第２７卷第６期 大学物理实验 Ｖｏｌ＿２７ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１４ ２０１４年１２月 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＬＬＥＧＥ 文章编号：１００７—２９３４（２０１４）０６—００１０－０２ 相移光纤光栅的制作和特性 林继平，张子云 （安徽大学，安徽合肥２３０６０１） 摘 要：在光纤光栅的刻蚀平台中引入精密移动电机，控制相位掩模板的移动，从而在光纤光栅的 刻蚀过程中，在光栅的固定位置引入相移量，采用此简单易行的方法制作出了多种相移光纤光栅，分析 所刻光纤光栅的光谱曲线，符合理论分析和设计的要求。 关键词：相移光纤光栅；掩模板；相移 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１４１３９／ｊ．ｅｎｋｉ．ｃｏ２２—１２２８．２０１４．０６．００４ 中图分类号：ＴＮ２５ 随着光纤光栅技术研究的深入，普通的光纤 光栅已经不能满足所有光纤光路的需求，各种特 实现… 。文中在已有的光纤光栅制作平台上， 利用精密移动平台对普通掩模板的移动控制，实 现对应相移量的引入。 殊结构的光纤光栅的研究和应用取得了很大的发 展，如切趾光纤光栅、啁啾光纤光栅、倾斜光栅和 相移光纤光栅等 。Ｊ。其中相移光纤光栅是指在 光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）中间的某个位置引入折射 率调制的突变，产生折射率调制在此位置有固定 相位突变的两个光纤光栅，典型的相移量有仃／２ 和７ｒ相移等。这两个光栅类似于波长选择Ｆａｂｒｙ— Ｐｅｒｏｔ谐振腔，允许谐振波长的光注入到ＦＢＧ的 阻带，从而在阻带中打开一个线宽极窄的投射窗 口。相移光纤光栅具有高质量的波长选装性，插 入损耗低、并且与偏振态无关，因而受到了越来越 广泛的关注。特别是在全光通信网络中有重要的 应用，主要用于窄带滤波器、密集波分复用 （ＤＷＤＭ）系统中做解复用器等。同时，其在高精 度温度压力等传感器领域也具有很大的应用 前景 － 。 掩模法是刻蚀光纤光栅稳定可靠的方法，如 图１所示，利用光栅相位掩模板的特性，控制掩模 板的槽型、槽深等参数，使得固定波长的紫外激光 透过掩模板后，衍射光的零级被很好的抑制住 （一般要求０级效率低于５％），能量主要分布在 ±ｌ级衍射光上，±１级衍射光在掩模板下面形成 干涉场分布，待刻蚀的光敏光纤放置在这个干涉 场中，使得光敏光纤上形成折射率沿着光纤方向 的调制，即形成光纤光栅结构。所刻蚀的光纤光 栅周期等于掩模板光栅期一半，和入射光束及角 度无关，因此刻蚀效果稳定可靠。 １ 相移光纤光栅的制作简介 相移光纤光栅的制作目前主要有两次曝光法 图１相位掩模板光路示意图 ２方案设计和实验 为了在ＦＢＧ中引入合适的相移量，文中在掩 模法光纤光栅制作平台的基础上，利用精密移动 电机，精确控制掩模板的微小移动，使得在待刻蚀 的光敏光纤上写入的光纤光栅产生对应的相位突 等二次处理方法和相移型相位掩模板法等。二次 处理的方法由于需要对光敏光纤进行二次曝光或 机械、热处理，精度难以控制而且相移点前后的折 射率调制的一致性也难保证；相移型相位掩模法 的精度依赖于掩模板本身的精度，因此掩模板制 作的要求很高，需要成本比较高的电子束刻蚀等 ＼ 变量，如图２所示。刻蚀过程中，先固定系统，移 收稿日期：２０１４—０７－３１ 基金项目：安徽省教学研究重点项目（２０１２ｊｙｘｍ０７５）；安徽大学教学研究项目（ｘｊｊｙｘｍｌ４００２）；安徽大学校级精品实验项目建设 （ＳＹ２０１２０６）；安徽大学特色专业建设点项目（ｘｊｔｓｚｙｌ４０１） 相移光纤光栅的制作和特性 动反射镜，刻蚀一半长的光纤光栅时，遮住紫外激 光纤光栅光谱，这种处理方法形成的相移量难以 光，利用精密移动平台，移动相位掩模板到目标位 控制，且容易产生对光栅光谱的扰动。可以发现， 置，移开遮挡物，接着刻蚀后半段的光纤光栅，因 此方法简单易行，调控方便。经多次实验测量相 而在光栅的中间部位引入了对应大小的相移量。 移光纤光栅的光谱曲线，可以发现，投射谱中打开 整个过程中，紫外激光完整扫描了待刻蚀的整段 的窄带投射峰光谱位置由相移量决定，峰值大小 光纤，因而光纤光栅中不会形成独立的腔体对光 由相移量在光栅中引入的位置决定，当将相移量 栅光谱形成干扰。该系统中，引入相移量的大小 控制在光栅中间位置时，透射峰值最高，符合理论 完全由掩模板的移动量决定，引入相移的位置由 分析的结果。 掩模板移动的时机决定。 参考文献： ［１］Ｔｕｒａｎ Ｅｒｄｏｇａｎ．Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＬＪｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，１５（８）． ［２］Ｌｉ Ｗｅｉ，ＪＯＨＮ Ｗ．Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｙｍｍｅｔｉｒｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｌｉｇｈｔ。ｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ， １９９７，１５（８）：１４０５—１４１０． ［３］刘富成．基于光纤Ｂｒａｇｇ光栅的温度传感实验［Ｊ］． 大学物理实验，２００７，２０（３）． ［４］ 刘玉燕．光纤传感器位移和转速测量研究［Ｊ］大学 物理实验，２０１４，２７（３）． ［５］Ｌｕ Ｓｈａｏｈｕａ，ＸｕＯｕ，Ｊｉａｎ Ｓｈｕｉｓｈｅｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ 图２光纤光栅制作系统 Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｐｈａｓｅ—Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｉｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｓｅｒ，２００８，３５ （４）． ［６］李川，张以谟，赵永贵，等．光纤光栅原理、技术与传 暴 感器应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５：７９—１０２． ［７］ Ｓ．Ｐ．Ｙａｍｌ，Ｚ．Ｂｒｏｄｚｅｌｉｌ，Ｂ．Ｐ．Ｋｏｕｓｋｏｕｓｉｓｌ，Ｃ．Ｍ． Ｒｏｌｌｉｎｓｏｎ１．Ａ Ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｔｆｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｆａｂｒｉ— ｃａｔｅｄ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈａｓｅ Ｍａｓｋ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，２００９， ９７８—１—４２４４—４１０３—７／０９． ［８］ Ｕｔｔａｍｃｈａｎｄａｎｉ Ｄ，Ｏｔｈｏｎｏｓ Ａ．Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ ｂｙ Ｐｏｓｔ－ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ． 图３ ＦＢＧ经过激光二次烧蚀后形成的 １９９６，１２７：２００—２Ｏ４． 相移光纤光栅光谱 ［９］ Ｋａｓｈｙ印，Ｍｃｋｅｅ Ｐ Ｆ，Ａｒｍｅｓ Ｄ．ＵＶ Ｗｒｉｔｔｅｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｔｆｅｄ ３制作效果分析和结论 Ｐｈａｓｅ—ｍａｓｋｓｌ Ｊ １．ＥｌｅｅｔｒｏｎＬｅｔｔｅｒｓ，１９９４，３０：１９７７．１９７８． ［１０］饶云江，王义平，朱涛．光纤光栅原理及应用［Ｍ］． 北京：科学出版社，２００６：１１０．１２３． 图３是利用激光二次烧蚀热处理形成的相移 Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ ＬＩＮ Ｊｉ—ｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｚｉ—ｙｕｎ （Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ａｎｈｕｉ Ｈｅｆｅｉ ２３０６０１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｏｂｉｌｅ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ．Ｂｙ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｍａｓｋ，ｐｈａｓｅ ｓｈｉｔｆ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎ ｆａｂｒｉｃａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｔｆｅｄ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｓ ａｃｃｏｒｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｔｆｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ；ｐｈａｓｅ ｍａｓｋ；ｐｈａｓｅ ｓｈｉｔｆｅｄ