本發(fā)明涉及一種用于在光波導(dǎo)中寫入光柵的裝置和用于在光波導(dǎo)中寫入光柵的方法。

背景技術(shù)：

通過用已經(jīng)在芯部軸向上進(jìn)行了強(qiáng)度調(diào)制的紫外光照射具有芯部或包層(其由含有諸如GeO₂和B₂O₃等感光材料的石英玻璃形成)的光纖等的光波導(dǎo)，可以制造在芯部軸向上具有與紫外光的強(qiáng)度分布對應(yīng)的折射率分布的光柵。這種光柵可以用作例如增益均衡器，該增益均衡器用于使包括芯部含有鉺(Er)的放大光纖的摻鉺光纖放大器(EDFA)的增益變得均衡。

在JP 2003-4926A(專利文獻(xiàn)1)、WO 2003/093887(專利文獻(xiàn)2)、JP 10-253842A(專利文獻(xiàn)3)、JP 2001-166159A(專利文獻(xiàn)4)和JP 2004-170476A(專利文獻(xiàn)5)中描述了光柵的制造技術(shù)。紫外光的實例包括氬離子激光的二次諧波(244nm)、KrF準(zhǔn)分子激光(248nm)、YAG激光的四次諧波(265nm)、銅蒸氣激光的二次諧波(255nm)等等。

用已經(jīng)在芯部軸向上進(jìn)行了強(qiáng)度調(diào)制的紫外光照射光波導(dǎo)的方法的實例包括相位掩模方法、將光波導(dǎo)直接暴露在激光下的方法以及雙光束干涉曝光法。利用相位掩模方法，使得利用線性調(diào)頻型光柵相位掩模而產(chǎn)生的正/負(fù)一階衍射光束彼此干涉。利用雙光束干涉曝光法，激光被分成兩束，并且使這些分開的光束彼此干涉。與其他方法相比，利用相位掩模方法，光柵可以被容易地制造且具有良好的重復(fù)性。

利用專利文獻(xiàn)3和4中公開的光柵制造技術(shù)，在利用相位掩模方法在光波導(dǎo)中形成光柵之后，相位掩模被替換為具有在光波導(dǎo)軸向上的透射率分布的減光濾光器，并且用已通過減光濾光器的非干涉光照射光波導(dǎo)。因此，使有效折射率在光波導(dǎo)的軸向上變化，以便制造具有所需衰減波長特性的光柵。利用光柵的這種制造技術(shù)，除了通過使用相位掩模形成光柵的步驟之外，還需要通過用非干涉光進(jìn)行照射來調(diào)節(jié)有效折射率的步驟。因此，存在制造成本和制造時間增加的問題。

專利文獻(xiàn)5描述了以下內(nèi)容：在相位掩模方法中，可以通過調(diào)節(jié)相位掩模與光波導(dǎo)之間的距離來調(diào)節(jié)光柵的折射率調(diào)制的振幅。專利文獻(xiàn)5還描述了以下內(nèi)容：隨著相位掩模與光波導(dǎo)之間的距離減小，光柵的折射率調(diào)制的振幅可以增大，以及隨著相位掩模與光波導(dǎo)之間的距離增大，光柵的折射率調(diào)制的振幅可以減小。然而，根據(jù)本發(fā)明人進(jìn)行的相對于相位掩模與光波導(dǎo)之間的距離而言正/負(fù)一階衍射光束的性能的計算，相位掩模與光波導(dǎo)之間的距離的增大不一定能夠減小光柵的折射率調(diào)制的振幅，并且衍射光束的性能比較復(fù)雜。此外，僅通過調(diào)節(jié)相位掩模與光波導(dǎo)之間的距離，形成光柵的自由度較低，并且難以實現(xiàn)光波導(dǎo)固有的特性和縱向上的變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

