用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法

专利名称：用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法
技术领域：
本发明属于信息技术领域的光纤通信方向。
背景技术：
近年来，随着光纤通信速率的提高和密集波分复用(DWDM)光纤通信系 统的广泛应用，对色散补偿技术提出了越来越高的要求。目前色散补偿方法分 为(1)采用光纤补偿；(2)采用光纤光栅补偿；(3)频谱反转；(4)采用电 器件补偿等等。目前现场多采用光纤色散补偿方式，光纤光栅色散补偿方式使 用很少，究其原因，主要是由于其为窄带器件，不能象光纤那样在一个宽的光 谱范围内补偿色散，从而限制了其作为色散补偿器件的使用。但是，随着光纤 通信速率的提高以及互联网的发展，传统的光纤色散补偿器由于其难以对色散 调谐，电色散补偿方式受限于传输速率和补偿量，必然会遇到难以克服的困难。
光纤光栅由于其色散补偿量可灵活在线调整，使其在高速互联网、无源光 网络和光纤路由灵活多变的高速系统有了其无可比拟的优势。啁啾光纤光栅可 以具有很大的色散，IOO毫米长的啁啾光纤光栅就足以实现补偿IOO km光纤的色
散，因而很容易实现器件的小型化啁啾光纤光栅一般制作于普通单模光纤或 是与之兼容的特殊光纤上，且长度很短，所以附加损耗很小。而且几乎不受光 纤非线性影响啁啾光纤光栅通常对信道分别进行补偿。可以通过设计，很方 便在色散补偿的同时实现色散斜率补偿。并且还对放大器的ASE噪声有附加的滤 波功能。另外，光纤光栅的制备工艺也日趋成熟，短波长损耗、温度补偿封装、 偏振模色散(PMD)的减小与消除以及光纤光栅的使用寿命等问题也先后被解决， 因此啁啾光纤光栅作为色散补偿方案具有良好发展前景，是色散补偿技术发展 的重要方向。到目前为止，制作取样光纤光栅的方法已受到广泛和深入的研究，己有的 方法包括(l)研磨法；(2)相位掩模+抖动法；(3)逐点写入法；(4)振 幅掩模法等。研磨法由于光学加工工艺限制，只能靠有经验的老师傅徒手磨； 相位掩模+抖动法和逐点写入法都需要高精度的机械移动设备，难以达到希望的 加工精度；振幅掩模法需要对掩模板复杂设计，难以得到某些特殊结构的取样 光栅。现有取样光纤光栅制作方法一般为拉伸光纤两次曝光法刻制取样光纤光 栅，而且用手拉伸光纤很难保证在制作取样光栅的过程中手不抖动，用机械装 置拉伸光纤这种光滑的细玻璃丝，难免会出现回程误差等问题。采用高精度线 切割机，以慢走丝的方式、用金属材料制作振幅掩模版，虽然其可以部分降低 取样光纤光栅制作成本，提高灵活性，但其需釆用昂贵的进口线切割设备，对 于轴向渐变占空比或渐变取样周期复杂的取样光纤光栅设计复杂，使得一般的 线切割机程序很难完成。
北京交通大学曾经在知名军工厂采用昂贵的进口线切割设备，加工过简单 的、矩形周期结构的振幅掩模板，测试结果表明，其周期均匀性极差，不能满 足高质量取样光栅的精度要求。
另外，北京交通大学也曾经采用光学玻璃研磨法制作振幅掩模板，由于光 学加工工艺限制，只能靠有经验的老师傅徒手磨，制作出的取样光栅性能也很 差。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有取样光纤光栅振幅掩模板制作方 法灵活性差、结构复杂、成本高和制作精度低等问题，本发明提出一种用于取 样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法。
本发明的技术方案
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤
4步骤l，利用光纤拉丝塔拉制透明石英棒或不透明石英棒，其直径为d:
式中c为真空中的光速，"^为透明石英棒的有效折射率，Av为取样光纤 光栅的峰间距，^是每一个振幅采样周期内透明石英棒和不透明石英棒的和；
步骤2，将拉制的透明石英棒或不透明石英棒切割成透明石英棒短棒或不透 明石英短棒；透明石英棒或/和不透明石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模 板的一个取样单元；
步骤3，将上述透明石英棒或/和不透明石英短棒紧密排列并固定在振幅掩 模板夹具上，构成振幅掩模板。
所述的透明石英短棒或不透明石英短棒为圆柱体或部分圆柱体，部分圆柱 体研磨掉的部分的弦高小于石英短棒的直径。
所述的不透明石英棒为掺入7702的石英材料或透明石英棒外镀钛、银、金或 铜膜。
所述的石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具上，其方式为透明石英 短棒或透明石英短棒与不透明石英短棒交错排列。
