[54]通过相位掩膜板或者其它同样的MASK 写布拉格光栅的方法
[75]inventors : Kenneth o.hill , Kanata ;Bernard Y .malo ,Gatineau ;Francois C .Bilodeau ;Derwyx c .Johnson ,both of Nepean ,all of Canada
[73]Assignee：Her Majesty in Right of Canada as represented by the minister of Communications , Ottawa, Canada
[21]Appl.No.:967,774
[22]Filed: Oct,29,1992
[51]Int.CL……………G02B6/34;G02B6/12;H01L31/18
[52]U.S.CL………….385/37;385/14;385/129;385/130;385/147;359/566;359/569;359/573;
359/900; 437/4; 437/51
[58]Field of Search…………385/14,37,129,130, 385/131,147; 359/558,559,562,566,569,
571,573,576,900; 437/51;430/4
[56] References Cited
U.S. PATENT DOCUMENTS
4,241,109 12/1980 Johnson …………………………………………………………….385/123 4,806,442 2/1989 Shirasaki et al………………………………………………………430/4 4,807,950 2/1989 Glenn et al. ………………………………………………………..359/566X 4,947,413 8/1990 Jewell et al. ………………………………………………………359/559X 5,042,897 8/1991 Meltz et al. ……………………………………………………….385/37 5,042,898 8/1991 Morey et al. ………………………………………………………385/37X 5,058,977 10/1991 Sorin …………………………………………………………………385/37X 5,066,133 11/1991 Brienza ……………………………………………………………….385/37X 5,101,297 3/1992 Yoshida et al. ………………………………………………………..359/566 5,104,209 4/1992 Hill et al. …………………………………………………………..385/27 5,175,647 12/1992 Gupta et al. …………………………………………………………..359/566 5,218,651 6/1993 Faco et al. ……………………………………………………………385/37X 5,271,024 12/1993 Huber …………………………………………………………………385/37X FOREIGN PATENT DOCUMENTS
0175460 3/1986 European pat.Off. …………………………………………………...385/37X 0220652 5/1987 European Pat.Off. …………………………………………………385/37X 0271002 6/1988 European Pat. Off. …………………………………………………385/37X primary examiner –Brian Healy
Attorney ,Agent ,or Firm –Pascal & Associates
[57] 摘要
通过特殊的相位掩膜板（silica glass phase grating mask ）把grating 写入到光纤纤芯。Mask 和光纤靠得很近。用紫外激光通过mask 用平行入射方式照射纤芯，从而在纤芯产生和mask 相应的干涉模式。
下面是本专利的一组图片
5,367,588
METHOD OF FABRICATING BRAGG GRATINGS USING A SILICA GLASS
PHASE MASK AND MASK USED BY SAME
FIELD OF THE INVENTION
这个发明是在光传播介质例如光纤上，制作Bragg grating的方法的发明
这项发明的背景
一些光纤有光敏特性，通过这个特性能够对纤芯产生特定的永久的变化。光敏性并不受光纤结构的限制：它也在一些平面的玻璃结构中测试到，其中包括silica-on-silicon 和ion-implanted silica 波导装置。
一些波导装置的制造，例如intra-mode ，intro-reflecting Bragg gratings, mode convertor gratings 和rocking rotators 都已经能实现。制造这些装置的方法是，在其具有光敏特性的纤芯利用感光效应写入光栅。这些光栅能够对其光传播方向的折射率进行周期性调制。这些周期性的调制使沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。对于特定的反射波长，光波的相位，效率，功率变化都可能有影响。
