对光致光栅的波长调谐 【技术领域】
本发明涉及通过在光化辐射下进行形成图案的曝光而在光波导的光敏介质中制作的光栅。所述图案包含交替的光带，它们一般由干涉条纹构成，并且具有小于1微米的周期。
背景
用干涉仪或相位掩模可以制作用于制造光波导光栅，尤其是纤维布拉格光栅的干涉图样。干涉仪将一束相干光束分成两束单独的光束，然后两分离光束在波导上按一定角度重新合并，以形成所需的干涉图样。相位掩模本身是衍射光栅，它们将同样的相干光束分成不同的衍射级，然后这些衍射级在波导上重新合并，形成类似的干涉图样。
为了制造，通常最好使用相位掩模，因为干涉仪不太稳定，并且难以在生产环境中使用。相位掩模较稳定，但不易调节作为结果的干涉图样的周期。两准直光束之间的干涉周期是干涉光束波长以及光束合并角度的函数。对于被相位掩模分离的光束，其波长的任何变化还会改变分光束重新合并时的衍射角，因此通常需要为每种干涉图样准备不同的相位掩模。
已开发出几种技术，用于调节用相位掩模制作的光致波导图样。结果光栅响应的布拉格波长(中心波长)是光栅周期和波导平均折射率两者地函数。对波导(即，光纤)进行预应变处理并且用会聚光束或发散光束照射相位掩模，可以少量调节布拉格波长。
Quin Zhang等人在1994年7月发行的《光子技术通讯》第6卷，第7期上发表了论文“在预应变纤维上写光栅以调谐布拉格波长”，该论文对前述技术作了描述。光敏纤维在发生应变的同时曝光于相位掩模所产生的干涉图样。在解除应变后，其布拉格波长相对于同样曝光的未应变纤维下移。光纤和其它波导只能允许有限量的应变，由此限制了该技术的调节量。
J.D.Prohaska等在1993年9月2日发行的《电子通讯》第29卷，第18期上发表了论文“用掩模制造的纤维布拉格光栅的放大倍率”，该文章提议用会聚或发散光束照射相位掩模，以调节入射光敏纤维的干涉图样的放大倍率。可以改变会聚或发散透镜的光焦度、透镜与相位掩模之间的距离，以及相位掩模与纤维之间的距离，以便在通过相位掩模的光的Fresnel近场内调节干涉图样的放大倍率。但是，只有周期的微小变化是实用的，因为射束的空间相干性会限制在离开相位掩模一段距离的地方所产生的干涉图样。
授予Anderson等人的美国专利5,327,515号将一透镜固定在相位掩模和光敏纤维之间，用以将在相位掩模处形成的干涉图样的像投射到纤维上。透镜投射系统经布置，可以放大或缩小投射到纤维上的干涉图样。但是，与已知的干涉仪装置一样，其在稳定性和对准方面的问题使得该技术在生产环境下实用性较差。
【发明内容】
本发明为用相位掩模制造光波导光栅提供了更大的灵活性。可以调节光栅周期和光栅长度，以及切趾分布曲线。可以对光栅作较少的改变，以便进行调谐，补偿其它的设计变化；或者可以进行较多的改变，以制造出具有不同规格的光栅。可以用相同的相位掩模将一个光栅写在另一个光栅上，这对于制造复合传感器特别有用。还可以控制光栅线性调频，以支持更复杂的光谱响应。
较佳实施例包括一个用于从光束(即，光化辐射)中去除空间不相干光的空间滤光器。相位掩模将经滤光的光束分成两束干涉光束，这两束干涉光束沿波导形成一个具有平均条纹周期的干涉图样。聚焦系统引导接近空间滤光器的光束，使其成为会聚光束，并且进一步引导经滤光的光束，使其成为非准直的光束，入射到相位掩模上。波导支撑件将波导定位在离开相位掩模一段距离的地方，以便调节沿波导形成的干涉图样的平均条纹周期。
空间滤光器将非相干光至少从两个正交方向中与光束传播轴横截的第一方向中滤除掉。第一方向与波导定向方向相同。
