[发明专利]可调三角形共轭振幅模板及其实现光纤光栅切趾的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，尤其涉及一种用于光纤光栅切趾的可调三角形共轭振幅模板，以及利用该可调三角形共轭振幅模板实现任意切趾函数包络和栅长可调的光纤光栅切趾的方法。

背景技术

光纤光栅是一种折射率周期性变化的光纤器件，以体积小、可靠性高、易于集成等优点被广泛应用于光纤通信及光纤传感等领域，它是利用光纤的光敏特性制成的。所谓光纤的光敏特性是指光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化。光纤的这种光致折射率的变化具有稳定性，可保持永久不变。其基本制作工艺是采用紫外光对光敏光纤曝光，使光纤的折射率沿轴向呈周期性变化，从而形成光纤光栅。

普通的均匀光纤光栅的反射谱中存在很多旁瓣，如在高密度波分复用(DWDM)应用中会影响到各信道的隔离度；对于折射率均匀调制的啁啾光纤光栅来说，除反射谱中有明显的旁瓣外其群速度时延谱存在较大的震荡，从而影响光栅的色散补偿性能。通过对均匀光栅进行切趾可有效的抑制反射谱中的旁瓣，并且降低时延震荡。均匀光栅中的旁瓣主要是由于栅区两端与非栅区之间存在较大的折射率差(图1(a))，产生法布里-珀罗(Fabry-Perot)效应，从而在光栅谐振波长附近产生旁瓣，见图2中均匀光纤光栅的反射谱7。为减少反射谱中的旁瓣和时延震荡，可在光栅的两端进行折射率调制强度渐变的切趾处理，使光纤光栅的折射率包络由原来的矩形包络(图1(a))变为钟形包络(图1中(b)和(c))(如高斯函数包络，汉明函数包络等)，从而改善光栅的性能。

值得注意的是：在光栅切趾中，光纤光栅长度方向上必须保持纤芯的平均折射率不变(图1(c))，这样才能形成光栅的纯切趾，见图2中纯切趾光纤光栅的反射谱9，如果折射率在光纤长度方向上的平均变化不为常数(图1(b))，则光栅将会产生短波震荡效应，即在谐振峰短波长处存在明显的旁瓣，见图2中正切趾光纤光栅的反射谱8，此时光栅的切趾仅是正切趾。

实现光纤光栅切趾有多种方法，北京邮电大学的吴强对目前存在的切趾技术进行了较为全面的综述(吴强，余重秀，王葵如，忻向军，王旭，于志辉，光纤光栅切趾技术，光子技术，2002，2，71～76)。总起来看，光纤光栅的主要切趾技术可分为四种：切趾相位掩模板切趾，紫外脉冲相干写入切趾，共轭振幅模板切趾，变迹扫描切趾。前两种方法分别由于切趾模板成本高昂和写制光路复杂而不实用，用的较多的是共轭振幅模板切趾和变迹扫描切趾。

传统共轭振幅模板切趾关键在于共轭振幅模板的设计。共轭振幅模板由正切趾模板和反切趾模板两部分组成(图3)。正切趾模板上光阑(图3(a)中的阴影区)形状为切趾函数(如高斯函数)，反切趾模板上光阑的图形则与正切趾模板上的图形共轭。切趾过程为：紫外光经过正切趾模板和相位掩模板，在光纤上产生正切趾光纤光栅，然后，去掉相位掩模板，用反切趾模板替代正切趾模板进行正切趾光纤光栅的反切趾，从而实现光栅的纯切趾。由于切趾函数的包络复杂，传统的线切割很难保证制作精度，尤其不能保证两块模板相共轭。另外，不同的切趾函数和不同长度的光栅都需要制作相应的切趾光阑和相应长度的模板，因此，大大提高了成本，降低了灵活性。

为此，清华大学林宗强等人的发明了一种旋转光阑振幅切趾法(国家发明专利申请号：02146019.1)，如图4所示，该方法较好的解决了传统共轭振幅模板的缺陷，通过光阑B11的旋转速度以及不同速度下相应的准分子激光器的脉冲数的结合来实现不同长度及不同切趾要求的光纤光栅。但是，由于在切趾过程中需要同时旋转光阑和改变准分子激光器的脉冲数，增加了软件控制的复杂性，因此，切趾函数的设定比较复杂。再者，光栅的写制长度是通过光阑A10的狭缝调节实现的，这要求光阑B11必须与之匹配，由于光阑A10和光阑B11是空间独立元件，因此，这增加了二者匹配调节的难度，使该法实现起来比较复杂。

变迹扫描切趾使用均匀相位掩模板12，利用平移台控制反射镜15的移动速度，进而控制紫外激光的扫描速度(如图5所示)。根据需要的切趾函数改变平移台的运动速度、运动时间和运动距离，实现不同位置的曝光量不同，即两端曝光时间短，中间曝光时间长，从而实现光栅的切趾。在第一次曝光时，紫外光经过相位掩模板12写入光栅，然后移去相位掩模板12，利用反切趾函数控制扫描平移台的运动，使光栅的平均折射率调制系数为常数，实现切趾调制。这种方法需要复杂的软件控制，对紫外光反射镜的移动精度要求比较高，成本较高，因此，实现起来比较困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题