专利名称：用劳埃德镜写光敏光栅的方法
背景技术：
本发明总体上涉及一种在波导中形成布喇格折射率光栅的方法和设备，尤其涉及一种用劳埃德镜和相位延迟板形成这类光栅的方法，这里相位延迟板的作用是将光栅的位置偏离反射镜与波导之间的界面，以产生较长的且最好是对称的光栅。
对于包括通信等许多应用来说，光波导(包括光纤波导和平面型波导)已变得越来越重要。内部包含光波导光栅尤其在波导纤芯内包含折射率光栅的波导以较佳方式实现了可在波导中提供特殊功能的许多装置。一种制作光波导光栅的方法是用单一频率激光器导出的两束干涉光束形成一光束图案，如果光束的强度足够强，那么经过一段时间后，会将一折射率光栅写入波导纤芯中。众所周知，可用这种方法来形成布喇格光栅。
所形成的布喇格光栅可以是持久的，也可以是短暂的，所谓持续的是指实质上在纤芯中形成永久光栅，并在除去形成光栅的辐射后光栅继续存在，而所谓短暂的是指只有形成光栅的辐射入射纤芯时光栅才存在。例如，Faco等人的专利第5,218,651号对此作了描述。
为了形成高质量的光栅，需要用相干长度较长的光源来减少光纤中产生的位于滤光器损耗谱中的旁瓣。可以买到染料激光器之类的相干性较长的光源，但其价格昂贵，不是特别耐用，难以调谐和保持调谐，并且一般不能满足在生产环境中使用。准分子激光器根据其价位、耐用性和稳定性等特点适于进行生产，并且当与相位掩模联用时适合于写光栅，但该激光器的相干长度比染料激光器的短，为此不能在波导中形成布喇格光栅。
本发明的一个目的是提供一种在波导中形成折射率光栅的方法和设备，它能克服公知方法和设备的缺点，并且本发明尤其提供了一种允许在特别适用于生产环境的经改进的劳埃德反射镜方法中使用相干长度较短的光源的方法和设备。
简要地说，依照本发明较佳实施例在波导中形成折射率光栅的方法包括以下步骤将波导定位在反射镜的一侧边缘；使光辐射相干光束的第一部分以第一角度入射到反射镜上，并使光辐射相干光束的第二部分入射到光的相位延迟板上；将第一和第二部分合并成一束干涉光束，并将干涉光束入射到波导上，以在波导中形成一个光栅。
依照本发明的另一实施例，光的相位延迟板包含一石英板，它使光束之第二部分的延迟量足以使干涉图案移离反射镜的边缘。
依照本发明的又一方面，使光栅图案离开反射镜边缘足够远，以在波导中形成对称的光栅。
依照本发明在波导中形成折射率光栅的设备包括一波导，当波导暴露在光辐射光束下时，其构造材料会改变其折射率；一光辐射相干的光源，用于形成辐射光束；一反射镜，用于截取光束的第一部分，并通过某一角度反射光束的第一部分；一相位延迟板，用于截取光束的第二部分，使通过该板传播的光束的第二部分延迟。其中反射镜和相位延迟板的布置使得光束的第一部分和经延迟的光束第二部分在波导上形成一干涉图案，以在用以形成折射率光栅的对应干涉图案的图案中改变波导折射率。
依照本发明的再一方面，反射镜和相位延迟板的布置可在波导中形成一对称图案，图案中心偏离波导与反射镜的交界线。
附图概述本发明的新颖方面将通过所附权利要求书的具体限制来描述，而结合附图参考以下关于本发明较佳实施例的详细描述将完全理解发明本身及其其它目的和优点，附图有
图1是依照本发明在波导中形成折射率光栅的设备示意图。
较佳实施例的详细描述现参照图1，在光纤或平面型波导10中形成一折射率光栅。将波导固定于反射镜12的一侧边缘，并且波导方向一般垂直于反射镜12的第一反射面14。最好用能产生紫外线折射率变化的光束产生辐射20，最好由准分子激光器产生辐射，从而使光束的第一部分入射反射镜，而第二部分直接入射波导。可以使用波长处于约193-514纳米之间的光束。最好安排一个石英的相位延迟板22，只使入射光束的第二部分通过该板。相位延迟板厚度的选择应能沿波导纵向使直接入射的光束第二部分与反射后光束第一部分形成的干涉图案中心偏离波导与镜反射面的交界线。已发现当反射镜所处的半角约为13度时，由石英制成的厚度约为1毫米的相位延迟板可使布喇格光栅中心偏离反射镜与波导的交界线约1毫米。
通过调节反射镜相对入射光束的半角，便能调节经光栅反射后光的波长(布喇格波长)。布喇格波长λBragg可以表示成λBragg＝Neffλwrite/sin0其中，Neff是波导的有效折射率，而λwrite是紫外线光束的波长。依照本发明，半角最好处于10至15度之间。
波导最好是平面型波导或光纤波导。波导纤芯最好对入射光束敏感，从而可以改变纤芯的折射率。例如，锗硅酸盐石英包层光纤(germanosilicate silicaclad fiber)在240纳米处对紫外辐射敏感，从而产生足够的折射率变化，形成以5∶12.5摩尔百分比掺杂GeO2的布喇格光栅。例如，可以使用市场上有的6.6％掺杂。依照本发明，锗的浓度可以从小于1％直至接近100％。形成有效光栅所必须的曝光长度依赖于辐射强度。当纤芯曝光大约20分钟时，大约4.5毫瓦的平均光功率可以产生有效的布喇格光栅。将光功率增强至约18.5毫瓦可在大约5分钟内产生更强的光栅。
只要光纤不过热，用该方法形成的布喇格光栅基本上是永久的。依照本发明方法形成的光栅可以在500℃高温下经受许多小时性能基本上不劣化。