因此，本發(fā)明的目的在于提供能夠容易地制造具有所需衰減波長特性的光柵的一種光柵制造裝置和光柵制造方法。

解決技術(shù)問題的方案

光柵制造裝置將光柵寫入到光波導(dǎo)中。該裝置包括激光源、反射鏡位置調(diào)節(jié)單元、掩模位置調(diào)節(jié)單元和同步控制器。激光源輸出激光。反射鏡位置調(diào)節(jié)單元在光波導(dǎo)的軸向上能移動，并且調(diào)節(jié)將激光偏轉(zhuǎn)至光波導(dǎo)的掃描鏡的位置，以便調(diào)節(jié)光波導(dǎo)中的光柵寫入位置。掩模位置調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)設(shè)置在掃描鏡與光波導(dǎo)之間的相位掩模的位置，以便調(diào)節(jié)相位掩模與光波導(dǎo)之間的距離。同步控制器以掃描鏡的位置調(diào)節(jié)與相位掩模的位置調(diào)節(jié)彼此相關(guān)聯(lián)的方式控制由反射鏡位置調(diào)節(jié)單元執(zhí)行的掃描鏡的位置調(diào)節(jié)和由掩模位置調(diào)節(jié)單元執(zhí)行的相位掩模的位置調(diào)節(jié)。

該裝置還可以包括光束直徑調(diào)節(jié)單元，光束直徑調(diào)節(jié)單元設(shè)置在激光源與掃描鏡之間，并且調(diào)節(jié)激光的光束直徑和波陣面。在這種情況下，同步控制器還關(guān)聯(lián)并控制由光束直徑調(diào)節(jié)單元執(zhí)行的激光的光束直徑調(diào)節(jié)。該裝置還可以包括透鏡位置調(diào)節(jié)單元，該透鏡位置調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)光波導(dǎo)與接收已被掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光的柱面透鏡之間的距離。在這種情況下，同步控制器還關(guān)聯(lián)并控制由透鏡位置調(diào)節(jié)單元執(zhí)行的柱面透鏡的位置調(diào)節(jié)。柱面透鏡的焦距可以為100mm至200mm。

一種光柵制造方法，利用該光柵制造方法將光柵寫入到光波導(dǎo)中，該光柵制造方法包括：通過使用在光波導(dǎo)的軸向上能移動的掃描鏡將已從激光源輸出的激光偏轉(zhuǎn)至光波導(dǎo)；用已被掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光經(jīng)由設(shè)置在掃描鏡與光波導(dǎo)之間的相位掩模照射光波導(dǎo)；將掃描鏡的位置調(diào)節(jié)與相位掩模的位置調(diào)節(jié)彼此相關(guān)聯(lián)，控制掃描鏡的位置調(diào)節(jié)和相位掩模的位置調(diào)節(jié)，并且將光柵寫入到光波導(dǎo)中。

照射相位掩模的激光的波陣面的曲率半徑可以為20mm以上。在照射相位掩模的激光的束寬在500μm至3000μm內(nèi)變化的同時，掃描鏡可以在光波導(dǎo)的軸向上移動。可以使用接收已被掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光的柱面透鏡。入射到柱面透鏡上的激光的束寬可以為500μm至3000μm。

本發(fā)明的有益效果

根據(jù)本發(fā)明，可以容易地制造具有所需衰減波長特性的光柵。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖光柵制造裝置的概念圖。

