专利名称：一种取样光纤光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种取样光纤光栅的制作方法，属于光纤光栅制作技术领域，特别属于取样光纤光栅制作的技术领域。
背景技术：
取样光纤光栅通过对普通均匀光纤光栅的折射率调制101在空间上进行周期间隔的采样102获得，其折射率调制103如图1所示。其中取样周期为T，在此周期内，有效光栅的长度为dT，T-dT段内没有光栅，为空白段。折射率调制的空间周期取样，使取样光纤光栅在频域具有多个波长间隔相等的反射峰。由于具有多波长的选择透射或反射能力，取样光纤光栅具有广泛的用途，例如用于密集波分复用通信系统中作为多信道滤波器，与环行器结合作为上下话路器，在光纤激光器中作为选频元件，以及用于放大器中滤除噪声等。
取样光纤光栅的两个关键特性是反射峰的波长间隔和反射峰的包络特性，不同应用领域对这两个特性有不同的要求。取样光纤光栅折射率调制的空间取样周期T决定了其反射峰之间的波长间隔Δλp＝λ02/(2·neff·T)(1)取样光纤光栅各反射峰的总包络呈Sinc函数分布，如果定义占空比rz＝dT/T，则包络第一级零点内反射峰的个数为n＝Int(1/rz)，Int(*)表示取整，因此取样光纤光栅第一级零点决定的主包络中反射峰的个数与取样占空比成反比，即占空比越小，取样光纤光栅主包络内反射峰值数越多，各反射峰值的均衡度越好。
取样光纤光栅的制作方法有两种，一种是在利用相位掩模版制作光栅的过程中，使激光脉冲对掩模版和光纤进行间歇性扫描，光纤上因此而形成具有周期空间间隔的折射率调制。但这种方法需要对很多参量进行实时控制，实现难度较高，而且重复性不好。还有一种也是广为使用的制作方法是在用相位掩模法或全息法制作光栅的时候在相位掩模版前面或全息法中的光纤前放置一块能够对激光光强进行周期性遮挡的取样振幅掩模版，该振幅掩模版呈梳状条纹结构，其条纹周期也即取样周期决定着取样光栅反射峰的波长间隔。由于取样光纤光栅的各种应用领域经常需要用到具有不同反射峰间隔的光栅，如果采用这种制作方法来制作取样光纤光栅，则每种峰值间隔的光栅都必须由相应取样周期的振幅掩模版来制作，这种一对一的制作方法所带来的高成本是不言而喻的。
同时，为了实现取样光纤光栅的切趾以及形成等效啁啾，占空比沿轴向渐变以及取样周期沿轴向渐变的特殊取样光纤光栅的设计方案先后被提出来。现有技术中有采用占空比变化方式服从某切趾函数的振幅掩模版制作占空比渐变的取样光纤光栅，但是制作服从某一切趾函数的取样光纤光栅时，就需要占空比变化方式同该函数相同的取样振幅掩模版，光栅与振幅掩模版之间仍存在一一对应关系，因此这种制作方法不够灵活而且成本较高；该技术指出还可以在系统中加入能够程控的光阑以及快门，在光纤光栅的扫描制作过程中实时控制光阑的平移和旋转以及快门的开启和闭合，来实现对光纤曝光区域的长度和周期的调整，进而实现取样占空比和取样周期的调整，但由于这种方法所需光学元件多而复杂，而且需要在光栅制作过程中对多项参数进行实时控制，实现难度较高，重复性也不好。而对于取样周期渐变的取样光纤光栅的制作至今尚未见到简单易行的方法。制作技术的相对落后已经严重制约了这两种特殊结构取样光纤光栅的应用。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种取样光纤光栅的制作方法，其特征在于通过对取样振幅掩模版的特殊设计，使振幅掩模版的取样周期渐变而占空比保持不变(平面示意图如图2所示)或使振幅掩模版的占空比渐变而取样周期不变(平面示意图如图5所示)，在光栅制作过程中，只通过控制这种振幅掩模版的高度变化方式，就可以实现不同特性的取样光纤光栅的制作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种取样光纤光栅的制作方法，含有以下步骤；
