滤光器的制作方法

专利名称：滤光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种由形成于光纤内部的布拉格光栅构成的滤光器，用于制造这样的滤光器的方法和设备，以及用于所述制造方法的纤维托座和相位罩(phase mask)。
背景技术：
纤维内布拉格光栅，也简称作纤维布拉格光栅或者FBG，可在光学通信领域用作滤光器，以实现波分复用和频散补偿的目的。第5367588号美国专利描述了一种制造纤维内布拉格光栅的方法，这种方法是用紫外光通过一相位光栅罩照射一种光敏光纤。所述相位光栅罩由一种石英玻璃片构成，对紫外光是透明的，并在其一侧表面具有平行槽纹式的周期性起伏结构。所述槽纹例如是具有矩形断面的平行沟道。所述相位罩中产生的衍射以由栅线间距或栅距确定的周期对出射紫外光的强度进行调制。
所述光敏光纤与所述相位光栅罩在与所述槽纹垂直的方向上相接触或者近似接触。紫外光的照射改变纤维芯的折射率，从而以与所述相位光栅罩相同的周期对纤维芯内的折射率加上了调制特征。这种折射率调制即构成了布拉格光栅。
通过调节相位光栅罩的栅距可以形成线性调频布拉格光栅。通过沿光纤长度方向调节紫外光的强度，可以形成一种切趾(apodized)布拉格光栅。
所述相位光栅罩可以通过熔融石英基片的活性离子蚀刻来制造，例如如《电子学通讯》第29卷第6期(Electronics Letters，Vol.29，No.6)(1993年3月18日)第567页所描述的那样。
众所周知，滤光器的性能参数比如反射带宽和反射光谱的顶部平直度取决于被调制光栅的长度。当纤维内布拉格光栅用于频散补偿时，反射带宽Δλ例如是由下式所确定的，式中，L是布拉格光栅的长度，c是光速，D是频散值Δλ＝2L/(cD)这个公式表明，对于给定频散D，反射带宽Δλ与光栅长度L成正比。
但是，用上面所描述的类型的相位光栅罩来制造长的纤维内布拉格光栅是不容易的，因为，由于相位光栅罩本身要在真空室中制造，其尺寸就是有限的。可以采用一种分步重复处理方法，即，使纤维通过所述相位光栅罩。但这种方法费时且在一步到下一步之间需要极为精确的对准。因为上述原因，用传统的相位光栅罩制造的纤维内布拉格光栅的长度限制在最长约一百毫米(100mm)以内。
因此，传统相位光栅罩的受限制的长度就成为获得宽反射带宽及其它良好的滤光器特性的障碍。受限制的长度还妨碍了对纤维内布拉格光栅进行有效的旁瓣缩减。
使用长的纤维内布拉格光栅的另一个障碍是，需要将含光栅的纤维以某种方式封装起来，以保护光栅不受温度变化和其它外部因素的影响。传统的封装方法不能轻易地应用于长度大的纤维。

发明内容
因此，本发明的一个目的是制造一种滤光器，它具有长度在一百毫米以上的纤维内布拉格光栅。
本发明的另一个目的是提供制造这种滤光器的设备。
本发明的另一个目的是提供一种可用于这种滤光器的制造的纤维托座。
本发明的另一个目的是提供一种可用于这种滤光器的制造的相位光栅罩。
本发明的另一个目的是制造一种具有高精确度纤维内布拉格光栅的滤光器。
本发明的另一个目的是制造一种具有长度大于一百毫米的旁瓣缩减布拉格光栅的滤光器。
本发明的另一个目的是制造一种具有长度大于一百毫米的线性调频布拉格光栅的滤光器。
本发明的另一个目的是提供一种被有效封装的滤光器。
本发明的另一个目的是提供一种被紧凑封装的滤光器。
本发明的另一个目的是提供一种被良好保护的滤光器。
本发明的制造一种滤光器的方法包括下列步骤将一根具有光敏纤芯的光纤固定在一纤维托座上表面的平面螺旋结构中；将一相位罩平行放置于所述纤维托座的上表面上，所述相位罩的具有螺旋衍射光栅的下表面正对所述光纤；和用紫外光透过所述相位罩照射所述光纤，从而得到纤维内布拉格光栅。
照射步骤最好通过旋转所述纤维托座及相位罩同时用紫外光束径向扫描相位罩来进行。所述扫描与旋转彼此同步，以使得紫外光束能够追踪光纤的螺旋结构。
本发明的纤维托座由一个具有螺旋槽的平板构成，所述螺旋槽用来固定光敏光纤。
本发明的相位罩由一个对紫外光透明的平板构成，在其一个表面具有周期性凹点螺旋光栅。
本发明的用来制造滤光器的设备包括本发明的纤维托座、本发明的相位罩、一个支承纤维托座及相位罩的旋转台和一个用紫外光透过相位罩照射光敏光纤的光学系统。
本发明的滤光器由本发明的纤维托座及光纤构成。所述光纤固定在所述螺旋槽中，并具有经过周期调制的折射率。
用本发明的方法，利用五寸光盘样式的纤维托座和相位罩，可以制造长度多达约四米的纤维内布拉格光栅。所述纤维托座和相位罩可以利用用来加工半导体晶片的传统设备来制造。
由于使用连续不断的制造方法而不是分步重复方法，可以制造出精确的纤维内布拉格光栅。
通过在纤维托座上表面上的不同区域改变照射光纤的紫外光的剂量，可以形成一种旁瓣缩减纤维内布拉格光栅。如果用紫外光束扫描所述相位罩，紫外光的剂量可以通过使用一脉冲光源并改变脉冲重复频率而得到改变。另外，可以使用一种可变消光器，或者改变纤维托座的旋转速度。