在光敏光纤中产生光栅的基本方法有2种：内部写入和外部写入。内写入通常是通过全息的办法，这样产生的是波导模式的相干模式，并且是可以改变的。通过双光子吸收的方法改变纤芯的折射率。后来的一个模式“重建”另外一个模式。掺锗的高纯度硅玻璃内部写入光栅的波长在可见光波段(例如argon-ion 激光器的514.5nm 和Argon-ion 激光的488.0nm) 对应的也有2个是在紫外波段。外写入直接用紫外光（对于掺锗的高纯度硅光纤, 已调谐紫外光240nm ）横向侧面照射光纤。对于模式转换光栅, 或利用两束紫外相干光全息干涉制作的布拉格回射器（Bragg retro-reflectors），外写入都能够点对点的完成。
光栅第一次写入到光纤是根据K.O.Hill et al开发的技术, 专利号U.S.Pat.No.4,474,427。这个过程需要在掺锗光纤里面通过可见光。这束光在光纤的末端反射回来。光源的光和反射光产生干涉产生驻波，其模式是写入光周期的一半。因为光纤有光敏特性这些周期性折射率就写入到纤芯里面。利用这项技术，只能写反射光波长和写入光源波长相近的光栅。
这项技术的进一步的改进由Glenn et al申请了专利。专利号为U.S.Pat. No.4,807,950。这个过程中，光栅由245nm 波长的紫外光源写出来。通过利用双光束技术，干涉在光纤长度上方向上产生。其光栅的模式是通过控制两束相干光的角度实现的。这样就可以写出能够反射波长更长的光栅。
上面的这种方法上的更进一步的改进是点对点写光栅技术，其专利是U.S.Pat.No. 5,104,209. 在这个专利中，利用点对点技术写的光栅，光栅上的每个点都是通过裂缝（slit-mask ）利用光敏特性独立的写出来的。
第一个专利上面的写光栅的技术的主要的缺点是，只能够写出周期是光源波长一半的光栅。第二个专利利用不同的pitch 来写光栅的新方法。然而，这个技术需要两个相干性很好的紫外光源。这些光源的价格都非常高，并写入效果并不能满足产品化的需要。并且这个技术在写切趾布拉格回波器（apodized Bragg reflectors） 或者啁啾布拉格回波器（chirped Bragg reflectors ）的时候不能提供很好的适应性。
点对点写入的方法在写一些要求不高的用在空间和偏振模式转换器上的光栅时很有效。然而这个技术在用于写布拉格光栅是不实际的。因为布拉格光栅，其每次写入，光纤在裂缝前的移动都要求很高的精确度。另外一个更严重的缺点在写布拉格光栅的时间上。这个写入的过程需要很长的曝光时间才能够写好一个光栅的栅格。U.S.Pt.No.5,104,209号专利解决了这个问题，它是加入slit-masks 允许在一次操作中写入多个光栅栅格。
SUMMARY OF THE INVENTION
在现在的发明中，纤芯的光栅是通过一个特殊设计的相位掩膜板写入的。这个mask 和光纤靠得很近。激光用紫外光通过mask 照射到纤芯上，产生干涉模式。
现在的发明改进了点对点的写入方式，其方法是通过一个特别的slit-mask 把布拉格光栅写到光纤和平面的波导介质上。这是一项写布拉格回波器的非全息技术，并能应用在光敏光纤上，也能应用在平面波导介质上。
依照这个发明的一种具体化，是通过把mask 紧靠并平行的放置在光敏介质旁边，并通过mask 提供一束校准后的光束射到波导介质上，写入布拉格光栅。
依照另外一种做法，用一个相位掩膜板通过条纹（pitch ）调制紫外光束的（例如，准分子激光）的空间相位。
λBragg 就是在光纤中反射回来的波长，n Effective 其对应的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均效应）。
依照另外一种做法，grating mask是由一片表面有平行条纹的硅玻璃片组成的。
BRIEF INTRODUCTION TO THE DRAWINGS
下面将会对这个发明作进一步的介绍，结合下面几张图，图中：
图1是在光敏光纤中写入布拉格光栅的设备的图表。
图2，3，4和举例说明写光纤光栅的设备的附加图表。
图6是用phase-mask 和紫外光写出来的布拉格光栅反射回来的波形图。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
相位掩膜板mask1用在一个高精度的装置上，并和光纤3接触或接近接触，它的锯齿条纹5（6是的放大的mask ）在光纤轴线的法线或接近法线上。相应的光源出来的紫外光束7，KrF 激光（249纳米）是理想的光源，通过mask1，衍射并形成干涉模式9A （Bragg grating pitch ），在沿着光束方向形成9B(telbot pitch)。11是放大的纤芯效果图。
The slit-mask 的构造（如6），是由很多数量的对KrF 准分子激光透明的平滑锯齿组成的。Phase mask 这些周期性的平滑条纹是方波形状的（如6）。这些周期性条纹对紫外光束弧度进行π＋2πn 倍的调制。一个相对于KrF 准分子激光器的理想的phase mask原型，其条纹的振幅A 由下面的公式得到的：
λ是用来写光栅的光源的波长，而n silica 是用于制造mask 的硅材料的折射率。这种锯齿振幅的选择对波长产生了特定的衍射模式, 使0级能量接近于0。在实际中，0级光束（图1。
13）经过mask 衍射其能量少于5％。主要的光束（图1。15）正一级和负一级的各带有35％的衍射光能量。