步骤1根据光纤光栅制作系统的特点，设计取样振幅掩模版，并根据设计结果，在高精度线切割机上以慢走丝的方式、用金属材料制作振幅掩模版；步骤2将振幅掩模版与高度可以自动控制的装置配合使用，放置于普通光纤光栅的制作系统中，光源发出的紫外光通过扫描平台上与光入射方向成45度角的反射镜改变方向后，将依次垂直入射到会聚透镜、取样振幅掩模版、相位掩模版和光敏光纤上，在放置振幅掩模版时，使其具有渐变取样周期或渐变占空比的方向垂直于光纤轴向，并且使振幅掩模版的平面垂直于紫外光入射的方向；步骤3在光栅制作过程中，保持振幅掩模版与光纤轴向的相对高度不变，使扫描平台带动反射镜匀速移动，以实现紫外光对光纤的扫描式曝光，紫外光通过具有周期性遮挡作用的取样振幅掩模版之后，对光纤形成具有空间周期性的曝光，进而制作出取样光纤光栅；或步骤4在制作不同光栅时，对振幅掩模版与光纤轴向的相对高度进行调整，使紫外光从振幅掩模版的不同高度位置入射，获得不同的取样周期或不同的占空比，从而制作出具有不同反射峰波长间隔或反射谱包络特性的取样光纤光栅。
一种取样光纤光栅的制作方法也可以包含如下步骤步骤1，2与上述步骤相同，步骤3在光栅制作过程中，通过对高度可控装置的编程控制，实时调整置于高度可控装置上的振幅掩模版与光纤轴向的相对高度，即令振幅掩模版高度的实时变化符合函数分布，使紫外光入射到振幅掩模版的位置以函数的方式发生变化，由于振幅掩模版在高度方向上所具有的渐变取样周期或占空比，制作出具有轴向渐变取样周期或轴向渐变占空比的特殊取样光纤光栅。
或步骤4在制作不同光栅时，令振幅掩模版的高度以不同函数发生实时变化，从而制作出取样周期或占空比沿轴向渐变方式不同的特殊取样光纤光栅。
这种取样光纤光栅制作方法的关键实施步骤是取样振幅掩模版的制作。由于取样振幅掩模版的作用是通过对紫外光的周期遮挡实现的，为梳状条纹结构，如果使振幅掩模版的条纹周期渐变，而且条纹宽度沿同方向以同比例方式渐变就可以实现取样周期渐变而占空比不变；而如果使振幅掩模版的条纹宽度渐变，并保持条纹的周期结构，就可实现占空比的渐变而取样周期不变。因此这种取样振幅掩模版的设计和制作都是较为简单易行的。
从上述技术方案可以看出，本发明提出的取样光纤光栅的制作方法，具有容易实现，重复性好，灵活性高，适合取样光纤光栅的批量生产，并且适用于制作具有取样周期或取样占空比渐变的复杂取样光纤光栅，有利于这两种复杂取样光纤光栅的进一步推广应用，对于这一器件的产业化具有重要意义。
图1.取样光纤光栅芯区折射率调制示意图；图2.取样周期渐变而占空比不变的取样振幅掩模版的平面示意图(其中阴影部分表示镂空区域)；图3.取样周期渐变而占空比不变的取样振幅掩模版梳状条纹外边沿确定方法的几何示意图(级数小于N时)；图4.取样周期渐变而占空比不变的取样振幅掩模版梳状条纹外边沿确定方法的几何示意图(级数大于N时)；图5.占空比渐变而取样周期不变的取样振幅掩模版的平面示意图(其中阴影部分表示镂空区域)；图6.取样光纤光栅的制作系统示意图。
具体实施例方式
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是通过对取样振幅掩模版的特殊设计，使振幅掩模版的取样周期沿掩模版的高度方向渐变而占空比保持不变或使振幅掩模版的占空比沿掩模版的高度方向渐变而取样周期不变，在光栅制作过程中，只通过控制这种振幅掩模版的高度变化方式，就可以实现不同特性的取样光纤光栅的制作。因此这种取样光纤光栅制作方法的关键实施步骤是取样振幅掩模版的制作。
取样振幅掩模版的制作
取样周期渐变而占空比不变的振幅掩模版的平面示意图如图2所示。该取样振幅掩模版在上边沿处取得取样周期的最大值为T1，透光区域宽dT1(透光区域宽度就相当于一个取样周期内的有效光栅长度)，在下边沿处取得取样周期的最小值为T2，透光区域宽dT2，参数之间满足如下关系dT1/T1＝dT2/T2。
对这种取样振幅掩模版的设计过程就是确定出各梳状透光条纹位置的过程。含有以下步骤步骤1取样振幅掩模版梳状条纹外边沿的设计(设如图2所示的取样振幅掩模版中每个透光条纹靠近中心的边为内边沿，远离中心的边为外边沿)。
