专利名称：在光导体上制作光栅的方法
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及在光导体上制作至少一个光栅且尤其是布拉格光栅的方法，其中导体至少被固定在两个彼此间隔一段距离的固定点上并随后在这两个固定点之间在被固定的导体上形成光栅。
在上述类型的已知方法中，光导体是玻璃纤维，它在制作光栅过程中被预先绷紧在两个固定点之间并在纤维上形成光栅后又松弛下来。
布拉格光栅当初是在光学单模纤维上通过存在的氩激光器射束光波产生的(见K.O.Hill等人的“Photosensitivity in optical fiberwaveguideApplication to reflection filter fabrication”Appl.Phys.，第32卷，1978，第647页-第649页)。在这种情况下，出现如约一米长的较长纤维光栅。
随后，有人提出了，在纤维中通过对光导纤维横向照射紫外线来产生布拉格光栅。在这种情况下，采用了全息摄影术方法，其中通过两条具有平面波的紫外线射束的叠加而产生了干涉图形，通过所述干涉图形来照射纤维。
可以通过各种方式产生这两条紫外线射束。过去采用了以下结构-一个带有分光镜和三个或更多个偏转镜的干涉仪(见G.Meltz，W.W.Morey，W.H.Glenn“Formation of Bragg Gratings in opticalFibers by transverse holographic method”Opt.Lett.14(15)，1989，第823页)；-一个镜子(劳埃德镜干涉仪，见R.Kasyap等人的“All-fibrenarrow-band reflection gratings at 1550nm”Electron.Lett，26(12)，1990，第823页和/或B.Eggleton，P.A.Krug，L.Poladin的“Dispersioncompensation by using Bragg grating filters with self inducedchirp”Tech.Digest.Opt.Fib.Comm.Conf.，OFC’94，1994，第227页)；-一个棱镜(劳埃德镜干涉仪，见Q.Zhang等人的“Simpleprism-based scheme for fabricationg Bragg gratings in opticalfibres”Opt.Lett.19(23)，1994，第2030页-第2032页和/或N.H.Rizvi，M.C.Gower的“Production of submicron period Bragggratings in optical fibres using wavefront division with a biprismand an excimer laser source”Appl.Phys.Lee.67(6)，1995，第739页-第741页)；-一个具有衍射光学分光镜和两个偏转镜的干涉仪；-石英玻璃体中的全反射(见R.Kashap等人的“A novel method ofwriting photo-induced chirped Bragg gratings in optical fibers”Electron.Lett.12，1994，第994页-第997页)。
另一种已知的方法在于采用一个用于形成干涉图形的相位掩模(见K.O.Hill等人的“Bragg gratings fabricated in photosensitiveoptical fiber by UV exposure through a phase mask”Appl.Phys.Lett，第62卷，1993，第1035页-第1037页和/或D.Z.Anderson等人的“Production of in-fiber gratings using a diffractive opticalelement”Eletron.Lett.第29卷，1993，第566页-第568页)。在这里，纤维被直接固定在石英玻璃相位掩模的后面。紫外线光束透过相位掩模发射。紫外线在相位掩模的光栅结构上衍射。在相位掩模的光栅结构后出现了一个正第一衍射序列和一个负第一衍射序列。通过这两个衍射序列的叠加，出现了紫外线干涉图形。透过所述干涉图形照射纤维。根据纤维的光敏度，在纤维芯的照射区内出现了周期性的折射系数增大。
