DE4337103C2 - Verfahren zum Herstellen von Bragg-Gittern in optischen Medien - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Medien wie z. B. optische Fasern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Bragg-Gittern darin.

Bestimmte optische Faserwellenleiter weisen die Eigenschaft der Lichtempfindlichkeit auf, mit der ein praktisches Mittel zum Photoinduzieren permanenter Brechzahländerungen im Kern der Fasern ermöglicht wird. Lichtempfindlichkeit ist nicht auf Faserstrukturen beschränkt: sie wurde eben­ falls in mehreren Arten von Planar-Glasstrukturen, ein­ schließlich z. B. Silika-auf-Silizium und ionenimplantierte Silika-Wellenleitervorrichtungen nachgewiesen.

Die Herstellung von optischen Wellenleitervorrichtungen wie z. B. innermoden retroreflektierende Bragg-Gitter, Modenum­ wandlungsgitter und Pendeldreher ("rocking rotators") war möglich. Der allgemeine Ansatz zum Herstellen dieser Vor­ richtungen besteht darin, einen lichtbrechenden Gittermaß­ stab bzw. ein Brechzahlgitter in dem lichtempfindlichen Kern des optischen Wellenleiters mit Licht zu induzieren. Das Gitter besteht aus einer periodischen Modulation der Brechzahl des Kerns in Längsrichtung des Wellenleiters. Die Periode der Störung ist so gewählt, damit die Impulsfehlan­ spannung (Fortplanzung konstant) zwischen den beiden (normalerweise gebundenen) Moden überbrückt wird, für deren Kopplung das Gitter ausgelegt ist. Bei der Reso­ nanzwellenlänge dieser Struktur wird ein phasenangepaßter, wirkungsvoller Leistungsaustausch zwischen den gekoppelten Moden möglich.

Zwei grundlegende Verfahren werden verwendet, um Gitter in lichtempfindlichen optischen Faserwellenleitern mit Licht zu induzieren: entweder durch internes oder durch externes Beschreiben bzw. Einprägen. Das interne Einprägen ist gewöhnlicherweise ein holographischer Prozeß, bei dem die zu koppelnden Moden als kohärent gebundene Moden des Wellenleiters injiziert werden und bei dem es ihnen erlaubt wird, die Brechzahl des Wellenleiterkerns über einen Zwei- Photonen-Absorptionsprozeß (d. h. Bildung des Hologramms) zu modifizieren. Das nachträgliche Injizieren einer Mode "rekonstruiert" die andere. Die Aktivierungswellenlänge zum internen Einprägen der Gitter in Germanium-dotierten Hoch- Silikaglas liegt im sichtbaren Bereich (z. B., bei der 514,5 und 488,00 nm Argon-Ionen-Laserwellenlänge), wobei die entsprechende Zwei-Photon-Energie im UV-Band liegt. Das externe Einprägen verwendet UV-Licht, welches direkt (für Hoch-Silikafasern, die mit Germanium dotiert sind, wird UV- Licht auf oder in der Nähe von der Sauerstoff-Fehlab­ sorptionsbande um 240 nm abgestimmt) seitlich auf den opti­ schen Wellenleiter einfällt. Externes Einprägen kann für Modenumwandlungs-Gitter Punkt-für-Punkt durchgeführt werden oder unter Verwendung von holographischen Interferenzen zweier kohärenter UV-Strahlen bei Bragg-Rückreflektoren bzw. Bragg-Retro-Reflektoren.

Brechzahlgitter wurden erstmals in optischen Fasern unter Anwendung einer Technik eingeprägt, die von K. O. Hill et al. erläutert und in dem US-Patent 4,474,427 beschrieben ist. Dieses Verfahren erfordert das Injizieren von Licht in den Kern eines Germanium-dotierten Faserstrangs, wobei das Licht eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich aufweist. Das Licht wird von dem Ende der Faser reflektiert. Das sich in Vorwärtsrichtung ausbreitende Licht interferiert mit dem sich in Rückwärtsrichtung ausbreitenden Licht, um eine stehende Wellenstruktur mit einer Periode zu bilden, die der Hälfte der Wellenlänge des zum Einprägen verwendeten Lich­ tes entspricht. Über einen lichtempfindlichen Effekt inner­ halb der Faser wird ein Brechzahlgitter mit dieser Periode in den Kern der Faser eingeprägt. Mittels dieser Technik können lediglich Gitter hergestellt werden, die Licht mit Wellenlängen reflektieren, die dicht an der des Einpräge- Lichts liegen.

