专利名称：具有矩形反射函数的低反射率光纤布喇格光栅的制作方法
技术领域：
本发明存在于光纤布喇格光栅领域中，所述光纤布喇格光栅是在光波导中通过将光敏波导纤芯向干涉图样曝光形成的，而所述干涉图形是由重叠光化学辐射的光束形成的。
背景技术：
人们已知，当沿用于在光波导中反射(或透射)光波长的光纤布喇格光栅的长度具有恒定的耦合强度时，所述光纤布喇格光栅的反射函数具有不希望有的旁瓣。对于窄带和稠密波分多路复用而言，尤其不希望有这些旁瓣。例如，在第5,309,260号和第5,388,173号美国专利中讨论了这些旁瓣带来的问题以及试图消除这些旁瓣。
对于许多目的而言，光纤布喇格光栅的最佳反射函数是在“礼帽”(tophat)结构中具有平顶和几乎是垂直边的三边(three-sided)矩形。现有技术建议的制作光纤布喇格光栅的不同方法迄今做不到这一点。
发明概述对于低反射率光栅，通过使光栅的包络函数为sinc函数，能够很接近地近似光纤布喇格光栅的反射率函数所需的礼帽结构。通过使两条成角度的写光束产生干涉，能够得到用于光栅的包络函数的sinc函数，两条光束之一具有平面波前，而另一条光束被衍射。衍射光束最好通过一条其取向与光纤成横向的狭缝衍射，然后传播至远场，它在那里以入射在纤芯上的干涉图形与一条平面波前光束干涉。平面波前光束的强度最好至少是衍射光束的两倍。这种将sinc函数加在光栅的包络函数上的方式使得在sinc函数每次通过零时光栅相位改变Π，它有助于用光栅的反射率函数来近似所需的礼帽结构。
图1是示出重叠的光化学写光束以一种图样进行干涉而在光纤上形成光栅的一种较佳安排的示意图。
图2以曲线图表示作为图1安排中的衍射光束的幅度示出的sinc函数。
图3以曲线图表示图2的sinc函数光束的强度。
图4以曲线图表示图1的衍射光束和平面波束的干涉得到的合成幅度。
图5以曲线图表示图1的重叠光束的干涉图样的强度。
图6-9以曲线图表示光栅的光谱反射率，这些光栅是通过在图2的sinc函数的中央峰的每一侧使用不同数目的波瓣做出的。
图10-13以曲线图表示光栅的光谱反射率，这些光栅使用图2的sinc函数的六个波瓣，并且对于Δn使用不同的值。
详细描述本发明起因于下述发现，即，加在光纤布喇格光栅的光栅包络上的sinc函数允许光栅的光谱反射率函数趋向所需的礼帽结构。该结构具有近于垂直的边和平顶。它还包括承认一种把sinc函数加在光栅包络上以得到所需的礼帽反射率的简单而有效的方法。首先将描述制作本发明的光栅的方法。然后，将说明本发明的光栅的反射率特性及其数学依据。
为形成具有礼帽形状的光谱反射率的光纤布喇格光栅，将两条入射在光敏波导上的成角度的光化学辐射的光束按干涉图样重叠。两条光束之一最好具有平面波前，而另一条光束最好被衍射，以将sinc函数加在确定光栅包络的干涉图样上。在本领域中，大部分完成这一做法的技术是众所周知的。可以制得用于诸如光纤的波导的光敏纤芯，从而其折射率响应于光化学辐射(诸如UV光)的图样而改变。曝光的时间和强度以及干涉图样的结构确定了由写光束刻印在纤芯上的的折射率变化的图样。为形成光纤布喇格光栅，已经提出了各种光束安排和图样结构。
在图1的较佳安排中，具有光敏纤芯的光纤10相应于一对重叠光束15和20的干涉而刻有光栅图样。这些光束最好从单个的光化学辐射源11导出。来自源11的光束12被分束器13分成主光束15和副光束16。主光束15最好具有平面波前，为完成这件事可以使用图1中未示出的光学元件。
副光束16由反射镜17和18引导至与主光束15成一角度的取向。然后，光束16由反射镜18引导通过衍射狭缝19，该狭缝横向取向或与光纤10垂直。穿过狭缝19的光束20被衍射并且传播至远场，在那里，它与主光束15以重叠入射在光纤10上的方式干涉。
