专利名称：一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅技术，特别涉及光纤光栅多种函数切趾的实现方法。
背景技术：
光纤光栅是一种新型光无源器件，具有波长选择性好，体积小，易于与光纤系统兼容等优点。光纤光栅技术对包括光纤通信、光纤传感器和光学信号处理等在内的光纤应用领域产生着深远的影响，尤其是在光纤通信领域，光纤光栅具有更重要的应用价值。
光纤光栅是具有折射率周期性变化结构的光纤，它是利用光纤的光敏特性制成的。所谓光纤的光敏特性是指光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化。光纤的这种光致折射率的变化具有稳定性，可保持永久不变。其基本制作工艺是采用紫外光对光敏光纤曝光，使光纤的折射率沿轴向呈周期性变化，从而成为光纤光栅。普通的光纤光栅旁瓣很大，它的时延抖动也非常大，因而要经过特殊的变迹曝光以改善光纤光栅的性能。这就是光纤光栅的切趾过程。
目前普遍采用的切趾方法是变迹扫描曝光法，其基本原理如图1所示的变迹扫描光路图。该方案实现切趾需要两次曝光第一次曝光，紫外光激光器11发出的光束照射到紫外光反射镜12上，紫外光反射镜12将反射光照射到相位掩膜版13后，对位于相位掩膜版13另一侧的光敏光纤14进行扫描曝光，在曝光过程中，利用所需要的切趾函数来控制紫外光反射镜12的移动速度，从而实现变迹切趾扫描；第二次曝光，去掉相位掩膜版13，利用反切趾函数控制紫外光反射镜12的移动速度，对光敏光纤14进行第二次曝光，用以填平第一次曝光时不均匀的平均折射率，从而保持平均折射率恒定。
上述两次曝光过程需要较复杂的软件控制，对紫外光反射镜12移动的精度要求较高，花费较大，实现起来也比较困难，且需要两次曝光，耗时较长。
为解决两次曝光中的问题，给出了一种一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其实现原理如图2中所示。紫外光激光器26发出的紫外光经分束镜10被分成两部分，一部分经紫外光反射镜20、紫外光反射镜22到达屏幕掩膜30，经屏幕掩膜30的函数调制(函数切趾)后，透射过相位掩膜版40照射在光敏光纤60上；另一部分经紫外光反射镜24到达屏幕掩膜50，经屏幕掩膜50的函数调制(互补函数反切趾)后，直接照射在光敏光纤上。一次曝光实现切趾与反切趾。
其中利用屏幕掩膜30、50实现函数调制的过程可参见图3与图4。屏幕掩膜30、50上的函数分布(曲线轨迹)成互补关系。
图3中，光敏光纤60、相位掩膜版40与屏幕掩膜30位于同一平面上，让屏幕掩膜30按图中所示箭头方向向上移动，屏幕掩膜30上的30b部分先遮挡光，而30a部分最后遮挡光，即按函数曲线变迹切趾，通过该过程实现函数调制。
图4中，光敏光纤60与屏幕掩膜50位于同一平面上，让屏幕掩膜50按图中所示箭头方向向上移动，屏幕掩膜50上的50a部分先遮挡光，而50b部分最后遮挡光，即按互补函数曲线变迹反切趾，通过该过程实现互补函数调制。
上述过程中，通过控制电机使屏幕掩膜30、50匀速移动，达到切趾与反切趾同时进行的效果。
该方法中，虽然将二次曝光改进为一次曝光，但光敏光纤60的长度是受限的(长度L)，即受经过屏幕掩膜30、50函数调制光的光斑大小的限制，制作出来的光敏光纤60不可能长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，具有简单易行的特点，该方法能够用于制作多种函数切趾的光纤光栅，制作的光纤光栅长度可不受光斑大小的限制，且实现简单。
实现本发明目的的技术方案是这样的一种一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于包括A.用振幅掩膜版对入射的紫外光进行振幅调制，获得光通量按所需切趾函数分布的第一束平行紫外光，使用第一柱面镜对该平行紫外光的光斑进行纵向压缩后再透过相位掩膜版对与振幅掩膜版的横向方向平行的光敏光纤进行曝光；B.与步骤A同时，用振幅掩膜版对入射的紫外光进行振幅调制，获得光通量与该切趾函数分布互补的第二束平行紫外光，使用第二柱面镜对该平行紫外光的光斑进行纵向压缩后再在与上述曝光方向相反的方向上直接对光敏光纤进行曝光。