并不是所有的mask 都需要做成方波形状。例如，在我们应用中表面间隙正弦形结构的模板的使用效果就很好。
如果想制作长度比phase mask 要长的布拉格光栅，通过停止并重复的方法能够实现。这个方法中，mask (或者光纤) 根据模式边缘的距离精确地移动，因此后来的光栅和先前的光栅反射同样相位的波长。
值得说明的是mask 的衍射周期相对于波长是独立的。因此，在原理上，可以用宽带光源来写布拉格光栅，只要其导波介质在写入过程中不要和mask 间隔得太远，光源宽度和光
敏导播介质的宽度不要超过衍射光束的0级宽度。
其布拉格光栅是在光纤轴线的法线方向上的。写Tilted index gratings的方法可以通过把掩膜板的条纹和光纤轴线以一定的角度放置实现。这种光栅能很好的把纤芯里面的光耦合到自由空间中。
需要说明的是，在操作过程中，带有条纹的面应该向着光纤。这种操作方式也不是必须的。把带有刻线的面反向光纤也可以工作。
通过折射率调制而不是表面调制的Phase grating也能工作得很好。例如，在图1放大部分6中的条纹5可以用折射率不同的玻璃材料填充周围的层面，产生可变得折射率。
为了测试相位研磨板的性能，我们用它在光敏光纤上写一个光栅，我们选择了2种光敏光纤。第一种是中心波长1300nm 的D 型光纤（cut-off=960nm,beat length LB=1.02cm at 1292nm,core/cladding △n ＝0.031椭圆形纤芯大小是1.5×3μm ），在我们的实验中其布拉格波长在1531nm 处的损耗很小。这种光纤的纤芯相对于标准的光纤是高掺锗的；掺锗光纤通常都是光敏的。特别的是Andrew D-t ype光纤更加是对光特别敏感的（我们测试到其没饱和的反射折射率变化6×10-4），这和掺锗的浓度有关。第二种光纤是AT&T Bell实验室提供的强光敏性光纤。我们的实验证明在我们的实验条件下AT&T光纤的光敏性比D-type 的更加强。
我们用的紫外光源是非调制工作波长为249nm 的Lumonics KrF 准分子激光器，其光斑大小为0.7×2cm 2，脉冲持续时间12纳秒，频率50HZ 。未聚焦能量密度100mJ/cm2。这个激光如果不经过锁模或滤波，其相干性很差。我们为写布拉格光栅所做的优化只是让条纹和光束横截面的长尺寸方向平行。因为我们在实验中测定其空间相干性在这种放置下比教好。
低相干性光束的可行性写入测试对这种写入光栅的方式很重要。这种方法的一个优点就是它能够平行地生产几个器件，允许使用工业激光光源，并简化了生产调试过程。
我们用的实验原型模板是在一个光学平板上腐蚀出来的。其grating 周期大概是1060nm 其衍射光束0级宽度249nm 能量小于5％，正负1级的衍射能量为37％。Grating 的尺寸范围是1mm 。其在高掺杂硅光纤写出来的布拉格光栅的周期是530nm （折射率＝1.46），布拉格反射波长为530×2×1.46＝1549nm 。我们实验观察到的反射波长是1531nm 。
用来写光栅的每束光的能量增加到100到200mJ/cm2，用一个柱面轴线与光纤平行的柱面镜汇聚激光。其曝光时间比1 J/cm2每个脉冲和脉冲速度50ppc 的曝光时间要长几分钟。光敏光栅在刚开始曝光的时候的反射率增加得很快，接着饱和，并以一个和光强相关的速度增加。光强的增加，反射率就增加得越快。然而，到了一定强度，反射率会到达一个顶点。如果继续曝光其反射率就会减少，并且其反射波形也发生改变，例如，在反射波长中心出现凹口。
需要指出的是透镜或透镜组能够用来增加光强，例如图2中的操作。
光源19是通过汇聚透镜21经过mask27汇聚到光纤25的纤芯23上，其有条纹的29面是向着光纤的。
这个发明的另外一种做法如图3，一个滤波装置37放置在mask27前面。空间滤波器37对紫外光源39进行调制，使光源在条纹长度方向上的强度分布改变。例如把紫外光束39调制成高斯光束。用紫外光束19照射条纹也产生同样的干涉模式。然而其干涉能量强度分布在光纤长度上和紫外光源的能量强度分布是一样的。光强大的比光强弱的区域有更大的折射率变化。这样通过预定方式就能在一条光纤上写出在光纤长度上耦合强度变化的光栅。
这个发明的另外一种做法如图4，通过预定方式改变光栅条纹周期的phase grating41形成一个啁啾光栅（chirped grating）。 用紫外光19照射这个phase grating在纤芯23处写出同样的啁啾模式。啁啾布拉格反射器的反射光谱比单一波长写出来的布拉格反射器光谱要宽。
同时使用2种方式调制如图3，4。分别对紫外光源的相位和振幅调制，实现对布拉格
反射器的共振频率和共振强度分布的调制。这种特性能够反射特定的有用波长，例如切趾回波器。
图5是另外一种照射方式，这种方式中镜片是放在mask27和光纤25之间的。一个不透明的模块33放在mask 和lens 中间阻挡0级光束35。不透明模块36用来阻挡衍射高于1级的光能量。只让正负一级的光束就通过透镜。
这种方法的优点是只有正负一级的衍射光束进行干涉，能写出好的模式。另外一个优点是镜片能够用来减少边缘模式的尺寸。这些屏蔽其它能级的透镜组能用同一块phase grating 写出不同频率的布拉格光栅。同样，phase grating的刻痕（pitch ）可以更宽, 因此减少制作phase grating的难度。最后，镜片可以增加照射纤芯光束的级数。