衍射光束20把sinc函数加在与光束15一起产生的干涉图样上。这样做又将sinc函数加在刻印在光纤10中的光纤折射率变化图样的包络函数上。这样做使得光栅相位在sinc函数每次经过零时改变π，并且给光栅一个所需礼帽形式的反射率函数。如下面所说明的，具有所需礼帽形状的反射率函数的富里埃变换是sinc函数，它是衍射光束加在低反射光栅的光栅包络上的。
图2示出衍射光束20之幅度的sinc函数形式。在中央幅度峰的每一侧出现一些递减的旁瓣，而对于每个旁瓣，其幅度通过零值两次。
sinc函数光束20之强度示于图3，而它是由对图2的幅度取平方得出的。强度是一个可测量的量。
当衍射光束20与平面波光束15在光纤10处干涉得出的幅度如图4所示。图中也示出了在每个过零处的π相位改变。
由重叠光束15和20形成的干涉图样的强度如图5所示。此强度是由对图4的数据取平方得出的，并且它相应于刻在光纤10上的干涉图样的折射率改变。把sinc函数加在此图样上，得出了光栅反射率的礼帽近似。
图6至13示出算得的光栅反射率，该光栅是用如上所述的sinc函数包络做成的。通过有选择地掩蔽光束20的边缘，可以使用光束20的sinc函数的不同的旁瓣数。图6示出在图2的sinc函数的中央峰每一侧使用单个旁瓣得出的反射率。反射率函数的边具有显著的斜率，而顶部不是理想地平坦。在中央峰每一侧增加sinc函数旁瓣的数目至三个旁瓣，得出了图7所示的改进的反射率。通过使用更多个sinc函数的旁瓣，能够得到依次更接近所需礼帽结构的近似，这从图8和图9可以显见，图8示出在中央峰的每一侧使用6个旁瓣，而图9示出在中央峰的每一侧使用12个旁瓣。
图10至13示出算得的增加光栅反射率的反射率光谱效果。通过增加Δn来增加反射率，这可以通过增加光纤10对光化学光束曝光的时间和/或强度来做到。图10至13的计算在sinc函数中央峰的每一侧使用了6个旁瓣。这些图示出了对于低反射率与礼帽结构的良好近似，诸如在图10中约为7％，在图11中约为18％，而在图12中约为50％。在更高的反射率处，反射率光谱所需的礼帽形状开始变坏。例如，如图13所示，90％的反射率具有显著倾斜的边。
支持图2至13的曲线图表示的数学如下对于光纤相位光栅，折射率分布n表示为n=nao+Δn[1+f(z)cos(Kz)]这里nao是波导纤芯的折射率，Δn是纤芯折射率产生的差值，f(z)是光栅的包络函数，而K=2πΛ]]>是光栅周期为Λ的光栅波矢。
对于小反射率小于约50％的反射率)，如图10至12所示，光栅的反射函数是其包络函数f(z)的富里埃变换。由于反射函数所需的矩形礼帽结构之富里埃变换是sinc函数，f(z)最好是sinc函数，以使光栅产生所需的结果。如前面所作的说明，通过将一平面光束与一衍射光束进行干涉而得到这样的sinc函数，而衍射光束最好是通过对要刻印的光纤横向取向的狭缝衍射的。
每个光栅的长度取决于所需的带宽和包括在sinc图样中的波瓣数目。通常为数毫米，而最大可达约10mm。按照图6至13的算得的曲线图结果做成的光栅能够达到下述典型参数长度≥1cmnao=1.444Λ=0.5365mmΔn=0.0005f(z)=sinc(Az)=sin(Az)(Az)]]>其中A=0.015项A以Δλ=Aλ22πn]]>与反射光谱的光谱宽度Δλ相联系，这里λ是滤光器的中心波长，而n是波导的有效折射率。
衍射光束20最好在与平面波前光束15干涉之前传播至远场，而远场由下式给出z>>r2λ]]>这里，z是从孔至干涉平面的距离，λ是光波波长，r是衍射狭缝的宽度。
选择两条光束15和20之间的角度，以获得所需的光栅中心波长(布喇格匹配波长)。此角度受光束波长(典型地它是240纳米)的影响。布喇格波长=2naoλ2sinθ]]>这里θ是写光束之间的半角。
由此得出写光束之间的角度一般为26度，而这些角度最好是可变的，从而可用反射率函数的所需的中心波长来刻印光栅。
平面波光束15最好具有至少两倍于衍射光束的幅度。更强的平面光束15改进了光栅反射率函数对所需的礼帽形式的近似。
可以有其他的方法给衍射光束以sinc函数的形式。边缘衍射是一种可能。