所述的步骤A、B中，还包括调节所述第一、第二柱面镜的位置，使光敏光纤定在透过相位掩膜版对光敏光纤进行曝光的光与直接对光敏光纤进行曝光的光的焦点线上或焦点线附近。
本发明中，所述的步骤A进一步包括A11.采用一透过率函数按所需切趾函数分布、反射率函数与切趾函数分布互补的振幅掩膜版，对呈45度角入射的平行紫外光进行振幅调制；A12.经振幅调制后透过振幅掩膜版的透射光形成所述的第一束平行紫外光，经第一柱面镜的汇聚后通过相位掩膜版对所述的光敏光纤进行曝光；所述的步骤B进一步包括B11.采用一组紫外光反射镜对步骤A11中经该振幅掩膜版振幅调制后的反射光进行反射，形成所述的第二束平行紫外光；B12.该第二束平行紫外光经第二柱面镜的汇聚后对所述的光敏光纤直接进行曝光。
本发明中，所述的步骤A进一步包括A21.采用一透过率函数按所需切趾函数分布的第一振幅掩膜版对垂直入射的紫外光进行振幅调制；A22.经振幅调制后透过第一振幅掩膜版的透射光形成所述的第一束平行紫外光，经第一柱面镜汇聚后透过所述的相位掩膜版对所述的光敏光纤进行曝光；所述的步骤B进一步包括B21.采用另一透过率函数分布互补于所需切趾函数分布的第二振幅掩膜版对垂直入射的紫外光进行振幅调制；B22.经振幅调制后透过第二振幅掩膜版的透射光形成所述的第二束平行紫外光，经第二柱面镜汇聚后对所述的光敏光纤进行直接进行曝光。
本发明让两束平行紫外光同时照射光敏光纤，一束光经过振幅掩膜版的函数调制(按切趾函数)并经柱面镜汇聚后将函数调制转换为光强调制，再透过相位掩膜版对光敏光纤曝光；同时另一束光经过振幅掩膜版的函数调制(按反切趾函数)并经柱面镜汇聚后将函数调制转换为光强调制，不经过相位掩膜版直接对光敏光纤曝光，一次曝光即实现了切趾与反切趾，简单易行且精确度高。
其中透过相位掩膜版对光敏光纤曝光的一束光是经振幅掩膜版按切趾函数分布和经柱面镜聚焦转换为光强调制后的透射光；另一束直接对光敏光纤曝光的光，可以是经上述振幅掩膜版按与切趾函数分布互补的函数调制后的反射光再经柱面镜汇聚后形成，也可以是由激光器另外产生、并经另一反切趾振幅掩膜版调制的透射光再经柱面镜汇聚后形成，不经过相位掩膜版直接照射光敏光纤。
相对于现有技术的两次曝光，本发明通过一次曝光同时实现切趾与反切趾过程，因而简单易行、精确度高；相对于现有技术的一次曝光，利用柱面镜的汇聚作用，将对振幅掩膜版的函数调制转换到对光强的调制上，光纤光栅的长度将不受光斑大小的限制；采用一块振幅掩膜版，在其上制作出按切趾函数和与其成互补关系的反切趾函数分布的透射部分与反射部分，同时获得对光敏光纤曝光的两束光，很容易地就实现了多种函数的切趾与反切趾过程；通过两束光从两个方向同时对光敏光纤曝光，实现一次曝光变迹切趾；既可采用静态曝光，省去了电机控制部分，制作出长度不大于光斑大小的光纤光栅；又可采用扫描曝光，通过电机的匀速移动，可以制作出任意长度的光纤光栅。
图1是现有技术中两次曝光的变迹扫描曝光法光路示意图；图2是现有技术中一次曝光的原理性光路示意图；图3是采用图2光路对光敏光纤进行切趾曝光的原理示意图；图4是采用图2光路对光敏光纤进行反切趾曝光的原理示意图；图5是本发明一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾第一实施例的正视光路示意图；图6是图5所示光路的俯视示意图；图7是升余弦函数振幅掩膜版结构示意图；图8是本发明一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾第二实施例的光路示意图。
具体实施例方式
为达到上述目的，本发明的具体技术方案可以采用如图4、图5所示的光路结构即第一实施例实现，也可采用如图8所示的光路结构即第二实施例实现。图7是本发明方法中所采用的振幅掩膜版结构中的一个实例。
参见图5、图6，图5为光路结构的正视图，图6为该光路结构的俯视图。包括紫外光激光器1、凹透镜2、凸透镜3、光阑4、振幅掩膜版5、柱面镜6、相位掩膜版7，待曝光的光敏光纤8，柱面镜9和一组紫外光反射镜10。图5与图6的区别在于图6中没有画出垂直方向上的紫外光反射镜。
