维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电子技术与信息 Optoeh".cfa‘0lli(’Tef;hi,ology&Information 2002 Jun:15(3) 一 ’’’’。。。。。。。。 ‘。‘‘‘‘‘‘‘ ‘ ’ ’ ’’。’。 1 综 述 文献编号:1006—1231(2002)0. ̄一I)1)01.06 切趾光纤光栅技术及其研究进展 洪从胜徐新华 吕昌贵徐春祥崔一平 (东南大学电子丁程系 南京 21 0096) 摘 要 介绍了切趾光纤光栅的原理及特性,综述r切趾光纤光栅的制作疗法,特别阐述了最新的几种制 作方法。 关键词光纤光栅,光学切趾,最佳包络,相位掩模板 中图分类号:TN253 文献标识码:A Technologies and New P rogress of Apodized Fiber G ratings thing nw ̄g'she11o ..¨ illhII ̄] , 、’r I1]。o' o tti ¨('ht ̄nxia1)g Ij ̄'ipil}g (Depart,,tc'nf,of Electro,tic Engineering.Southeast Uniw..rsity Nanjh,g 21 0096) Abstract The p1’inciple al1(1 characterisl icS of a1)t)dized fiber gra tiugs ar(1 l1l l’OdklCed n this paper. Fabl‘ication methods.es1)ecia113,SO\ C'I‘a l lle ̄,V.11sf。ription technologies of’apodized fil)( 1 gra ti1lg, P gi\ e1】allcl c%1 z(、d. Key words fil)01‘gl‘a.1,ing o1)tical;q)odizatiol1.O1)l:i JnuIll( n、 el()1)e.1)hasP…lr1sl< 1 引 言 射率调制的振幅沿着光栅长度有一个钟形函数的 形状变化。人们发现光学切趾能避免光栅的短波损 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将 耗和有效抑制布拉格光纤光栅反射谱,并能减少啁 光波导结构直接做在光纤上形成的光波导器件, 啾光纤光栅时延特性的振荡rl3I4】,因此对切趾光纤 它以其体积小、性能稳定可靠、器件微型化、易于 光栅的研究具有卜分重要的意义。切趾光纤光栅的 集成等优点被广泛应用于光纤通信及光纤传感等 制造技术也是近几年人们的研究热点之一,不断有 领域。1978年加拿大渥太华Hill等人首次发现了 新的写入方法的报道。本文将对切趾光纤光栅的响 光纤的光敏性并成功应用于研制高反射率布拉格 应特性和它的制造技术及最新进展作一总结。 光栅滤波器ft】,1989年美国联合技术研究中心的 Melt,z等人以244 11ln紫外光为光源,用全息干涉的 2 切趾光纤光栅的响应特性 方法在掺锗石英光纤上研制出第一支布拉格谐振 2f‘1理论模型及计算方法 波长位于通信波段的光纤光栅f引。其后人们对光 对于用紫外激光器制作的光纤光栅,假定形 纤光栅的研究投入不断加大,步伐不断加快,光纤 成光栅的结果仅是对研究的光纤导模有效折射率 光栅的制造技术也不断取得进步和发展,现在人们 的一种微扰,其折射率分布可以描述为 已经可制造各种参数的光纤光栅。 光纤光栅的光学切趾是指:在光栅中光感折 州 n。+A'D,neff( + s( z+ )111 fJJ 收稿日期 修改14期 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 光电子技术与信息 Optoelectronic Technology&Information 2002 Jun;1 5(3) 式中,几。为紫外曝光前的有效折射率,An。 (z) 为有效折射率空间变化包络; 为折射率变化的 代入传输矩阵就可以求得光栅的特性【引。 =F 条纹可见度;A为平均光栅周期, (z)描述光栅 的啁啾。 切趾光纤光栅折射率调制的振幅沿着光栅长 度呈一个钟形函数包络,典型的包络函数有高斯 分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽型函 数,哥西函数,其公式分别如下所示为 对布拉格光纤光栅, 的矩阵元素可写为 Xu=x;2=cosh( ̄'B△z)一i_=_sinh( B△z) B =X2 一 △, (z)=△n 仟exp( ) (2) silll1(TBAz) (8) 式中: = + 一 . 为相移的总一直流“(dc)自 An (z)=An ff exp[一In2(2z/FWHM) “] A7} ̄ef(z)= [1+cos(丌z/FWHM)] (3) 耦合系数,6=2丌几( 1一 )为失调参数,礼为光 (4) 纤光栅的有效折射率; 为光栅的布拉格波长, 为光栅的“直流”(dc)耦合系数, . 描述光纤 光栅周期可能出现的啁啾, K为交流耦合系数, An (z)=An fftanh 0.5+z/f)] ・tanh[ ̄(0.5一z/f)] (5) (6) B= 。 