步骤2中所述的切割成透明石英短棒或不透明石英短棒的长度均为/2，/22/3 /3为振幅掩模板夹具的宽度。
本发明的有益效果
本发明充分利用光纤拉丝塔拉制亚微米量级纵向均匀光纤丝的成熟工艺， 拉制振幅掩模板所需的各种直径要求的石英棒，切割石英棒为基本相同长度的 短棒。透明石英短棒与不透明石英短棒交错排列，构成制作取样光纤光栅振幅 掩模板的周期结构取样单元，采用简单方法组装和排列这些单元，构成所需振 幅掩模板。通过相邻单元相同直径石英棒或不同直径石英棒，随心所欲的设计 和实现各种幅度掩模。其制作方法灵活、简单和成本低(众所周知，目前光纤非常便宜)，制作精度非常高；具有很大的商业价值。


图1 25GHz透镜总数为34时全透明棒取样光栅峰间距。
图2 50GHz透镜总数为68时全透明棒取样光栅峰间距。
图3 100GHz透镜总数为136时全透明棒取样光栅峰间距。
图4 200GHz透镜总数为272时全透明棒取样光栅峰间距。
图5 50GHz透镜总数为8时取样光栅峰间距。
图6 50GHz取样光栅峰间距(透明棒与不透明棒l:l交错排列时)。
图7 50GHz取样光栅峰间距(透明棒与不透明棒1:2交错排列时)。
图8振幅掩模板间插排列方式(经研磨后石英短棒)。
图9石英短棒粘接后制成的振幅掩模板(全部为透明圆形棒)。
图10振幅掩模板夹具
图11石英短棒粘接后制成的振幅掩模板(1根透明棒间插1根不透明棒)。 图12石英短棒粘接后制成的振幅掩模板(l根透明棒间插2根不透明棒)。 图13用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作示意图。
具体实施方式
实施例一
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤 步骤l，利用光纤拉丝塔拉制透明的石英棒，透明的石英棒的纯度为999， 石英棒为圆柱体，直径为^
d =-= 4.1096/mw
式中^3xl0、"为真空中的光速， ".46为光纤光栅的有效折射率， Au = 25Gife为取样光纤光栅的峰间距，*是每一个振幅采样周期内透明石英棒和 不透明石英棒的和，*=1;步骤2，切割透明的石英棒，切割成长度/2=25附附的石英短棒；每个透明的 石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模板的一个取样单元；振幅掩模板夹具,
见图IO，其宽度为/3=25附附，振幅掩模板夹中间设一空间，中间空间的宽度为/,， ^光纤包层的外径；
步骤3，将上述圆柱体的透明石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具 上，见图9，透明的石英短棒数目N=34，构成振幅掩模板。25GHz采样光栅峰 间距如图l所示。
实施例二
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤
步骤l，利用光纤拉丝塔拉制石英棒，透明的石英棒的纯度为999，石英棒
为圆柱体，直径为"
d =-^-= 2.0548wm
式中^3xl()8m〃为真空中的光速，"《=1.46为光纤光栅的有效折射率， Au-50G他为取样光纤光栅的峰间距，^是每一个振幅采样周期内透明石英棒和 不透明石英棒的和，
步骤2，切割透明的石英棒，切割成长度^-25.5mm的石英短棒；每个透明 的石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模板的一个取样单元；振幅掩模板夹 具，见图IO，其宽度为/3 = 24.5附《，振幅掩模板夹中间设一空间，中间空间的 宽度为/,， /,》光纤包层的外径；
步骤3，将上述透明的圆柱体的石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具 上，见图9，透明的石英短棒数目N=68，构成振幅掩模板。50GHz采样光栅峰 间距如图2所示。
实施例三
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤-步骤l，利用光纤拉丝塔拉制石英棒，透明的石英棒的纯度为999，石英棒 为圆柱体，直径为J:
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中0 = 3><108 7"为真空中的光速， # =1.46为光纤光栅的有效折射率， At^lOOG他为取样光纤光栅的峰间距，^是每一个振幅釆样周期内透明石英棒和 不透明石英棒的和，*=1;
