DE69827070T2

DE69827070T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bragg-Gittern in optischen Fasern oder Wellenleitern

Info

Publication number: DE69827070T2
Application number: DE69827070T
Authority: DE
Inventors: Laura Boschis; Oriana Rossotto; Luigi Tallone
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-05-16
Also published as: EP0880042B1; ITTO970424A0; CA2237963C; JPH10319255A; EP0880042A2; IT1292316B1; DE69827070D1; DE880042T1; EP0880042A3; CA2237963A1; JP2920762B2; US5953472A; ITTO970424A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Lichtleitfaserkomponenten für das optische Fernmeldewesen und hat speziell zum Gegenstand, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen identischer Bragg-Gitter in getrennten photosensitiven Lichtleitfasern oder Wellenleitern zu schaffen.
Bei optischen Fernmeldsystemen wird häufig von wellenlängenselektiven optischen Komponenten Gebrauch gemacht, die auf Bragg-Gittern beruhen, die in einer Lichtleitfaser oder in einem planaren Wellenleiter gebildet sind und die Tatsache ausnützen, daß ein Bragg-Gitter mit einem gegebenen Gitterschritt eine bestimmte Wellenlänge reflektiert und die anderen Wellenlängen durchläßt. Diese Gitter werden aus Abschnitten von Fasern oder Wellenleitern gemacht, die entlang ihrer Länge periodische Änderungen der Brechungszahl aufweisen. Eine üblicherweise angewandte Technik zum Erhalten dieser periodischen Brechungszahländerungen besteht darin, die Faser oder den Wellenleiter mit einem Interferenzstreifenmuster zu beleuchten, das erhalten wird durch Holographie oder durch direkte Interferenz zwischen zwei UV Strahlenbündeln oder mit Hilfe einer Maske, auf der ein Gitter hergestellt wurde, das eine Charakteristik der zur Faser oder zum Wellenleiter gesendeten Strahlung, z. B. deren Phase, räumlich moduliert.
Bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei der Herstellung von Bandpassfiltern oder von Vorrichtungen für die Ein- und Auskopplung von Wellenlängen (Add-Drop-Multiplexer) müssen in beiden Zweigen eines optischen Wellenleiterkopplers Paare von absolut identischen Gittern hergestellt werden. In seiner Grundstruktur ist ein optischer Wellenleiterkoppler durch zwei Faser- oder Wellenleiterteile gebildet, die in ihrem Mittelteil (Koppelbereich) verbunden sind, wie es in 1 dargestellt ist. Um eine Gittervorrichtung der vorher genannten Art zu erhalten, wird ein Gitter in jedem der beiden Faser- oder Wellenleiterteile (im Bereich, in dem sie separat sind) hergestellt, so daß die Strahlung mit der interessierenden Wellenlänge, die durch einen Kopplerzweig (beispielsweise den Zweig 100A) gesendet wird, durch beide Gitter reflektiert wird und über einen der anderen Zweige ausläuft, und zwar am selben Ende, von dem sie eingestrahlt wurde (beispielsweise über den Zweig 101B). Sind die beiden Gitter nicht vollständig identisch, so wird ein nicht vernachlässigbarer Prozentsatz der Strahlung zum Eingangszweig reflektiert, was Störungen verursacht. Der Ausdruck "im wesentlichen identisch" bedeutet hier, daß die Spektralantwortkurven in einem Ausmaß zusammenfallen müssen, das im interessierenden Band größer als 90% ist, um die unerwünschte Reflektion unter 10% zu halten.
Es ist äußerst schwierig, identische Gitter an getrennten Fasern oder Wellenleitern durch getrenntes Schreiben der Gitter an jeder Faser oder jedem Wellenleiter herzustellen. Es ist so, daß die Charakteristiken der Quellen, durch die die Fasern oder Wellenleiter belichtet werden, um diese Gitter herzustellen, sich mit der Zeit ändern können, und man kann deshalb nur schwer sicherstellen, daß am Ende des Schreibens des Gitters in eine Faser oder einen Wellenleiter, beim Übergang auf eine andere Faser oder einen anderen Wellenleiter, alle Charakteristiken noch im wesentlichen identisch sind. Andererseits ist der Kern eines Wellenleiters (und speziell einer Faser) besonders klein dimensioniert (einige wenige Mikrometer Durchmesser) und man kann auch deshalb nur schwer die gleiche relative Position zwischen den verschiedenen Fasern oder Wellenleitern und dem optischen System, das die Schreibstrahlung fokussiert, sicherstellen.