Eine Verbesserung dieser Technik zum Einprägen von Gitter wurde durch Glenn et al. im US-Patent 4,807,950 offenbart. In diesem Verfahren werden die Gitter innerhalb der Faser durch seitliches Bestrahlen der Faser hergestellt, wobei eine kohärente ultraviolette Strahlung verwendet wird, die eine Wellenlänge von 245 nm aufweist. Unter Verwendung einer Zwei-Strahl-Technik wird ein Interferenzmuster in Längsrichtung der Faser aufgebaut. Die Periode des Musters wird durch Einstellung des Winkels zwischen den interferie­ renden Strahlen eingestellt. In der Faser können somit Brechzahlgitter eingeprägt werden, die Licht mit wesentlich längeren Wellenlängen reflektieren.

Eine weitere Verbesserung der oben aufgeführten Verfahren zum Einprägen von Gittern in optischen Fasern liegt in der Punkt-für-Punkt Einpräge-Technik, die in dem US-Patent 5 104 209 offenbart ist. In diesem Patent ist eine Punkt-für- Punkt-Technik zum Einprägen von Gittern in Fasern beschrie­ ben, in denen jede Brechzahlstörung bzw. -abweichung im Gitter individuell über eine Schlitzmaske photoinduziert wird.

Die wesentlichen Nachteile der in dem ersten Patent beschriebenen Gitter-Herstellungstechnik liegt darin, daß lediglich Gitter mit einer Periode entsprechend der Hälfte der Wellenlänge des zum Einprägen verwendenden Lichtes her­ gestellt werden können. Das zweite Patent offenbar ein Verfahren zum Einprägen von Gittern mit einer unterschiedlichen Schrittweite. Die Technik erfordert indes eine ultraviolette Laserquelle mit einem hohen Grad an räumli­ cher und zeitlicher Kohärenz. Derartige Laserquellen sind Forschungslaser, die teuer sind, geringe Einprägeeffizien­ zen aufweisen und nicht zur Verwendung in einem Herstel­ lungsprozeß geeignet sind. Desweiteren schafft die Technik keine ausreichende Flexibilität zum Einprägen von apodi­ sierten Bragg-Reflektoren oder von einer sich ändernde Periode aufweisenden ("chirped") Bragg-Reflektoren.

Das Punkt-für-Punkt Einprägeverfahren ist eine effektive Technik zum Einprägen der groben Periodengitter, die bei Raum- und Polarisationsmodenumwandler verwendet werden. Indessen ist diese Technik nicht zum Einprägen von Bragg- Gittern brauchbar. Das Einprägen von jeder individuellen Brechzahlstörung erfordert im Falle von Bragg-Gittern eine hohe Genauigkeit in der Umsetzung auf die optische Faser vor dem Schlitz. Ein noch wesentlicherer Nachteil liegt in der seriellen Schreibweise der Brechzahlstörungen, die das Bragg-Gitter bilden. Dieses Einprägeverfahren benötigt eine lange Belichtungszeit, um einen einzelnen Bragg-Reflektor herzustellen. Das US-Patent 5,104,209 schlägt zur Überwin­ dung dieses Problems die Verwendung von Schlitzmasken vor, die das Einprägen von mehreren Brechzahlstörungen während eines einzigen Bearbeitungsvorganges ermöglicht.

Weiter sind folgende Dokumente im technischen Umfeld bekannt, die sich jedoch nicht im einzelnen mit dem Einprägen einer permanenten Gitterstruktur in eine Lichtleitfaser befassen:
Die EP 0 221 560 A2 beschreibt eine Einrichtung zum Einkoppeln optischer Strahlung in eine Single-Mode-Faser, um das darin laufende Licht über das Aufbringen eines Gitters unter Nutzung eines photoelastischen Effekts in der Faser zu beeinflussen und so Informationen zu übertragen. Dabei darf naturgemäß keine andauernde Änderung der Faser durch das eingekoppelte Licht verursacht werden, um die Funktion aufrechtzuerhalten.

Die EP 0 195 724 A2 offenbart eine Raum- Phasengittermaske zur Nutzung bei der Herstellung von Beugungsgittern nebst einem Verfahren zur Herstellung derselben. Die US 4 759 607 verwendet eine Anordnung mehrerer parallel liegender Masken mit konkaven und konvexen Teilen, um ein Beugungsbild zu erzeugen.

Die EP 0 503 472 A2 beschreibt einen Belichtungsapparat nebst zugehörigem Verfahren, um Interferenzeinflüsse bei der Belichtung von hochintegrierten (LSI-) Schaltkreisen zu verringern und dadurch die Abbildung zu verbessern. Auch hierbei kommen Phasengittermasken zum Einsatz, um Licht der nullten Ordnung teilweise oder ganz abzublocken.

Die US 4 947 413 beschäftigt sich mit Lithographieverfahren und schlägt zusätzlich zur in EP 0 503 472 A2 genannten Blockung der nullten Ordnung auch das Abblocken höherer Ordnungen als der ersten vor, um dadurch die Auflösung zu verdoppeln.