图6中的17是Andrew D-type光纤用上面提到的mask 写出的光栅的光谱图。249nm 的
2准分子激光以100mJ/cm，50pps 的功率强度照射20分钟。在大约0.95mm 的光栅长度中，
其反射率峰值为16％，假设其是用均匀板和0.85nm 线宽的光源，条纹宽度为530nm 和1531nm 的反射波长。反射光谱的边模可以清楚的观察到，可以知道掩膜板的条纹是均匀的。
－从grating 的反射数据我们可以计算出折射率调制的振幅为2.2×104。这个数值和我们在曝
－光过程测到的的1531nm 的有效折射率变化6×104很接近。理想情况是，我们把光纤曝光
到最大对比度光栅衍射模式（maximun-contrast-grating-diffraction pattern），其调制深度和平均折射率变化一样或者稍大。其平均折射率变化比率是由下面的因素影响的：感光光纤的非线性效应存在，0级能量没达到理想值，高级的衍射光束的存在和光源的相干性差。还受到制造过程中光纤和掩膜板放置的影响：如果grating 和光纤轴线倾斜，光栅的反射率会减少。倾斜导致的低反射率会引起折射率调制深度的减少。倾斜不会影响曝光引起的平均折射率的增加。
用AT&T光纤通过相似方法写出来的光栅观察到近似于图6反射光谱。其反射峰值是25％。
通过对各种制造布拉格光栅的方法做比较，这里描述的通过掩膜板写光栅的技术在调节光栅的pitch 和耦合系数κ（z ）上有很好的适应性，κ（z ）是在光纤轴线上关于z 的一个函数。不同的条纹可以通过电脑控制在制造过程中刻到掩膜板上面；能够用一块空间振幅掩膜板（spatial amplitude mask ）调制耦合系数的强度。同时利用这2项技术来实现对掩膜板写出来的布拉格光栅的共振频率和共振强度分布的调制，使其能反射特定的有用波长。
相位掩膜板能够承受每个脉冲1J /cm 2的能量而不受破坏。因为融合的石英能够承受准分子激光器每个脉冲5 J/cm 2的能量，所以掩膜板应该能够承受更大的能量。
我们用1J /cm 250Hz 的光源在Andrew D-fiber上曝光5分钟，写出反射率为30％的光栅。 这种方法为在光敏导光材料上用低相干性的光源写光栅提供了一种简单的途径。通过把单脉冲和相位掩膜板结合起来写光栅能够达到高质量，低成本的效果。
对这个发明的个人的理解包括：有选择性地利用上面的构造，方法或上面的变化。上面的所有这里提到的达到这种目的方法都被认为是这个发明的一部分。
我们声明：
1． 一种在波导介质中写入光栅的方法，通过用掩膜板平行于光敏波导介质或者放
置到其附近，并利用单一的脉冲通过mask 来实现。
2． 在声明1所说的方法中，其mask 上有条纹对光源进行调制，其相位大概为π
＋2πn 弧度，其关系如下：
A 是条纹的的振幅，n=0,1,2,3,λ是光源波长，n silica 是其对应的折射率。
美国专利 【19】 专利号5,367,588
Hill et al. 专利日期：1994年11月22号
3．
4．
5．
6．
7．
8．
9．
10．
11．
12． 在声明2的方法中其mask 的表面条纹是方波形状的。 在声明2的方法中其mask 的表面条纹是正弦形的。 在声明1的方法中其光束是紫外光束。 在声明5的方法中其光束是激光。 在声明1的方法中其光束是有KrF 准分子激光器提供的。 在声明1的方法中其波导介质是光纤。 在声明8的方法中其mask 的条纹是垂直或近似于垂直光纤的轴线的。 在声明8的方法中其mask 的条纹是和光纤轴线成一定角度的。 在声明9的方法中其光束是有KrF 准分子激光提供的。 在声明11的方法中其mask 的模式对光源相位调制大概为π＋2πn n=0,1,2,3
弧度。其关系如下：
A 是mask 条纹的振幅，n=0,1,2,3,λ是光源波长，n silica 是其对应的折射率。
13． 在声明12的方法中其mask 的模式是方波形状的。
14． 在声明13的方法中其光束的横截面是平行于mask 条纹的。
15． 在声明8的方法中其条纹是啁啾（非等距）的。
16． 在声明9的方法中其条纹是啁啾的。
17． 在声明9的方法中其mask 的条纹的间隔（pitch ）和振幅是变化的。
18． 在声明11的方法中其光束是紫外光束。
19． 在声明1中的方法包括在mask 和光传输介质中放入折射镜来调节光束。
20． 在声明19的方法中包括在mask 和镜片中放置挡板阻挡0级光束从而调节光束。
21． 在声明19的方法中包括在mask 和镜片中放置挡板阻挡0级和2级光束从而调
节光束。
22． 在声明1的方法中包括放置一个空间振幅滤波器调节光源光束
23． 在声明22的方法中滤波器是在mask 的没有条纹的那个面上的。
24． 在声明2的方法中，根据模式边缘距离重复地移动mask 或光纤，使上述的光
束再通过mask 照射到上述的光纤中，使后来的光栅和之前的光栅反射相同相位的波长。
25． 一个由厚玻璃硅板组成的mask 表面有平行的条纹因此组成了表面起伏模式
（surface relief pattern）, 其模式至少有一个间隔（pitch ）或者振幅（amplitude ）的起伏。
26． 光栅的意思是一块硅玻璃片，其中一面刻有很多平行的条纹组成一组表面起伏
模式，而没有条纹的面则有一个空间振幅滤波器。
27． 声明25中所描述的光栅包括在没有条纹的面涂上空间振幅滤波器。
28． 光栅的意思包括一块硅玻璃片，其中一面刻有很多平行的条纹组成一组表面起
伏模式，这些条纹填满和这块硅玻璃片折射率不同的透明材料。