由紫外光激光器1产生的一束平行紫外光呈45度角照射振幅掩膜版5，该振幅掩膜版5的横向方向与待曝光的光敏光纤8平行，利用振幅掩膜版5对入射的该束平行紫外光进行振幅调制，其中透射光通过相位掩膜版7对光敏光纤8进行曝光；其中反射光经过一系列紫外光反射镜10形成另一束平行紫外光，从不通过相位掩膜版7且与上述曝光方向相反的另一方向直接并同时对光敏光纤8进行曝光。
具体地说，该方法可包括以下步骤1)在由紫外光激光器1产生的一束平行紫外光照射振幅掩膜版5之前，先使用由凹透镜2、凸透镜3构成的紫外光扩束装置对紫外光进行扩束。
2)使用光阑4对扩束后的紫外光进行过滤，滤出其中的均匀部分照射振幅掩膜版5。
3)紫外光经过振幅掩膜版5进行振幅调制后，一部分光透过振幅腌膜版，即透射光的光通量按照振幅掩膜版5的透过率函数分布；另一部分光即反射光按照振幅掩膜版5的透过率函数的互补函数分布，经过一组紫外光反射镜10从另一方向照射到光敏光纤8上，反射光的光通量与透射光的光通量互补。
4)使用柱面镜6、9分别对透射光和反射光的光斑进行纵向(如图7所示)压缩，在聚焦线附近的光强分布分别为振幅掩膜版5透过率函数分布以及它的互补函数分布，调节柱面镜6、9的位置，使得两束光的焦线同时定在光敏光纤8上或附近。
5)将相位掩膜版7放在柱面镜6和光敏光纤8之间，使得经过柱面镜6汇聚后的透射光透过相位掩膜版7照射在光敏光纤8上，使形成光纤光栅；同时，由反射光形成的另一束光则不经过相位掩膜版7，而是经柱面镜9汇聚后直接照射在光敏光纤8上，由于这束反射光的光强调制与透过振幅掩膜版5的透射光的光强调制是互补的，因此使得光敏光纤8的平均折射率保持为一个常数。
6)利用传动装置均匀地沿振幅掩膜版7的横向(参见图7)方向移动振幅掩膜版5、相位掩膜版7和光敏光纤8，移动过程中保持它们间的相对位置恒定，就可制作任意长度的光纤光栅。
上述过程通过一次曝光即实现了切趾和反切趾。
根据不同的切趾要求，需要设计、制作相应透过率函数及其互补的反射率函数的振幅掩膜版。振幅掩膜版5的横向长度与要曝光的光敏光纤长度相等，振幅掩膜版5的纵向长度可根据扩束后光斑的大小设计确定，要求光斑沿纵向方向的大小不小于振幅掩膜版5透过率函数在纵向方向的最大值。
该振幅掩膜版5的制作非常简单，比如在一块薄的紫外光反射镜上进行相应函数的线切割即可，如图7中切去的白色部分为透过部分，边框的黑色部分涂为吸收紫外光，切去部分与吸收部分之间的部分则为反射部分。在制作不同切趾函数光纤光栅时，选择相应的振幅掩膜版进行调制。
例如振幅掩膜版的透过率函数是升余弦函数时，如图7中的白色部分71所示，斜线部分72则是它的互补函数分布，用于反射紫外光束，黑色阴影部分73吸收紫外光。入射到振幅掩膜版的光斑在纵向方向上不小于白色部分71的最大值。透过振幅掩膜版71(图中的白色部分)的那部分紫外光光通量沿横向方向按照升余弦函数分布，入射到斜线部分72的紫外光作为互补光从另一方向反射出去，它的光通量沿横向方向按照升余弦函数的互补函数分布。两束光经过柱面镜6、9纵向压缩光斑(光强调)后，在焦点线附近光强沿横向方向的分布即分别为升余弦函数分布和升余弦函数的互补函数分布。它们同时照射到光敏光纤8上，既实现了升余弦函数的切趾与反切趾过程，又保持了平均折射率的恒定，一次曝光即全部完成。
本发明的方法既可以用于静态曝光，又可以用于扫描曝光。当所需制作的光纤光栅长度不是很长时，紫外光激光器1发出的光束经扩束后光斑足够大(光斑的横向长度不小于所需制作的光纤光栅的长度，纵向长度不小于振幅掩膜版白色透射部分的最大值)时，可用于静态曝光，即振幅掩膜版、相位掩膜版及光敏光纤静止不动；当所需制作的光纤光栅长度很长，紫外光激光器1发出的光束经扩束后的光斑横向长度小于所需制作的光纤光栅的长度，但纵向长度不小于振幅掩膜版白色透射部分的最大值时，可适用于扫描曝光，即振幅掩膜版、相位掩膜版及光敏光纤一起作匀速移动，移动时保持它们间的相对位置恒定。
本实施例，通过选择不同透过率函数分布及与之互补的反射率函数分布的振幅掩膜版，就可实现光纤光栅多种函数的切趾。