Die DE-OS 23 36 626 beschäftigt sich mit einem optischen Phasenfilter für inkohärentes Licht, der insbesondere bei Farbfernsehkameras zum Tragen kommen soll.

Damit enthält der bekannte Stand der Technik nicht das Erzeugen permanenter Bragg-Gitter in Lichtleitfasern.

Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Bragg-Gittern in einem optischen Medium bereitzustellen, das die oben diskutierten Nachteile nicht mehr aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 wie im Detail in Fig. 5 gezeigt gelöst.

Im einzelnen wird erfindungsgemäß das Brechzahlgitter in den Kern der optischen Faser eingeprägt, indem eine speziell ausgebildete Silika-Glas-Phasengittermaske verwen­ det wird. Die Phasenmaske wird benachbart und parallel zur optischen Faser mit einer brechenden Linse zwischen der Maske und der Faser gehalten, und ein undurchsichtiges blockierendes Mittel für den Lichtstrahl nullter Ordnung wird zwischen der Maske und der Linse plaziert. Die Laserbestrahlung der Phasenmaske mit ultraviolettem Licht bei senkrechten Einfall prägt (photoinduziert) in dem optischen Faserkern das durch die Phasen-Maske erzeugte Interferenzmuster ein.

Die vorliegende Erfindung zeigt Verbesserungen im Hinblick auf die Punkt-für-Punkt Einpräge-Technik auf, indem eine neuartige Schlitzmaske zum Einprägen von Bragg-Gittern in optische Fasern und in planaren optischen Wellenleitern verwendet wird. Das Verfahren ist eine nicht-holographische Technik zum Einprägen von Bragg-Retro-Riickreflektoren und ist insbesondere auf lichtempfindliche optische Fasern an­ wendbar, das Verfahren ist aber ebenso auf planare Wellen­ leiterstrukturen anwendbar.

Ein Verfahren zum Herstellen von Bragg-Gittern in einem optischen Medium weist gemäß einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung das Anordnen einer Silika-Glas- Phasengittermaske benachbart an und parallel zu einem lichtempfindlichen optischen Medium auf, sowie das Anlegen eines kollimierten Lichtstrahls durch die Maske hindurch auf das Medium.

Eine Phasengitter-Schlitzmaske wird in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform dazu herangezogen, um die Phase eines UV-Strahls (beispielsweise von einem Excimer- Laser) räumlich zu modulieren und zwar mit einer Schritt weite ("pitch")

wobei λ_Bragg die gewünschte Resonanz­ wellenlänge für die retroreflektierende Innermodenkoppe­ lung innerhalb der Faser ist und n_(Effektiv) die effektive Brechzahl der gekoppelten Moden bei λ_Bragg ist.

Eine Gittermaske besteht in Übereinstimmung mit einer ande­ ren Ausführungsform aus einer Silika-Glasscheibe, die parallele Rippelungen auf einer Oberfläche von ihr auf­ weist, die ein Oberflächenreliefmuster bilden.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Ein besseres Verständnis der Erfindung wird unter Bezug­ nahme auf die detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der folgenden Zeichnung erzielt, in der zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm einer photolithographi­ schen Vorrichtung zum Photoeinprägen eines Brechzahl-Bragg-Gitters in einen lichtempfindlichen optischen Faser­ wellenleiter;

Fig. 2, 3, 4, und 5 weitere Schaubilder von photolithogra­ phischen Vorrichtungen zum Photoeinprä­ gen eines Bragg-Gitters in eine opti­ sche Faser; und

Fig. 6 ein Diagramm eines spektralen Antwort­ verhaltens eines Bragg-Gitters, welches mit einer UV-Laserquelle und unter Ver­ wendung von Phasenmasken-Photolithogra­ phie hergestellt wurde.

Eine Phasengitter-Schlitzmaske 1 findet in einer Präzi­ sions-Photolithographie-Vorrichtung Anwendung und wird in Kontakt stehend mit oder im Nahbereich einer optischen Faser 3 plaziert, wobei ihre Gitterriffelung 5 (wie in der Vergrößerungsdarstellung 6 der Maske gezeigt), senkrecht oder nahezu senkrecht auf der Faserachse steht. Ein UV- Lichtstrahl 7 von einem geeigneten Laser, wie beispiels­ weise eines KrF-Excimer-Lasers (249 nm), wird in einem erfolgreichen Prototyp durch die Maske 1 hindurchgeführt, mittels der er räumlich phasenmoduliert und so gebeugt wird, daß sich ein Interferenzmuster 9A lateral (Bragg- Gitter-Schrittweite) und entlang der einfallenden Laser­ strahlrichtung 9B (Talbot-Schrittweite) ausbildet, wie in der Vergrößerungsdarstellung 11 des Kerns der Faser darge­ stellt ist.