聚焦系统沿第一正交方向会聚光束，使其通过位于空间滤光器处的第一焦线。接近波导时，聚焦系统沿第一正交方向发散或会聚经滤光的光束。通过在空间滤光器和相位掩模之间放置一个发散或会聚元件，可以改变入射到相位掩模上的光束的有效曲率中心。沿第一正交方向入射到相位掩模上的发散光束增大了沿波导形成的平均条纹周期，而沿相同的第一正交方向入射到相位掩模上的会聚光束会减小平均条纹周期。为了使光学部件所要求的对准性最小，发散光束可以在第一焦线上具有一曲率中心，而第一焦线位于空间滤光器处。
聚焦系统最好对两个正交方向上的光束形状进行分别控制。在第一方向上，对光束滤光，以提高空间相干性，对光束定形，以影响与相位掩模和波导之间给定的间距相关的条纹周期的变化量。在第二方向上，使用单独的聚焦光学元件，将光能集中在波导上。例如，可以将聚焦系统安排成，沿接近相位掩模的第一正交方向上发散经滤光的光束，以增大平均条纹周期，而沿接近相位掩模的第二正交方向上会聚经滤光的光束，以便将更多的光能集中在波导上。
空间滤光器允许相位掩模与波导隔开较大的距离，同时仍然制作出具有良好条纹对比度的干涉图样。通过调节滤光光束的会聚度或发散度，可以在相位掩模和波导之间不止一个距离的地方获得类似的条纹周期。可以用相位掩模与波导之间的距离影响的其它变量包括从相位掩模出射的干涉光束之间的重叠长度以及重新合并光束的强度分布曲线。重叠长度控制了写入波导中的光栅的长度。强度分布曲线影响着用于获得所需光谱响应的切趾问题。
还可以在包括第一正交方向的轴平面内倾斜波导，以便在光栅中产生线性调频，明显形成一个从光栅一端变化至另一端的光栅周期。如果入射到相位掩模上的发散或会聚光束具有较短的焦距(例如，空间滤光器处第一焦线与相位掩模之间的距离较短)，那么可以在光栅中产生二次线性调频，明显形成这样一个光栅周期，其作为离开光栅中心之距离的函数而变化。这种二次线性调频还可以影响切趾问题。
附图
图1是一示意图，示出了用相位掩模在波导中光学感生一光栅的设备。
图2是一示意图，示出了相对相位掩模倾斜的波导，以线性调频周期形成一光栅。
图3是一示意图，示出了在波导中光学感生一光栅的干涉仪。
图4是一示意图，示出了与波导布置在一起的振幅掩模，用于在波导中光学感生一长周期光栅。
详细描述
图1所示的结构10可以用来在波导12中形成一光栅。该图中波导被示作一光纤，但也可以是其它形式，包括平面波导或波导管。波导12具有一曝光部分14，该部分包括光敏纤芯，纤芯周围包裹着一包层。例示的光敏纤芯由石英和锗的混合物制成，而包层只用石英构成。可以加载氢气，以提高感光性。
激光源16的例子有工作在150nm和250nm波长范围内的准分子激光器。激光源16产生光化的、时间相干的辐射光束18。其它激光器和其它波导也可以结合对其它波长和功率状态敏感的材料一起使用。可以使用脉冲波或连续波辐射。
在旋转反射镜20的后面，第一孔径光阑22在第一聚焦透镜24(例如，柱面透镜)的前面阻挡掉光束18的外围部分，而第一聚焦透镜24会聚光束，使其通过第一焦线26。参照一直角坐标系统，其中坐标“Z”沿光束传播的方向延伸，坐标“X”和“Y”在横截光束传播方向的平面内延伸。光束18会聚通过焦线26的行为发生在“X”方向上。焦线26沿“Y”方向延伸，该方向垂直于图1的图面。
空间滤光器30位于焦线26的附近，它使光束18中空间频率较高的分量转向，以提高光束的空间相干性。美国临时申请60/047,859详细描述了较佳的空间滤光器30，该申请的名称是“用于高光焦度激光束的空间滤光器”，其内容通过引用包括在此。离开空间滤光器30时，光束18具有sinc2的强度分布，然后第二孔径光阑阻挡掉旁瓣。第二聚焦透镜36(例如，另一个柱面透镜)沿“Y”方向会聚光束18，使其通过第二焦线38，而第二焦线38大致与波导10的轴39重合。焦线38和波导10的轴39都沿“X”正交方向延伸。