圖2包括示出在自相位掩模起的距離被設(shè)定為10μm的情況下照射光纖的光的強(qiáng)度在軸向上的分布的曲線圖。

圖3包括示出在自相位掩模起的距離被設(shè)定為50μm的情況下照射光纖的光的強(qiáng)度在軸向上的分布的曲線圖。

圖4包括示出在自相位掩模起的距離被設(shè)定為70μm的情況下照射光纖的光的強(qiáng)度在軸向上的分布的曲線圖。

圖5包括示出在自相位掩模起的距離被設(shè)定為90μm的情況下照射光纖的光的強(qiáng)度在軸向上的分布的曲線圖。

圖6包括示出在自相位掩模起的距離被設(shè)定為110μm的情況下照射光纖的光的強(qiáng)度在軸向上的分布的曲線圖。

圖7包括示出在自相位掩模起的距離被設(shè)定為130μm的情況下照射光纖的光的強(qiáng)度在軸向上的分布的曲線圖。

圖8是概括了在自相位掩模起的距離變化的情況下照射光纖2的光的強(qiáng)度在軸向上的分布的概念圖。

圖9包括示出光纖的在軸向上的折射率變化的曲線圖。

圖10是示出在入射光束的直徑被設(shè)定為100μm的情況下自相位掩模起的距離Gap與背景光面積和干涉圖樣面積之比之間的關(guān)系的曲線圖。

圖11是示出在入射光束的直徑被設(shè)定為150μm的情況下自相位掩模起的距離Gap與背景光面積和干涉圖樣面積之比之間的關(guān)系的曲線圖。

圖12是示出在入射光束的直徑被設(shè)定為200μm的情況下自相位掩模起的距離Gap與背景光面積和干涉圖樣面積之比之間的關(guān)系的曲線圖。

圖13是示出背景光面積和干涉圖樣面積之比的曲線圖。

圖14是圖12的放大圖。

圖15是圖12的放大圖。

圖16是圖12的放大圖。

圖17是圖12的放大圖。

圖18是圖12的放大圖。

圖19是圖12的放大圖。

圖20是圖12的放大圖。

圖21是示出被柱面透鏡會聚的激光的狀態(tài)的概念圖。

圖22是示出光纖中的激光強(qiáng)度分布的概念圖。

具體實施方式

下面將參考附圖對根據(jù)本發(fā)明的光柵制造裝置和光柵制造方法進(jìn)行詳細(xì)描述。在附圖的描述中，相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，從而省略重復(fù)描述。應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明不限于這些實例。本發(fā)明由權(quán)利要求的范圍表示，并意在涵蓋權(quán)利要求范圍內(nèi)以及等同含義和范圍內(nèi)的所有修改。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖光柵制造裝置1的概念圖。光纖光柵制造裝置1在作為光波導(dǎo)的光纖2中形成光柵。光纖光柵制造裝置1包括激光源11、光束直徑調(diào)節(jié)單元12、掃描鏡21、掃描鏡位置調(diào)節(jié)單元(反射鏡位置調(diào)節(jié)單元)22、柱面透鏡31、柱面透鏡位置調(diào)節(jié)單元(透鏡位置調(diào)節(jié)單元)32、相位掩模41、相位掩模位置調(diào)節(jié)單元(掩模位置調(diào)節(jié)單元)42、臺部51、固定夾具52和同步控制器(控制器)60。

激光源11輸出具有波長(例如，244nm)的激光，在該波長下，光纖2的芯部的折射率可以是變化的。光束直徑調(diào)節(jié)單元12調(diào)節(jié)已從激光源11輸出的激光的光束直徑和波陣面并且輸出已調(diào)節(jié)的激光。掃描鏡21能夠沿光纖2的軸向移動并且朝向光纖2偏轉(zhuǎn)已從光束直徑調(diào)節(jié)單元12輸出的激光。反射鏡位置調(diào)節(jié)單元22調(diào)節(jié)掃描鏡21的位置，以便調(diào)節(jié)光纖2中的光柵寫入位置。柱面透鏡31接收已被掃描鏡21偏轉(zhuǎn)的激光并且使激光沿光纖2的軸向會聚。透鏡位置調(diào)節(jié)單元32調(diào)節(jié)柱面透鏡31與光纖2之間的距離。

相位掩模41被設(shè)置在柱面透鏡31與光纖2之間。相位掩模41在面向光纖2的表面上包括具有周期為約1μm的突起和凹部的光柵。相位掩模41接收已從柱面透鏡31輸出的激光，以便產(chǎn)生正/負(fù)一階衍射光束并使這些正/負(fù)一階衍射光束在光纖2的芯部中彼此干涉，從而形成光強(qiáng)度分布，以便在光纖2的芯部中形成光柵。掩模位置調(diào)節(jié)單元42調(diào)節(jié)相位掩模41的位置，以便調(diào)節(jié)相位掩模41與光纖2之間的距離。光纖2被固定夾具52固定在臺部51上。

