[发明专利]在光波导中形成光栅的方法

说明书

本发明涉及一种在光导纤维内形成布拉格(Bragg)反射光栅的方法，尤其涉及一种在光栅制作中采用可调相位掩模的方法。

自七十年代后期以来，光导纤维对具有某一波长和强度的光的敏感度已众所周知。人们发现，使具有给定波长和强度的光作用于光波导，可以永久地改变光导纤维的损耗特性和折射率。1993年4月出版的「BT Techno」第11卷，第2期上发表了Kashyap等人撰写的“光敏光纤和平面波导”一文，其中披露了这种效应以及如何利用该效应。该文的第2.1部分第150页讨论了由光引起的反射光栅的制作，并指出其折射率的变化量随着光波长从600nm减小到240nm而增大，在该波长光波导的光敏性呈现峰值。最初利用光敏性制成的光栅采用了光纤中的反向传输相干光束。所形成的干涉图形使波导折射率产生一种周期性的变化，它相当于布拉格反射光栅。Kashyap一文的第3部分第151页提供了对该光敏性作用的物理解释。

这种布拉格光栅可用作波长滤波器。光纤中的布拉格光栅将有选择地滤除波长为两倍于该光栅周期的传输光。由于采用光纤的系统可以进行波分复用，故非常希望能有形成用于一定波长范围的布拉格滤波器的方法和装置。此外，这种方法和装置必须是有效、经济、精密和简单的，以确保该方法的速度、可重复性和精确性。这样一种方法适合于可以批量生产对预选波长有效的窄带滤波器的生产环境，应用于复杂的系统例如采用波分复用通信信号的系统。

当然，也有大量的方法可以用反射光栅的滤波性能来产生信息。Glenn等人获得的第4725110号美国专利所讨论的应变计就是一个例子。

Glenn等人的第4725110号美国专利中所述的在光纤内形成光栅的方法示于该专利文献的图1。与上面提到的利用通过波导传输的光的方法不同，这里是通过从侧面照射光纤形成布拉格光栅的。此外，光栅的形成是利用干涉仪进行的。此种形成光栅的方法，其缺陷在于，如需要具有不同周期的光栅，就必须调整该干涉仪光源和光学元件的位置。而且，该专利所披露的干涉仪光源是由分束器出射的两束光。与相位掩模光源相比，分束器光源的效率、光的控制以及灵活性受到一定的限制。

1983年10至12月出版的《J.Vac.Sci.，B》第1卷第43期发表了Hawryluk等人的“通过组合使用多层镜与衍射光栅加倍远紫外空间频率”一文，其中第1202页的图3示出了一个干涉仪的基本配置，它将一个光栅作为该干涉仪的输入光源。该文的光栅形成方法或装置没有解决在光纤中形成具有不同周期之光栅的问题。

Anderson等人的第5327515号美国专利披露了利用透镜将光源对准相位掩模。由该相位掩模出射不同级的衍射，并通过第二透镜对准光纤，如该专利的图2所示。不同衍射级干涉而在光纤上产生条纹图形。该相位掩模光栅的周期是照射在该光纤上的条纹图形周期的整数倍。该整数取干涉的两级衍射图形中较高的一个。

由Anderson等人的上述专利方法所形成的光栅的锐度，因用以将条纹图形聚焦在光纤上的透镜的质量而受到限制。透镜吸收光，这样对光源就提出了更严格的要求。此外，所能得到的光栅周期数因光的强度随着衍射级的增加而迅速降低故受到了限制。

Anderson等人的第5327515号美国专利和Hill等人的第5367588号美国专利都提到了相位掩模的使用，它将至少两个相互具有不同周期的部分结合在一起，由此可采用单个相位掩模在光纤中形成至少两个具有不同周期的光栅。采用具有至少两个周期的相位掩模光栅所遇到的固有困难在于：相位掩模光栅较复杂，故难以精确地制造；而且，在光纤中形成的光栅的空间间隔因相位掩模的空间尺寸而受到限制。

因此，需要一种在光纤内形成光栅的方法和装置，它能：

利用单周期相位掩模在光纤内形成光栅，其中如此形成的光栅可以具有一个范围的周期；

形成具有清晰界定的折射率界面的波导光栅；以及

采用一种结构简单的调节光栅周期的装置，故在光栅制造中可以易于获得精密性。

定义

光纤光栅就是波导折射率沿波导长轴的周期性变化。

光敏性是某些玻璃成分与选定波长的光之间的相互影响，其中入射光改变了被照射玻璃的折射率或损耗特性。

侧面写入是在光纤内形成光栅的一种技术，其中使光在光纤的侧面上沿光纤长轴的一部分形成一种干涉图形。因光的干涉而产生的周期性的光强图形致使折射率沿着光纤长轴的一部分呈周期性的变化。