Die Schlitzmaske besteht vorzugsweise aus einer mit 6 bezeichneten, eindimensionalen Oberflächenreliefstruktur, die in eine Hochqualitäts-Quarzgutfläche mit hoher Qualität eingearbeitet wird, die für KrF-Excimer-Laserstrahlung transparent ist. Die Gestalt der periodischen Oberflächen­ reliefstruktur der Phasenmaske nähert sich vorzugsweise einer wie mit 6 im Profil dargestellten Rechteckwelle an. Die Amplitude der periodischen Oberflächenreliefstruktur ist so gewählt, damit die Phase des UV-Lichtstrahls gemäß π + 2πn Radians (n = 0, 1, 2, 3, . . .) moduliert wird. Die Ampli­ tude A der Oberflächenreliefstruktur ist in einem erfolg­ reichen Prototyp der Phasenmaske für einen KrF-Excimer- Laserstrahl gegeben durch

wobei λ die Wellenlänge des zum Einprägen (Photoinduzieren) einer Brechzahländerung in dem optischen Medium verwendeten Lichts ist, und n_silika die Brechzahl des Azur Bildung der Maske ver­ wendeten Silikas ist. Diese Wahl der Oberflächenrelief- Gitteramplitude resultiert in einem Gitterbeugungsmuster für die Konstruktionswellenlänge, die den gebeugten (durchgehenden) Strahl mit 0-ter Ordnung löscht. Der 0-te- Ordnung-Strahl 13 wird in der Praxis unter 5% hinsichtlich des durch die Maske gebeugten Lichts gedrückt. Die die Maske verlassenden Hauptstrahlen 15 sind die divergierende Strahlung 1.ter Ordnung, die jeweils typischerweise mehr als 35% des gebeugten Lichts mit sich führt.

Die Maskenstörungen müssen nicht in Form einer Rechteck­ welle ausgebildet sein. Beispielsweise wären Oberflächenrelief-Phasengittermasken, die die 0-te Ordnung löschen und Störungen mit einer sinusförmigen Gestalt aufweisen, gleichfalls geeignet.

Um Bragg-Gitter mit einer Länge länger als der der Phasenmaske herzustellen, kann ein Stopp- und Wiederholungsverfahren eingesetzt werden. In diesem Verfahren wird die Maske (oder die Faser) präzise um eine der Ringmusterlänge entsprechen­ den Distanz so versetzt, daß die darauffolgenden photoein­ geprägten Gitter in Phase mit den zuvor photoeingeprägten Gitter reflektieren.

Es sollte hervorgehoben werden, daß die Hauptperiode des Beugungsmusters der Maske unabhängig von der Wellenlänge ist. Im Prinzip ist es deshalb möglich, ein Bragg-Gitter mit einer kollimierten Breitbandquelle zu beschreiben, solange wie der Wellenleiterkern nicht allzuweit von der Phasenmaske während des Einprägens positioniert ist, und solange die kombinierte spektrale Breite der Quelle und der lichtempfindliche Bereich des Wellenleitermaterials nicht größer ist als die auszulöschende Bandbreite ("nulling bandwidth") des gebeugten Strahls mit 0-te Ordnung.

Die bevorzugte Plazierung der Phasengitterriffelung für photoeingeprägte Bragg-Reflektoren ist senkrecht zu der Fa­ serachse. Geneigte Brechzahlgitter können photoeingeprägt werden, indem man die Phasengitterriffelung unter einem Winkel zu der Faserachse anordnet. Derartige Brechzahlgit­ terstrukturen sind nützlich, um das im Kern geführte Licht aus der Faser und in den freien Raum hinaus auszukoppeln.

Es sollte angemerkt sein, daß die bevorzugte Ausführungs­ form die Gitterriffelungen des Oberflächenrelief-Phasen­ gitters aufweist, die in Richtung der Faser zeigen. Diese Anordnung ist für das Phasengitter nicht nötig, um den UV- Strahl Phasen zu modulieren. Eine Konfiguration, bei der die Riffelung von der Faser wegzeigt, wird ebenfalls funk­ tionieren.

Phasengitter, bei denen die Phasenmodulation eher über eine Brechzahlmodulation als über eine Oberflächenreliefmodula­ tion herbeigeführt wird, werden ebenso funktionieren. Die Riffelungen 5 der in der Vergrößerungsdarstellung der Fig. 1 dargestellten Maske können beispielsweise mit Glasmate­ rial gefüllt sein, die einen unterschiedlichen Brechungs­ koeffizienten als die umgebenden Bereiche aufweisen, so daß damit die alternierenden Brechzahlen herstellbar sind.