另一个在纤维上形成光栅的方法是逐点照射纤维(见K.O.Hill等人的“Efficient mode conversion in telecommunication fibre usingexternally written gratings”Electron.Lett.26(16)，1990，第1270页和/或B.Malo等人的“Point by point fabrication of micro-Bragggraings in photosensitive fiber using single excimer laser pulsrefractive index modification techniques”Electron.Lett.第29卷，1993，第1668页-第1669页)。在这里，纤维的机械状态在把光栅写入纤维所需的较长时间内不变。
例如，从K.O.Hill等人的“Fiber Bragg Grating TechnologyFundamentals and Overview”(Journal of Lightwave Technology，第15卷，No.8，1997年8月，第1263页-第1276页)中知道了迄今所用方法的概论。
从B.Malo等人的“Apodised in-fibre Bragg grating refletorsphotoimprinted using a phase mask”(Electron.Lett.，第31卷，1995，第223页-第224页)和/或J.Albert等人的“Apodisation of thespectral response of fiber Bragg gratings using a phase mask withvariable diffraction efficiency”(Electron.Lett.，第31卷，1995，第222页-第223页)中知道了，通过变迹形成对光谱特性有明确要求的纤维光栅，其中在这里也先绷紧纤维并在把光栅写入纤维后又松弛下来。
本发明的任务是表明可以如何通过简单方式在光导体上形成光栅且尤其是布拉格光栅，所述光栅具有明确限定的且保持不变的光栅常数。
通过权利要求1所述的特征完成上述任务。
根据这个解决方案，光导体在制作光栅前被牢固地固定在固定点上，这与已知方法不同，而在已知方法中，一根纤维在制作或写入光栅前被绷紧并在写入时或多或少地保持预张紧状态并在写入光栅后又松弛下来，从而纤维不是牢固地而是暂时地被固定住。
本发明基于这样的认识，即由于迄今所用的绷紧纤维和在纤维上形成光栅后松弛纤维的方法，所以存在于制作过程中的机械应力又没有了，或者通过在松弛后加工纤维而产生了新的机械应力。这种机械应力导致了光栅中的光栅常数或光栅周期的变化并由此导致反射光谱或透射光谱变化。只在光栅局部中起作用并因而只影响局部光栅结构的机械应力可能显著改变光谱曲线并由此使有关光栅的可用性成问题。
在对光谱特性有明确要求的光栅中，如在通过变迹而产生的光栅或特别长的纤维光栅中，不希望有的光栅结构的局部变化很重要。在这种情况下，这种不希望出现的局部变化也可能是如此引起的，即在制作这样的光栅时，纤维先被绷紧并在形成光栅后松弛下来。
本发明的方法有利地保证了，在光导体上形成光栅后，光栅结构很稳定并且所有其它光栅参数很稳定。
在本发明方法的一个设计方案中，光导体在制作光栅的过程中无张力地位于固定点之间，而在另一个设计方案中，光导体在制作光栅的过程中在固定点之间被绷紧。
本发明也提出了一种有利的装置，它具有一个载波体、一个光导体、一个光栅且尤其是一个布拉格光栅，其中导体被固定在载波体上的至少两个彼此间隔一段距离的固定点上，在固定点之间，在被固定的导体上形成了光栅，其特点是，导体在两个固定点上被牢固地固定在载波体上，光栅是一个在把导体牢固地固定在载波体上后形成的光栅。
在以下说明中，结合附图来举例详细说明本发明，其中
图1a-图1d示出了本发明方法的一个实施例的一个初始阶段、两个中间阶段和一个最后阶段；图2a、图2b分别以侧视图或俯视图示出了用本发明方法制成的且用于测量温度的布拉格光栅传感器；图3以俯视图示出了一个用本发明方法制成的且用于测量加速度的布拉格光栅传感器；图4以侧视图示出了一个用本发明方法制成的热稳定的布拉格标准光栅。
这些图是示意图而没有按照比例。
根据图1a所示的本发明方法的初始阶段，光导体1被安装在在图1a-图1d中分别以侧视图所示的载波体2上并且在两个固定点21、21上被牢固地固定在载波体2上，这两个固定点在导体1的一个限定的纵轴线10方向上彼此间隔一段距离d，从而出现了图1b所示的本发明方法第一中间阶段。
