利用布拉格光栅公式，对分解后的每一个布拉格光栅光谱进行参数推导，通过布拉格光栅光谱的参数获得啁啾光纤光栅的初始周期与最终周期，因而可以求解获得啁啾光纤光栅的啁啾量以及啁啾量对应的函数形式。

同时，首先根据目标谱形确定啁啾光纤光栅整体耦合系数范围，再按照拟合谱形中不同布拉格光栅的反射强度区别具体估算啁啾光纤光栅不同位置的耦合系数，并根据耦合系数合理设置实际制备加工中激光能量、加工速度等参数。

步骤S2中，可以通过软件的自动计算程序来自动获得啁啾光纤光栅的制备参数。

在步骤S3中，制备时将光纤固定在三维位移平台上，优选地，使用高倍率、大数值孔径的显微物镜7作为加工物镜，调节平台使飞秒激光能够准确聚焦于光栅制备的起点位置。在控制装置9的加工制备软件中输入计算所得出的制备参数，即可制备得到啁啾光纤光栅。如图6所示为制备出的啁啾光纤光栅谱形示意图，啁啾光纤光栅的参数由一系列布拉格光栅确定。图6中实线表示啁啾光纤光栅，虚线表示布拉格光栅。

步骤S3中激光为飞秒激光。

图1是本发明实施例的一种啁啾光纤光栅的制备系统的加工光路系统示意图，其包括激光加工光路系统、控制装置、位移平台。

其中，激光加工光路系统包括激光器1、光功率衰减器2、反射镜3、光阑4、电控快门5、双色镜6、显微物镜7、CCD照相机10。激光器1为飞秒激光器。位移平台为三维位移平台8。控制装置可以为计算机9。光功率衰减器2通过偏振选择调整飞秒激光的功率。反射镜3、双色镜6用于调整光路。飞秒激光经激光器１出射后依次经过光功率衰减器2、反射镜3、光阑4，通过对激光偏振态获得适宜的激光加工功率，调整光阑开关程度以获得合适的光斑尺寸；再依次经过电控快门5、反射镜6到达显微物镜7进行聚焦；激光经过聚焦后作用于放置在三维位移平台8上的光纤样品，通过控制三维位移平台8的移动可以进行加工制备， CCD相机10可以实时观察加工情况。其中激光加工光路系统的激光器1、电控快门5，以及三维位移平台8，CCD照相机10都与控制装置9相连。控制装置通过控制激光加工光路系统、位移平台并来调整啁啾光纤光栅不同位置的调制量。

可在计算机中设置计算模块，计算模块内置有计算程序，在计算机9中输入目标谱形，计算机9的计算模块可自动将目标谱形分解为多个布拉格光栅光谱，并根据布拉格光栅公式，对分解后的每一个布拉格光栅光谱进行参数推导，最后获得啁啾光纤光栅的制备参数。

可以通过控制装置9上的加工制备软件，根据需求对制备参数进行调整。

本申请，通过飞秒激光加工啁啾光纤光栅，参数可适时调整、制备灵活，加工速度快、效率高。利用飞秒激光微加工的精密性，可以光纤的纤芯刻写具有一定规律的结构，如线阵列、点阵列等，从而对光纤进行折射率调制。利用飞秒激光加工制备光纤光栅的灵活性的优点，可以实现啁啾光纤光栅周期在可控的前提下进行有规律的变化，从而获得符合实际需求的啁啾光谱。

通过上述步骤S1~步骤S3，即可制备得到啁啾光纤光栅。

本申请的一种啁啾光纤光栅，包括光纤，啁啾光纤光栅的结构是通过飞秒激光技术直接写入在光纤。啁啾光纤光栅可以是逐线啁啾光纤光栅结构，如图２所示；图中21为光纤的包层，22为纤芯，线阵列的啁啾光纤光栅形成在纤芯22上。啁啾光纤光栅也可以是逐点啁啾光纤光栅结构，如图３所示，点阵列的啁啾光纤光栅形成在纤芯22上。

啁啾光纤光栅是沿光纤轴向方向上光栅周期不均匀的光纤光栅，现有的啁啾光纤光栅，其光栅调制量是一致的，如图2所示，组成啁啾光纤光栅的不同光栅片段具有相同的线宽/粗细，无法实现对光栅光谱各波长位置的强度调控，其特征光谱是一个平坦的谱型。

本申请提供的一种啁啾光纤光栅，其光栅片段具有不同的调制量。可对光栅不同位置的调制量进行精准控制，能够使啁啾光纤光栅的光栅在不同位置有不同的调制量，从而通过改变相应位置的调制量来控制光栅光谱的细节形貌。可以理解的，啁啾光纤光栅，其光栅片段具有不同的调制量，可以是一部分光栅片段其调制量相同，另一部分的光栅片段具有不同调制量且不同位置光栅的调制量可根据需求调整；或者，还可以是不同位置的光栅片段其调制量均不相同。本申请的一种啁啾光纤光栅，光栅具有不同的线宽/粗细，如图4所示。