同步控制器60以掃描鏡21的位置調(diào)節(jié)與相位掩模41的位置調(diào)節(jié)彼此相關(guān)聯(lián)的方式控制由反射鏡位置調(diào)節(jié)單元22執(zhí)行的掃描鏡21的位置調(diào)節(jié)和由掩模位置調(diào)節(jié)單元42執(zhí)行的相位掩模41的位置調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，同步控制器60還關(guān)聯(lián)由光束直徑調(diào)節(jié)單元12執(zhí)行的激光的光束直徑的調(diào)節(jié)，以便控制激光束的光束直徑的調(diào)節(jié)。此外，優(yōu)選地，同步控制器60還關(guān)聯(lián)由透鏡位置調(diào)節(jié)單元32執(zhí)行的柱面透鏡31的位置調(diào)節(jié)，以便控制柱面透鏡31的位置調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，柱面透鏡31的焦距為100mm至200mm，照射相位掩模41的激光的波陣面的曲率半徑為20mm以上，在照射相位掩模41的激光的束寬在500μm至3000μm內(nèi)變化的同時，掃描鏡21在光纖2的軸向上移動，并且入射到柱面透鏡31上的激光的束寬為500μm至3000μm。此外，反射鏡位置調(diào)節(jié)單元22、透鏡位置調(diào)節(jié)單元32和掩模位置調(diào)節(jié)單元42優(yōu)選地分別包括例如線性電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)和壓電元件。

為了便于描述，在圖1中示出了xyz正交坐標(biāo)系。x軸與光纖2的軸向平行。z軸與照射光纖2的激光平行。y軸與x軸和z軸這兩者垂直。在以下描述中使用xyz正交坐標(biāo)系。

基于以下假設(shè)計算下述計算結(jié)果：入射到相位掩模41上的激光具有高斯分布，并且激光的光束直徑為200μmφ。此外，下述計算結(jié)果可以僅表示入射光束的中心(高斯分布的中心)的一側(cè)的情況。實際分布是關(guān)于入射光束的中心對稱的。

圖2至圖7是示出在自相位掩模41起的距離(z方向)變化的情況下照射光纖2的光的強(qiáng)度在軸向(x方向)上的分布的曲線圖。圖2示出了距離為10μm的情況，圖3示出了距離為50μm的情況，圖4示出了距離為70μm的情況，圖5示出了距離為90μm的情況，圖6示出了距離為110μm的情況，以及圖7示出了距離為130μm的情況。光纖2的軸向上的原點O表示入射到相位掩模41上的激光的高斯分布的中心。干涉光的強(qiáng)度的峰值位置用圖2至圖7中的每一副圖的部分(a)中的箭頭表示。另外，在圖2至圖7中的每一副圖中，部分(b)是對應(yīng)部分(a)的一部分的放大圖，并且部分(b)示出了干涉圖樣的周期為約0.5μm。

如可以從這些附圖看到的那樣，隨著自相位掩模41起的距離增大，干涉光強(qiáng)度的峰值位置離開原點。在分開距離為任意值的位置處，因背景光而造成的折射率的變化與因干涉圖樣而造成的折射率的變化彼此疊加。背景光可能造成干涉圖樣的可見度下降。此外，隨著自相位掩模41起的距離增大，背景光的比率提高。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隨著距離進(jìn)一步增大，在干涉光強(qiáng)度的峰值成長的同時，干涉光以約14度的角度出射。

圖8是概括了在自相位掩模41起的距離(z方向)變化的情況下照射光纖2的光的強(qiáng)度在軸向(x方向)上的分布的概念圖。在此，距離被設(shè)定為10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm或500μm。隨著自相位掩模41起的距離增大，干涉光的峰值成長為正/負(fù)一階衍射光束，并且干涉光的峰值位置與原點分開。同時，隨著自相位掩模41起的距離增大，干涉光區(qū)域的比率減小，而背景光的比率提高。此外，可以看出，在距離為500μm時，自干涉光的峰值位置起的干涉光的出射角為約14度。這與相位掩模41的遠(yuǎn)場圖樣的計算結(jié)果一致。

在該計算中，設(shè)定相位掩模41的光柵周期，使得干涉圖樣的周期為約0.5μm。如可以從圖2至圖7看到的那樣，可以通過調(diào)節(jié)相位掩模41與光纖2之間的距離來調(diào)節(jié)干涉光與背景光之比。在此，相位掩模41與光纖2之間的距離是相位掩模41的形成光柵的主面與光纖2的軸線之間的距離。