在如此固定的导体1上，在这两个固定点21、21之间形成一个光栅11(见图1d)。为此，例如可以采用现有技术所述的任何一种方法。
例如，如图1c所示，用一个透过一个相位掩模3的射线束4如紫外线射束照射光敏导体1。在相位掩模3的光栅结构31上，以平面波形式撞击掩模3的射束4发生衍射。在掩模3光栅结构31后下面形成了一个正第一衍射序列32和一个负衍射序列33，它们分别限定出一条干涉条纹并一起构成了一个干涉图形35。通过干涉图形35来照射固定点21、21之间的导体1，从而由衍射序列32、33限定的干涉条纹在导体1纵轴线10方向上周期性地彼此连续。由于导体1的光敏度，在任何一个照射的干涉条纹中都分别出现了折射系数增大。
在导体1曝光后，出现了图1d所示的本发明方法的最后阶段，在这个阶段中，在载波体2的两个固定点21、21之间，在导体1上形成了光栅11，它是通过在导体1纵轴线10方向上周期性连续不断的局部折射系数增大10而限定的。
采用相位掩模3的一个突出优点就是，相位掩模3可以被直接安装在载波体2上，而不必象目前把成玻璃纤维形式的导体1有间隔地安置在相位掩模3前。通过这种方法，也可以有利地确保精确的布拉格波长位置以及光栅11的其它参数如光栅11的光谱宽度、反射率等。由于光栅11已经通过载波体2被固定住了，所以这些参数有利地不再在安装时随后受到调节。
通过这种方式，也可以在两个固定点21、21之间，在导体1上形成两个或多个光栅11，确切地说，是同时和/或先后和/或立体分开和/或彼此重叠地形成这些光栅。
在形成了一个或多个光栅11后，仍保持把导体1固定在载波体2的两个固定点21、21上并且不松开。
光导体1在形成一个或多个光栅11前就已被牢固地固定在载波体2上，而不是事后被固定上去的。
要被固定在载波体2上的导体最好还不具有光栅，虽然在导体1上已可能存在了至少一个与要先形成的光栅11不同的光栅，但它没有光栅11的有利特性。
光导体1最好是一个光学玻璃纤维例如单模或多模纤维和/或芯套玻璃纤维。导体1也可以是一个整合在基体上的光波导。光导体1最好纵向延伸地成形于纵轴线10方向上。
光导体1可以被如此保持在两个固定点21、21之间，即它在制作光栅11的过程中在固定点21之间没有张力。导体1最好悬挂在固定点21之间并且在自由悬挂的导体1内形成光栅11。
如果光导体1在制作光栅11的过程中被绷紧在两个固定点21、21之间，则这也是适当的。这样的预张力是有意义的，因为，由此一来，导体1即便在减轻作用于它的机械负荷时也仍然保持伸展状态。载波体2不仅可以被设计用于固定导体1，也可以被设计用于实现某些功能。
如果载波体2只用于固定导体1，则可以简单地如一体地形成载波体2。而如果它要完成某些其它功能如布拉格光栅传感器的功能，则可以复杂地且尤其是组装地构成载波体2。因此，例如载波体2的组成部分可以是机械杠杆、致动器件或具有用于温度补偿的特征热膨胀系数的元件。
本发明方法的一个特别优点在于，可以无需特别关注导体张力、室温和随后所需的光栅参数地使导体1与载波体2相连，如通过粘接、钎焊、压扁等。在成石英玻璃纤维形式的导体1中，把导体1固定在载波体上所需的温度例如可以高达800℃，而一个要在固定后形成的光栅11的品质从约150℃起就降低了并且在高温下被破坏。当在高温下把导体1固定在载波体2上后，所要做的只是等到导体1的温度降低到这样的温度，即从这个温度开始，出现了要制作的光栅11的品质下降或变形。
通过本发明的方法，可以普遍地有利实现用于测量物理参数的布拉格光栅传感器，其中实现了如测量温度、加速度、力、电流、电压、电场、磁场等的传感器以及例如作为光波长标准的稳定的布拉格光栅、用于电信的精密光栅和/或长周期光栅(LPG)及其应用。
在图2a、图2b中，以侧视图或俯视图示出了一个用本发明方法制成的且用于测量温度的布拉格光栅传感器的例子，在图3中，以俯视图示出了一个用本发明方法制成的且用于测量加速度的布拉格光栅传感器，在图4中，以侧视图示出了一个用本发明方法制成的且成光波长标准形式的布拉格光栅。
这两个传感器以及热稳定的布拉格光栅分别具有这样一个装置，它具有一个载波体2、一个长条形光导体1、一个布拉格光栅11，其中导体1被固定在载波体2的两个彼此间隔一段距离d的固定点21、21上，这两个固定点21、21之间，光栅11成形于被固定的导体1上，其特点是，导体1在固定点21、21上被牢固地固定在载波体2上并且光栅11是一个在把导体1牢固地固定在载波体2上后形成的光栅。