29． 在声明28中所定义的光栅的透明材料由玻璃组成。
11
[54]通过相位掩膜板或者其它同样的MASK 写布拉格光栅的方法
[75]inventors : Kenneth o.hill , Kanata ;Bernard Y .malo ,Gatineau ;Francois C .Bilodeau ;Derwyx c .Johnson ,both of Nepean ,all of Canada
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[21]Appl.No.:967,774
[22]Filed: Oct,29,1992
[51]Int.CL……………G02B6/34;G02B6/12;H01L31/18
[52]U.S.CL………….385/37;385/14;385/129;385/130;385/147;359/566;359/569;359/573;
359/900; 437/4; 437/51
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4,241,109 12/1980 Johnson …………………………………………………………….385/123 4,806,442 2/1989 Shirasaki et al………………………………………………………430/4 4,807,950 2/1989 Glenn et al. ………………………………………………………..359/566X 4,947,413 8/1990 Jewell et al. ………………………………………………………359/559X 5,042,897 8/1991 Meltz et al. ……………………………………………………….385/37 5,042,898 8/1991 Morey et al. ………………………………………………………385/37X 5,058,977 10/1991 Sorin …………………………………………………………………385/37X 5,066,133 11/1991 Brienza ……………………………………………………………….385/37X 5,101,297 3/1992 Yoshida et al. ………………………………………………………..359/566 5,104,209 4/1992 Hill et al. …………………………………………………………..385/27 5,175,647 12/1992 Gupta et al. …………………………………………………………..359/566 5,218,651 6/1993 Faco et al. ……………………………………………………………385/37X 5,271,024 12/1993 Huber …………………………………………………………………385/37X FOREIGN PATENT DOCUMENTS
0175460 3/1986 European pat.Off. …………………………………………………...385/37X 0220652 5/1987 European Pat.Off. …………………………………………………385/37X 0271002 6/1988 European Pat. Off. …………………………………………………385/37X primary examiner –Brian Healy
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[57] 摘要
通过特殊的相位掩膜板（silica glass phase grating mask ）把grating 写入到光纤纤芯。Mask 和光纤靠得很近。用紫外激光通过mask 用平行入射方式照射纤芯，从而在纤芯产生和mask 相应的干涉模式。
下面是本专利的一组图片
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这个发明是在光传播介质例如光纤上，制作Bragg grating的方法的发明
这项发明的背景
一些光纤有光敏特性，通过这个特性能够对纤芯产生特定的永久的变化。光敏性并不受光纤结构的限制：它也在一些平面的玻璃结构中测试到，其中包括silica-on-silicon 和ion-implanted silica 波导装置。
一些波导装置的制造，例如intra-mode ，intro-reflecting Bragg gratings, mode convertor gratings 和rocking rotators 都已经能实现。制造这些装置的方法是，在其具有光敏特性的纤芯利用感光效应写入光栅。这些光栅能够对其光传播方向的折射率进行周期性调制。这些周期性的调制使沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。对于特定的反射波长，光波的相位，效率，功率变化都可能有影响。