通过将相位罩划分为同心的若干区域，并改变各区螺旋衍射光栅中的凹点间距，可制得线性调频纤维内布拉格光栅。
纤维内布拉格光栅可以有效地被封装于本发明的纤维托座和一个盖子之间。这个盖子也可以具有螺旋槽。
所述盖子可以这样形成在形成纤维内布拉格光栅之后，向纤维托座上覆盖一保护层。纤维托座则可以这样制造在一基片上的聚合物层上刻图，从而在该聚合物层上形成一条螺旋槽。另外，可以将一聚合物层刻图，形成一纤维模，然后在该纤维模周围覆盖一层聚合物保护层，最后去除该纤维模，从而在所述聚合物保护层上形成一条螺旋槽。在所述基片上还可以覆盖一个聚合物保护底层。用上述方法，可以制造出紧凑的、保护良好的滤光器模块。


在附图中图1简要示出了实施本发明的用来制造一种滤光器的设备；图2A是图1中的纤维托座的平面图；图2B是图1中的纤维托座和光纤的剖面图；图3A是一个放大的剖面图，示出了图1中的螺旋槽和光纤的一种最佳结构；图3B是一个放大的剖面图，示出了图1中的螺旋槽和光纤的另一种最佳结构；图4是图1中的相位罩的平面图；图5A是一个放大平面图，示出了图4中的部分相位罩；图5B是穿过示于图5A中的凹点的剖面图；图6是图5A的放大，用来说明光纤和凹点的尺寸；图7A是具有线性调频螺旋光栅的相位罩的局部平面图；图7B是图7A中的线性调频螺旋光栅的剖面图；图8是一个透视图，用来说明本发明的制造滤光器的方法；图9简要示出了一种用来制造旁瓣缩减滤光器的实施本发明的设备；图10是图9中的纤维托座的平面图；图11是一个曲线图，用来说明图9所示设备中的脉冲重复频率；图12是一个图解用图9中的设备制造的滤光器的旁瓣缩减曲线的曲线图。
图13简要示出了另一个用来制造旁瓣缩减滤光器的实施本发明的设备；图14是一个曲线图，用来说明图13的设备中旋转台的旋转速度；图15A是可以用于封装本发明的滤光器的盖子的平面图；图15B是图15A中的盖子的剖面图；图16是一个剖面图，用来说明利用图15A中的盖子对滤光器进行的封装；图17A是另一个可以用于封装本发明的滤光器的盖子的平面图；图17B是图17A中的盖子的剖面图；图18是一个剖面图，用来说明制造用于本发明的滤光器的盖子的另一种方法；图19A、20A、21A、22A和23A均为透视图，用来说明制造滤光器的新方法的各个步骤；图19B、20B、21B、22B和23B是图19A、20A、21A、22A和23A所示各步骤的剖面图；图24A、25A、26A、27A、28A、29A和30A均为透视图，用来说明制造滤光器的另一新方法的各个步骤；图24B、25B、26B、27B、28B、29B和30B是图24A、25A、26A、27A、28A、29A和30A所示各步骤的剖面图；图31A是一个放大剖面图，用来说明图27B中的纤维模的最佳形状；图31B是一个放大剖面图，用来说明图27B中的纤维模不宜采用的形状；图32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A和39A均为透视图，用来说明制造滤光器的另一新方法的各个步骤；图32B、33B、34B、35B、36B、37B、38B和39B是图32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A和39A所示各步骤的剖面图；图40A是本发明的另一种形式的纤维托座的平面图；图40B是使用图40A中的纤维托座的一滤光器模块的透视图。
具体实施例方式
下面参照所附的说明性附图描述本发明的各实施例。在不同的实施例中，相似的部分将用相同的标号指示，不作重复的描述。
图1示出了本发明的用来制造滤光器的设备的第一种实施例。其主要部件是一个纤维托座10、一个相位罩12、一个旋转台14、一个光学系统16和一个扫描控制器18。光敏光纤20放置在纤维托座10上表面10a的螺旋槽22中。纤维托座10放置在旋转台14上，相位罩12则固定在纤维托座10的上方。光学系统16发出一束紫外光，透过相位罩12照射光敏光纤20。扫描控制器18控制着光学系统16，以便在旋转台转动时，紫外光束扫描所述光敏光纤20。
纤维托座10的上表面10a是平的。尽管在附图中纤维托座10和相位罩12之间留有一定的空间，如后面将要描述的，相位罩12的放置也可以与纤维托座10的上表面10a相接触。无论在何情况下，相位罩12相对于纤维托座10的固定都要使得相位罩12的下表面12a与纤维托座10的上表面10a相平行。
相位罩12是由比如石英玻璃材料构成的一个平板，对于紫外光基本上是透明的。相位罩12的下表面12a上具有一螺旋衍射光栅，后者由凹点构成，使光学系统16发出的紫外光发生衍射。