2.2切趾布拉格光纤光栅滤波特性 z,=Aneff 用传输矩阵法对(2)一(5)式的四种切趾光纤光 栅分别作了数值计算【e],其选用的光纤光栅长度 为f=140 122112,An =0.0008,V=1.0,中心波长 为了模拟光学切趾的光栅,从耦合模方程出 发,使用传输矩阵方法【 ],将光栅分为若干段, D=1550.0・Ⅲ 。图1给出了它们的反射谱图样, 为了便于比较图1中(a)给出了均匀光纤光栅的反 每一段都可看成均匀光栅,在每段中点取值,建立 个2×2矩阵,接着把各段传输矩阵相乘,就可得 一射谱特性,(b)一(e)分别为加有超高斯分布函数切 趾、近似高斯分布函数切趾、升余弦函数切趾、帽 型函数切趾后的反射特性。 到描述整个切趾光栅的传输矩阵,最后将边界条件 100 80 ,’。 ’—— —一 100 8O 6O 4O 2O 100 8O 6o F 4O 2O 逞60 f 40 20 O 1549 1550 1551 O 1549 1550 1551 0 L/irm L/rim. (a) (b) 1549 nm 1550 nm 1551 (d) (e) 图1切趾Bragg光纤光栅的响应特性 Fig.1 The reflectivity spectrum of several apodized fiber Bragg gl'atings 维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电 子技 术 与信 息 0ptoe]ectronic Technology&Informat,ion 2002 Jun;15(3) 3 文献『3]提供了平均折射率变化为常数,直 流(dc)折射率变化为零,交流折射率变化为常数 (V—6n—ef=1×10I。),半高全宽(F 日M)为10 l1]111 的高斯、升余弦、帽型函数切趾光纤光栅的反射谱 如图2(a),以及更加精密的边缘部分的对数反射 谱如图2(b)所示。 滤波特性也作了分析,从以上文献中我们可以看 到:各种钟形函数的切趾布拉格光纤光栅的反射 谱旁瓣被大大抑制,拖尾较小,且在谐振波长附近 较宽范围内反射率接近】00%,谱线接近矩形,抑 制比大大提高。相比之下高斯和升余弦函数分布的 反射谱旁瓣抑制效果更好(升余弦最好),普通高斯 分布反射谱更接近矩形。 还有其它一些文献f 对切趾布拉格光纤光栅 磺 凄 ∞d/苫 8 7 6 5 4 3 2 1 ∞∞∞∞∞∞∞∞波长/rim (a) 波长/nm (b) 图2切趾布拉格光纤光栅的反射谱及边缘部分的对数反射谱 Fig.1 The reflectivity spectrlllll of fiber Bragg gl atings and t,hen’ logarithmic reflectlvity specf,rmn ill tlle edge al'e ̄ 2.3线性啁啾光纤光栅的光学切趾 性Is],图3(a)是没有光学切趾的时延,图3(b)是 某钟形函数完全光学切趾的时延特性图。很明显图 3(h)中的时延振荡减少,线性增加。 线性啁啾光纤光栅的光学切趾既能抑制旁 瓣,又能减少时延特性的振荡,时延响应曲线更 为平滑。图3给出了某种啁啾光纤光栅的时延特 800 700 600 500 400 . Ih,LfiIL Ill[I 1. 棚叫幽1 .” If 翕 300 200 100 O 一I ・ jIJlilL¨... .lqlh.,..^ 1OO Illt|Hiif,l{ 1549.7 1549.9 1550,1 1550.3 1550 5 15495 .l549,5 1549.7 1549 9 l550,1 1550.3 1550.5 波长/nm 波长/nm 图3无切趾和完全光学切趾的时延特性 Fig.3 Time delay behaviol’s of apodized fibre‘gl’ating mid lllla.podized fibre’gl‘ating 至于线性啁啾光纤光栅的最佳包络[。]切趾函 数为哥西函数时延性最好,且制作容易。需要注意 的是线切趾性啁啾光栅色散特性的线度以及旁瓣 的抑制都是以反射率和带宽为代价的,在实际制 作时要综合考虑[。,引。 维普资讯 http://www.cqvip.com 4 光电子技术与信息 ()p o h()11ic Tedmology&Tnfonn ̄tion 2㈣2 Jun:15(3) 3 切趾光纤光栅写人方法 3.1切趾相位掩模板 利用切趾相位掩模板是最传统最简单的切趾 光纤光栅的制造方法。利用聚焦粒子束和湿法刻 蚀技术可得到板槽尺寸不均匀的相位掩模板(如图 4 川,通过激光照射此掩模板后,一级衍射光的 常数的切趾光纤光栅则不存在这个问题 ”】。 紫外光束——————. 望 ! .. 光纤n|lInI._1n n r ,村f位掩模板 v ..———C=二二=二二=二=二二二=二=二]一5扫描法制作切趾光兰『光栅 Fig.5 Setup of scamfing metlmd fm‘fftbricat,ing apodized fiber gl’ 1,ring 投物台 利用紫外脉冲相干写入切趾光纤光栅,平均折 图4切趾相位掩模板 Fig.4 Apodized phase ma.sk 射率的变化沿切趾光栅方向是均匀的 ¨、 1,其 实验装铨如图6所示,反射镜M可沿 轴方向移 动扫描相位掩模板,光纤置于相位掩模板处。