专利名称：机械感生的长周期光纤光栅的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及光学通信领域，并且尤其涉及用于在光纤中给予长周期光栅的一种方法及装置。
长周期光栅可以用于提供一个相位匹配的耦合，这在使功率从光纤的一种模式转移到另一种模式时是必需的。(见，例如，J.N.Blake，B.Y.Kim和H.Shaw，“使用周期光栅的光纤模式耦合器”，Opt.Lett.11，177(1986)；J.N.Blake，B.Y.Kim，H.E.Egan和H.Shaw，“全光纤声光频移器”，Opt.Lett.11，389(1986)；以及J.N.Blake，B.Y.Kim，H.E.Egan和H.Shaw，“具有周期微弯的一个双模式光纤中的模式间耦合的分析”，Opt.Lett.12，281(1987))。已经证明这对于普通传输光纤的引导模式与包层模式之间的耦合尤其有用，以产生波长选择的损耗(见，例如，M.Taehibana，R.I.Laming，P.R.Morkel和D.N.Payne，“具有展平增益光谱的铒掺杂光纤放大器”，IEEE Phot.Tech.Lett.3，118(1991))。
长周期光栅被写到一个光纤上的典型方法是，穿过一个幅值掩模将该光纤暴露在一个KrF准分子激光器(λ＝248nm)的输出处(见，例如，A.M.Vengsarkar，P.J.Lemaire，J.B.Judkins，T.Erdogan和J.E.Sipe，“作为带阻滤波器的长周期光纤光栅”，J.LightwaveTech.，14，58(1996)；A.M.Vengsarkar，J.R.Redrazzani，J.B.Judkins，P.J.Lemaire，N.S.Bergano和C.R.Davidson，“基于长周期光纤光栅的增益均衡器，”Opt.Lett.，21，336(1996)；以及J.A.Rodgers，R.J.Jackman，G.M.Whitesides，J.L.Wagener和A.M.Vengsarker，“使用微触点印刷以在光纤表面产生幅值光掩模用于制造光纤内光栅的一种方法”，Appl.Phys.Lett.70，7(1997))。但是，这种激光器写的光栅的一个严重的缺陷在于它们是永久的。因此，一旦写成，其强度(并且因此损耗的深度)就不能再调节了。此外，由于该光栅往往较短(～25mm)，因此合成的吸收波段或谐振相当宽，损耗的对数是峰值处的一半的点(以下称作“FWHdB”点)之间典型地＞10nm。
由于现有技术的这些以及其它缺陷，一直需要改进在光纤中制造长周期光栅的方法及装置。
我已经研究了一种方法，用于将长周期光栅机械地感生到一个光纤上，使得合成谐振的强度可以从零被连续地(以及逆向地)调节。简要地说，我的用于感生光栅到一个光纤的方法涉及用一个橡胶或其它弹性衬板将该光纤轻轻地压入一个刻划机械光栅，使得产生一系列“微弯”。
有利地是，我的方法既方便又能产生良好的效果。尤其是，根据我的方法构造的光栅可以很长(典型地75-100mm)，并且表现出窄的谐振(FWHdB点之间典型地≥3nm)，适用于铒放大器增益曲线的高分辨率校正。此外，如果我的方法使用的光纤是用一种特殊的低折射率(n＜1.4)塑料包覆，就不需要剥去涂层，由此保持光纤的强度和耐久性，并且同时制造出格外简单且造价低廉的光栅。
此外，我的方法还允许补偿光纤中的随机变化，否则在由一个特定光栅周期产生的谐振波长中可能产生一个小的但是严重的散射。最后，根据我的方法构造的一个装置可以用机电控制，因为需要用于感生光栅的力和位移可以由熟知的传感器提供。
从一个方面来看，我的发明是针对用于从一个光纤产生机械感生的长周期光栅的方法。从另一个方面来看，我的发明是针对机械感生到这里所述的光纤的长周期光栅。