Um die Wirksamkeit der photolithographischen Vorrichtung zu testen, die im Zusammenhang mit dem Photoeinprägen eines brechenden Bragg-Gitters in einem lichtempfindlichen opti­ schen Phasenwellenleiter beschrieben worden ist, wurden zwei als besonders lichtempfindlich bekannte optische Fasern ausgewählt. Die erste Faser, die verwendet worden ist, war eine "Andrew Corporation standard D-Typ" polarisa­ tionserhaltende Faser, welche auf 1300 nm (Cut-off = 960 µ­ nm, Schwebungslänge L_B = 1,02 cm bei 1292 nm, Kern/Umhüllungsmaterial Δn = 0,031 und elliptische Kern­ größe 1,5 × 3 µm) optimiert ist, die aber dennoch einen ausreichend geringen Verlust bei der Bragg-Resonanzwellen­ länge von 1531 nm aufzeigt. Diese Faser weist einen Kern auf, der im Vergleich zu Standard-Telekommunikationsfasern mit Germanium hochdotiert ist. Germanium-dotierte Fasern sind gewöhnlich lichtempfindlich. Insbesondere wurde von der Andrew D-Typ-Faser von einer starken Lichtempfindlich­ keit berichtet (ungesättigte photoinduzierte Brechzahländerungen in der Größenordnung von 6 × 10^-4 wurden nachgewiesen), eine Eigenschaft, die mit ihrer relativ hohen Germanium-Dotierungskonzentration zusammenhängt. Die zweite Faser wurde von AT Bell Laboratories bezogen und als besonders stark lichtempfindlich bezeichnet. Experimentell wurde bestätigt, daß die AT lichtempfindlicher als die D-Typ-Faser ist und zwar während den bei unseren Experimenten herrschenden Bedingungen.

Die in den Experimenten verwendete UV-Quelle war ein unmodifizierter Lumonics KrF Excimer-Laser, der bei 249 nm, mit einem Strahlquerschnitt von 0,7 × 2 cm², Pulslänge von 12 nsec und Pulswiederholungsrate von 50 Hz betrieben worden ist. Die unfokussierte Energiedichte pro Pulsbetrug 100 mJ pro cm². Ein derartiger Laser produziert, wenn keine Vorsorge entweder im Hinblick auf "Injektionslocking" oder im Hinblick auf das räumliche Filtern des Strahls getroffen wird, einen geringen kohärenten Strahl. Die einzige Opti­ mierung, die zur Vorbereitung zum Einprägen eines Bragg- Gitters unternommen wurde, war, daß das Phasenmaskengitter mit seinen Riffelungen parallel zur langen Ausdehnung des Strahl-Querschnitts plaziert wird, da experimentell heraus­ gefunden wurde, daß die räumliche Kohärenz für diese Anord­ nung besser ist als eine orthogonale Anordnung.

Ein erfolgreiches Einprägen mit gering kohärenten Strahlen war ein wichtiger Test der Leistungsfähigkeit des vorlie­ genden, photolithographischen Bragg-Gitter-photoeinprägen­ den Verfahrens. Ein Vorteil der Bragg-Gitterphotolitho­ graphie besteht darin, daß sie ein Mittel zur parallellen Herstellung von mehreren Einheiten zur Verfügung stellt, die Verwendung von erprobten, industriellen Hoch-Fluenz- Laserquellen erlaubt und die herstellungsbedingten Aus­ richtabläufe vereinfacht.

Das Phasengitter, welches in dem erfolgreichen Prototypver­ fahren verwendet wurde, war eine Oberflächenreliefvorrich­ tung, die auf eine hochoptische Qualitäts-Quarzgut-Fläche aufgebracht wurde. Die Periode des Gitters betrug nahezu 1060 nm, wobei der gebeugte Strahl der 0-ten-Ordnung mit 249 nm gelöscht wird und jeweils 37% des durchgehenden Lichts in Strahlen 1.-ter Ordnung gehen. Die Größe des Gitters betrug 1 mm im Quadrat. Die Periode des mit der Fläche photoeingeprägten Bragg-Gitters betrug 530 nm, woraus sich eine abgeschätzte Hoch-Quarzgut-Wellenleiter- (Brechzahl = 1,46) Bragg-Resonanzwellenlänge von 530 × 2 × 1,46 = 1549 nm ergibt. Experimentell wird eine Resonanz bei 1531 nm beobachtet.