参见图8，是采用本发明方法的另一实施例。与第一实施例的区别在于直接照射光敏光纤的另一束平行光是由紫外光激光器1’产生，经凹透镜2’、凸透镜3’、光阑4’扩束、过滤后照射到反切趾振幅掩膜版5’上，再经柱面镜9对光斑进行纵向压缩，对光敏光纤8直接并同时曝光。
其中，振幅掩膜版5的透过率函数分布和反切趾振幅掩膜版5’的透过率函数分布是互补的，例如振幅掩膜版5的透过率函数分布是图7中的白色部分，其它部分均涂为吸收紫外光；反切趾振幅掩膜版5’的透过率函数分布是图7中的斜线区域部分，其它部分均涂为吸收紫外光。该振幅掩膜版的制作极其简单，比如在任何平整的挡光材料上进行相应函数的线切割就可以了，如振幅掩膜版5按图7所示，经线切割去掉白色部分71，反切趾振幅掩膜版5’按图7所示，线切割去掉斜线部分72，其余部分全部涂为吸收紫外光。
由紫外光激光器1产生的一束平行紫外光，经凹透镜2、凸透镜3、光阑4垂直照射振幅掩膜版5，该振幅掩膜版5的横向方向与待曝光的光敏光纤8平行，利用振幅掩膜版5对入射的该束平行紫外光进行振幅调制，其透射光经柱面镜6纵向压缩光斑后，再通过相位掩膜版7对光敏光纤8进行曝光；利用由紫外光激光器1’产生的另一束平行紫外光经凹透镜2’、凸透镜3’、光阑4’垂直照射反切趾振幅掩膜版5’，该反切趾振幅掩膜版5’的横向方向与待曝光的光敏光纤8平行，利用反切趾振幅掩膜版5’对入射的该束平行紫外光进行振幅调制，其透射光经柱面镜9纵向压缩光斑后，照射光敏光纤8进行曝光。由于振幅掩膜版5的透过率函数和反切趾振幅掩膜版5’的透过率函数是互补的，因而实现一次曝光。本实施例，通过选择不同透过率函数分布的振幅掩膜版及透过率函数分布与之互补的反切趾振幅掩膜版，就可实现光纤光栅多种函数的切趾。
同第一实施例，可根据需要制作的光纤光栅的长度选择静态曝光或动态扫描曝光。选择动态曝光时，利用电机动作，使振幅掩膜版5、相位掩膜版7、光敏光纤8和反切趾振幅掩膜版5’一起匀速移动，移动中保持它们间的相对位置不变。
权利要求
1.一种一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于包括A.用振幅掩膜版对入射的紫外光进行振幅调制，获得光通量按所需切趾函数分布的第一束平行紫外光，使用第一柱面镜对该平行紫外光的光斑进行纵向压缩后再透过相位掩膜版对与振幅掩膜版的横向方向平行的光敏光纤进行曝光；B.与步骤A同时，用振幅掩膜版对入射的紫外光进行振幅调制，获得光通量与该切趾函数分布互补的第二束平行紫外光，使用第二柱面镜对该平行紫外光的光斑进行纵向压缩后再在与上述曝光方向相反的方向上直接对光敏光纤进行曝光。
2.根据权利要求1所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于所述的步骤A、B中，还包括调节所述第一、第二柱面镜的位置，使光敏光纤定在透过相位掩膜版对光敏光纤进行曝光的光与直接对光敏光纤进行曝光的光的焦点线上或焦点线附近。
3.根据权利要求1所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于所述的步骤A进一步包括A11.采用一透过率函数按所需切趾函数分布、反射率函数与切趾函数分布互补的振幅掩膜版，对呈45度角入射的平行紫外光进行振幅调制；A12.经振幅调制后透过振幅掩膜版的透射光形成所述的第一束平行紫外光，经第一柱面镜的汇聚后通过相位掩膜版对所述的光敏光纤进行曝光；所述的步骤B进一步包括B11.采用一组紫外光反射镜对步骤A11中经该振幅掩膜版振幅调制后的反射光进行反射，形成所述的第二束平行紫外光；B12.该第二束平行紫外光经第二柱面镜的汇聚后对所述的光敏光纤直接进行曝光。
4.根据权利要求3所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于在步骤A11前，还包括使用紫外光扩束装置对入射的紫外光进行扩束；和使用光阑对扩束后的紫外光进行过滤，用过滤后的均匀紫外光照射所述的振幅掩膜版。
5.根据权利要求3所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于所述的振幅掩膜版是在同一紫外光反射镜上，按所述切趾函数分布和它的互补函数分布，制作出透光部分和光反射部分，透射光与反射光的光通量互补。