圖9包括示出光纖2的在軸向上的折射率變化的曲線圖。折射率調(diào)制振幅Δn與偏移量Δn_bias之比對應(yīng)于干涉光與背景光之比。也就是說，折射率調(diào)制振幅Δn與偏移量Δn_bias之比對應(yīng)于相位掩模41與光纖2之間的距離。也就是說，代替專利文獻(xiàn)3和專利文獻(xiàn)4所公開的通過相位掩模方法進(jìn)行光柵的形成和使用非干涉光的照射進(jìn)行有效折射率的調(diào)節(jié)，根據(jù)本實施例，可以在調(diào)節(jié)相位掩模41與光纖2之間的距離的同時通過在軸向上移動掃描鏡21來適當(dāng)?shù)卦O(shè)定在光纖2的軸向上的各位置處的干涉光與背景光之比。因此，可以通過以下方式容易地制造具有所需衰減波長特性的光柵：使用線性調(diào)頻型光柵相位掩模，并且在控制掃描鏡的位置調(diào)節(jié)(其確定干涉圖樣的周期)和相位掩模與光纖之間的距離(其確定干涉光與背景光之比)的同時，以上述位置調(diào)節(jié)和上述距離彼此相關(guān)聯(lián)的方式在光波導(dǎo)中寫入光柵。

圖10至圖12是示出在入射光束的直徑被設(shè)定為100μm、150μm和200μm的情況下自相位掩模41起的距離Gap與背景光面積和干涉圖樣面積之比之間的關(guān)系的曲線圖。圖13是示出背景光面積和干涉圖樣面積之比的曲線圖。在圖13中，在光纖縱向上的距離的負(fù)側(cè)上的光強(qiáng)度分布也在圖7的部分(a)中示出。如圖13所示，背景光面積和干涉圖樣面積可以被獲得作為在光纖縱向上的面積(積分區(qū)間為-1000μm至+1000μm)。當(dāng)背景光面積為0％時，這意味著僅存在干涉圖樣，而當(dāng)背景光面積為100％時，僅存在背景光。

如可以從這些曲線圖中看到的那樣，隨著入射光束的寬度增大，背景光面積和干涉圖樣面積之比相對于自相位掩模41起的距離Gap的上升被延遲，并且上升的傾斜度減小。為了簡化計算區(qū)域，這里的計算限于入射光束寬度達(dá)到200μm的范圍。然而，可以推斷的是，通過進(jìn)一步增大入射光束寬度，可以進(jìn)一步減小背景光面積和干涉圖樣面積之比的上升的傾斜度。也就是說，隨著入射光束寬度增大，背景光面積和干涉圖樣面積之比變?yōu)閷ap變化不敏感。這對于寫入光柵比較有利。

圖14至圖20是圖12(入射光束直徑為200μm)的放大圖，并且示出了自相位掩模41起的距離Gap分別為100μm至105μm、150μm至155μm、200μm至205μm、250μm至255μm、300μm至305μm、350μm至355μm和400μm至405μm的范圍。

如可以從這些曲線圖中看到的那樣，背景光面積和干涉圖樣面積之比以約1μm的周期振蕩，并且在Gap為0μm附近以及當(dāng)Gap較大時，變化幅度Δ較小，也就是說，變化幅度Δ為7％至8％。當(dāng)入射光束的直徑為200μm時，變化幅度Δ在Gap為150μm附近至Gap為250μm附近具有類似的形狀(在振蕩的小側(cè)的比率為0％至3％且Δ為12％至14％)。因此，相對于Gap變化的變動較小。也就是說，可以在該范圍內(nèi)吸收因?qū)懭牍鈻艜r臺部掃描而造成的振動干擾。這對于寫入光柵比較有利。盡管在Gap為300μm附近變化幅度Δ的程度類似，但在該范圍內(nèi)明顯地觀察到了背景光強(qiáng)度的趨向。因此，這不利于寫入光柵。