相位 强度将沿光纤呈现钟形函数分布,从而改变条纹反 差和光致折射率调制的大小。 3.2扫描法 掩模板将入射紫外光分成士1级衍射光,衍射光束 在镜M ,M 上反射,当紫外光从掩模板右端入 射时,干涉图形就会在光纤左端产生干涉,反之亦 使用均匀的相位模板,通过动态改变紫外光 束或载物台的扫描速度并调整曝光量就可在光纤 中写入任意的光栅周期、啁啾和切趾函数 u1、如 图5所示。 然。当紫外光束入射到相位掩模板的中心时,两反 向传播的光束的光程差为L);而当紫外光向掩模板 边缘移动时光程差会线性增加,假设脉冲是高斯脉 冲,两脉冲沿光栅方向进行卷积,就会产生高斯切 趾函数,而且平均折射率的变化沿切趾光栅方向是 均匀的。如对上述的系统加以改进,用一个微移位 a.3利用紫外脉冲相干写人切趾光纤光栅 以上两种写入方法,沿光纤光栅轴向的平均折 射率变化不是一个常数。由于光纤光栅的自致啁啾  ̄lf-inclu c】chil・ping),这样的切趾光纤光栅对较短 器控制反射镜M 的转动,就可用 一相位掩模板 写入任意波长的切趾或切趾啁啾布拉格光栅[¨]。 波长带的旁瓣抑制效果有限,而平均折射率变化为 光纤 相位掩模板 紫外光 ●一 M 6紫外咏冲相干写入切趾光纤光栅 Fig.6 Sclwmat,ic diagl’aXD for apodized fibel’  ̄tting inscripti(m witlI a UV liglit int, r rOilleter 3.4多次曝光法 这种写入方法的激光束形状如图7所示,光 束形状在两正交方向上分别呈近高斯形分布和近 平面分布(离光束中心15 nn 区域内)。首先用高 维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电子技 术与信 息 Optoe1ectroIIic Technology&lnfol mation 2002.111 1 a(a) 5 ’斯光束照射相位掩模板制作一个反射率为99.5%的 光栅,然后将掩模板放置在距光纤25 11"1111的地方, 入射光敏光纤,左边一束经遮蔽板1后透过位相掩 模板,在光纤中写入光栅,右边一束经过遮蔽板2 后照射光纤。遮蔽板1和2的形状如图8(b)所示。 遮蔽板1和2从图8(b)所示的位置沿 :方向同时 向光纤移动,则照射到光纤上的激光分布位置从仅 用可变光圈将光束调整到12 lllll/宽,进行第二次曝 光,再将掩模板放到距光纤】7 一的地方用(j 1]lln 的光束曝光。这样就可用一个均匀相位掩模板制作 个平均折射率变化为常数的切趾光纤光栅。 将一束紫外光分为两束(见图8),从两侧垂直 照射到R点逐渐到整个A— 区域,控制好遮蔽 板移动的速度就可在光纤上写出沿切趾方向平均 折射率变化均匀的切趾光栅。 3.5特殊遮蔽板制作切趾光纤光栅 3O 2O lO O ㈨准分子 束三维及截而圈 ∞ 次Schc ‘ 三 3D pmiile ofa raw cxcimcr laser beam and cross sections Bragg gratings by multiple exposure 7 多次曝此法制作切趾光纤光栅 Fig.7 Set,up of fa.1¨ LLinR q)odized fit BMgg gl 。.tings by mul Lil)lc(}XI)t')SllI’p 光纤 }l— A—LB一一C II ▲ ————-一-. a) (b) 【冬『8特殊遭蔽极制{仁协趾光纤光栅 Fie;.8 Schc ̄川 ̄t.ic view LJf apodizetI b tings i¨s I ̄tlon with iaj SCI’¨111… jsl(.; 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 光电子技术与信息 Optoelectronic Technology&Information 2002 Jun:15(3) xiong.Du Weichong,Zeng Qingke et 8 Qin Zi. 4 结束语 随着全光通信技术的不断发展,人five作为 其关键器件之一的光纤光栅的响应特性提出了更 高的要求。光学切趾特别是沿切趾方向平均折射率 Numerical study of apodization profle functions and optimal profiles and length of a linearly chirped ifber Bragg grating[J].Chinese.1ournal of Le ̄sers.2000.27(1):37 ̄41 Hu Haiying.Chen Heming. A study on the optimum apodizion filnction of linear chirped iber gratings used for dispersion colfllpells&一 变化均匀的光学切趾是有效抑制旁瓣,减少啁啾光 纤光栅的时延振荡的有效方法。本文综述了切趾光 纤光栅的制作方法,列出了平均折射率变化均匀的 切趾光纤光栅的最新的制作方法。 