由于条纹区呈轴对称分布，所以只需考虑其中心轴单侧部分即可，此时可获得条纹的外边沿分布如图3所示。设条纹区高度为H，长度为L。定义从中心轴线到条纹区右边沿的斜线依次为第一级，第二级，......第n级。第一级斜线两顶点到上下边沿原点OH和O的距离分别为取样版上下边沿处条纹的半宽度dT1/2和dT2/2，而第二级斜线上顶点到第一级斜线上顶点的距离为T1，下顶点距离第一级斜线的下顶点T2，第三级斜线与第二级斜线的上顶点之间距离为T1，而下顶点之间的距离为T2。为了保证利用振幅掩模版不同高度进行曝光时，曝光区域的总长度保持一致，取样振幅掩模版条纹区域的形状设计为矩形，N为与条纹区域上边沿有交点的最后一级斜线(N＝abs[(L-dT1/2)/T1])，当n＜N时，其余n级斜线的确定方法皆同于此，n＞N时斜线的确定方法将在后面说明。
由以上的条纹确定方法，可以根据简单的面积相等法则来证明Tsn和Tsn-1的相等关系(其中Os为距离条纹区下边沿高度为Hs的水平线与中心轴线的交点，第n-1级斜线和第n级斜线在高度为Hs的水平线上分割点的间距Tsn-1＝AB，而第n级斜线和第n+1级斜线分割点间距Tsn＝BC)由于每两级斜线在条纹区上下边沿处切割出的线段长度相等，因此每两级斜线与条纹区上下边沿之间所夹梯形面积相等，则由高为Hs的水平线及第n-1，n，n+1级斜线和上边沿所截出的梯形ABEF和BCDE的面积也是相等的(如图3中阴影区域)，由于两梯形上底FE＝ED，依据梯形面积计算公式，两梯形的下底AB＝BC，即Tsn＝Tsn-1。n及Hs取值的任意性决定了以此方法设计出的条纹在任意高度水平线上分割出的各线段长度相等，所以由此分割线段长度决定的取样振幅掩模版的取样周期在任意高度水平线上是均匀的，利用该版的任意高度，可以实现对光纤光栅折射率调制的空间周期取样。
以上为级次小于N时斜线的确定方法，当斜线的级次超过N时，邻近两级斜线下顶点的横向间距仍为T2，其延长线与上边沿延长线交点之间的横向间距仍为T1，所以各斜线之间的关系与级次小于N时相同，如图4所示。但由于斜线与条纹区域的右侧边相交，因此其上顶点的位置需依据该斜线与条纹区域右侧边的交点坐标来确定，为[L，hm]，其中hm＝PS＝QP·tan(Am)＝(N·T1-m·T2+ΔdT/2)·H/[(m-1)·ΔT+ΔdT/2] (2)其中Am表示第m级斜线与下边沿的夹角。
步骤2条纹内边沿的设计根据以上结果，把各级斜线上下顶点分别向中心平移dT1和dT2的距离就可以获得条纹的内边沿顶点，而因为dT1/T1＝dT2/T2，构成内边沿的各斜线之间也具有与构成外边沿的斜线之间相同的关系，因此尽管各高度所对应的取样周期不同但取样占空比是相等的。
步骤3特殊取样振幅掩模版的制作通过以上分析，可以获得取样周期渐变而占空比不变的各条纹边沿的坐标为●当n＜N时，条纹外边沿的上、下顶点坐标分别为[xn，H]，[xn′，0]，其中xn＝dT1/2+(n-1)·T1，xn′＝dT2/2+(n-1)·T2，条纹内边沿上、下顶点的坐标分别为[xn-dT1，H]，[xn′-dT2，0]。
●当n≥N时，条纹外边沿上、下顶点的坐标分别为[L，hn][xn′，0]，条纹内边沿上、下顶点的坐标分别为[L-Tn·dT1/T1，hn]，[xn′-dT2，0]。
根据实际需求以及光栅制作系统的特点，确定出振幅掩模版中条纹的最大、最小取样周期T1、T2以及取样占空比后，就可以根据以上顶点坐标公式计算出条纹边沿的顶点坐标，然后利用此坐标数据控制线切割丝的行进路线、采用慢走丝方式在金属板上切割，就可以制作出具有如图2所示结构的取样振幅掩模版。