旋转台14的旋转轴24垂直于纤维托座10的上表面10a。旋转台14由一其上放置纤维托座10的转盘26及一旋转轴控制器28构成，后者使转盘26绕旋转轴24旋转。旋转轴控制器28例如由一个马达和与之相连的驱动电路(图中未示出)构成。
在旋转轴24穿过转盘26的上表面26a的地方，转盘26最好有一个例如圆柱形状的突出的轮毂，后者与纤维托座10的下表面上的一个类似形状的孔相啮合，以确保纤维托座10和相位罩12与旋转轴24准确地对正中心。当旋转轴控制器28转动转盘26时，纤维托座10和相位罩12也绕旋转轴24旋转。
光学系统16有一个激光源30、一个消光器32和一个由一面反射镜34和柱面透镜36构成的可移动的单元33。激光源30发出一束紫外光，该光束穿过消光器32，被反射镜34直角反射，然后通过柱面透镜36，最后照射到相位罩12上。适合所述激光源30使用的可以是德国Gottingen的Lambda Physik公司制造的氟化氪(KrF)激光器，后者可以发射波长为248am的紫外光脉冲。激光源30发出的紫外光束的强度被消光器32调节到一个合适的水平。其光束直径则由柱面透镜36调节。调节射出光学系统16的紫外光束38使之平行于旋转台14的旋转轴24。
扫描控制器18在平行于由激光源30发出的紫外光的传播方向的箭头40的方向，移动由反射镜34和柱面透镜36构成的可动单元33。借此，射出光学系统16的紫外光束38就在径向上扫描相位罩12的表面。由同时控制扫描控制器18和旋转轴控制器28的主控制器(图中未示出)协调扫描与旋转台14的旋转。相位罩12对紫外光束38的衍射产生出一衍射光束42，由后者追踪光敏光纤20在纤维托座10上的螺旋路径。这样，该衍射光束42就在光敏光纤20的纤芯内形成了布拉格光栅。
图2A示出了纤维托座10的上表面10a的平面图。图2B示出了沿图2A中I-I一线的剖面图。这两幅附图中也示出了光敏光纤20。
纤维托座10例如是由一种金属材料比如铝或者不锈钢制成的圆盘，或者是由在后面的实施例中将要描述的各种非金属材料制成的。在下面的描述中，纤维托座10的直径是五寸(约127mm)。螺旋槽22是单条连续的槽，用来固定光敏光纤20，以使得光敏光纤20也循着一条螺旋路径。纤维托座10的上表面10a，包括螺旋槽22的内表面，都覆有镀层以抑制紫外光的反射，以便反射紫外光不干扰衍射光束42形成布拉格光栅。合适的镀层例如可以是无光泽黑色搪瓷(flat black enamel)。
为了清晰起见，图2A和图2B中的螺旋槽22的螺旋路径的螺旋间距较大，该螺旋路径从接近纤维托座10的边缘的一点一直延伸到接近中心的一点。为了简单起见，假定整个螺旋路径都被光学系统16扫描。实际上，光学系统不需要扫描整个螺旋路径，而且螺旋路径的被扫描部分可以分布得更紧凑，以便螺旋的曲率半径在被扫描部分变化不是很大。被扫描部分最好接近纤维托座10的外沿。另外，尽管示于图2B中的螺旋槽22具有半圆形的横断面，该横断面也可以是矩形的或者任何其它合适的形状。
图3A和图3B是图2B中的C区的放大图，示出了螺旋槽22的两种可能的矩形断面。在两幅图中，螺旋槽22的宽度W与光敏光纤20的直径基本上是相同的。
在图3A中，螺旋槽22的深度D基本上等于光敏光纤20的直径的一半。为了固定光敏光纤20，螺旋槽22至少是这样的深度。光敏光纤的上半部突出到纤维托座10的上表面10a以上，因此，如果使用这种类型的螺旋槽，在纤维托座10和相位罩12之间，应有一个垫层，以防止对光敏光纤20的损伤。
在图3B中，螺旋槽22的深度D大于光敏光纤20的直径。这种类型的螺旋槽允许相位罩12直接与纤维托座10接触，而不会损伤光敏光纤20。
考虑到衍射光束42的相干长度，相位罩12下表面12a到光敏光纤20之纤芯的距离应当约为六十微米(60μm)。如果纤维直径例如是125微米，螺旋槽22的宽度W就应当为120到130微米，其深度D则应当为约60到130微米。
图4示出了相位罩12的下表面12a的平面图。相位罩12例如是与纤维托座10一样直径为五寸的圆盘。如上所述，对于相位罩12而言，石英玻璃是合适的材料。但其它的对紫外光透明的材料，比如氟化钙或者氟化镁，都是可以用的。
相位罩12的下表面12a上的凹点构成螺旋衍射光栅44，当相位罩12放置到纤维托座10上时，所述螺旋衍射光栅与纤维托座10上表面10a上的螺旋槽22对准。螺旋衍射光栅44绕相位罩12的中心46环绕。所述凹点相隔周期性间隔出现，且其离中心46的距离逐渐加大。
图5A示出了图4中的C区的放大图。图5B则示出了沿图5A中的J-J曲线的剖面图。示于图5A和图5B中的凹点48的形状近似为直角楔形，其内缘和外缘(的走向)与螺旋衍射光栅44所循的路径相一致。设某凹点48的内缘长度为Λa，外缘长度为Λb，则Λa稍小于Λb。相邻凹点48之间的间距也是外缘大于内缘。