图1是一个示意图，说明本发明的原理；图1A是一个示意图，显示图1的光纤、规则光栅、基底和弹性衬板的一个近视图；图1B是图1的示意图的一个俯视图；图2是一个曲线图，显示对于两个不同k值的T(δ)；图3是一个曲线图，显示实验观察的谐振；
图4是一个曲线图，显示实验观察的谐振；图5是波长与光栅周期的一个曲线图；图6是一个曲线图，显示对于垂直于光栅的光纤以及与光栅倾斜12.7度的光纤的谐振峰值；图7是图1中所示的装置的一个示意图，显示相对于规则光栅成一个角度放置的光纤；图8显示对于如图7所构造的一个装置的示例性谐振；图9是一组曲线图，显示相距3m放置的两个相同强度的谐振的联合效应；图10是包括本申请的本发明的一个光纤放大器的示意图。
现在参考图1，显示根据本发明的原理构造的一个装置的示意图。尤其，并且在其最简单的形式中，装置100包括一个光纤150，介于上垫板110与下垫板或基底120之间，下垫板或基底120包括一个刻划机械光栅140，以及一个或多个固定/调节螺丝160。正如能被意识到的，该光纤介于基底120的规则光栅140与上垫板110之间，并且两块板压在一起，光纤150变得“夹”在两者之间，并且在其接触到规则光栅140的地方发生变形。通过这系列的变形或“微弯”行动，一个机械感生的长周期光栅就用该光纤构造成了。
在该点上，重要的是注意到尽管我已经在这个示例性实施例中显示了一个或多个固定/调节螺丝，但是可以使用各种已知的机械的/机电的/压电的调节装置。要求的所有条件是，当该装置夹在上垫板110与下垫板基底120之间时，被给予足够的外力，以把光栅感生进光纤150。
继续参考图1，由任意材料制成的衬板130，提供了光纤150与上垫板110之间的一个弹性接口。能够容易地意识到，衬板130给予了附加的“可调谐性”，即，对于根据我的教导构造的一个长周期光栅，适应给定应用而改变或“调谐”的能力。并且虽然我已经广泛地使用了弹性材料如橡胶，但是，可以使用任意可变形的材料，尽管它们不象它们的更弹性的配对物那样可重新使用或可调谐。
现在将我们的注意力转到图1A，显示了衬板130、光纤150、刻划机械光栅140及基底120的一个分解的近视图。图中显示的是光纤150的微弯155，主要发生在光纤150与刻划机械光栅140的“波峰”和“波谷”接触的地方。并且虽然图中没有明确地显示，但是熟练的技术人员将认识到，当衬板130和基底120/刻划机械光栅140被相互挤压或加力，将光纤150夹在其间时，衬板130将在对应该刻划机械光栅140的波峰和波谷的区域发生同样的变形。
此外，虽然我在示意图中仅显示了看起来具有三角形状的横截面的一个刻划机械光栅150，但是假定可以使用任意形状，只要一个符合要求的、机械感生的长周期光栅被给予光纤150。
最后，我参考图1B继续我的介绍性讨论，图1B显示一个装配的俯视图，该装配将机械感生的长周期光栅给予光纤150。
作为进一步的背景，如果我们假定一个光栅仅在由其周期λg分离的点处支撑光纤，则简单梁弯曲理论告诉我们，光纤的垂直形变y(z)与量-z2(λg-z)2成比例，在一个光栅周期的间隔上(对于0≤z≤λg)接近正弦。最大形变(在光栅周期的中心处)由下式给定ymax=wλg4384EI;---(1)]]>其中w为沿光纤的单位长度的压力，E为扬氏模量(对于熔融硅E＝7.3×104N/Romanmm2)，并且I＝πd2/64——光纤关于其直径d(通常＝0.125mm)的转动惯量。
为了认识这些量的典型大小，考虑一个情况，其中w＝0.53N/mm在一个色散位移的光纤中产生一个1dB深度的谐振，该光纤在λg＝0.41mm的一个75mm长的光栅上伸展。在这种情况下，方程(1)得到ymax＝45nm。如将所示，深度谐振所需的形变仅为该值的几倍，因此，显然所需的外力和形变是不大的。