Ein anderes Vorgehen besteht darin, die Fasern oder Wellenleiter mit Hilfe eines Bündels zu bestrahlen, das so breit ist, daß es die Kerne aller Fasern oder Wellenleiter belichtet. Auch in diesem Fall erweist es sich als ziemlich schwierig, eine gleichförmige Belichtung aller Fasern oder Wellenleiter durch das Strahlenbündel sicherzustellen. Außerdem wird die Bearbeitungszeit länger und es können Arbeitstischvibrationen auftreten, die die Gesamtqualität beeinträchtigen würden.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine solche gleichförmige Belichtung aller Fasern oder Wellenleiter, die in das Gitterschreiben involviert sind, ermöglichen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die Lichtleitfasern oder Wellenleiter für einen Teil ihrer jeweiligen Länge einer Strahlung ausgesetzt werden, deren Intensitätsverteilung so ist, daß periodische Brechungszahländerungen im bestrahlten Faser- oder Wellenleiterteil verursacht werden, und bei dem zum Herstellen identischer Gitter an mehrfachen Fasern oder Wellenleitern diese Fasern oder Wellenleiter Seite an Seite angeordnet sind und gemeinsam einer reziprokierenden Bewegung quer zu ihrer Längsachse mit einer so niedrigen Frequenz unterworfen werden, daß bei jedem Hindurchtritt unter der Strahlung jede Faser oder jeder Wellenleiter der Strahlung für eine Zeit ausgesetzt ist, die zur Sicherstellung einer angemessenen Brechungszahländerung genügt.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Prozesses, bei der eine Quelle zu den Fasern oder Wellenleitern über ein optisches System eine Strahlung sendet, die bei ihrem Auftreffen auf die Fasern oder Wellenleiter eine solche Strahlungsstärkeverteilung hat, daß periodische Brechungszahländerungen in der bestrahlten Zone bewirkt werden, und bei der zur Herstellung identischer Gitter an mehreren Fasern oder Wellenleitern diese Seite an Seite auf einem gemeinsamen Träger montiert sind, dem eine Einrichtung zugeordnet ist, die seine reziprokierende Bewegung quer zur Längsachse der Wellenleiter mit einer so niedrigen Frequenz bewirkt, daß bei jedem Durchgang unter der Strahlung jeder Wellenleiter dieser Strahlung für eine ausreichende Zeit zum Sicherstellen der Brechungszahländerung ausgesetzt bleibt.
Der Artikel "High-Return Loss Narrowband All-Fibre Bandpass Bragg Transmission Filter" von F. Bilodeau u. a., IEEE Photonics Technology Letter, Band 6, Nr. 1, Januar 1994, Seiten 80–82, beschreibt ein auf einem Koppler der Art, wie sie vorher hier beschrieben wurde, basierendes Filter und stellt fest, daß das Filter einen hohen Rückstrahlungsverlust (30 dB oder mehr) hat, und zwar aufgrund des Vorhandenseins von zwei im wesentlichen identischen Gittern, die gleichzeitig in beide Fasern geschrieben wurden, nachrichtenflußunterhalb der Kopplungszone in Bezug zur Richtung, in der die Strahlung in das Filter gesendet wird. Es wird keine Information über die Anstalten gegeben, die getroffen werden, um das Problem der Sicherstellung einer gleichmäßigen Bestrahlung beider Fasern während ihres gleichzeitigen Schreibens zu lösen.
Auch die GB-A 2283831 beschreibt einen Koppler, in dem Gitter in einer Zone hergestellt werden, die nachrichtenflußunterhalb des Kopplungsbereichs liegt, und stellt fest, daß diese Gitter gleichzeitig geschrieben werden und im wesentlichen identisch sind oder ein einziges Gitter bilden. Trotzdem wird keine Information darüber gegeben, wie diese Identität sichergestellt wird.
Zum Zweck weiterer Klärung wird auf die anliegenden Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen:
1 einen optischen Koppler mit Gittern; und
2 eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bezugnehmend auf 1, wird ein in Gittervorrichtungen wie einem Bandpassfilter oder einem Add-Drop-Multiplexer verwendbarer Koppler in einer Faser oder einem Wellenleiter durch zwei Teile einer optischen Faser oder eines optischen Wellenleiters gebildet, die im zentralen Teil miteinander verbunden sind und die vier Zweige 100A, 100B, 101A, 101B des Kopplers bilden.
