寫光柵架構

2

π 相位移光柵的方法分為兩大類，第一類是先寫入一

均勻光柵後，利用後製作的方式來產生π相位移；第二類是在逐段曝 照的過程中位移光柵半週期再繼續寫入均勻光柵。

我們先來介紹第一類方法，而這種後製作的方式又有分紫外光曝 照和加熱兩種，不過基本上是相同的：

(1) 紫外光持續曝照[21]：

在寫完入一均勻光纖後，假設我們要製作一相位移在光柵中央，

因此用紫外光在光柵中央一小段區域持續曝照，破壞原本的干涉條 紋，可以達到π相位移光柵的效果。不過實際應用在我們使用的摻鉺 光纖上，成效並不好，原因可能是我們曝照出好幾公分長的光柵，原 本銜接上已有很大的誤差，本來耦合係數的分佈應該是均勻的，但因 為每次曝照移動的距離如果不是光柵週期的整數倍，耦合係數的分佈 就很難如我們所設計的；再來還有可能是摻鉺光纖的感光性不佳，即 使曝照再久也很難讓光纖的折射率增加。

(2)加熱產生相位移的變化[22]：

這和上面的方法很類似，同樣地在一小段區域加熱，因為熱脹的 關係，週期會增加，使得在那一小段區域產生類似光柵半週期距離的 效果，不過用加熱的方式十分不穩定，再加上碰到光纖銜接不良的問

題，不穩定的情況更嚴重，效果也是不盡理想。

因此如果能在寫光柵的同時，直接產生π相位移的效果，當然最 好，這也是實驗室一直在改進的部分。目前實驗室寫光柵的這套系統 有了很大的改善，主要的目標是希望能在寫光柵的同時能及時監控，

再利用監控的結果及時作改善。主要的寫製光柵架構如圖 4-2，在整 個架構中，可以使用光罩曝照法或 Two-beam 干涉來寫光柵，不過如 果要使用監控系統的話，礙於架構的關係只能使用 Two-beam 干涉 法。用 Two-beam 干涉的好處是能調整我們想要的光柵週期，用光罩 就沒有辦法隨意調整。如果要寫一段好幾公分長的光柵，光纖擺在移 動平台上，靠著移動平台的移動，逐段曝照出光柵。而及時監控的架 構則是當在曝照時，使用氦氖雷射以一定角度入射至有光柵處(probe beam)，因此在光柵後可以看到一階繞射光。將此一階繞射光收集起 來，引另一道氦氖雷射光跟此一階繞射光做干涉，在 CCD 上便可觀察 到干涉條紋，藉由干涉條紋便可來確定移動平台的定位。因為不管是 光罩或是 Two-beam 干涉，我們都無法很準確的得知光柵真正的週期 (約 535nm)，傳統的 Two-beam 干涉法只能估計光柵的週期，而移動 平台每次銜接的位移量需為週期的整數倍，估計的週期誤差若沒有準 確到小數點以下 1 位，又還要產生π相位移，累積起來的相位誤差將 會很大，當然也不會得到原先設計的結果。不過這種定位方式有一些

限制，光纖表面必須十分乾淨，不然會影響繞射光的分佈，反而讓定 位不準，所以在剝光纖時，都會事先浸泡在酒精中，比較容易剝除 jacket；也要盡量避免任何擾動，使得氦氖雷射不穩；繞射光的強度 不能太弱，使干涉條紋不明顯也不容易定到位。

圖 4-2 及時監控寫光柵系統

一開始我們使用此種定位方式來製作光纖光柵，因為要產生π相 位移，所以只能及時監控前半部的光柵，等到多了半個週期位移後，

則使用傳統定位，去估計光柵的週期直接逐段曝照。一方面是因為多 了半個週期會造成有一小部分光柵被洗掉，此時的繞射光相對地會變

弱，定位會不準；另一方面，因為 probe beam 有一定的大小，在

-10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 0

pi phase shift grating

line:side interference ac index,dash:side interference grating periode(nm) periode resolution = 0.0325nm

z(um)

時定位一半傳統定位所曝照的光柵，量得的耦合係數(κ)在光柵中的 分佈，使用的是一般感光性光纖，約 6 公分，有作高斯 apodization，

曝製右半邊時則是使用監控系統，雖然不是接的很完美，至少看的出 來κ有愈來愈大的趨勢，等到過了π相位移後，使用傳統定位的方法 所接的光柵完全走樣，看起來似乎呈現週期性的分佈，不過目前還不 能十分確定究竟是什麼樣的誤差造成後半段的κ分佈。

4.2.2 製作 DFB 光纖光柵

之後我們又做了一點改善，剛剛提到因為要在光柵造成一半週期 的位移會使得後來的定位有問題，所以只能使用傳統定位，現在我們 仍然在移了半週期的位移後改用傳統定位，等到 probe beam 確定不 會 probe 到有產生位移的地方，再繼續用新的定位方式，這樣的方法 對感光性絕佳的一般光纖來寫

2

π 相位移光柵的確有所改善，得到的結

果也可接受(成功的重覆率較大)。不過對摻鉺光纖的曝照仍舊不是很 理想，可能原因很多：感光性差，會讓收集到的繞射光很微弱；光纖 表面可能並不平整乾淨(這十分難控制)，造成許多不必要的雜散光，

而會有誤判的情形；每段曝照的時間很長(約 20 秒)，在這段期間內 機械平台移動的準確度是否還精準等等。到目前為止我們只有得到一 個比較好的結果，耦合係數(κ)在光柵中的分佈如圖 4-5，其實我們

原本設計的是一個沒有 apodization 且相位移在中間的 7 公分光柵，

後來

移了半週期不久，發現κ值一直往下掉，因此就停止曝照，所以光柵

圖 4-5 κ的分佈 (箭頭指的地方)—摻鉺光纖

長度約為 5.7 公分，此段光柵的反射和穿透頻譜分別為圖 4-6 和圖 4-7，此時 OSA 的解析度為 0.01nm，反射率超過 99.7%(約 25dB)。圖

透頻譜所對應到的地方(箭頭指向處)，波長也約為 1536.572nm。這 個π相位移的效果並不明顯，而且 dip 處也偏向短波長，可能是在製 作上移了半個週期的位移後，沒多久就停止曝照了。從κ的變化來 看，在有相位移的地方掉的並不是很深，可能並不是真的有移了半週 期的效果。在下一小節，我們把這條 DFB 光纖光柵用 980nm 光源來激 發並觀察其雷射特性。

1535.5 1536.0 1536.5 1537.0 1537.5 1538.0 1538.5 -75

-70 -65 -60 -55 -50

dB

wavelength(nm)

refelction spectrum res=0.01nm span=5nm

圖 4-6 反射頻譜(非對稱光柵)

1536.0 1536.5 1537.0 1537.5 1538.0

-75 -70 -65 -60 -55 -50

dB

wavelength(nm)

transmission spectrum res=0.01nm

span=2nm

圖 4-7 穿透頻譜(非對稱光柵)

4.3 DFB 光纖雷射之實驗結果