图6是示于图5A中的叠放于固定在纤维托座10中的光敏光纤20上的相位罩12的部分放大平面图，所述光敏光纤20的中心与图5A中的J-J曲线相重合。本图示出了当纤维托座10与相位罩12正确对准时螺旋衍射光栅44与光敏光纤20的相对位置关系。光敏光纤20包括纤芯20a和包层20b，这两部分中的主要成分都是二氧化硅(SiO2)和二氧化锗(GeO2)。调整这两种成分的比例，以使得纤芯20a的折射率比包层20b的折射率更大。纤芯20a的直径Wi为10微米。整个纤维，包括纤芯20a和包层20b，其直径W2为约110到130微米。
凹点48的沿纤芯20a的外缘测量的长度(Λ1)与其沿纤芯20a的内缘测量的长度(Λ2)之间的差值，是由纤芯直径与螺旋的曲率半径的比例确定的。如果螺旋槽22被限制在靠近纤维托座10的边缘的一个区域，并且螺旋衍射光栅44也类似地位于靠近相位罩12边缘的区域，这里的螺旋曲率半径接近2.5寸(约64mm)，那么，所述Λ1和Λ2之间的差异只有约0.015％。这种差异很小，不会对在纤芯中制成的布拉格光栅有显著的影响。除了可获得更大的总长度之外，用本发明的相位罩12生产的布拉格光栅与用传统的相位罩生产的布拉格光栅基本上是难以区分其差异的。
相位罩12可以用生产传统的相位罩所用的同一方法来制造。该方法简要说明如下。首先，在石英玻璃圆盘上镀一层铬薄膜，例如用阴极溅镀方法或者真空蒸镀方法。然后，用电子束光蚀法在铬膜上刻图。石英玻璃圆盘上剩余的铬膜作为其掩蔽膜，对这种石英玻璃圆盘进行蚀刻，形成凹点48。例如可以使用活性离子蚀刻法。所述凹点48是在所述圆盘上不为铬膜所掩蔽的部分形成的。最后，剩余的铬膜被清除，以彻底完成相位罩12的制造。这种制造方法可以用众所周知的用于制造5寸硅晶片的设备实施。
通过改变凹点48的间距，可以制造线性调频光栅。线性调频光栅能够拓宽滤光器的反射频带。图7A示出了具有线性调频螺旋衍射光栅44a的相位罩12的部分平面图。图7B是沿图7A中的K-K曲线的剖面图。
线性调频光栅44a的示于图7A和图7B中的部分被分为三个区域50a、50b和50c。在第一区50a，凹点48的间距是Λ1，在第二区是Λ2，在第三区是Λ3，而且Λ1＜Λ2＜Λ3。栅距就这样沿光栅长度方向逐级增大。栅距连续变化的线性调频光栅也可以制造出来。
利用上述设备制造滤光器的过程如下。
合适的光敏光纤20可以是纽约Corning的Corning股份有限公司制造的SMF28光纤。这种光纤的纤芯和包层被封装在保护层中。第一步是利用工具例如称作纤维去层器的工具去掉该保护层，或者将该光纤浸入二氯乙烷而去掉该保护层。
去层的光敏光纤20被放置于纤维托座10上表面10a的螺旋槽22中，以使得光敏光纤20同螺旋槽22一样固定为同样的螺旋布局，同时纤维托座10和相位罩12相互对准。所述对准过程可以通过将纤维托座10和相位罩12放在独立的平台上进行。所述平台的相对位置可以在三个正交轴及一个旋转轴方向调整，同时用显微镜透过相位罩12观测凹点48和纤维20。当纤维托座10和相位罩12准确地相互对准时，利用例如夹具或卡钳，或者用真空吸盘将其中间空间的气体抽出，从而将它们在此对准位置固定。如上所述，可以在纤维托座10和相位罩12之间放置一垫层，以保护光敏光纤20。
然后，将纤维托座10和相位罩12作为一个单一单元置于旋转台14的转盘26上。扫描控制器18和旋转轴控制器28移动可动单元33和转盘26到一初始位置，在此位置开始扫描。到达此初始位置并激发激光源30后，旋转轴控制器28以一恒定转速驱动转盘26，使纤维托座10和相位罩12沿图8中箭头52所示方向旋转。扫描控制器18则以恒定直线速度在图8中箭头40所示方向移动可动单元33。这两种运动相互协调，使得紫外光束38能够追踪相位罩12下表面12a上凹点48的螺旋图样，并使得衍射光束42能够沿从螺旋外端54向其内端56的方向追踪光敏光纤20的螺旋路径。
相对于激光源30发出的脉冲的重复频率，所述转速足够低，使得紫外光束38的追踪路径上所有的点都接受基本相等剂量的光能。凹点48产生一个规则的衍射图，该衍射图具有交替排列的强光强和弱光强区。从而，由衍射光束42送出的光能的剂量就沿光敏光纤20的长度方向呈规则的周期性变化。
紫外光的照射改变光敏光纤20的纤芯20a的折射率，因此，由凹点48生成的衍射图就作为一个周期性折射率调制模被“印”到了纤维芯中。从而就在光敏光纤20内制成了纤维内布拉格光栅，从而将光敏光纤20变成了一个滤光器。为了方便滤光器作为系统元件的使用，在光敏光纤20的端部连上标准化光纤连接器。或者，在光敏光纤20的一端接一个光纤连接器，在其另一端接一个纤维终端连接器，以抑制通过滤光器传播的光的反射。
一个五寸纤维托座10的周长将近40厘米。如果螺旋槽22靠近纤维托座10的外缘布置，如果要制造一个一米(1m)长的纤维内布拉格光栅，绕纤维托座10中心的螺旋只需绕约三圈即可。纤维托座10和相位罩12的设计可以使得能够制造至少四米(4m)以下的任意长度的纤维内布拉格光栅。