Die zur Bragg-Gitterbelichtung verwendete Fluenz-Dichte ("fluence level") pro Puls wurde von 100 auf 200 mJ/cm² durch leichtes Fokussieren des Excimer-Laserstrahles er­ höht, indem eine Zylinderlinse verwendet wurde, deren zy­ lindrische Achse parallel zur Faser ausgerichtet wurde. Typische Belichtungszeiten waren ein paar Minuten mit Fluenzdichten von 1 Joule/cm² pro Puls und Pulsraten von 50 pps. Die photoinduzierte Bragg-Gitterreflektivität erhöht sich zu Beginn des Belichtungsprozesses schnell und sättigt darauffolgend dann bei einem Wert, der mit dem Pegel der einfallenden Energie pro Puls in Beziehung steht. Eine größere Fluenzdichte pro Puls vergrößert bis zu einer bestimmten Grenze die gesättigte Reflektivität des sich ergebenden Bragg-Gitters. Oberhalb eines bestimmten Fluenz­ pegels wird indessen ein Reflexionsspitzenwert erreicht und die weitere Belichtung resultiert in einer abnehmenden Reflektivität, wobei gleichzeitig die Form des Wellenlän­ genantwortverhaltens des Bragg-Gitters signifikant verän­ dert und beispielsweise sich eine Einkerbung an der Zentralwellenlänge der Charakteristik entwickelt wird.

Es sollte hervorgehoben werden, daß eine Linse oder Linsen zum Erhöhen der Energiedichte verwendet werden können. Eine derartige Ausgestaltung ist beispielsweise in Fig. 2 gezeigt.

Ein Lichtstrahl 19 wird mittels einer Zylinderlinse 21 auf den Kern 23 der optischen Faser 25 über die Phasengitter- Schlitzmaske 27 fokussiert, wobei die die Gitterriffelung enthaltende Fläche 29 der Faser gegenüberliegt.

In einer, in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung, wird ein Raum-Amplitudenfilter 37 vor der Phasenmaske 27 angeordnet. Der Raum-Amplitudenfilter 37 modifiziert das Intensitätsprofil 39 des UV-Strahls derart, daß er entlang der Länge des Phasengitters in einer vorge­ gebenen Weise variiert. Das Profil 39 läßt beispielsweise einen UV-Strahl mit einem gaussartigen Intensitätsprofil erkennen. Die Bestrahlung des Phasengitters mit dem UV- Strahl 19 resultiert, wie zuvor, in einem Interferenzmuster ("interface pattern"). Die Einhüllende der Interferenzringe hat indessen das gleiche Intensitätsprofil entlang der Länge der Faser wie das Intensitätsprofil des UV-Strahls. Die Bereiche mit hoher Intensität ergeben eine größere photoinduzierte Brechzahländerung als die Bereiche mit geringer Intensität. Ein Brechzahlgitter kann somit inner­ halb einer Faser gebildet werden, deren Kopplungstärke in einer vorgegebenen Weise entlang der Faserlänge variiert.

In einer, in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Phasengitter 41 verwendet, bei dem die Gitterperiode in Längsrichtung des Gitters in einer vorbe­ stimmten Weise so variiert, daß sich ein Gitter mit sich ändernden Periode ("chirped") ergibt. Die Bestrahlung des Phasengitters mit sich ändernder Periode mit UV-Licht 19 prägt ein Brechzahlgitter (Reflektor) in den Faserkern 23 mit Licht ein, der ebenso eine sich ändernde Periode aufweist. Das spektrale Antwortverhalten des Bragg- Reflektors mit sich ändernder Periode ist breiter als der Bragg-Reflektor, der in Resonanz mit einer einzigen Wellenlänge ist.

Die gleichzeitige Verwendung der beiden in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausgestaltungen modulieren die Phase und Amplitude des UV-Strahls räumlich, wodurch eine unabhängige Steuerung in Bezug auf die Resonanzfrequenz und die Reso­ nanzstärke in Längsrichtung des Bragg-Reflektors ermöglicht wird. Diese Fähigkeit erlaubt die Synthese einer nützlichen, spektralen Antwortverhaltenscharakteristik wie z. B. eines apodisierten Bragg-Reflektors.

Fig. 5 stellt die Erfindung dar, in der die Linsen zwischen der Maske 27 und der optischen Faser 25 positioniert sind. Ein undurchdringlicher Klotz 33 ist zwischen der Maske und der Linse angeordnet, um den 0-te- Ordnung Lichtstrahl 35 zu blockieren. Undurchsichtige Strahlklötze 36 sind ebenfalls zwischen der Maske und der Linse plaziert, um Licht zu blockieren, welches in Strahlen mit höheren als der ersten Ordnung gebeugt werden. Die Lichtstrahlen mit 1.-ter Ordnung werden durch die Linse durchgelassen.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß ledig­ lich die gebeugten Strahlen 1.-ter Ordnung zur Bildung der Interferenzringe verwendet werden, wodurch kontrastreiche Ringe erzielt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Linsen dazu herangezogen werden, um die Bildgröße der Streifenmuster zu reduzieren. Somit werden Linsen, die unterschiedliche Bildreduktionen herstellen, Bragg-Gitter mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen von dem gleichen Phasengitter photoeinprägen. Darüberhinaus kann die Schrittweite der Phasengitter länger sein, so daß die Schwierigkeiten bei der Herstellung der Phasengitter ver­ mindert werden. Schließlich schaffen die Linsen ein Mittel zur Erhöhung der Fluenzdichten auf den bestrahlten opti­ schen Kern.