Der zentrale Teil 102 bildet den Koppelbereich. Beide Fasern oder Wellenleiter haben ein Gitter 103, 104, das nachrichtenflußunterhalb des Koppelbereichs 102 angeordnet ist, so daß die Strahlung mit der interessierenden Wellenlänge, die durch einen Kopplerzweig (z. B. den Zweig 100A) gesendet wird, durch die beiden Gitter 103, 104 reflektiert wird und durch einen der anderen Zweige (in der Figur durch den Zweig 101B) auf der selben Seite ausläuft, auf der sie eingeleitet wurde. Beide Gitter müssen im wesentlichen identisch sein (d. h. sie müssen Spektralreaktionskurven haben, die im interessierenden Band um mehr als 90% übereinstimmen), um den Prozentsatz der einfallenden Strahlung zu minimalisieren, der zum Eingangszweig 100A reflektiert wird, was Störungen verursacht.
In 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, die sich zur Herstellung identischer Gitter an einer Gruppe von Fasern 1 eignet. Die Fasern 1 werden in einem Träger 2 montiert, der außerdem eine Phasenmaske 3 trägt. Dieser Träger muß sicherstellen, daß die Position der Fasern 1 relativ zur Phasenmaske 3 über der Zeit konstant bleibt. In einer konventionellen Weise wird die Phasenmaske 3 durch die UV-Strahlung bestrahlt, die von einem Laser 4 über eine optisches System emittiert wird, das auf der Phasenmaske ein Abbild der Quelle erzeugen kann, die durch einen dünnen Streifen der gleichen Länge wie das herzustellende Gitter gebildet wird.
Das optische System enthält in bekannter Weise eine erste Linse 5 zum Expandieren des von der Quelle emittierten Strahlenbündels; eine Gruppe von Linsen 6, 7, 8 zum Erzeugen eines kollimierten Bündels; eine Membran 9 zwischen den Linsen 6 und 7 zum Formen des Bündels, wobei diesem beispielsweise eine Gauß'sche Intensitätsverteilung gegeben wird; und eine Zylinderlinse 10 zum Herstellen des Abbilds der Quelle auf der Phasenmaske 3.
Vorteilhafterweise wird die von der Quelle 4 emittierte Strahlung zum optischen System über zwei Spiegel 11, 12 gesendet, die es ermöglichen, zwischen der Quelle 4 und der Phasenmaske 3 einen ausreichend langen Weg zu erhalten, um den Sekundärmoduseffekt vernachlässigbar zu machen, und es gleichzeitig erlauben, daß die Vorrichtung eine kleine Baugröße behält.
Für die Herstellung identischer Gitter an den verschiedenen Fasern 1 ist der Träger 2 auf einer (nicht dargestellten) Führung montiert, die rechtwinklig zur Längsachse der Fasern liegt und entlang der der Träger reziprokierend bewegt werden kann, beispielsweise unter der Steuerung eines Motors 13, so daß bewirkt wird, daß die UV Strahlung die Fasern überstreicht. Dieses Überstreichen der Fasern bestimmt, daß bei jedem Durchgang unter der Strahlung die Fasern im wesentlichen das gleiche Bündel empfangen, so daß man die tatsächliche Identität der Gitter, die hergestellt werden, erhält und Probleme vermeidet, die beispielsweise auf der Ausrichtung zwischen den Fasern 1 und dem optischen System 5–10 beruhen, die möglicherweise nicht vollständig genau ist. Um dies zu garantieren, ist vorteilhafterweise der Laser 4 ein Laser mit stetiger Welle; es kann auch ein gepulster Laser verwendet werden, wie beispielsweise ein Excimerlaser, er muß jedoch eine hohe Impulswiederholungsrate haben, beispielsweise eine Rate über einhundert Hz (z. B. 100–150 Hz).
