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短周期、長周期與Chirp光纖光柵的制作方法

發布時間:2014-05-08

目前主要的成柵有下列幾種:

1)短周期光纖光柵的制作

a)內部寫入法 內部寫入法又稱駐波法。將波長488nm的基模氛離子激光從壹個端面藕合到錯摻雜光纖中,經過光纖另壹端面反射鏡的反射,使光纖中的人射和反射激光相幹涉形成駐波。由于纖芯材料具有光敏性,其折射率發生相應的周期變化,于是形成了與幹涉周期壹樣的立體折射率光柵,它起到了Bragg反射器的作用。已測得其反射率可達90%以上,反射帶寬小于200MHZ。此方法是早期使用的,由于實驗要求在特制鍺摻雜光纖中進行,要求鍺含量很高,芯徑很小,並且上述方法只能夠制作布拉格波長與寫入波長相同的光纖光柵,因此,這種光柵幾乎無法獲得任何有價值的應用。用准分子激光幹涉的方法,Meltz等人首次制作了橫向側面曝光的光纖光柵。

b)用兩束相幹紫外光束在接錯光纖的側面相幹,形成幹涉圖,利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由Λ=λuv/(2sinθ)給出。可見,通過改變人射光波長或兩相幹光束之間的夾角,可以改變光柵常數,獲得適宜的光纖光柵。但是要得到高反射率的光柵,則對所用光源及周圍環境有較高的要求。這種光柵制造方法采用多脈沖曝光技術,光柵性質可以精確控制,但是容易受機械震動或溫度漂移的影響,並且不易制作具有複雜截面的光纖光柵,目前這種方法使用不多。

c)光纖光柵的單脈沖寫入 由于難分子激光具有很高的單脈沖能量,聚焦後每次脈沖可達J·cm-2,近年來又發展了用單個激光脈沖在光纖上形成高反射率光柵。英國南安普敦大學的Archambanlt等人對此方法進行了研究,他們認爲這壹過程與二階和雙光子吸收有關。由于光柵成柵時間短,因此環境因素對成柵的影響降到了最低限度。此外,此法可以在光纖技制過程中實現,接著進行塗覆,從而避免了光纖受到額外的損傷,保證了光柵的良好強度和完整性。這種成柵方法對光源的要求不高,特別適用于光纖光柵的低成本、大批量生産。

d)相位掩膜法 將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置于探光纖上,相位掩膜具有壓制零級,增強壹級衍射的功能。紫外光經過掩膜相位調制後衍射到光纖上形成幹涉條紋,寫入周期爲掩膜周期壹半的Bragg 光柵。這種成柵方法不依賴于人射光波長,只與相位光柵的周期有關,因此,對光源的相幹性要求不高,簡化了光纖光柵的制造系統。這種方法的缺點是制作掩膜複雜,爲使KrF准分子激光光束相位以知間。隔進行調制,掩膜版壹維表面間隙結構的振幅周期被選爲4π(nilica-1)/(A·λKrF)=π,這裏A是表面間隙結構的振幅。這樣得到的相位掩膜版可使准分子激光光束通過掩膜後,零級光束小子衍射光的5%,人射光束轉向+1和-1級衍射,每級衍射光光強的典型值比總衍射光的35%還多。用低相幹光源和相位掩膜版來制作光纖光柵的這種方法非常重要,並且相位掩膜與掃描曝光技術相結合還可以實現光柵藕合截面的控制,來制作特殊結構的光柵。該方法大大簡化了光纖光柵的制作過程,是目前寫入光柵極有前途的壹種方法。

2)長周期光纖光柵的制作

a)掩膜法 掩膜法是目前制做長周期光纖光柵最常用的壹種方法。實驗中采用的光纖爲光敏光纖,PC爲偏振控制器,AM爲振幅掩膜,激光器照射數min後,可制成周期60μm~1mm範圍內變化的光柵,這種方法對紫外光的相幹性沒有要求。

b)逐點寫人法 此方法是利用精密機構控制光纖運動位移,每隔壹個周期曝光壹次,通過控制光纖移動速度可寫入任意周期的光柵。這種方法在原理上具有最大的靈活性,對光柵的藕合截面可以任意進行設計制作。原則上,利用此方法可以制作出任意長度的光柵,也可以制作出極短的高反射率光纖光柵,但是寫人光束必須聚焦到很密集的壹點,因此這壹技術主要適用于長周期光柵的寫入。它的缺點是需要複雜的聚焦光學系統和精確的位移移動技術。目前,由于各種精密移動平台的研制,這種長周期光纖光柵寫入方法正在越來越多的被采用。

3)Chirp光纖光柵的制作

a)兩次曝光法 這種方法可采用較簡單的制作均勻光纖光柵的曝光光路。第壹次曝光在光纖上並不形成光柵,而是僅形成壹個漸變的折射率梯度,第二次曝光過程則是在第壹次曝光區域上繼續寫入周期均勻的光柵,兩次效應叠加便構成了壹個ChirP光柵。這種方法的優點是利用了制作均勻光柵的曝光光路,使得制作方法大大簡化。

b)光纖彎曲法 這是在均勻光柵中引人光纖的機械變形,形成Chirp光柵的壹種方法,由于光纖的彎曲角度漸變,造成光柵的周期漸變。這種方法引入的ChirP量不能過大,否則柵齒傾斜,會引起導模藕合成包層模而造成附加損耗。

c)錐形光纖法 這是利用錐形光纖形成ChirP光柵的壹種方法。可以在錐形光纖兩端施加應力發生形變,然後寫人均勻周期的光柵,應力釋放後,由于錐體各部分的伸長形變不同,造成光柵周期的軸向發生均勻變化,形成ChirP光柵。也可以先在錐形光纖上寫人均勻光柵,然後再施加應力,可以得到相同的效果。
d)應力梯度法 與錐形光纖法原理相同,只是光纖中應力大小是通過將光纖粘在底座上的膠含量來調節。它的優點是可以分別調節中心波長和光柵的帶寬,這對于制作高性能的色散補償器具有重要的意義。 e)複合Chirp光柵法 將壹列不同周期的均勻光柵順序寫在光纖上,它最大限度地應用了制作均勻光纖光柵的工藝簡單性,具有很大的靈活性。

f)Chirp光柵的全總幹涉法制作 這種制作Chirp光柵的基本原理是通過在雙光束全息光路系統中加入往面鏡,使兩束光的幹涉角度沿著光纖軸向發生連續變化,從而造成光纖的纖芯折射率發生周期性漸變,形成Chirp光纖光柵。


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