Fig. 6 veranschaulicht ein Diagramm eines spektralen Ant­ wortverhaltens 17 eines Bragg-Gitters, welches durch die oben beschriebene Phasenmaske in der Ausgestaltung der Fig. 1 in das Andrew Corporation D-Typ-Faser mit Licht einprägt wird. Der 249 nm KrF-Excimer-Laser bestrahlt die Faser für 20 Minuten mit 100 mJ/cm² Pulsen bei 50 pps. Ein Reflexionsspitzenwert von 16% wurde mit einem schätzungs­ weise 0,95 mm langen Gitter erhalten, wobei zur Berechnung ein gleichförmiges In-Fasergitter angenommen und die 0,85 nm Spektralbreite des Antwortverhaltens, die 530 nm Schrittweite des Bragg-Gitters und die 1531 nm Bragg-Reso­ nanzwellenlänge verwendet wurde. Die Seitenbanden in dem spektralen Antwortverhalten sind deutlich sichtbar, wodurch angenommen wird, daß das Gitter im wesentlichen gleichmäßig entlang seiner gesamten Länge ist. Von den Gitter- Reflexionsdaten wurde die Amplitude für die Brechzahlmodu­ lation zu 2,2 × 10^-4 kalkuliert (in dem festgebundenen Modenlimit). Dieser Wert läßt sich vorteilhafterweise mit der mittleren Brechzahländerung vergleichen, die zu 6 × 10^-4 mit der Veränderung der Bragg-Gitterresonanz während der Photobelichtung und dem Wissen der effektiven Brechzahldis­ persion der Faser bei 1531 nm bestimmt wurde. Im Idealfall wird erwartet, daß die auftretende Modulationstiefe die gleiche oder größer als die mittlere Brechzahländerung ist, wenn die Fasern mit einem Maximalkontrast-Gitterbeugung­ muster belichtet wird. Das Tiefe-zu-Mittlere-Brechzahlände­ rungs-Verhältnis wird durch die folgenden intrinsischen Faktoren beinflußt: Nicht-Linearitäten in dem lichtempfind­ lichen Bereich der Fasern, die weniger-als-vollständige Löschung des Strahls mit 0-ter Ordnung, das Auftreten von höheren Ordnungen des gebeugten Strahls strahlabwärts der Maske und die geringe Kohärenz der Laserquelle. Es wird ebenso über die Faser/Maske-Ausrichtung während der Her­ stellung beeinflußt: die Reflektivität des photoinduzierten Bragg-Gitters wird vermindert sein, falls das Gitter im Bezug auf die Faserachse geneigt wird. Die geringe, durch Neigen verursachte Reflektivität überträgt eine reduzierte auftretende Tiefe der Modulation der Brechzahl. Das Neigen beeinflußt die Zunahme im mittleren Brechungskoeffizienten aufgrund der Photobelichtung nicht.

Ein spektrales Antwortverhalten des Bragg-Gitters ähnlich der Fig. 6 wurde für ein Bragg-Gitter beobachtet, das unter gleichen Bedingungen aber unter Verwendung der speziellen AT eingeprägt wurde. Der Reflektivitätsspitzenwert erreicht in diesem Fall 25%.

Im Vergleich zu anderen Verfahren zur Herstellung von In- Faser-Bragg-Gittern, bietet die Technik des photolithogra­ phischen Einprägens durch die wie hierin beschriebene Phasenmaske eine größere Flexibilität zur Modifizierung der Schrittweite und der Stärke der Bragg-Gitter-Kopplungs­ koeffizienten, κ(z), als Funktion der Distanz z entlang der Wellenleiterachse. Komplizierte Schrittweiten-Variationen können in die Phasenmaske während ihrer Fabrikation bei­ spielsweise durch Computersteuerung eingeschrieben werden; eine Raum-Amplitudenmaske kann ebenfalls verwendet werden, um die Stärke des Kopplungskoeffizienten festzulegen. Gleichzeitige Verwendung dieser beiden Techniken zur räum­ lichen Modulation der Phase und der Amplitude des zum Ein­ prägen verwendeten UV-Strahls ermöglicht unabhängige Steue­ rung hinsichtlich der Resonanzfrequenz und der Resonanz­ stärke entlang des Wellenleiter-Bragg-Gitters, welches mit der Maske eingeschrieben wurde, so daß die Synthese von nützlichen spektralen Antwortverhalten möglich ist.