步骤2，切割透明的石英棒，切割成长度/2=25 ^的石英短棒；每个透明的 石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模板的一个取样单元；振幅掩模板夹具， 见图IO，其宽度为/3=25WW，，振幅掩模板夹中间设一空间，中间空间的宽度为 /,， /,^光纤包层的外径；
步骤3，将上述透明的圆柱体的石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具 上，见图9，透明的石英短棒数目N=136，构成振幅掩模板。lOOGHz采样光栅 峰间距如图3所示。
实施例四
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤
步骤l，利用光纤拉丝塔拉制石英棒，透明的石英棒的纯度为999，石英棒
为圆柱体，直径为c/:<formula>formula see original document page 8</formula>
式中^3xlO^"为真空中的光速， .=1.46为光纤光栅的有效折射率， Au = 200G论为取样光纤光栅的峰间距，*是每一个振幅采样周期内透明石英棒和 不透明石英棒的和，*=1;
步骤2，切割透明的石英棒，切割成长度/2=26廳的石英短棒；每个透明的 石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模板的一个取样单元；振幅掩模板夹具， 见图IO，其宽度为/3=25^ ，振幅掩模板夹中间设一空间，中间空间的宽度为A，/,》光纤包层的外径；；
步骤3，将上述透明的圆柱体的石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具 上，见图9，透明的石英短棒数目N=272，构成振幅掩模板。200GHz采样光栅 峰间距如图4所示。
实施例五
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤 步骤l，利用光纤拉丝塔拉制石英棒，透明的石英棒的纯度为999，石英棒 为圆柱体，直径为"
<formula>formula see original document page 9</formula>式中&3><108附"为真空中的光速，=1.46为光纤光栅的有效折射率， At^50G他为取样光纤光栅的峰间距，^是每一个振幅采样周期内透明石英棒和 不透明石英棒的和，^二1;
步骤2，切割透明的石英棒，切割成长度/2=26.5附附的石英短棒；每个透明 的石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模板的一个取样单元；振幅掩模板夹 具，见图IO，其宽度为/3=25wW,振幅掩模板夹中间设一空间，中间空间的宽 度为/,， /,^光纤包层的外径；
步骤3，将上述透明的圆柱体的石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板 夹具上，透明的石英短棒数目N-8，并将透明的石英短棒研磨成半圆形，构成 振幅掩模板，见图9。 50GHz采样光栅峰间距如图5所示。
实施例六
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤 步骤l，利用光纤拉丝塔拉制透明的和不透明的石英棒，透明的石英棒的纯 度为999，不透明石英棒为掺入乃A的石英材料，其直径为^/:
<formula>formula see original document page 9</formula>式中^3xl0^"为真空中的光速，~, =1.46为光纤光栅的有效折射率， 么^ = 50(7他为取样光纤光栅的峰间距，^是每一个振幅采样周期内透明石英棒和 不透明石英棒的和，*=2;
步骤2，切割透明的和不透明的石英棒，切割成长度均为/2=25 ^的石英短 棒；透明石英棒和不透明石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模板的一个取 样单元；振幅掩模板夹具，见图IO，其宽度为/,25mm，振幅掩模板夹中间设一 空间，中间空间的宽度为/,， /,》光纤包层的外径；不透明的石英棒为透明的石 英棒镀银膜。
步骤3，将上述透明石英短棒与不透明石英短棒交错紧密排列并固定在振幅 掩模板夹具上，见图8、 11、 12，透明的石英短棒与不透光石英短棒数目均为 N=8，总共排列16个，构成振幅掩模板。50GHz采样光栅峰间距如图6所示。
实施例七
用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，该制作方法的步骤
步骤l，利用光纤拉丝塔拉制透明的石英棒，石英棒的纯度为999，其直径 为"
d =-^-= 0.6849画
2 x 3 x A v x n睹.