除了能够制造比传统的分步重复法所能得到的光栅更长的纤维内布拉格光栅外，本发明还在产品的均一性和可重复性方面优于传统方法，因为整个光栅都是在一次单一的连续的过程中完成的。这些优点提高了生产产量，从而降低了制造成本。
图9示出了用来制造滤光器的本发明的设备的第二种实施例。除了已在第一种实施例中示出的部件外，该第二种实施例还包括一个旁瓣缩减系统，后者由一个频率调节器70和一个主控制器72构成。所述频率调节器70控制由激光源30发出的紫外光脉冲的重复频率，所述主控制器72则控制扫描控制器18、旋转轴控制器28及频率调节器70。每一紫外光脉冲的能量基本上与重复频率无关，因此，通过改变重复频率，频率调节器70就能够改变输送到纤芯各个部分的能量多少。
频率调节器70根据主控制器72所提供的位置信息控制脉冲的重复频率。如图10中的虚线所示，纤维托座10被划分为三个基本上同心的区域。在第一区58a，从光敏光纤20的外端54开始，重复频率逐渐上升。在第二区58b，重复频率保持恒定。在第三区58c，重复频率逐渐下降，直到光敏光纤20的内端56。
主控制器72和频率调节器70能够根据示于图11中的扫描时间来控制重复频率。图中纵轴表示脉冲重复频率，横轴表示扫描时间。如曲线(a)所示，从起始时刻t0到时刻t1，即对应于图10中的第一区58a，重复频率上升；从时刻t1到时刻t2，对应于图10中的第二区58b，重复频率基本不变；从时刻t2到时刻t3，对应于第三区58c，重复频率下降。
主控制器72和频率调节器70还能够正确地控制脉冲重复频率，使之符合光束扫描速度从螺旋外端54向内端56慢慢下降的趋势，这种下降是因为转速恒定而螺旋曲率半径减小而造成的。例如，从时刻t1到时刻t2，脉冲重复频率可以逐渐下降，而不是恒定不变。
这种重复频率控制的结果是，纤芯所接收到的紫外光的剂量在纤维两端54和56附近逐渐衰减。纤维折射率的调制度因而形成旁瓣缩减，如图12所示。图中，横轴是沿纤维长度方向的位置。位置a和b对应于纤维内布拉格光栅的两端，而区域c、d和e对应于纤维托座10上的区域58a、58b和58c。纵轴表示折射率的调制度。如曲线f所示，调制度在c区上升，在d区恒定，在e区下降。
在旁瓣抑制、反射频带侧沿锐度及反射频带顶部平直度方面，旁瓣抑制纤维内布拉格光栅可以提供优良的特性。通过控制脉冲重复频率从而获得合适的旁瓣缩减曲线，可以得到理想的滤光器特性。
作为第二种实施例的改型，可以使用可变消光器32。这样，输送到纤芯的紫外光的剂量就可以通过控制衰减因子而得到控制，而不必控制脉冲重复频率。
图13示出了本发明设备的第三种实施例。该第三实施例具有已在第一种实施例中示出的部件、一个大体上类似于示于第二种实施例中的主控制器72的主控制器72，和一个速度控制器74。后者根据主控制器72提供的位置信息来控制旋转台14的旋转轴控制器28。本实施例中，激光源30的脉冲重复频率保持恒定。
第三实施例中的主控制器72和速度控制器74构成了一个旁瓣缩减系统，该系统通过如图14所示控制旋转台14的旋转速度而控制输送到光敏光纤之纤芯的紫外光剂量。图14中，横轴表示扫描时间，纵轴表示旋转速度。从起始时刻t0到时刻t1，旋转速度逐渐下降，从而增加了光敏光纤20的被扫描部分所接收到的紫外光的剂量；从时刻t1到时刻t2，旋转速度基本不变，但非常微弱地逐渐上升以补偿螺旋曲率半径的增大，从而使得光敏光纤20的所接收到的紫外光的剂量保持恒定；从时刻t2到时刻t3，旋转速度以较快的速率上升，使得光敏光纤20的所接收到的紫外光的剂量逐渐减少。
从起始时刻t0到时刻t1对应于图10中的第一扫描区58a，从时刻t1到时刻t2，对应于图10中的第二区58b，从时刻t2到时刻t3，对应于第三区58c。主控制器72和扫描控制器18改变可动单元33的运动速度，以使扫描频率与旋转台14的旋转速度保持协调，并使紫外光束38准确地追踪光敏光纤20的螺旋路径。
第三种实施例具有与第二种实施例相同的效果，能够制造出具有任意的折射率调制曲线的旁瓣缩减滤光器。通过适当地控制旋转台14的旋转速度，可以轻易地获得理想的滤光器特性。
本发明的第四个实施例涉及到对第一、第二、第三实施例制造的滤光器的封装。本实施例提供一种两件式封装。其中，纤维托座10用作下部封装件，另用一个独立的盖子作为上部封装件。
图15A示出了盖子60的从下面看的平面图。图15B示出了沿图15A中的L-L线的剖面图。
盖子60例如是与纤维托座10同样直径的圆盘。盖子60的下表面60a有一螺旋槽62。该螺旋槽62是纤维托座10的上表面10a上的螺旋槽22的镜象。在光敏光纤20中形成布拉格光栅之后，从旋转台14上取下纤维托座10和相位罩12。从纤维托座10上取下相位罩12，然后将盖子60放到纤维托座10上，从而如图16所示将光敏光纤20封闭起来。例如用螺帽和螺栓(图中未示出)，或者用环氧树脂粘合剂，将盖子60固定到纤维托座10上。