可以在波导中形成临时或短暂层，其中波导纤芯由一种经光抽运使光放大的材料制成，并且所产生的抽运波至少可在纤芯内产生一个可变的干涉场，干涉场包括在纤芯光放大材料内产生的光条纹，临时层至少延伸到波导的一部分纤芯上。只有或只要存在抽运波，才会出现干涉场。
在用劳埃德反射镜但不用本发明之相位延迟板的方法中，要求具有较长的时间相干性，但依照本发明在波导中形成布喇格光栅的方法可以降低这种要求。劳埃德反射镜的布置实质上是利用紫外线的波前，并且将紫外线折返，以产生干涉图案。由于使光束本身折返，所以为了产生所需的干涉图案，必须在光束第一和第二部分之重叠部分的长度上空间相干。对于相干性较低的光源例如准分子激光器(因已讨论的原因而需使用)，通过对激励激光器的光束进行扩束，可以提高空间相干性。但是，如果光源的时间相干性较短，比方说准分子激光器的相干性为几百微秒，那么这仍然限制了光栅的长度。
通过将诸如石英板等相位延迟板插入光束的上半部分，可使上半部分光束与下半部分光束之间的零延时位置从波导与反射镜的交界线移动到光纤上一较高的位置。石英板越厚，零延时位置沿波导向上移动得越高。依照本发明添加相位延迟板的方法使光栅长度增加了2倍多。
依照本发明形成光栅的方法和设备的另一优点是，所形成的光栅是对称的，即沿波导纵向将光栅的中央峰偏离波导与反射镜的交界线，移动到沿光纤纵向移位的某一位置上。如果纵向移位至少是所产生光栅长度的一半，那么光栅就是对称的。因为对称光栅可降低光栅传递函数中的旁瓣，所以需要使用对称光栅。
依照本发明的一个实施例，可以依照本发明对室温下放在100大气压氢气中超过7天的SMF-28光纤进行曝光。反射镜与入射紫外光束成13.5°角度固定，并且光束的波长为240纳米。相位延迟板的厚度为1毫米，该板固定在不被劳埃德反射镜反射的光束部分中。
在对光纤曝光大约4分钟后，将形成一光栅，光栅的中心距离劳埃德反射镜与光纤的交界线约1毫米，并且光栅的条纹图案基本对称，这些光栅条纹在1,478纳米附近产生了传输中大的衰减。
权利要求
1.一种在波导中形成折射率光栅的方法，其特征在于，包括以下步骤将所述波导定位在反射镜的一侧边缘；使一束相干的光辐射的第一部分以第一角度入射到所述反射镜上，并使该束相干的光辐射的第二部分入射到光的相位延迟板上；将所述第一和第二部分合并成一束干涉光束，并将所述干涉光束入射到所述波导上，以在所述波导中形成一个光栅。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在波导中形成光栅的所述步骤包括形成一个永久光栅。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在波导中形成光栅的所述步骤包括形成一个临时光栅。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光的相位延迟板包含一石英板。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述石英板使所述光束之第二部分产生的延迟量足以使干涉图案偏离反射镜的边缘。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，使干涉图案的移位足够大，以在波导中形成一对称的光栅。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波导包含一光纤波导。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波导包含一平面型波导。
9.用于在波导中形成折射率光栅的设备，其特征在于，包括一波导，当在光辐射光束下曝光时，其构造材料会改变其折射率；一相干光辐射的光源，用于形成辐射光束；一反射镜，用于截取光束的第一部分，并通过φ角度反射光束的第一部分；一相位延迟板，用于截取光束的第二部分，使通过该板传播的光束的第二部分延迟；反射镜和相位延迟板的布置使得经反射的光束第一部分和经延迟的光束第二部分在波导上形成一干涉图案，以在形成折射率光栅的图案中改变波导折射率。
10.如权利要求10所述的设备，其特征在于，反射镜和相位延迟板的布置可在波导中形成一对称图案，图案中心偏离波导与反射镜的交界线。
全文摘要
在波导中形成折射率光栅的设备包括一根波导,当曝光时其构造材料会改变其折射率;相干光辐射的光源,用于形成辐射光束;反射镜,用于截取光束的第一部分,并反射第一部分;相位延迟板,用于截取光束的第二部分,使通过该板传播的第二部分延迟。其中反射镜和相位延迟板的布置使得经反射的光束第一部分和经延迟的光束第二部分在波导上形成一干涉图案,以在用以形成折射率光栅的对应干涉图案中改变波导折射率。
文档编号C03B37/02GK1178011SQ97190021
公开日1998年4月1日 申请日期1997年1月17日 优先权日1997年1月17日
发明者托马斯·A·库克, 罗伯特·A·摩达维斯 申请人:康宁股份有限公司