切趾光纤光栅制作工艺研究

摘 要：光纤光栅的切趾是光栅制作中一种非常重要的技术。提出一种简单的切趾光纤光栅的制作方法：根据准分子激光器的光斑能量分布图，对其光斑能量分布进行优化调整，将其调整到刻栅所需要的高斯能量分布；在光路上放置升余弦切趾板，将光斑能量进一步优化。该实验以准分子激光器作为光源，采用相位掩膜法，在光路上放置切趾板，实现对布拉格光纤光栅的切趾。通过实验证明，该方法能有效拟制光纤光栅的旁瓣。

关键词：切趾 相位掩膜 准分子激光器 旁瓣

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-082-02

光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光波导器件。光纤光栅具有抗电磁干扰、灵敏度高、传输传感于一体等优势，在光纤通信、光纤传感等领域具有巨大的潜在的应用价值。光纤光栅的制作主要有干涉法、逐点曝光法及相位掩模法等，其中相位掩模法是一种较为有效且实用的方法。本文以准分子激光器作为激光光源，根据光斑能量分布，对光斑的能量分布进行优化处理，采用相位掩模技术，在光路上放置切趾板，实现对布拉格光纤光栅的切趾。

1 光栅切趾原理

光纤光栅的光学切趾是指在光栅中折射率调制的振幅沿光栅长度有一个钟形函数的形状变化。光学切趾能避免光栅的短波损耗和有效抑制布拉格光纤光栅反射谱，因此对切趾光纤光栅的研究具有十分重要的意义。

对于均匀周期光栅，折射率分布为：

对于用紫外激光器制作的光纤光栅，假定形成光栅的结果仅是对研究的光纤导模有效折射率的一种微扰，其折射率分布可以描述为：

其中：为纤芯折射率，为折射率变化幅度，为平均光栅周期，描述光栅的啁啾。切趾光纤光栅折射率调制的振幅是沿着光栅长度呈一个钟形函数包络，典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽型函数和哥西函数等。经比较，升余弦函数分布的反射谱旁瓣抑制效果最好，因此本实验采用升余弦函数的切趾板来对光斑进行优化。

2 实验及结果

光纤光栅的整个制作过程分为三步：（1）光纤增敏处理。光纤光栅制作所使用的是普通通信光纤，而普通通信光纤是低掺锗光纤（一般在3%左右），对248nm波长的紫外光不敏感，需要对其进行增敏处理。本实验是将光纤放置在常温高压氢气罐中，通过载氢来提高光纤的光敏性。（2）光纤光栅的制作。本实验采用目前最为成熟且有效实用的相位掩模法来制作光纤光栅。（3）光纤光栅的退火处理。紫外光照射增敏光纤后，一些未参与反应的游离的氢分子仍然存在，而且会随时间慢慢从纤芯中逃逸，使光栅的参数稳定性受到影响。为了使光栅的性能能够长期稳定下来，需要将制作好的光栅经过高温退火处理。

在第二步光栅制作过程中，首先将准分子激光器的光斑进行整形。激光器所发射的紫外激光光斑能量在两正交方向呈近高斯分布和近平面分布。为得到刻栅所需的高斯分布光斑，实验中将激光器所发出的光斑沿短轴方向压缩，沿长轴方向拉伸。在调整好光斑后，将设计的升余弦切趾板置于相位掩膜板与圆柱透镜之间，光栅制作实验示意图如图1所示。未切趾光栅谱型图如图2所示。切趾光栅的谱型图如图3所示。

3 结论

本文提出一种简单的采用相位掩膜技术制作切趾光纤光栅的方法。首先对准分子激光器的光斑能量分布进行调整，其次在光路上放置升余弦切趾板对光斑进行优化，用相位掩模法实现切趾布拉格光纤光栅的制作。通过实验证明，该方法能有效拟制光栅的旁瓣，提高光纤光栅的质量，为光栅制作工艺提供有利参考。

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