能够认识到，光纤的正弦微弯导致基模(LP01)与各种奇对称模式之间的耦合。由耦合方程的解，谐振的能量或功率传输预计为T(k,δ)=1-sin2[kL1+(δ/k)2]1+(δ/k)2;---(2)]]>其中δ为失谐参数，由下式给定δ=12[k01(λ)-kcl(λ)-2π/λg],---(2a)]]>
L为光栅长度，k01和kcl分别为LP01及包层模式的波矢量。图2用图表显示对于两个不同的k值的T(δ)。
已经显示LP01和LP11模式之间的耦合系数本质上为K≈ymax/deff，其中，deff为光纤的有效芯径。有趣地注意到如果我们使用该公式去计算对于上述引用的数值例子的k(其中我们在色散位移的光纤中有ymax＝45nm(deff≈μm))，方程(2)得到传输损耗约1dB。
与此相联系，应当注意到当我们扫描一个几百纳米宽的波段时，我们往往看到几个过渡，具有随波长减小而单调下降的力和间距。尤其是，当使用普通DS光纤时，观察到多达5个的谐振，即，对于一个397μm的光栅周期，分别在1636、1519、1452、1415以及～1358nm处。但是，当使用一个低折射率、塑料封套的光纤，如TRUE WAVE时，我们往往仅看见2个谐振——第二个(没有使用的那个)要微弱得多并且在波长上典型地短约125nm。
重要的是注意到当光纤涂覆着通常的高折射率(n～1.5)的塑料时，通常难以获得深度的、锐利的谐振。在这种情况下，包层模式延伸深入该塑料，其高损耗率将阻止在该光栅长度上迅速建立一个大场(对于一个强谐振所需的)。一个裸光纤与该橡胶或其它弹性衬板之间的直接接触会产生相同的结果。
为了全面认识我的方法的简单性，当首先从根据我的方法构造的装置获得锐利的谐振时，使用一个薄层的铝箔或聚四氟乙烯带(n＝1.36)，以使一个裸露的光纤与一个衬板被光学地分离。由于裸露的光纤极其易损，因此我也使用从其塑料封套中剥出并在光栅区域用金属完全包覆的光纤。金属敷层通过一个简单而冗长的无电过程进行。尽管这些金属化的光纤产生的谐振在实质上与用裸露光纤获得的完全相同，但是其强度及耐用性仍不令人满意。
正如我所提到的，解决该问题的方法是使用具有一个低折射率塑料包覆(封套)的光纤，使得该包层模式场保持完全限制在该玻璃包层本身的范围内。被包覆的光纤产生的谐振与用裸露光纤一样深度且锐利，并且因为该敷层保持原样，所以光纤保持坚固且耐用。
现在同时参考图3和4，实验观察到的谐振往往具有方程(2)预示的所有特征。尤其是，除了一些微弱的旁瓣以外，它们往往具有一个刻划对称的形状，具有狭窄的边缘和实质上零“背景”损耗。现在继续参考图4，显示具有递增深度的典型性能。尤其注意谐振在变得很深时往往变得更锐利，正如图2的理论曲线一样。对于比产生图4中的曲线所用压力更大的压力，吸收峰值停止增长，并且再次变小，也象方程(2)预示的一样。这可能是因为，一旦大部分能量在光栅的第一半被转移到包层模式，则在第二半它将被转移回主模式。
最后，应当注意到随深度增加在谐振波长中没有观察到可探测的位移；这与光刻光栅的性能直接对照，在光刻光栅中，随光栅强度增加在谐振中很大的位移对于可复制的滤波器制造将造成问题。在任何情况下，谐振深度与波长之间的这种耦合对于一个装置如动态增益均衡器的工作将是不能容忍的。
现在参考图5，可以看到当使用最新的TRUE WAVE光纤时，谐振波长往往显示与光栅周期(λg)的几乎完美的线性相关，斜率约为2nm/μm。该相关表明量k01-kcl关于λ的接近线性的性能。但是，一个给定谐振波长所需的绝对光栅周期随光纤的不同而不同。对于最初使用的一些较早的色散位移的光纤类型，例如，对于一个1550nm谐振所需的光栅周期与图5所示的值相比更接近400μm。但是即使在一个表面上不变的光纤类型中，经验表明光纤的直径及预制件不规则性必须严格控制，以在谐振波长与光栅周期之间具有一个精确的可重复的关系。