权利要求
1．一种光纤布喇格光栅，其特征在于，所述光栅相应于入射在光纤纤芯上的光化学辐射之变化的干涉图样强度，具有变化的折射率图样，所述干涉图样来自平面波前光束和衍射光束的干涉。
2．如权利要求1所述的光栅，其特征在于所述光栅的反射率高至大约50％。
3．如权利要求1所述的光栅，其特征在于所述光栅的长度从1mm至大约10mm。
4．如权利要求1所述的光栅，其特征在于所述衍射光束通过对所述光纤横向取向的狭缝衍射。
5．如权利要求1所述的光栅，其特征在于所述光束从单个源引出。
6．如权利要求1所述的光栅，其特征在于选择光束之间的角度以得出所需的所述光栅的反射中心波长。
7．如权利要求1所述的光栅，其特征在于所述平面波前光束具有至少两倍于所述衍射光束的强度。
8．如权利要求1所述的光栅，其特征在于安排所述衍射光束以施加sinc函数至所述光栅的包络函数。
9．一种制作具有变化的折射率图样的纤芯之光纤布喇格光栅，其特征在于所述方法包括a．提供具有能由光化学辐射得出干涉图样的纤芯的光纤；b．安排成角度的光化学辐射的光束，以形成入射在所述纤芯上的干涉图样；c．安排所述光束之第一光束，使之具有平面波前；d．安排所述光束之第二光束，使之被衍射。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于包括安排所述干涉图样，使之至少在1厘米的纤芯长度上延伸。
11．如权利要求9所述的方法，其特征在于包括使所述第二光束通过对所述光纤横向取向的狭缝衍射。
12．如权利要求9所述的方法，其特征在于安排所述平面波光束，使之具有至少两倍于所述衍射光束的强度。
13．如权利要求9所述的方法，其特征在于包括安排所述光束之间的角度，以获得所需的所述光栅的反射中心波长。
14．如权利要求9所述的方法，其特征在于包括从单个源导出光束。
15．如权利要求9所述的方法，其特征在于使所述第二光束衍射，以施加sinc函数至所述光栅的包络函数。
16．一种光纤布喇格光栅，它具有的折射率分布n可表示为n=nao+Δn[1+f(z)cos(Kz)]这里nao是所述光栅的纤芯的折射率，Δn是在所述纤芯的折射率中产生的差值，f(z)是所述光栅的包络函数，以及K=2πΛ]]>是对于光栅周期Λ的光栅波矢，其特征在于所述光栅包括包络函数f(z)，它是sinc函数，而所述sinc函数是由平面波前光束和衍射光束相干涉而得到的。
17．如权利要求16所述的光栅，其特征在于所述sinc函数表示为f(z)=sinc(Az)=sin(Az)(Az)]]>这里A以下式与所述光栅的反射光谱之光谱宽度Δλ相关Δλ=Aλ22πn]]>
18．如权利要求16所述的光栅，其特征在于所述光栅的反射率高至大约50％。
19．如权利要求16所述的光栅，其特征在于所述光栅的长度从1mm至大约10mm。
20．如权利要求16所述的光栅，其特征在于所述衍射光束通过对所述光纤横向取向的狭缝衍射。
21．如权利要求16所述的光栅，其特征在于选择所述平面波前光束与所述衍射光束之间的角度以得出所需的所述光栅的反射中心波长。
22．如权利要求16所述的光栅，其特征在于所述平面波前光束具有至少两倍于所述衍射光束的强度。
23．如权利要求16所述的光栅，其特征在于所述平面波前光束和所述衍射光束是从单个源引出的。
全文摘要
低反射率的光纤布喇格光栅给出方形的反射率函数,其形式为具有平顶的礼帽结构,而没有不想要的旁瓣。这种用于光纤布喇格光栅的反射率函数是这样得到的,即,通过将衍射光束(20)与平面波前光束(15)相干涉,从而将sinc函数加在把光栅刻印在光纤(10)上的合成干涉图样上。
文档编号G02B5/18GK1216116SQ97193777
公开日1999年5月5日 申请日期1997年2月4日 优先权日1996年2月14日
发明者唐纳德B·凯克, 罗伯特A·莫达维斯 申请人:康宁股份有限公司