式中^3xl0^〃为真空中的光速，"# =1.46为光纤光栅的有效折射率， /^-50G他为取样光纤光栅的峰间距，t是每一个振幅采样周期内透明石英棒和 不透明石英棒的和，*=3;
步骤2，切割透明的石英棒，切割成长度/2=25附附的石英短棒；不透明石英 短棒为透明石英棒外镀钛膜，透明石英棒和不透明石英短棒构成制作取样光纤 光栅振幅掩模板的一个取样单元;振幅掩模板夹具，见图IO，其宽度为/3= 25加w， 振幅掩模板夹中间设一空间，中间空间的宽度为卩，夂》光纤包层的外径；不透 明的石英棒为透明的石英棒镀金膜。步骤3，将上述透明石英短棒与不透光石英短棒交错紧密排列并固定在振
幅掩模板夹具上，透明石的英短棒为9根N-8，不透光石英短棒为8根，总计 数目N-16，总共排列24根，构成振幅掩模板，见图8、 11、 12。 50GHz采样光 栅峰间距如图7所示。
为了进一步提高取样光栅的精细度，可采用透明石英短棒与不透明石英短 棒间插排列，同时也增加了取样光栅设计的灵活性。
图12为1根透明石英短棒间插2根不透明石英短棒粘接后制成的振幅掩模 板。所使用的的透明的和不透明的石英短棒均为部分圆柱体，不透明石英短棒 为透明石英棒外镀铜膜。
利用光纤拉丝塔拉制所需的透明石英棒，利用拉丝塔的测径仪和控制装置 精确控制石英棒外径，配合石英薄板和传统简单的自动平面光学研磨技术，组 装出用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板。
为了提高取样光栅的精细度，需要尽可能多的石英短棒紧密排列， 一般要 求N^16。 N为石英棒的根数。
振幅掩模板夹具为中空的光学平板或金属平板，如图io所示。
图13用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作示意图。/。为相位掩模板 的宽度，/2为振幅相位掩模板的宽度，A》光纤包层的外径；图13中1为紫外 光、2为振幅掩模板、3为相位掩模板、4为光纤。
不透明石英短棒为透明石英棒外镀铜膜或钛、银、金膜实现。
权利要求
1.用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方法，其特征在于该制作方法的步骤步骤1，利用光纤拉丝塔拉制透明石英棒或不透明石英棒，其直径为d<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>c</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>k&Delta;v</mi><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>n</mi> <mi>eff</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math></maths>式中c为真空中的光速，neff为透明石英棒的有效折射率，Δv为取样光纤光栅的峰间距，k是每一个振幅采样周期内透明石英棒和不透明石英棒的和；步骤2，将拉制的透明石英棒或不透明石英棒切割成透明石英棒短棒或不透明石英短棒；透明石英棒或/和不透明石英短棒构成制作取样光纤光栅振幅掩模板的一个取样单元；步骤3，将上述透明石英棒或/和不透明石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具上，构成振幅掩模板。
2. 根据权利要求1所述的用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方 法，其特征在于透明石英短棒或不透明石英短棒为圆柱体或部分圆柱体，部 分圆柱体研磨掉的部分的弦高小于石英短棒的直径。
3. 根据权利要求1所述的用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方 法，其特征在于不透明石英棒为掺入7702的石英材料或透明石英棒外镀钛、银、 金或铜膜。
4. 根据权利要求1所述的用于取样光纤光栅制作的振幅掩模板的制作方 法，其特征在于石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具上，其方式为透 明石英短棒或透明石英短棒与不透明石英短棒交错排列。
5. 根据权利要求1所述的用于取样光纤光栅制作的振幅模板的制作方法， 其特征在于步骤2中所述的切割成透明石英短棒或不透明石英短棒的长度均 为/2， /2>/3 /3为振幅掩模板夹具的宽度。
全文摘要
本发明公开了一种用于取样光纤光栅制作的振幅模板的制作方法，属于信息技术领域的光纤通信方向。该方法的步骤1，利用光纤拉丝塔拉制直径为dd＝c/(2kΔv·n_eff)石英棒，式中c为真空中的光速，n_eff为石英棒的有效折射率，Δv为取样光纤光栅的峰间距，k是每一个振幅采样周期内透明石英棒和不透明石英棒的和；步骤2，切割石英棒，切割成长度为l₂的石英短棒，l₂≥l₃，l₃为振幅掩模板夹具的宽度；步骤3，将上述石英短棒紧密排列并固定在振幅掩模板夹具上，构成振幅掩模板。通过相邻单元随心所欲的设计，实现各种幅度掩模。其制作方法灵活、简单和成本低(众所周知，目前光纤非常便宜)，制作精度非常高。
文档编号G03F1/26GK101539719SQ20091008214
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者傅永军, 李唐军, 王目光, 简水生, 钟康平 申请人:北京交通大学