如果用环氧树脂粘合剂来固定盖子与纤维托座10，在纤维托座10上最好有一个用来收集多余粘合剂的沟槽。参图17A，该沟槽64是一个环形槽，设置在靠近纤维托座10的外周缘处。图17B示出了过图17A中的M-M线的剖面图，该图表明，沟槽64可以比用来固定光纤的螺旋槽22更宽更深。环氧树脂粘合剂用在纤维托座10和盖子60拼合表面上在沟槽64内侧的适当部位。当纤维托座10和盖子60被粘到一起时，其中的一些粘合剂可能被挤进沟槽64。但这些粘合剂会聚在沟槽64中而不会从纤维托座10和盖子60之间挤出到纤维托座10和盖子60的边缘。这样就简化了封装过程。
本实施例中的纤维托座10和盖子60最好用下列陶瓷材料之一制成氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氮化铝(AIN)和氮化硼(BN)。光敏光纤20的热膨胀系数在5×10-7/℃到1×10-7/℃之间。上述材料的热膨胀系数在1×10-7/℃到1×10-6/℃之间。如果光纤封装在这些材料组成的封装盒中，由于纤维和其封装盒的热膨胀系数大致相等，在封装盒的热胀冷缩过程中，纤维就不会严重变形。
热膨胀系数的大致相等还有另一个好处。在纤维内布拉格光栅的制造过程中，可使得光敏光纤20和纤维托座10的尺寸对紫外光束38的加热有相同的反应。
作一个比较。铝的热膨胀系数约为20×10-6/℃，不锈钢(SUS304)的热膨胀系数约为18×10-6/℃，均与光敏光纤20的热膨胀系数相差甚远。
不言而喻，应当提供接到滤光器20的端部的外部入口，以便封装滤光器可以作为一个滤光器模块使用而勿须打开封装盒。如果连接到光纤20的两个端部的是两个光纤连接器，或者一个光纤连接器和一个纤维终端连接器，它们可以被容纳于盖子60上的两个洞穴或者扩大的槽口中。为简单起见，洞穴或者槽口在图中均未示出。
本第四实施例提供了一种易于装配的封装盒，不需要在封装过程中操作光敏光纤20。该封装盒在力学上坚实可靠，可以保护滤光器免受多种外部因素的意外损伤。这些特点可以降低封装劳动力成本，并提高生产产量。
下面描述第五个实施例。本实施例仍然与本发明所制造的滤光器的封装有关。
参图18，在形成纤维内布拉格光栅并去除相位罩12后，在第五实施例中，用一保护层66盖住纤维托座10。所述保护层66例如是上述几种材料之一，为氧化铝、氧化钛、氮化铝或者氮化硼。保护层66是作为烷氧基金属溶体涂覆到纤维托座10上的，使用的是；普通的厚膜形成工艺，比如丝网印刷、刮片印刷、浸涂、旋涂或者喷涂。然后，通过热处理使保护层66干燥。可以使用温和的热处理条件，比如在40到80℃的温度下处理两小时。
上述材料之一的保护层66也可以用镀层工艺形成，比如真空蒸镀或者阴极溅镀。
通向光敏光纤20的端部的入口是由纤维托座10或保护层66上的开口提供的。(图中这些开口省略了。)最好，在光敏光纤20的端部连接上光纤连接器，或者一个光纤连接器和一个纤维终端连接器，以形成一个象第四实施例一样的封装滤光器模块。
保护层66应当足够厚，以完全盖住光敏光纤20，但不需要厚到用于第四实施例的单独的盖子的程度。因此，第五实施例中形成的滤光器模块具有形状薄而紧凑的优点。
象第四实施例一样，第五实施例也提供了一种易于装配的封装盒而不需操作纤维。第五实施例还缩短了总的制造时间，因为保护层66在形成时就已经附着在纤维托座10上了。另外，通过将光敏光纤20牢固地固定在螺旋槽22中，与第四实施例相比，保护层66提供了更为完美的保护，使光敏光纤免受外部作用的影响，包括对振动的防护，从而使得封装滤光器的运输、储存和安装极为容易。保护层66还有助于减少滤光器的老化变化，从而稳定其光学特性。
下面描述第六个实施例。本实施例通过对陶瓷基片上的紫外线硬化聚合物层进行光蚀刻图来制造纤维托座10，并在形成纤维内布拉格光栅后通过镀覆另一层紫外线硬化聚合物层来封装滤光器。
图19A是用来说明制造滤光器的第一步的透视图。图19B是过图19A中的N-N线的剖面图。图20A到图23A示出了随后的各制造步骤的类似的透视图，图20B到图23B则示出了对应的剖面图。
图19A和19B示出了一个陶瓷基片80，其上覆盖有一个紫外线硬化聚合物层82，后者例如由日本Osaka的日本合成化学工业公司(NipponSynthetic Chemical Industry Company of Osaka，Japan)制造的NEF-150负干片感光树脂组成。该聚合物层82可以使用一般的层压设备附着到基片80上。NEF-150的厚度为50微米，但是可以将两层或三层叠到一起形成总厚度为100或150微米的紫外线硬化聚合物层82。
紫外线硬化聚合物层82的总厚度将成为后面将要形成的螺旋槽22的厚度。如果必要，联合使用同一制造商的厚度为25微米的负干片感光树脂NEF-125，可得到125微米的总厚度。