与沿“Y”方向会聚不同，光束18沿“X”方向继续发散，并通过聚焦透镜36，直到光束18以不同的入射角投射到相位掩模40上。这里，入射角是离开光束18之中心的距离的函数。光束18从第一焦线26到相位掩模40的总发散经历了距离“z”。用于相位掩模40的可调固定装置42可以沿“Z”方向平移，以调节距离“z”。相位掩模40本身是一衍射光栅，它将光束18衍射成两束干涉光束44和46，这两束光束最好是符号相反两个衍射级(例如，+1级和-1级)。也可以使用其它衍射级的组合，包括零级和第一级的组合，但最好是两个第一级。
不要将相位掩模40根据惯例直接靠着波导10的曝光部分12，而是应使相位掩模40沿“Z”方向与曝光部分12隔开距离“d”。波导10被支撑在一可调的固定装置48上，而可调固定装置48可以沿“Z”方向平移，以便改变相位掩模40和波导10之间的距离“d”，但不影响焦线26与相位掩模40之间的距离“z”。在提高了光束18之空间相干性的情况下，距离“d”可以达到1厘米或更大，这可以对波导10上结果条纹图样的间距以及在波导10之曝光部分12形成的结果光栅50的相应布拉格波长进行效果明显的附加控制。另外，波导与相位掩模不接触可以避免不必要的相互作用，不然这些相互作用会影响成品的质量和一致性。
布拉格波长的变化“ΔλB”是变量“z”和“b”的函数，可用下式表示：
ΔλB=(neffλ写/sinθ){[1+(d/z)2+2(d/z)cosθ]1/2-1}
其中“λ写”是射束18的波长，“neff”是波导10之纤芯的有效平均折射率，而“θ”是两个衍射级符号相反的干涉光束44和46之间的半角。
在许多实用场合下，“z”大大地大于“d”，这时上述等式可以近似为：
ΔλB≌(neffλ写(d/z)cotθ
由上式可见，减小“z”或增大“d”可以增大光栅布拉格波长的变化。距离“z”与光束18沿“X”的扩张度有关，它可以控制因改变距离“d”而影响干涉光束44和46之间重叠量以及干涉光束44和46之组合强度分布的速率。重叠量控制了写入波导10中的光栅的长度。增大干涉光束44和46之强度分布峰值之间的间距可以减小重叠范围内的强度变化，从而可以更好地控制光栅50产生的光谱响应。1998年7月1日提交的美国临时申请60/091,547进一步说明了使波导离开相位掩模40一段距离“d”的切趾效应。该临时申请的名称是“对光敏介质中形成的光纤切趾”，其内容通过引用包括在此。
例如，利用距离“z”和“d”的各种组合控制光栅50的波长以及干涉光束44和46的合并强度分布，由此可以改变光栅50的布拉格波长。也可以使用更短距离“z”，为光栅50提供二次曲线调频，即光栅间距作为离开光栅中心的距离函数而连续变化。
如图2所示，在包括“X”和“Z”方向的平面内倾斜波导10，以根据下式为光栅50提供连续的线性调频：
chirp=δ(ΔλB)/L=(neffλ写/z)cotθsinα
其中“δ(ΔλB)”是中心波长沿光栅50之长度“L”的变化量，而“α”是波导10相对相位掩模40倾斜的角度。用类似方式在“X-Z”平面内倾斜波导10可以进一步增加、减小甚至消除由调频相位掩模所引起的调频。波导10还可以在“X-Y”平面内绕“Z”轴旋转，以写闪烁光栅。
对“Y”方向上的会聚进行控制可以用来调节沿波导10之倾轴39的强度分布。无论如何倾斜，还可以用一振幅掩模进一步控制沿波导轴39的强度分布，其中振幅掩模最好位于空间滤光器30和相位掩模40之间。可以按串联的方式布置不止一个空间滤光器30，以便进一步提高光束18的空间相干性。增加另一个空间滤光器，使其与空间滤光器30串联，这样可以将来自第一空间滤光器的sinc2强度分布转换成来自第二空间滤光器的sinc4强度分布。
证明本发明之可能性的一个例子具有以下数值：
z=3.0米