如可以從上述計算結(jié)果清楚看出的那樣，背景光面積和干涉圖樣面積之比的變化幅度以及抑制變化幅度的Gap長度均沿Gap軸線由入射光束的直徑唯一確定。

圖21是示出被柱面透鏡31會聚的激光的狀態(tài)的概念圖。在此，假設(shè)：入射在柱面透鏡31上的激光的光束直徑為1mm，柱面透鏡31的焦距為130mm，并且激光在柱面透鏡31的焦點位置處的束寬為約200μm。在圖21中，從柱面透鏡31輸出的激光的功率密度由陰影部分表示，并且還示出了沿著柱面透鏡31的光軸的激光強(qiáng)度分布。

同樣在圖21中，光纖截面A表示設(shè)置為比焦點位置更靠近柱面透鏡31側(cè)(-z側(cè))的光纖2的截面。光纖截面B表示設(shè)置在焦點位置處的光纖2的截面。光纖截面C表示設(shè)置為比焦點位置更靠近遠(yuǎn)側(cè)(+z側(cè))的光纖2的截面。

圖22是光纖2中的激光強(qiáng)度分布的概念圖，并且示出了當(dāng)光未被光纖2吸收時(A'至C')和當(dāng)光被光纖2吸收時(A"至C")圖21的光纖截面A至C中的激光強(qiáng)度分布。

當(dāng)光未被光纖2吸收時，光纖截面A'至C'中的激光強(qiáng)度分布與未設(shè)置光纖2時的激光強(qiáng)度分布相同。也就是說，在光纖截面A'中，遠(yuǎn)側(cè)上的光功率密度大于相位掩模側(cè)上的光功率密度。在光纖截面B'中，遠(yuǎn)側(cè)上的光功率密度與相位掩模側(cè)上的光功率密度大致相同。在光纖截面C'中，遠(yuǎn)側(cè)上的光功率密度小于相位掩模側(cè)上的光功率密度。

當(dāng)光被光纖2吸收時，除了未設(shè)置光纖2時的激光強(qiáng)度分布之外，根據(jù)光纖2的光吸收確定光纖截面A"至C"中的激光強(qiáng)度分布。也就是說，在光纖截面A"中，盡管隨著激光前進(jìn)到遠(yuǎn)側(cè)激光因光纖2的光吸收而衰減，但因柱面透鏡31所產(chǎn)生的會聚效果而使光功率密度變得均衡。在光纖截面B"中，由于隨著激光前進(jìn)到遠(yuǎn)側(cè)激光因光纖2的光吸收而衰減，并且在該位置附近激光可以被視為平行光，因此遠(yuǎn)側(cè)上的光功率密度小于相位掩模側(cè)上的光功率密度。在光纖截面C"中，由于隨著激光前進(jìn)到遠(yuǎn)側(cè)激光因光纖2的光吸收而衰減，并且在該位置附近激光發(fā)散，因此遠(yuǎn)側(cè)上的光功率密度小于相位掩模側(cè)上的光功率密度，并且遠(yuǎn)側(cè)上的光功率密度與相位掩模側(cè)上的光功率密度之差增大。

根據(jù)本實施例，掃描鏡21的位置調(diào)節(jié)與相位掩模41的位置調(diào)節(jié)彼此相關(guān)聯(lián)，以便控制掃描鏡21的位置調(diào)節(jié)和相位掩模41的位置調(diào)節(jié)。因此，可以在光纖2的軸向上的各位置處適當(dāng)?shù)卦O(shè)定干涉光與背景光之比。因此，可以容易地制造具有所需衰減波長特性的光柵。此外，根據(jù)本實施例，除了掃描鏡21的位置調(diào)節(jié)和相位掩模41的位置調(diào)節(jié)之外，激光的光束直徑調(diào)節(jié)同樣是相關(guān)聯(lián)的，以便控制激光的光束直徑調(diào)節(jié)。此外，柱面透鏡31的位置調(diào)節(jié)同樣是相關(guān)聯(lián)的，以便控制柱面透鏡31的位置調(diào)節(jié)。這可以提高與光纖固有的感光區(qū)域的尺寸和感光靈敏度的大小對應(yīng)的光柵的寫入的自由度。