参图20A和20B，通过用紫外光透过一个罩子(图中未示出)来照射，紫外线硬化聚合物层82被硬化。所述罩子是为了使准备形成螺旋槽22的地方的螺旋区域84不被照射。合适的照射条件为100到600mJ/cm2。然后在例如0.5％的碳酸钠水溶液中冲洗聚合物层82，以去除未硬化部分84，从而留下一个如图21A和21B所示的螺旋槽22。这就完成了纤维托座10的制造。
然后，如图22A和图22B所示，将光敏光纤20置于螺旋槽22中，用在第一、第二或第三实施例中描述的方法，即可制造出纤维内布拉格光栅。在完成上述过程后，去掉相位罩12，如图23A和23B所示，用一上部保护层86盖住纤维托座10和光敏光纤20。所述上部保护层86例如由日本东京JSR公司制造的紫外线硬化聚合物材料组成，该材料的商品名为Desolite。将这种材料覆盖到纤维托座10的上表面，盖住光敏光纤20，然后在紫外光照射下硬化。
最后一步是(图中未示出)，在光敏光纤20的端部连接上光纤连接器，或者一个光纤连接器和一个纤维终端连接器，以便最后形成封装的滤光器模块。
封装盒由基片80和两个聚合物层82和84构成，在简化制造过程、薄而紧凑的形状和对光纤的优良的保护性能方面，都有与第五实施例同样的优点。本实施例还有一个优点是，用示于图19A到21B的光刻工艺，螺旋槽22的形成可以有极高的尺寸精确度。特别地，螺旋槽的深度极为均一。这种精确性和均一性使得所得到的纤维内布拉格光栅同样均一和精确。由于精确性和可重复性，所述光刻工艺适用于大量的、自动化的生产。
下面描述第七个实施例。本实施例是这样制造纤维托座10的在一紫外线硬化聚合物层上刻图，从而在一陶瓷基片上形成一纤维模，然后用一个保护材料层覆盖到基片上，再去除前述纤维模，留下一沟槽来接纳光敏光纤20。在形成纤维内布拉格光栅后，覆盖上另一层保护材料，从而将滤光器封装起来。
图24A是用来说明制造滤光器的第一步的透视图。图24B是过图24A中的O-O线的剖面图。图25A到图30A示出了随后的各制造步骤的类似的透视图，图25B到图30B则示出了对应的剖面图。
参图24A和24B，一陶瓷基片80被一紫外线硬化聚合物层82覆盖，后者的厚度基本上等于光敏光纤20的直径。所述聚合物层82例如可以使用由NEF-125和/或NEF-150感光树脂构成的叠层膜。
参图25A和25B，通过用紫外光透过一个罩子(图中未示出)来照射，紫外线硬化聚合物层82被硬化。所述罩子只露出准备形成螺旋槽22的地方的螺旋区域84，使该区域84受到照射。可以使用与第六实施例相同的照射条件(100到600mJ/cm2)。
参图26A和26B，在例如0.5％的碳酸钠水溶液中冲洗聚合物层82，以去除未硬化部分88，从而留下一个纤维模88。
参图27A和27B，然后用一保护材料层比如Desolite覆盖所述基片80。所述材料的涂覆在液体状态进行，填充环绕纤维模88周围的空间直到基本上与纤维模88的上表面相平。将纤维模88的上表面擦拭干净，不使该表面上留有所述保护材料。然后，所述保护材料硬化，从而形成一个保护层90。将任何意外地留在了纤维模88上表面的保护层90都打磨掉。
如果使用Desolite，可以通过用紫外光照射来使保护层90硬化。但是，也可以用另外的材料来形成保护层90，比如环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸酯(polyurethane acrylate)或类似材料。
参图28A和28B，去除纤维模88而形成螺旋槽22，从而完成了纤维托座10的制造。纤维模88的去除可以用下述方法将纤维托座10浸渍于氢氧化钠溶液中若干分钟，然后将纤维模从基片80上剥落。氢氧化钠溶液的浓度应在百分之几的量级。
然后，如图29A和图29B所示，将光敏光纤20置于螺旋槽22中，用在第一、第二或第三实施例中描述的方法，即可制造出纤维内布拉格光栅。在形成纤维内布拉格光栅后，如图30A和30B所示，用一上部保护层86盖住光敏光纤20和保护层90。所述上部保护层86的材料例如为Desolite。同第六实施例一样，在光敏光纤20的端部连接上光纤连接器，或者一个光纤连接器和一个纤维终端连接器，以便最后形成滤光器模块。
为了便于去除纤维模88，纤维模88最好为如图31A所示的倒台形，即，使得纤维模88的上部比底部更宽。应当避免图31B所示的台形，因为这样的话纤维模88就更加难以去除。
同第六实施例一样，本第七实施例能够制造具有极高的尺寸精确度的均一的螺旋槽22，非常适合于大量的、自动化的生产。本实施例的另一个优点是，两个保护层86和90都可以由同一种材料比如Desolite组成，而这特别是为了保护光纤的目的。这样得到的封装盒因而提供了优良的保护性能，不仅能防机械冲击与振动，还能防潮防腐蚀。