根据以上思想，也可以设计出占空比渐变而取样周期不变的取样振幅掩模版，其平面示意图如图5所示。其特点是条纹为周期分布，单个透光区域呈等腰梯形，因此，透光区域宽度决定的每周期内小段光栅长度由上至下逐渐变宽，而周期结构决定其透光区域与不透光区域宽度总和不变，即取样周期不变。设条纹区域高度为H，条纹区上边沿透光区域宽度为dT1，而下边沿处透光区域宽度为dT2，条纹的周期为T，利用该版高度为Hs的位置进行曝光时，占空比为[dT1+Hs/H·(dT1-dT2)/T(3)依据相关几何关系，可以给出占空比渐变而取样周期不变的取样振幅掩模版中一个周期内等腰梯形透光区域左右边沿的顶点坐标为(以等腰梯形透光区域的左下顶点为原点)●条纹左边沿上下顶点的坐标分别为[(dT2-dT1)/2，H]，
●条纹右边沿上下顶点的坐标分别为[(dT2-dT1)/2+dT1，H]，[dT2，0]由于占空比渐变而取样周期不变的取样振幅掩模版的周期结构，根据以上坐标公式给出一个周期中线切割丝的路径坐标，然后使其多次重复该路径，就可以制作出具有如图5所示结构的取样振幅掩模版，重复次数由需制作光栅长度决定。
具有不同取样周期或占空比的取样光纤光栅的制作取样光纤光栅写入系统的俯视图如图6所示，制作普通取样光纤光栅时，把振幅掩模版置于高度可控装置(此时也可采用简单的高度可调支架)上，使振幅掩模版具有渐变周期或占空比的方向垂直于光纤，振幅掩模版的平面垂直于光斑的入射方向，振幅掩模版与相位掩模版之间的距离没有特殊要求，尽量靠近即可。在光栅写入过程中，紫外光源601发出的紫外光602经过置于程控移动平台604上的与光入射方向成45度角的反射镜603的反射后，又经过会聚透镜605会聚，之后相继垂直照射在取样振幅掩模版605、相位掩模版606和光敏光纤609上，其中振幅掩模版605放于高度可控装置607上。
选取振幅掩模版的某一高度位置作为光源的入射位置，并在扫描曝光制作光栅的过程中保持该高度不变，使扫描平台带动反射镜匀速移动，以实现紫外光对光纤的扫描式曝光，紫外光通过具有周期性遮挡作用的取样振幅掩模版之后，对光纤形成具有空间周期性的曝光，进而制作出取样光纤光栅；或通过每次制作光栅时对取样周期渐变振幅掩模版的高度调整，制作出具有不同反射峰波长间隔的取样光纤光栅；也可通过每次制作光栅时对占空比渐变振幅掩模版的高度调整，制作出具有不同反射包络特性的取样光纤光栅。
具有轴向渐变取样周期或渐变占空比的取样光纤光栅的制作光栅的制作系统同上，区别是制作这种光栅时，需要在光栅的制作过程中，对振幅掩模版的高度进行实时调整，调整方式可根据所需光栅的占空比渐变函数或取样周期渐变函数，利用取样振幅掩模版上取样周期或取样占空比与高度的对应关系，把取样周期或占空比渐变的函数转化为取样振幅掩模版的高度变化函数。由于该振幅掩模版具有的渐变取样周期或占空比，利用这一函数在光栅制作过程中编程控制高度可控装置的移动方式，相当于实时控制振幅掩模版的高度变化，由于紫外激光的扫描式曝光，光栅轴向上不同位置将随着光源入射到振幅掩模版上高度位置的变化获得不同的取样占空比或取样周期，从而制作出沿光栅轴向具有渐变取样周期或占空比的取样光纤光栅。
其中的高度可控装置607可以采用能够利用计算机进行编程控制的垂直平移台(如美国Newport公司的TSV系列平移台)，这是一种很成熟的产品。通过在计算机上编写的程序可以方便的控制平台在垂直方向上的移动方式，从而实现对振幅掩模版高度变化方式的自动控制。
权利要求
1.一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是含有以下步骤；步骤1根据光纤光栅制作系统的特点，设计取样振幅掩模版，并根据设计结果，在高精度线切割机上以慢走丝的方式、用金属材料制作振幅掩模版；步骤2将振幅掩模版与高度可以自动控制的装置配合使用，放置于普通光纤光栅的制作系统中，光源发出的紫外光通过扫描平台上与光入射方向成45度角的反射镜改变方向后，依次入射到会聚透镜、取样振幅掩模版、相位掩模版和光敏光纤上，在放置振幅掩模版时，使其具有渐变取样周期或渐变占空比的方向垂直于光纤轴向，并且使振幅掩模版的平面垂直于紫外光入射的方向；步骤3在光栅制作过程中，保持振幅掩模版与光纤轴向的相对高度不变，使扫描平台带动反射镜匀速移动，实现紫外光对光纤的扫描式曝光，紫外光通过具有周期性遮挡作用的取样振幅掩模版之后，对光纤形成具有空间周期性的曝光，制作出取样光纤光栅；或步骤4在制作不同光栅时，对振幅掩模版与光纤轴向的相对高度进行调整，使紫外光从振幅掩模版的不同高度位置入射，获得不同的取样周期或不同的占空比，从而制作出具有不同反射峰波长间隔或反射谱包络特性的取样光纤光栅。