Die Frequenz der hin- und hergehenden Bewegung und die Gesamtdauer der Bestrahlung hängen von der Leistung der Quelle, von den Photosensitivitätscharakteristiken der Fasern sowie von der Zahl der Fasern, in die die Gitter geschrieben werden sollen, ab. In jedem Fall soll diese Frequenz ausreichend niedrig sein, um sicherzustellen, daß jede Faser bei jedem Schritt ausreichend lang belichtet bleibt so, daß das Einsetzen der Brechungszahländerung sicher ist: Aufgrund der wiederholten Durchgänge jeder Faser vor dem Bestrahlungsbündel wird dann eine zeitliche Integration der gestrahlten Leistung so erhalten, daß am Prozeßende die tatsächlich für ein Gitter benötigten Unterschiede der Brechungszahl erhalten werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Gitter an üblichen hydrogenierten Siliziumoxidfasern geschrieben wurden, haben sich Reziprokierungsfrequenzen von 1 Hz oder darunter als angemessen erwiesen; Werte unter 1 Hz werden insbesondere dann gefordert, wenn ein gepulster Laser verwendet wird. Durch Verwendung eines Lasers mit stetiger Welle und mit einer Leistung in der Größenordnung einiger Hundert mW (z. B. 500 mW) hat die Herstellung der Gitter an zwei Fasern einige wenige Minuten gedauert, also eine Zeit, die mit den industriellen Produktionserfordernissen durchaus kompatibel ist. Diese Zeit kann noch verkürzt werden, wenn ein Laser höherer Leistung (1–2 W) verwendet wird oder wenn Fasern mit einer höheren Photosensitivität im Vergleich zu konventionellen Fasern verwendet werden (z. B. Fasern, die mit Germanium in hohen Konzentrationen dotiert sind, und/oder Fasern, die spezielle Brechungsindexverteilungen haben).
Offensichtlich ist die obige Beschreibung nur als nicht beschränkendes Beispiel gegeben und sind Variationen und/oder Modifikationen möglich, ohne hierdurch den Bereich der eigentlichen Erfindung zu verlassen. Beispielsweise bezieht sich die Beschreibung, auch wenn die 2 eine Gruppe von Fasern zeigt, auch auf den Fall von planaren Wellenleitern: insbesondere wird im Fall eines Wellenleiterkopplers, in dem die beiden Wellenleiter auf einem gemeinsamen Waver hergestellt werden, dieser auf dem Träger 2 montiert.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Bragg-Gittern in optischen Einmode-Wellenleitern (1), bei dem man die Wellenleiter (1) für einen Teil ihrer Länge einem Strahlenbündel mit einer solchen Strahlungsstärkenverteilung aussetzt, daß periodische Brechungsindexänderungen entlang der bestrahlten Zone entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Herstellen identischer Gitter an mehreren Wellenleitern (1) diese Seite an Seite in einer Ebene anordnet und sie gemeinsam einer reziprokierenden Bewegung quer zu ihrer Längsachse mit einer so niedrigen Frequenz unterwirft, daß bei jedem Hindurchtritt unter der Strahlung jeder Wellenleiter der Strahlung für eine Zeit ausgesetzt bleibt, die zum Einsetzen der Brechungsindexänderung genügt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlung auf die Wellenleiter (1) mit Hilfe einer Phasenmaske (3) gesendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Maske (3) gemeinsam mit den Wellenleitern (1) der reziprokierenden Bewegung unterwirft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reziprokierende Bewegung eine Frequenz in der Größenordnung von 1 Hz oder weniger hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung eine kontinuierliche Strahlung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Strahlung eine pulsierende Strahlung ist und die Impulswiederholungsrate wenigstens 100 Hz beträgt.
Vorrichtung zum Herstellen von Bragg'schen Gittern in optischen Wellenleitern, bei der eine Quelle (4) über ein optisches System (5–10) zu den Wellenleitern (1) ein Strahlenbündel sendet, das bei seinem Auftreffen auf die Wellenleiter (1) eine solche Strahlungsstärkeverteilung hat, daß periodische Brechungsindexänderungen in der bestrahlten Zone bewirkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung identischer Gitter an mehreren Wellenleitern (1) diese Seite an Seite in einer Ebene auf einem gemeinsamen Träger (2) montiert sind, dem eine Einrichtung (13) zugeordnet ist, die dem Träger eine reziprokierende Bewegung quer zur Längsachse der Wellenleiter (1) mit einer so niedrigen Frequenz erteilt, daß bei jedem Durchgang unter der Strahlung jeder Wellenleiter der Strahlung für eine ausreichende Zeit zum Einsetzen der Brechungsindexänderung ausgesetzt bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) auch eine Phasenmaske (3) trägt, die fest mit den Wellenleitern (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13) zum Bewirken der reziprokierenden Bewegung des Trägers (2) zur Erteilung einer Bewegung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 Hz oder weniger ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (4) eine Quelle einer kontinuierlichen Welle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (4) eine gepulste Quelle mit einer Impulswiederholungsrate ist, die wenigstens 100 Hz beträgt.