具体啁啾量可以通过啁啾量函数进行控制， 啁啾量本质是周期的不均匀改变，其变化规律可以是线性函数形式，也可以按照如二次函数等非线性函数形式变化。

为了进一步优化制备得到啁啾光纤光栅性能，啁啾光纤光栅的制备方法还包括以下步骤：

步骤S4：对制备得到的啁啾光纤光栅的光谱与目标谱形进行比对，如啁啾光纤光栅的光谱与目标谱形的差别超过预设误差值，则对制备参数进行优化，并执行步骤S3：根据优化后的制备参数，通过激光进行啁啾光纤光栅的制备。

通过对制备参数进行优化，可以进一步制备获得与预期目标谱形更加匹配的啁啾光纤光栅。为了得到高质量的啁啾光纤光栅，可以执行多次步骤S4，以实现对制备参数的多次优化迭代，最终可以获得在误差范围内与目标谱形高度匹配的啁啾光纤光栅滤波器。

在步骤S4中，通过对啁啾光纤光栅的光谱与目标谱形两者差别的分析，根据具体情况选择对加工制备采用的光栅周期、啁啾量、激光能量、加工速度、激光重频等参数中的其中一个或者多个进行优化迭代。如图7所示为目标谱形与制备得到的啁啾光纤光栅谱形对比示意图。

具体的，可通过对两者光谱差别进行分析，并根据以下几种情况进行不同的制备参数优化方法：

如果两者整体在光谱波长范围差异较大，则需要对光栅周期以及啁啾量等进行更换迭代；这种情况下，制备参数需要较大的调整，包括，可能需要对步骤S1中布拉格光栅光谱的数量N进行调整，使制备参数中的光栅参数改变；以及对步骤S2中的制备参数如加工参数也进行调整。

如果两者整体在光谱强度差别较大，则需要对步骤S2中光栅制备时的部分制备参数如激光能量、加工速度、激光重频等进行调整；可以保持光栅周期、啁啾量、周期数量等不变，调整制备的能量、改变光栅的调制量来进行匹配。

如果光谱仅在部分区域有差别，可以保持其他区域的加工参数不变，仅对差异较大的区域进行加工参数的调整。

本申请，与紫外激光掩模板法制备啁啾光纤光栅相比，本申请的啁啾光纤光栅的制备方法具有更高的灵活性，能够根据特殊的目标谱形（滤波谱形）需求，将目标谱形分解为多个布拉格光栅光谱，并推导所需的光栅制备参数，直接通过在控制装置即计算机的加工制备软件中输入参数即可获得期望得到的光栅。

另外，飞秒激光加工制备啁啾光纤光栅不需要对光纤进行额外的预处理、对光纤的种类也无特定要求，可以在任意类型的光纤上高效制备啁啾光纤光栅。

现有的基于级联长周期光纤光栅的滤波器，通常需要多个器件进行级联，并且难以匹配复杂的滤波谱形。而使用本申请的啁啾光纤光栅的制备方法，能够根据目标滤波谱形定制光栅制备参数，从而用单个器件便可满足复杂的滤波需求。通过单个啁啾光纤光栅能够大大缩小滤波器的尺寸，对器件集成度的提升有重要意义。

本发明还提供了一种啁啾光纤光栅，其通过上述的制备方法制备而成。

本发明还提供了一种啁啾光纤光栅滤波器，包括上述的啁啾光纤光栅。

本发明利用激光加工制备谱形可定制化的啁啾光纤光栅滤波器，能够通过灵活改变制备参数以获得需求的滤波谱形。啁啾光纤光栅滤波器的滤波谱形可变，制备所得到的啁啾光纤光栅滤波器滤波谱形准确度高，且制备效率高、制备成本低。因此，本发明能够在光通信领域掺铒光纤放大器(EDFA)的增益平坦、高功率光纤激光器散射光滤除等，以单个器件满足复杂的滤波需求，有良好的市场前景与应用价值。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

本申请首次提出了谱形可定制化的一种啁啾光纤光栅制备方法，和现有的光纤光栅滤波器制备技术相比，本发明的突出优势是利用激光加工的高灵活性，实现了根据啁啾光纤光栅的谱形需求进行灵活、柔性制备，所制备得到的啁啾光纤光栅插入损耗低。

本申请获得的啁啾光纤光栅滤波器光谱质量高、谱形匹配准。与现有的级联长周期光纤光栅的滤波器相比较，本申请的啁啾光纤光栅滤波器，能够通过单个器件实现复杂滤波谱形需求；能以单个器件满足复杂的滤波需求，有良好的市场前景与现实意义。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利保护范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。