调谐该谐振波长的一个简便的方法是通过使光纤的排列与光栅槽的法线成一个角度θ，因为，在这种情况下，显然具有一个有效光栅周期λeff＝λg/cos(θ)。现在参考图6，显示这种角度调谐的一个例子，其中光纤首先对于光栅槽上的一个通道垂直排列，并且然后对于另一个通道以12.7°排列。显然，通过对于一个光栅上的许多通道提供连续增加的角度，能够制造一个装置，产生如图7所示的一组均匀分布的谐振波长。如果通过调整所有单个谐振的强度而使该间距仅为单个谐振的FWHdB宽度，则净损耗波段可以具有近似任意光滑的形状。图8显示由11个每个长75mm的光栅这样制成的一个例子。
作为角度调谐的替代，可以使用压杆或钢梁，每个都包括光栅，在其较低边缘，从一个棒到另一个，具有连续增加的周期。这些细长的(仅几个mm宽)、梳状的棒将直接压入光纤，而光纤将位于橡胶衬板上。如果光栅棒可由一个热及机械稳定的塑性材料通过铸造或冲压廉价复制，则这个方案可能特别有吸引力。通过根据其周期排列的很多这种光栅棒，能够迅速地构成一组，以满足任意定制要求。光栅周期的范围也将有利于满足漂移的光纤特性。
应当理解到尽管耦合到包层模式的能量必须保持与光栅长度上的模式一起，但是它必须随后通过弯曲损耗消耗。当光栅区域外的光纤用高折射率塑料涂覆时，在稍弯的光纤的几厘米路径中得到所需的损耗。但是，用低折射率塑料涂覆的光纤，需要大得多的长度以影响所需的损耗。如将容易地认识到的，因为具有低折射率涂层，玻璃包层保持了相当好的导向，并且该包层模式经受塑料造成的极少损耗。
现在参考图9，图的左边显示当在两个光栅之间使用一个短(大约10cm)的回路时，由两个部分重叠的谐振得到的干涉条纹。干涉条纹显示来自第一光栅的包层模式的一个小的但是重要的部分仍存在于第二光栅的区域中。为了完全消除该条纹，仅需要在光栅之间使用一个长得多的光纤回路(大约1m)，如图9的右边所示，或者，用高n光纤再涂覆该弯曲。
谐振的最严重的缺陷是它们往往遭受一个微小的偏振相关的分光。该分光的起源未知，但是可以推测它与关于理想的柱形对称的偏差有关，例如一个偏心的芯将造成这种情况，或者与光纤上的压力引起的轻微的双折射有关，或者与这些效应的组合有关。在任何情况下，该分光会造成偏振相关损耗(PDL)，是谐振旁边的最大值，并且典型量(以dB为单位)达到峰值dB损耗的大约5-10％。尽管“小”，但是这么大的PDL在许多应用中是不能容忍的。幸运的是，有一个简单的方法完全消除净PDL，并且它是在一个环形器与一个法拉第镜之间在双通道使用该光栅装置。现在参考图10，显示这种配置的一个例子，作为一个铒光纤放大器1000的整体部分调用。特别地，这里所示的放大器1000包括环形器1020，法拉第镜1040，泵1060，铒掺杂光纤1070以及根据本发明构造的一个或多个光栅1050。正如能够认识到的，入射光信号1010被环形器1030通过光栅1050路由到法拉第镜1040，然后再次通过光栅1050，并且通过与铒掺杂光纤1070相连的泵1060的作用放大。放大的光信号然后通过环形器1030的作用输出，作为放大的输出信号1020。由于法拉第镜的作用，沿返回路径的每点与沿入射路径的同一点的偏振状态完全正交，因此PDL被消除。注意到这种配置还往往消除由铒放大器光纤本身引起的任何PDL。
熟练的技术人员可以对本发明进行各种附加变型。但是，对本说明书的特殊教导的所有背离都适当地考虑在所述的及所要求的本发明的范围内，本说明书基本依赖于原理及其等价物，通过它们改进了技术。
权利要求
1.一种在光纤中感生一个光栅的方法，包括步骤通过将所述光纤压入一个刻划机械光栅，使所述光纤发生机械变形。