在光敏光纤中产生光栅的基本方法有2种：内部写入和外部写入。内写入通常是通过全息的办法，这样产生的是波导模式的相干模式，并且是可以改变的。通过双光子吸收的方法改变纤芯的折射率。后来的一个模式“重建”另外一个模式。掺锗的高纯度硅玻璃内部写入光栅的波长在可见光波段(例如argon-ion 激光器的514.5nm 和Argon-ion 激光的488.0nm) 对应的也有2个是在紫外波段。外写入直接用紫外光（对于掺锗的高纯度硅光纤, 已调谐紫外光240nm ）横向侧面照射光纤。对于模式转换光栅, 或利用两束紫外相干光全息干涉制作的布拉格回射器（Bragg retro-reflectors），外写入都能够点对点的完成。
光栅第一次写入到光纤是根据K.O.Hill et al开发的技术, 专利号U.S.Pat.No.4,474,427。这个过程需要在掺锗光纤里面通过可见光。这束光在光纤的末端反射回来。光源的光和反射光产生干涉产生驻波，其模式是写入光周期的一半。因为光纤有光敏特性这些周期性折射率就写入到纤芯里面。利用这项技术，只能写反射光波长和写入光源波长相近的光栅。
这项技术的进一步的改进由Glenn et al申请了专利。专利号为U.S.Pat. No.4,807,950。这个过程中，光栅由245nm 波长的紫外光源写出来。通过利用双光束技术，干涉在光纤长度上方向上产生。其光栅的模式是通过控制两束相干光的角度实现的。这样就可以写出能够反射波长更长的光栅。
上面的这种方法上的更进一步的改进是点对点写光栅技术，其专利是U.S.Pat.No. 5,104,209. 在这个专利中，利用点对点技术写的光栅，光栅上的每个点都是通过裂缝（slit-mask ）利用光敏特性独立的写出来的。
第一个专利上面的写光栅的技术的主要的缺点是，只能够写出周期是光源波长一半的光栅。第二个专利利用不同的pitch 来写光栅的新方法。然而，这个技术需要两个相干性很好的紫外光源。这些光源的价格都非常高，并写入效果并不能满足产品化的需要。并且这个技术在写切趾布拉格回波器（apodized Bragg reflectors） 或者啁啾布拉格回波器（chirped Bragg reflectors ）的时候不能提供很好的适应性。
点对点写入的方法在写一些要求不高的用在空间和偏振模式转换器上的光栅时很有效。然而这个技术在用于写布拉格光栅是不实际的。因为布拉格光栅，其每次写入，光纤在裂缝前的移动都要求很高的精确度。另外一个更严重的缺点在写布拉格光栅的时间上。这个写入的过程需要很长的曝光时间才能够写好一个光栅的栅格。U.S.Pt.No.5,104,209号专利解决了这个问题，它是加入slit-masks 允许在一次操作中写入多个光栅栅格。
SUMMARY OF THE INVENTION
在现在的发明中，纤芯的光栅是通过一个特殊设计的相位掩膜板写入的。这个mask 和光纤靠得很近。激光用紫外光通过mask 照射到纤芯上，产生干涉模式。
现在的发明改进了点对点的写入方式，其方法是通过一个特别的slit-mask 把布拉格光栅写到光纤和平面的波导介质上。这是一项写布拉格回波器的非全息技术，并能应用在光敏光纤上，也能应用在平面波导介质上。
依照这个发明的一种具体化，是通过把mask 紧靠并平行的放置在光敏介质旁边，并通过mask 提供一束校准后的光束射到波导介质上，写入布拉格光栅。
依照另外一种做法，用一个相位掩膜板通过条纹（pitch ）调制紫外光束的（例如，准分子激光）的空间相位。
λBragg 就是在光纤中反射回来的波长，n Effective 其对应的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均效应）。
依照另外一种做法，grating mask是由一片表面有平行条纹的硅玻璃片组成的。
BRIEF INTRODUCTION TO THE DRAWINGS
下面将会对这个发明作进一步的介绍，结合下面几张图，图中：
图1是在光敏光纤中写入布拉格光栅的设备的图表。
图2，3，4和举例说明写光纤光栅的设备的附加图表。
图6是用phase-mask 和紫外光写出来的布拉格光栅反射回来的波形图。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
相位掩膜板mask1用在一个高精度的装置上，并和光纤3接触或接近接触，它的锯齿条纹5（6是的放大的mask ）在光纤轴线的法线或接近法线上。相应的光源出来的紫外光束7，KrF 激光（249纳米）是理想的光源，通过mask1，衍射并形成干涉模式9A （Bragg grating pitch ），在沿着光束方向形成9B(telbot pitch)。11是放大的纤芯效果图。
The slit-mask 的构造（如6），是由很多数量的对KrF 准分子激光透明的平滑锯齿组成的。Phase mask 这些周期性的平滑条纹是方波形状的（如6）。这些周期性条纹对紫外光束弧度进行π＋2πn 倍的调制。一个相对于KrF 准分子激光器的理想的phase mask原型，其条纹的振幅A 由下面的公式得到的：
λ是用来写光栅的光源的波长，而n silica 是用于制造mask 的硅材料的折射率。这种锯齿振幅的选择对波长产生了特定的衍射模式, 使0级能量接近于0。在实际中，0级光束（图1。
13）经过mask 衍射其能量少于5％。主要的光束（图1。15）正一级和负一级的各带有35％的衍射光能量。
并不是所有的mask 都需要做成方波形状。例如，在我们应用中表面间隙正弦形结构的模板的使用效果就很好。
如果想制作长度比phase mask 要长的布拉格光栅，通过停止并重复的方法能够实现。这个方法中，mask (或者光纤) 根据模式边缘的距离精确地移动，因此后来的光栅和先前的光栅反射同样相位的波长。