d=1.0厘米
λ写=248纳米
neff=1.45
θ=13.4度
布拉格波长的变化结果“ΔλB”等于5.05纳米。布拉格波长的小范围变化可以用于这样的目的，例如进行调谐以补偿制造变化或预期的环境影响。较大的变化可以用来用相同的相位掩模在相同或不同的波导上制造不同的光栅。例如，以不同的布拉格波长将多个光栅叠写在同一波导上，以支撑诸如复合光传感器等多项功能。还可以沿波导形成一系列不同的光栅，以提供诸如复合滤光或去多路分接等功能。
尽管本发明主要适用于用相位掩模在波导上制作光栅，但当用干涉仪制作类似光栅时可以获得一些重叠的利益。图3示出了这样一个干涉仪60。使用类似光源62以及聚焦光学元件64和66、孔径光阑68、空间滤光器72的类似组合，形成具有所需形状和强度分布的空间相干光束74。
但是，与前述实施例不同，分束器方框76将光束74分成两束分立的光束78和80，它们各自通过相应的转向反射镜82、84以及反射镜86、88、90之后相互成“β”角度。每束光束78和80在入射到波导100的曝光部分96上之前，经聚焦光学元件92和94最终定形。
与前述实施例类似，两光束在一平面(即，图3的图面)内的形状不同，其中波导100之曝光部分96在所述平面内与波导100之法平面对准。在波导100的平面内，光束78和80逐渐会聚到波导100上。(还可以类似于前述实施例，将相同的光束78和80安排成，发散到波导100上)。横向平面在空间滤光器72处包括焦线102，在该平面内，光束78和80也最好会聚，将更多的光能集中在波导100上。
光束78和80具有中心轴104和106，它们在偏离波导100的某个位置处相交。从光束78和80在波导平面内的焦点(例如，102)到光束轴104和106之交叉点108的距离可以与前述实施例中的距离“z”相比拟。从交叉点108至波导100的距离可以与前述实施例中的距离“d”相比拟。但是，本实施例中的距离“d”可以根据波导100处于交叉点108之前或之后而具有负值或正值。角度“β”对应于前述实施例中角度“θ”的两倍。
可以调节距离“z”和“d”，以进一步调节波导100中形成的结果光栅110的平均周期，以及调频和切趾方面的问题。波导固定装置112调节距离“d”，并且还可以用来倾斜波导100，从而以更加线性的方法改变光栅间距。由于通过改变角度“β”可以调节光栅周期，所以期望距离“d”和“z”能够更有助于解决调频或切趾的问题。
本发明还适用于长周期光栅的制造。可以使用与图1类似的设置。但是，用矩形振幅掩模120代替了相位掩模40。将附加的聚焦光学元件122放在空间滤光器40和振幅掩模之间，以改变光束18接近振幅掩模120时的扩张度。这类聚焦光学元件122可以用于任何实施例中，以移动射束18的有效曲率中心，并相应地缩短或加长距离“z”。
前述实施例都依赖于沿波导10和100制作光带图样的干涉机理。与此不同，单光束124离开振幅掩模120时包含一个强度变化的图样，该图样可以在波导128的曝光部分126上制造所需的光带。用通过振幅掩模120(用离开有效曲率中心136的距离“zA”来度量)时的扩张度和振幅掩模120与波导128之曝光部分126之间的距离“dA”来控制作为结果的长周期光栅130的波长“L”和栅距。
掩模固定装置132可以沿“Z”方向平移，以改变距离“zA”和“dA”，并且波导固定装置134可以沿相同的方向平移，以改变距离“dA”，但不影响距离“zA”。波导固定装置还可以相对“Y”或“Z”方向倾斜，以便进一步影响长周期光栅130的线性调频或闪耀。
对于本领域的熟练技术人员来说，本发明的其它应用、使用和结构是明显的。根据本发明制作的光栅特别适用于通信系统，并且还包括用作传感器、色散补偿器，和激光抽运稳定器。