2.根据权利要求1的方法，其中所述机械变形步骤进一步包括步骤将该光纤装在一个衬板与该刻划机械光栅之间；以及将该机械光栅与该衬板压在一起。
3.根据权利要求2的方法，其中所述衬板包括橡胶或其它合适的弹性材料。
4.根据权利要求2的方法，其中所述光纤介于该衬板与该刻划机械光栅之间，关于该刻划机械光栅内的槽的法线成一个角度。
5.根据权利要求2的方法，其中所述压入步骤通过一个或多个调节器的作用进行，使得压力是可调节的。
6.一种光学装置，包括一个刻划机械光栅；一个衬板；以及一个光纤，介于该刻划机械光栅与该衬板之间，使得当该衬板与该光栅压在一起时，一个光栅被给予该光纤。
7.根据权利要求6的装置，进一步包括一个或多个调节器，用于将该衬板与该光栅可调节地压在一起。
8.根据权利要求7的装置，其中所述衬板包括橡胶或其它合适的弹性材料。
9.根据权利要求7的装置，进一步包括一个下垫板，其上安置光栅。
10.根据权利要求9的装置，进一步包括一个上垫板，其上安置衬板。
11.根据权利要求6的装置，其中该光纤位于该衬板与该光栅之间，与该光栅的法线成一个角度。
12.根据权利要求7的装置，其中该调节器包括一个或多个调节螺丝，将该上垫板可调节地固定到该下垫板。
13.一种光学装置，包括一个刻划机械光栅；一个压杆；以及一个光纤，介于该压杆与该光栅之间，使得当该压杆与该机械光栅压在一起时，该压杆基本位于该光纤的上面，并且由于光纤被压入该光栅而在该光纤上给予一系列的微弯。
14.根据权利要求13的装置，进一步包括用于调节将该压杆与该光栅压在一起的压力的装置。
15.根据权利要求14的装置，其中该光纤位于该衬板与该光栅之间，与该光栅的一个法线成一个角度。
16.根据权利要求14的装置，进一步包括一个上垫板，位于该压杆之上；以及一个下垫板，位于该光栅之下。
17.一种光学装置，包括一个稀土元素掺杂的光纤放大器，其特征在于光学信号至少两次通过一个可调节的长周期光栅。一个稀土元素掺杂的光纤放大器使得偏振相关的损耗被基本消除。
18.根据权利要求17的光学装置，其中所述可调节的长周期光栅包括一个衬板；一个机械光栅；一个调节器，用于将该机械光栅与该衬板可调节地压在一起；以及一个光纤，介于该衬板与该光栅之间。
19.根据权利要求18的装置，其中该光纤位于该衬板与该光栅之间，与该光栅的一个法线成一个角度。
20.根据权利要求19的装置，其中所述衬板实质上包括橡胶或其它基本弹性的材料。
21.一种光学装置，包括一个机械感生的光栅阵列，其中前面的一个光栅的输出被输入到随后的一个光栅。
22.根据权利要求21的光学装置，其中所述机械感生的光栅阵列的单个光栅包括一个衬板；一个机械光栅；一个调节器，用于将该机械光栅与该衬板可调节地压在一起；以及一个光纤，介于该衬板与该光栅之间。
23.根据权利要求22的光学装置，其中所述衬板包括橡胶或其它合适的弹性材料。
24.根据权利要求23的光学装置，其中所述光纤位于该衬板与该机械光栅之间，与光栅槽成一个角度。
全文摘要
通过将一个普通的单模式(通常是色散位移的)光纤压入一个外部的长周期的机械光栅，可以使该光纤的导向模式与一个衬板模式之间的一个高度波长选择的耦合被感生。都在同一光纤上的一系列这种感生的光栅，能够用于产生任意形状的几十nm宽的损耗波段，分辨率为3nm或更高，在任意波长处的强度可以从零至－17dB或更多连续调节。由于其简单、接近零背景损耗，以及尤其，其用于连续再调节的潜力，该装置可理想地用于光学放大器的动态增益均衡。
文档编号G02B6/14GK1316661SQ0111244
公开日2001年10月10日 申请日期2001年4月4日 优先权日2000年4月5日
发明者林·F·莫勒瑙尔 申请人:朗迅科技公司