tion[a].Journ al of Naning Unifversity of Posts mid Teleconnnuications(Naturl Sciaence).2001. 21(1):23 ̄28 Bai Balma,Qian Ying、Sun Yingzhi.Fabrica— tion techniques of chirped and apodised fiber grat— 参考文献 1 Hil1 K O.Ftdi Y.Johnson D C et a1.Photo— sensitivity in optical berwavegllide:App1icatiou 10 ings[J]..1oumal of Changchun Post and Telecom— munication Institute.2000,18(4):37 ̄42 11 to reflector filter fabrication[J].Appl Phys Let,. 1978,(10):647,, ̄649 2 Meltz G.Morey W W.Glenu W H.Formation of Bragg grating ill optics fibres by transverse Li Xuhui,Xia Li.Liu.1ingwen et a1.A novel method for fabricatioug adjustable apodized and chirped gratings by IJV light seanning writ— ’lng technology[J].sfxlljc叫l(jlictor Optoelectron— ics,2001、22f1 1:15~17 12 holographic method[J].Opt Lett,1989,14(15): 823—825 Yang Chingchung.Lai Yinchieh.Apodised fiber grating fabricated with a uniorm phase mask us—f 3 Turan Erdogan.Fiber grating spectra[J]..1ournat ofL htwave Technology,1997,15(8):1277—1294 4 Hill K O.Bilodeau F,Malo B et a』.Chirped ill—fiber Bragg grating for compensation of 13 ing Gaussian beam laser[J].Optics&Laser Tech— nology,2000,32:307 ̄310 Samsung Electronics Co.Ltd.Apparatus for optical—ifber dispersioI1[J].Opt Let,.1994.19(17): 1314—1316 fabricating apodized fiber grating[P].Suwon—city: Kyungkl—do(DR).EP 1 065 535 A2.2001—03—01 14 5 Ya111ada M.Sakuda K.Analysis of alnmst— Ning Tiguang.Well Jipil ̄g.Zhao Yucheng et . New progress ill the development of il1)re grating periodic distributed feedback slab waveguides via a fllndainental matrix approach[J].Appl Opt. 1989.26(16):3474^一3478 6 Ye Zhiqing,Zou Daowen.Numerical study of labrication[.1].Optical Connnunication Ted ̄nol— ogy,1999.23(4):282 ̄287 Cortes P Y.Ouellette F et a1.hitrinsic apodi— sation of Bragg gratioug written asiug UV— apodized and chirped Bragg fiber gratings[J]. . ̄011/'I1al of.1im ̄gxin Norlnal University.2000. pulse interfi,.rometry[J].Electl’on ̄cs Lettel’ .1 998. 34(4):396 ̄397 24(3):245 ̄248 7 He Jinlin.Ma Xitm.Mao Qinghe et a1.The spectrum properties of reflection and,lispersion ill fiber Bragg grating[J]..TOllrI1&/of Electron De- VICeS.1999,22f4):246 ̄250 作者简介: 洪从胜 (1976),男,东南大学电子工程系99级硕士生,主要从事光电子材料,光电器件的研究。