在图2a、图2b所示的传感器中，载波体2最好是一体形式的并且例如由石英玻璃制成。导体1例如是玻璃纤维，它最好在预张力下在这两个固定点21、21之间被固定在载波体2上，并且在这两个固定点21、21之间，在导体上形成布拉格光栅11。玻璃纤维1自由悬挂在这两个固定点21、21之间。为此，载波体2在其面向玻璃纤维1的那侧上具有一个凹面20，纤维1搭在所述凹面上。纤维1的取决于温度的折射系数变化及其伸长导致了光栅11的布拉格波长随温度而可测到地变化。纤维1随温度的伸长可以通过适当选择载波体2材料而得到加强。
图3所示传感器的装置与图2a、图2b所示传感器的装置的区别主要只在于，存在一个惯性质量M。在其它方面，图3的传感器在结构上与图2a、图2b的传感器是一致的，在图3中，在两个传感器中一样的部分用与图2a、图2b中相同的符号表示。
在图3的传感器中，当载波体2加速运动时，质量M与纤维1相连并且给成形于纤维1上的布拉格光栅11传递一个伸展和/或收缩的力。
在图4所示的热稳定布拉格光栅的装置中，载波体2不是一体的，而是组装而成的。组装而成的载波体2具有一个基体2｀和两个被固定在基体2｀上的且通过一个间隙22｀相互分开的副载波体2｀｀、2｀｀。在这两个副载波体2｀｀、2｀｀上，例如也由玻璃纤维构成的导体1被如此固定在两个固定点21、21上，即一个固定点21位于一个副载波体2｀｀上，而另一个固定点21位于另一个副载波体2｀｀上，导体1架设在间隙22｀上并且成形于导体1上的光栅11被设置在间隙22｀的上方。
这两个副载波体2｀｀、2｀｀被如此固定在基体2｀上，即一个与间隙22｀相邻的每个副载波体2｀｀、2｀｀部分20｀｀、20｀｀不与基体2｀相连，并且在温度波动时，所述部分可以相对基体2｀自由膨胀和/或压缩。
如此相对确定基体2｀材料和副载波体2｀｀、2｀｀材料，即在副载波体2｀｀、2｀｀之间的间隙22｀内，由于部分20｀｀、20｀｀取决于温度地膨胀和/或收缩，这两个副载波体2｀｀、2｀｀缩窄和/或扩大。例如，副载波体2｀｀、2｀｀由热膨胀系数α＞0的材料制成，而基体2｀由其热膨胀系数与该膨胀系数α相比小且最好是非常小的材料制成。
由温度波动引起的间隙22｀缩窄克服了由温度波动引起的导体1和进而光栅11的伸展。由温度波动引起的间隙22｀扩大克服了由温度波动引起的导体1和进而光栅11的收缩。
基体2｀的材料、这两个副载波体2｀｀、2｀｀的材料以及导体1的材料最好是如此相互确定的，即由温度波动引起的间隙22｀的缩小基本上恰好消除了由温度波动引起的导体1和进而光栅11的伸展，由温度波动引起的间隙22｀的扩大基本上恰好消除了由温度波动引起的导体1和进而光栅11的收缩。
当副载波体2｀｀、2｀｀的材料和导体1的材料基本上具有相同的热膨胀系数α＞0并且基体2｀材料的热膨胀系数与该系数α相比极小时，例如就是这种情况。
权利要求
1.一种在一个光导体(1)上制作至少一个光栅(11)且尤其是布拉格光栅的方法，其中导体(1)至少被固定在两个彼此间隔一段距离(d)的固定点(21，21)上并随后在固定点(21，21)之间在被固定的导体(1)上形成光栅(11)，其特征在于，导体(1)在制作光栅(11)前被牢固地固定在所述固定点(21，21)上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光导体(1)在制作光栅(11)的过程中无张力地位于固定点(21，21)之间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光导体(1)在制作光栅(11)的过程中在固定点(21，21)之间被绷紧。
4.一种装置，它具有一个载波体(2)；一个长条形光导体(1)；一个光栅(11)且尤其是一个布拉格光栅，其中导体(1)被固定在载波体(2)上的至少两个彼此间隔一段距离(d)的固定点(21，21)上，在固定点(21，21)之间，在被固定的导体(1)上形成光栅(11)，其特征在于，导体(1)在两个固定点(21，21)上被牢固地固定在载波体(2)上，光栅(11)是一个在把导体(1)牢固固定在载波体(2)上后形成的光栅。
全文摘要
一种在光纤(1)上制作一个布拉格光栅的方法,其中光纤被固定在两个彼此间隔一段距离(d)的固定点(21,21)上,随后,在固定点(21,21)之间且在被固定的光纤上形成光栅(11),它的特点是,光纤在制作光栅前被牢固固定在固定点上。本发明提出了一种具有这样的光栅和这样的纤维的装置。
文档编号G02B5/18GK1373855SQ00812712
公开日2002年10月9日 申请日期2000年9月6日 优先权日1999年9月10日
发明者M·罗斯哈德特, M·维尔施 申请人:西门子公司