6.根据权利要求3所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于所述振幅掩膜版的横向长度与所述光纤光栅长度相等，所述振幅掩膜版的纵向长度根据所述光斑的大小确定，使光斑沿纵向方向的大小不小于振幅掩膜版透过率函数在纵向方向的最大值。
7.根据权利要求2或3或4或5或6所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于在进行所述的曝光时，所述的振幅掩膜版、相位掩膜版和光敏光纤静止不动进行静态曝光；或者一起沿振幅掩膜版的横向方向匀速移动进行扫描曝光。
8.根据权利要求1所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于所述的步骤A进一步包括A21.采用一透过率函数按所需切趾函数分布的第一振幅掩膜版对垂直入射的紫外光进行振幅调制；A22.经振幅调制后透过第一振幅掩膜版的透射光形成所述的第一束平行紫外光，经第一柱面镜汇聚后透过所述的相位掩膜版对所述的光敏光纤进行曝光；所述的步骤B进一步包括B21.采用另一透过率函数分布互补于所需切趾函数分布的第二振幅掩膜版对垂直入射的紫外光进行振幅调制；B22.经振幅调制后透过第二振幅掩膜版的透射光形成所述的第二束平行紫外光，经第二柱面镜汇聚后对所述的光敏光纤进行直接进行曝光。
9.根据权利要求8所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于在步骤A21前，还包括使用紫外光扩束装置对所述的紫外光进行扩束；和使用光阑对扩束后的紫外光进行过滤，用过滤后的均匀紫外光照射所述的第一振幅掩膜版；所述的步骤B21前，还包括使用紫外光扩束装置对所述的紫外光进行扩束；和使用光阑对扩束后的紫外光进行过滤，用过滤后的均匀紫外光照射所述的第二振幅掩膜版。
10.根据权利要求8所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于所述的第一振幅掩膜版，是在一平整的挡光材料上，按所述切趾函数分布，制作出透光部分；所述的第二振幅掩膜版，是在另一平整的挡光材料上，按互补于切趾函数分布，制作出透光部分；第一振幅掩膜版透射光的光通量与第二振幅掩膜版透射光的光通量互补。
11.根据权利要求8所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于所述第一、第二振幅掩膜版的横向长度与所述光纤光栅长度相等，所述第一、第二振幅掩膜版的纵向长度根据所述光斑的大小确定，使光斑沿纵向方向的大小不小于第一、第二振幅掩膜版透过率函数在纵向方向的最大值。
12.根据权利要求8或9或10或11所述的一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法，其特征在于在进行所述的曝光时，所述的第一振幅掩膜版、第二振幅掩膜版、相位掩膜版和光敏光纤静止不动进行静态曝光，或者一起沿第一、第二振幅掩膜版的横向方向匀速移动进行扫描曝光。
全文摘要
本发明涉及一种一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法。包括A.用振幅掩膜版对入射紫外光进行振幅调制，获得光通量按所需切趾函数分布的一束紫外光，使用第一柱面镜对该紫外光的光斑进行纵向压缩后再透过相位掩膜版对光敏光纤曝光；B.与步骤A同时，用振幅掩膜版对入射紫外光进行振幅调制，获得光通量与该切趾函数分布互补的另一束紫外光，使用第二柱面镜对该紫外光的光斑进行纵向压缩后直接对光敏光纤曝光。其中透过相位掩膜版曝光的一束光是经振幅掩膜版的透射光；直接曝光的另一束光，可以是经上述振幅掩膜版按与切趾函数分布互补的函数调制后的反射光，也可以是另外产生并经反切趾振幅掩膜版调制的透射光。简单易行且精确度高。
文档编号G02B6/124GK1607406SQ20031010015
公开日2005年4月20日 申请日期2003年10月13日 优先权日2003年10月13日
发明者吴强, 余重秀, 王葵如, 于志辉, 忻向军 申请人:北京邮电大学