Bei den verwendeten Oberflächenrelief-Phasengittermasken wurde herausgefunden, daß die Fluenz-Dichten pro Puls von 1 J/cm² ohne Schaden toleriert wurden. Da gemischtes Quarz bzw. Quarzgut einen Schadenschwellenwert pro Puls von 5 J/cm² unter KrF-Excimer-Laserbestrahlung aufweist, erscheint es naheliegend, daß diese Phasemasken selbst höhere Fluenz-Dichten tolerieren können.

Unter Verwendung einer Fluenz-Dichte pro Puls von 1 J/cm² wurde ein Bragg-Gitter mit 30% Reflektivität in einem Andrew D-Faser nach einer 5minütigen, 50 Hz Bestrahlung mit Licht eingeprägt.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein einfaches Ver­ fahren zur Herstellung eines Hoch-Qualitäts-Bragg-Gitters in lichtempfindlichen optischen Wellenleitern, unter Ver­ wendung von gering kohärenten Lasern, die zur industriellen Verwendung geeignet sind. Die Kombination der Phasemasken- Photoeinprägung mit dem Einzelpuls-Einprägen eines In- Faser-Bragg-Gitters kann zu einer mit hoher Leistungsfähig­ keit arbeitenden und wenig kostenden Vorrichtung führen.

Eine diese Erfindung verstehende Person kann sich nun alternative Strukturen und Ausführungsformen oder Variatio­ nen von oben Genannten vorstellen. All diejenigen, die in den Bereich der zugehörigen Ansprüche fallen, werden so be­ handelt werden, als seinen sie Teil der vorliegenden Erfin­ dung.

Ein Brechzahlgitter wird somit erfindungsgemäß in den Kern einer optischen Faser unter Verwendung einer besonders ausgebildeten Silika-Glas-Phasengittermaske eingeprägt. Die Phasenmaske wird in unmittelbarer Umgebung an die optische Faser gehalten. Laserstrahlung von der Phasenmaske mit ultraviolettem Licht bei senkrechtem Einfall prägt (photoinduziert) das durch die Phasenmaske erzeugte Inteferenzmuster in den optischen Faserkern ein.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von permantenten Bragg- Gittern in einem optischen Medium mit folgenden Schritten:
Anordnen einer Silika-Glas-Phasengittermaske benach­ bart und parallel zu dem optischen Medium;
Plazieren einer brechenden Linse zwischen der Maske und dem optischen Medium,
Plazieren eines undurchsichtigen blockierenden Mittels für den Lichtstrahl nullter Ordnung zwischen der Maske und der Linse und
Beaufschlagung der Anordnung aus Maske, blockierendem Mittel, Linse und optischem Medium mit einem einzigen kollimierten Lichtstrahl.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske ein Oberflächenreliefmuster aufweist, das ausgewählt wird, um die Phase des Lichtstrahls um π + 2πn Radian zu modulieren, wobei
ist, wobei A die Amplitude des Oberflächenreliefmusters n = 0, 1, 2, 3, . . ., λ die Wellenlänge des Lichts, welches zum Einprägen bzw. Photoinduzieren einer Indexänderung in dem optischen Medium verwendet wird, und n_silika der Brechungskoeffizient von dem in der Maske verwendeten Silika bei λ ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenreliefmuster im Querschnitt eine Rechteckwelle ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenreliefmuster im Querschnitt eine Sinuswelle ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl ein ultravioletter Lichtstrahl ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl von einem KrF Excimer-Laser bereitgestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Medium eine optische Faser ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Riffelungen des Phasenmaskengitters senkrecht auf oder nahezu senkrecht auf die Achse der Faser orientiert ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Riffelungen des Phasenmaskengitters unter einem Winkel zu der Achse der Faser orientiert sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine lange Ausdehnung des Lichtstrahlquerschnittes parallel zu den Riffelungen des Phasenmaskengitters orientiert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Riffelungen eine sich ändernde Periode aufweisen.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmaske Va­ riationen entweder in der Schrittweite oder in der Amplitude der Riffelungen oder in beiden beinhaltet.

14. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Plazieren eines undurchsichtigen blockierenden Mittels für den Lichtstrahl 0.-ter und 2.-ter Ordnung zwischen der Maske und der Linse vor der Beaufschlagung mit dem Lichtstrahl.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Einfügen eines Raum-Amplituden-Lichtfilters zum Gestalten des Strahlprofils, bevor er durch das Phasengitter hindurchtritt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter auf einer Oberfläche der Maske beschichtet ist, die einer Oberfläche gegenüberliegt, die das Phasengitter enthält.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dann mehrfach entweder die Maske oder das Medium relativ zu­ einander um eine dem Ringmuster entsprechenden Strecke bewegt wird, und wobei die Beaufschlagung mit dem kollimierten Lichtstrahl durch die Maske auf das Medium so ist, daß die darauffolgenden photoeingeprägten Gitter in Phase mit den zuvor photoeingeprägten Gittern reflektieren.