值得说明的是mask 的衍射周期相对于波长是独立的。因此，在原理上，可以用宽带光源来写布拉格光栅，只要其导波介质在写入过程中不要和mask 间隔得太远，光源宽度和光
敏导播介质的宽度不要超过衍射光束的0级宽度。
其布拉格光栅是在光纤轴线的法线方向上的。写Tilted index gratings的方法可以通过把掩膜板的条纹和光纤轴线以一定的角度放置实现。这种光栅能很好的把纤芯里面的光耦合到自由空间中。
需要说明的是，在操作过程中，带有条纹的面应该向着光纤。这种操作方式也不是必须的。把带有刻线的面反向光纤也可以工作。
通过折射率调制而不是表面调制的Phase grating也能工作得很好。例如，在图1放大部分6中的条纹5可以用折射率不同的玻璃材料填充周围的层面，产生可变得折射率。
为了测试相位研磨板的性能，我们用它在光敏光纤上写一个光栅，我们选择了2种光敏光纤。第一种是中心波长1300nm 的D 型光纤（cut-off=960nm,beat length LB=1.02cm at 1292nm,core/cladding △n ＝0.031椭圆形纤芯大小是1.5×3μm ），在我们的实验中其布拉格波长在1531nm 处的损耗很小。这种光纤的纤芯相对于标准的光纤是高掺锗的；掺锗光纤通常都是光敏的。特别的是Andrew D-t ype光纤更加是对光特别敏感的（我们测试到其没饱和的反射折射率变化6×10-4），这和掺锗的浓度有关。第二种光纤是AT&T Bell实验室提供的强光敏性光纤。我们的实验证明在我们的实验条件下AT&T光纤的光敏性比D-type 的更加强。
我们用的紫外光源是非调制工作波长为249nm 的Lumonics KrF 准分子激光器，其光斑大小为0.7×2cm 2，脉冲持续时间12纳秒，频率50HZ 。未聚焦能量密度100mJ/cm2。这个激光如果不经过锁模或滤波，其相干性很差。我们为写布拉格光栅所做的优化只是让条纹和光束横截面的长尺寸方向平行。因为我们在实验中测定其空间相干性在这种放置下比教好。
低相干性光束的可行性写入测试对这种写入光栅的方式很重要。这种方法的一个优点就是它能够平行地生产几个器件，允许使用工业激光光源，并简化了生产调试过程。
我们用的实验原型模板是在一个光学平板上腐蚀出来的。其grating 周期大概是1060nm 其衍射光束0级宽度249nm 能量小于5％，正负1级的衍射能量为37％。Grating 的尺寸范围是1mm 。其在高掺杂硅光纤写出来的布拉格光栅的周期是530nm （折射率＝1.46），布拉格反射波长为530×2×1.46＝1549nm 。我们实验观察到的反射波长是1531nm 。
用来写光栅的每束光的能量增加到100到200mJ/cm2，用一个柱面轴线与光纤平行的柱面镜汇聚激光。其曝光时间比1 J/cm2每个脉冲和脉冲速度50ppc 的曝光时间要长几分钟。光敏光栅在刚开始曝光的时候的反射率增加得很快，接着饱和，并以一个和光强相关的速度增加。光强的增加，反射率就增加得越快。然而，到了一定强度，反射率会到达一个顶点。如果继续曝光其反射率就会减少，并且其反射波形也发生改变，例如，在反射波长中心出现凹口。
需要指出的是透镜或透镜组能够用来增加光强，例如图2中的操作。
光源19是通过汇聚透镜21经过mask27汇聚到光纤25的纤芯23上，其有条纹的29面是向着光纤的。
这个发明的另外一种做法如图3，一个滤波装置37放置在mask27前面。空间滤波器37对紫外光源39进行调制，使光源在条纹长度方向上的强度分布改变。例如把紫外光束39调制成高斯光束。用紫外光束19照射条纹也产生同样的干涉模式。然而其干涉能量强度分布在光纤长度上和紫外光源的能量强度分布是一样的。光强大的比光强弱的区域有更大的折射率变化。这样通过预定方式就能在一条光纤上写出在光纤长度上耦合强度变化的光栅。
这个发明的另外一种做法如图4，通过预定方式改变光栅条纹周期的phase grating41形成一个啁啾光栅（chirped grating）。 用紫外光19照射这个phase grating在纤芯23处写出同样的啁啾模式。啁啾布拉格反射器的反射光谱比单一波长写出来的布拉格反射器光谱要宽。
同时使用2种方式调制如图3，4。分别对紫外光源的相位和振幅调制，实现对布拉格
反射器的共振频率和共振强度分布的调制。这种特性能够反射特定的有用波长，例如切趾回波器。
图5是另外一种照射方式，这种方式中镜片是放在mask27和光纤25之间的。一个不透明的模块33放在mask 和lens 中间阻挡0级光束35。不透明模块36用来阻挡衍射高于1级的光能量。只让正负一级的光束就通过透镜。
这种方法的优点是只有正负一级的衍射光束进行干涉，能写出好的模式。另外一个优点是镜片能够用来减少边缘模式的尺寸。这些屏蔽其它能级的透镜组能用同一块phase grating 写出不同频率的布拉格光栅。同样，phase grating的刻痕（pitch ）可以更宽, 因此减少制作phase grating的难度。最后，镜片可以增加照射纤芯光束的级数。
图6中的17是Andrew D-type光纤用上面提到的mask 写出的光栅的光谱图。249nm 的
2准分子激光以100mJ/cm，50pps 的功率强度照射20分钟。在大约0.95mm 的光栅长度中，
其反射率峰值为16％，假设其是用均匀板和0.85nm 线宽的光源，条纹宽度为530nm 和1531nm 的反射波长。反射光谱的边模可以清楚的观察到，可以知道掩膜板的条纹是均匀的。