下面描述第八个实施例。本实施例在纤维托座10上添加了一个保护底层。
图32A是用来说明在第八实施例中制造滤光器的第一步的透视图。图32B是过图32A中的P-P线的剖面图。图33A到图39A示出了随后的各制造步骤的类似的透视图，图33B到图39B则示出了对应的剖面图。
参图32A和32B，陶瓷基片80首先被一合适的紫外线硬化聚合物材料覆盖，该材料不必是感光树脂。然后在紫外光照射下使该材料硬化，从而在基片80上形成一个保护底层92。
随后的步骤与第七实施例中一样。如图33A和33B所示，在保护底层92上覆盖一层紫外线硬化聚合物层82，对后者光蚀刻图(图34A和34B)，形成示于图35A和35B的纤维模88。如图36A和36B所示形成一保护层90，然后将纤维模88去除，留下一条示于37A和37B中的螺旋槽22。如图38A和38B所示，将光敏光纤置于螺旋槽22内。在形成纤维内布拉格光栅后，如图39A和39B所示，添加一层上部保护层86。
在第八实施例中，光敏光纤20在所有方向上都受到合适的保护材料的保护。保护底层92和保护层90在纤维内布拉格光栅形成过程中和滤光器被封装后都对光敏光纤20加以保护。
图40A和40B示出了前述各实施例的一个改型。其中，纤维托座10和它的盖子是环形的。如图40A所示，光敏光纤20所在的螺旋槽从环形的纤维托座10(或者其盖子60)的内圆周上的一个开口94延伸到外圆周上的一个开口96。光敏光纤20被分为三段98a、98b和98c。纤维内布拉格光栅只在中段98b内形成。紫外光束不扫描内段98a和外段98c。光敏光纤20的两端从开口94、96中伸出，以便如图40B所示可以在其上连接光纤连接器100或者一个光纤连接器和一个纤维终端连接器。
图40B示出了一个如第四实施例所描述类型的盖子60，但是是环形的。第五、第六、第七和第八实施例都可以用环形的纤维托座10，以及类似的环形形状的保护层。
在前述实施例中，其它的改型也都是可能的。例如，第二和第三实施例可以合并，从而同时改变激光源30的脉冲重复频率和旋转台14的转速。还有，纤维托座10和相位罩12未必是圆盘，它们可以是任何形状，只需具有平整的表面可在上面形成圆形螺旋槽和圆形螺旋衍射光栅即可。
本领域技术人员可以明鉴，本发明还有可能存在另外的改型而不超越本发明权利要求的范围。
权利要求
1.一种滤光器，包括一个具有平整表面的纤维托座(10)，在所述表面上有螺旋槽(22)；和一条具有被周期性调制的折射率的、固定在所述螺旋槽(22)中的光纤(20)。
2.如权利要求1所述的滤光器，其中，所述光纤(20)是光敏的。
3.如权利要求1所述的滤光器，还包括一个覆盖所述纤维托座(10)的平整表面的盖子(60)，以保护所述光纤(20)。
4.如权利要求2所述的滤光器，其中，所述纤维托座(10)和所述盖子(60)是由下述材料之一制成的氧化铝、氧化钛、氮化铝和氮化硼。
5.如权利要求3所述的滤光器，其中，所述纤维托座(10)和所述盖子(66)的热膨胀系数不低于10-7/℃不高于10-6/℃。
6.如权利要求3所述的滤光器，其中，所述盖子(60)用一种粘合剂固定在所述纤维托座(10)上。
7.如权利要求6所述的滤光器，其中，所述粘合剂为环氧树脂粘合剂。
8.如权利要求6所述的滤光器，其中，所述纤维托座(10)具有一个沟槽(64)，用来收纳所述粘合剂的多余部分。
9.如权利要求3所述的滤光器，其中，所述盖子(66)由一形成于所述纤维托座(10)上的保护层构成。
10.如权利要求1所述的滤光器，其中，所述纤维托座(10)包括一个平整的基片(80)；和一个在构成所述螺旋槽(22)的螺旋区域之外的区域覆盖所述平整基片(80)的聚合物层(82)。
11.如权利要求10所述的滤光器，还包括一个覆盖所述平整基片(80)的保护底层(92)，该保护底层在所述聚合物层(82)下方和所述螺旋槽(22)内。
12.如权利要求11所述的滤光器，其中，所述保护底层(92)是由一种聚合物材料组成的。
13.如权利要求10所述的滤光器，还包括一个覆盖所述聚合物层(82)和所述光纤(20)的上部保护层(86)。
14.如权利要求13所述的滤光器，其中，所述上部保护层(86)是由一种聚合物材料组成的。
15.如权利要求10所述的滤光器，其中，所述纤维托座(10)是环形盘形状，所述螺旋槽(22)从所述纤维托座(10)的外圆周上延伸到所述纤维托座(10)的内圆周。
全文摘要
一种滤光器，包括一个具有平整表面的纤维托座(10)，在所述表面上有螺旋槽(22)；和一条具有被周期性调制的折射率的、固定在所述螺旋槽(22)中的光纤(20)。
文档编号G02B27/42GK1515917SQ03123529
公开日2004年7月28日 申请日期1998年7月7日 优先权日1997年7月8日
发明者寺尾芳孝, 野本勉, 西木玲彦, 彦 申请人:冲电气工业株式会社