2.一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是步骤1，2与权利要求1的步骤相同，步骤3在光栅制作过程中，通过对高度可控装置的编程控制，实时调整置于高度可控装置上的振幅掩模版与光纤轴向的相对高度，即令振幅掩模版高度的实时变化符合函数分布，使紫外光入射到振幅掩模版的位置以函数的方式发生变化，由于振幅掩模版所具有的渐变取样周期或占空比，制作出具有轴向渐变取样周期或轴向渐变占空比的特殊取样光纤光栅；或步骤4在制作不同光栅时，令振幅掩模版的高度以不同函数发生实时变化，从而制作出取样周期或占空比沿轴向渐变方式不同的特殊取样光纤光栅。
3.根据权利要求1或2所述的一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是对取样振幅掩模版的特殊设计，该取样振幅掩模版可以是沿着掩模版高度方向取样周期渐变而占空比不变，也可以是沿着掩模版高度方向占空比渐变而取样周期不变。
4.根据权利要求1或2所述的一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是取样周期渐变而占空比不变的取样振幅掩模版的特征在于振幅掩模版中梳状条纹周期沿着掩模版高度方向渐变而由条纹宽度与取样周期比值决定的占空比不变。
5.根据权利要求1或2所述的一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是占空比渐变而取样周期不变的取样振幅掩模版的特征在于振幅掩模版中梳状条纹的宽度沿着掩模版高度方向渐变，而条纹区域呈周期分布，取样周期不变。
6.根据权利要求1或2所述的一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是制作光栅过程中使用取样周期沿掩模版高度方向渐变而占空比不变，或是取样占空比渐变而取样周期不变的取样振幅掩模版，调整该振幅掩模版的高度，制作具有不同反射峰波长间隔或反射谱包络特性的取样光纤光栅。
7.根据权利要求1或2所述的一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是把取样振幅掩模版配合高度可控装置一起使用，在光栅制作过程中保持取样振幅掩模版与光纤的相对高度不变，制作不同光栅时调整这一相对高度，制作具有不同取样周期或占空比的取样光纤光栅。
8.根据权利要求1或2所述的一种取样光纤光栅的制作方法，其特征是把特殊取样振幅掩模版配合高度可控装置，在光栅的制作过程中利用高度可控装置使振幅掩模版与光纤的相对高度发生实时变化，变化曲线依据所需光栅特性确定，制作取样周期或占空比沿光纤轴向渐变的复杂结构取样光纤光栅。
全文摘要
一种取样光纤光栅的制作方法特征在于使用取样周期沿着振幅掩模版的高度方向渐变而占空比不变或取样占空比沿着振幅掩模版的高度方向渐变而取样周期不变的取样振幅掩模版配合高度可控装置，在光栅制作过程中保持取样振幅掩模版与光纤的相对高度不变，制作不同光栅时调整这一相对高度，可以制作出具有不同取样周期或占空比的取样光纤光栅，也可以在光栅制作过程中使取样振幅掩模版与光纤的相对高度根据需要发生实时变化，制作出取样周期或取样占空比沿光纤轴向渐变的取样光纤光栅。与已知方法相比，它可以降低普通取样光纤光栅的制作成本，提高灵活性，也可以较为方便的制作出具有轴向渐变占空比或渐变取样周期的复杂取样光纤光栅。
文档编号G02B6/13GK1936632SQ20051008644
公开日2007年3月28日 申请日期2005年9月21日 优先权日2005年9月21日
发明者刘艳, 简水生 申请人:北京交通大学