－从grating 的反射数据我们可以计算出折射率调制的振幅为2.2×104。这个数值和我们在曝
－光过程测到的的1531nm 的有效折射率变化6×104很接近。理想情况是，我们把光纤曝光
到最大对比度光栅衍射模式（maximun-contrast-grating-diffraction pattern），其调制深度和平均折射率变化一样或者稍大。其平均折射率变化比率是由下面的因素影响的：感光光纤的非线性效应存在，0级能量没达到理想值，高级的衍射光束的存在和光源的相干性差。还受到制造过程中光纤和掩膜板放置的影响：如果grating 和光纤轴线倾斜，光栅的反射率会减少。倾斜导致的低反射率会引起折射率调制深度的减少。倾斜不会影响曝光引起的平均折射率的增加。
用AT&T光纤通过相似方法写出来的光栅观察到近似于图6反射光谱。其反射峰值是25％。
通过对各种制造布拉格光栅的方法做比较，这里描述的通过掩膜板写光栅的技术在调节光栅的pitch 和耦合系数κ（z ）上有很好的适应性，κ（z ）是在光纤轴线上关于z 的一个函数。不同的条纹可以通过电脑控制在制造过程中刻到掩膜板上面；能够用一块空间振幅掩膜板（spatial amplitude mask ）调制耦合系数的强度。同时利用这2项技术来实现对掩膜板写出来的布拉格光栅的共振频率和共振强度分布的调制，使其能反射特定的有用波长。
相位掩膜板能够承受每个脉冲1J /cm 2的能量而不受破坏。因为融合的石英能够承受准分子激光器每个脉冲5 J/cm 2的能量，所以掩膜板应该能够承受更大的能量。
我们用1J /cm 250Hz 的光源在Andrew D-fiber上曝光5分钟，写出反射率为30％的光栅。 这种方法为在光敏导光材料上用低相干性的光源写光栅提供了一种简单的途径。通过把单脉冲和相位掩膜板结合起来写光栅能够达到高质量，低成本的效果。
对这个发明的个人的理解包括：有选择性地利用上面的构造，方法或上面的变化。上面的所有这里提到的达到这种目的方法都被认为是这个发明的一部分。
我们声明：
1． 一种在波导介质中写入光栅的方法，通过用掩膜板平行于光敏波导介质或者放
置到其附近，并利用单一的脉冲通过mask 来实现。
2． 在声明1所说的方法中，其mask 上有条纹对光源进行调制，其相位大概为π
＋2πn 弧度，其关系如下：
A 是条纹的的振幅，n=0,1,2,3,λ是光源波长，n silica 是其对应的折射率。
美国专利 【19】 专利号5,367,588
Hill et al. 专利日期：1994年11月22号
3．
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7．
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11．
12． 在声明2的方法中其mask 的表面条纹是方波形状的。 在声明2的方法中其mask 的表面条纹是正弦形的。 在声明1的方法中其光束是紫外光束。 在声明5的方法中其光束是激光。 在声明1的方法中其光束是有KrF 准分子激光器提供的。 在声明1的方法中其波导介质是光纤。 在声明8的方法中其mask 的条纹是垂直或近似于垂直光纤的轴线的。 在声明8的方法中其mask 的条纹是和光纤轴线成一定角度的。 在声明9的方法中其光束是有KrF 准分子激光提供的。 在声明11的方法中其mask 的模式对光源相位调制大概为π＋2πn n=0,1,2,3
弧度。其关系如下：
A 是mask 条纹的振幅，n=0,1,2,3,λ是光源波长，n silica 是其对应的折射率。
13． 在声明12的方法中其mask 的模式是方波形状的。
14． 在声明13的方法中其光束的横截面是平行于mask 条纹的。
15． 在声明8的方法中其条纹是啁啾（非等距）的。
16． 在声明9的方法中其条纹是啁啾的。
17． 在声明9的方法中其mask 的条纹的间隔（pitch ）和振幅是变化的。
18． 在声明11的方法中其光束是紫外光束。
19． 在声明1中的方法包括在mask 和光传输介质中放入折射镜来调节光束。
20． 在声明19的方法中包括在mask 和镜片中放置挡板阻挡0级光束从而调节光束。
21． 在声明19的方法中包括在mask 和镜片中放置挡板阻挡0级和2级光束从而调
节光束。
22． 在声明1的方法中包括放置一个空间振幅滤波器调节光源光束
23． 在声明22的方法中滤波器是在mask 的没有条纹的那个面上的。
24． 在声明2的方法中，根据模式边缘距离重复地移动mask 或光纤，使上述的光
束再通过mask 照射到上述的光纤中，使后来的光栅和之前的光栅反射相同相位的波长。
25． 一个由厚玻璃硅板组成的mask 表面有平行的条纹因此组成了表面起伏模式
（surface relief pattern）, 其模式至少有一个间隔（pitch ）或者振幅（amplitude ）的起伏。
26． 光栅的意思是一块硅玻璃片，其中一面刻有很多平行的条纹组成一组表面起伏
模式，而没有条纹的面则有一个空间振幅滤波器。
27． 声明25中所描述的光栅包括在没有条纹的面涂上空间振幅滤波器。
28． 光栅的意思包括一块硅玻璃片，其中一面刻有很多平行的条纹组成一组表面起
伏模式，这些条纹填满和这块硅玻璃片折射率不同的透明材料。
29． 在声明28中所定义的光栅的透明材料由玻璃组成。
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