DE60031831T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gittern in optischen Fasern - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gitter, die in Optikfasern hergestellt sind, und bezieht sich insbesondere auf Gitter des Typs, die als Langperiodengitter bezeichnet werden. Dies können beispielsweise Gitter mit einer Periode von mehreren Zehn Mikrometern (typischerweise 30–40 Mikrometer) sein, die eine geringe Temperaturabhängigkeit zeigen.
• Vorrichtungen dieses Typ sind in der Technik bekannt, wie es beispielsweise gezeigt wird durch das Dokument von J. B. Judkins u. a., „Temperature-insensitive long-period fiber gratings", veröffentlicht auf Seiten PD 1–2 to PD 1–5 der Post deadline Papers der '96 OFC Optical Fiber Communication Konferenz am 29. Februar 1996, oder das Dokument von V. Bhatia u. a., „Temperature-insensitive and straininsensitive long-period grating sensors for smart structures", veröffentlicht in Opt. Eng. 36 (7), S. 1.872–1.876 (Juli 1997).
• Diese Gitter, deren Prinzip hauptsächlich auf dem Koppeln einer Mode, die in den Kern der Faser geführt wird, mit Moden basiert, die sich in der Umhüllung ausbreiten, haben sich als sinnvoll erwiesen für Anwendungen in der Sensortechnologie und optischer Telekommunikation, beispielsweise für die Verwendung bei Bandsperrfiltern oder Gewinnentzerrern für optische Verstärker. Anders als Kurzperiodengitter streuen Langperiodengitter die Resonanzwellenlänge nicht zurück.
• Um diese Gitter herzustellen, wird eine entsprechende Länge von Optikfasern der Aktion einer Strahlungsquelle unterzogen, wie z. B. einem frequenzverdoppelten Argonlaser, der in der Lage ist, eine lokale Schwankung des Brechungsindex in dem Kern der Faser zu verursachen. Das Profil (typischerweise die Periode) der Schwankungen des Brechungsin dex, die auf diese Weise induziert werden, wird durch die Charakteristika einer Schreibmaske bestimmt, die zwischen der Strahlungsquelle und der Faser angeordnet ist. Die Maske, die typischerweise durch photolithographische oder ähnliche Verfahren hergestellt wird, wird auf eine solche Weise hergestellt, um die nachfolgenden Bereiche des Faserkerns, in denen der Brechungsindex geändert werden soll bzw. ungeändert beibehalten werden soll, der Strahlung ausgesetzt wird oder von derselben abgeschirmt wird.
• In 1 der angehängten Zeichnungen stellt die Kurve, die mit A gekennzeichnet ist, die Ausbreitungscharakteristika (bezüglich der Dämpfung – vertikale Skala, gemessen in dB) eines Langperiodengitters dar, das gemäß dem Stand der Technik hergestellt ist. Die Dämpfung ist hier als eine Funktion der Wellenlänge (λ – horizontale Achse, gemessen in m) dargestellt, mit Bezugnahme auf eine nichtpolarisierte Strahlung. Das Diagramm zeigt deutlich die Bandsperrfiltercharakteristika, die durch das Gitter in dem Bereich gezeigt werden, der im Wesentlichen zwischen 1.510 und 1.530 nm liegt. Die Tatsache, dass die Kurve A, die hier dargestellt ist, sogar außerhalb des vorher erwähnten Bereichs einen Dämpfungswert von etwa 2 dB zeigt, liegt lediglich an der experimentellen Einstellung, die zum Aufzeichnen des Diagramms verwendet wurde.
• Andererseits stellt das Diagramm der Kurve B, die sich auf das gleiche Gitter bezieht, die Schwankung (erneut gemessen als eine Funktion der Wellenlänge λ) des Parameters dar, der als PDL bekannt ist, eine Abkürzung von „polarisationsabhängiger Verlust". Bei Gittern, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt sind, ist es normal, ausdrücklich unterschiedliches Verhalten zu finden beim Vorliegen von zwei optischen Strahlungen, die zueinander orthogonale Polarisationen aufweisen. Die Form der Kurve B in 1 zeigt insbesondere, dass diese Differenz beim Verhalten, die außerhalb des Bereichs, in dem das Gitter seine Filteraktion durchführt, kaum wahrnehmbar ist, sehr beträchtlich wird (und insbesondere eine eher unregelmäßige Schwankung als eine Funktion der Wellenlänge λ zeigt) innerhalb des Bereichs, in dem das Gitter seine Funktion als ein Bandsperrfilter ausführt.
• Ohne bezüglich dieser Tatsache eine spezifische Theorie aufstellen zu wollen, hat der Anmelder Anlass, davon auszugehen, dass dieses Verhalten (das derart ist, dass das Gitter zu einem bestimmten Ausmaß als ein Polarisierer wirkt) eigentlich auf die Tatsache bezogen ist, dass der Brechungsindex des Faserkerns während des Schritts des Schreibens des Gitters seine Charakteristika eines im Wesentlichen skalaren Werts verliert und die Charakteristika eines tensorischen Werts annimmt.
• Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Prozess und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 4, die z. B. von der EP-A-0672922 bekannt sind.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorher erwähnten Nachteil auf eine solche Weise zu überwinden, dass es möglich ist, Langperioden-In-Faser-Gitter herzustellen, bei denen die vorher erwähnte Polarisationsabhängigkeit praktisch eliminiert ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe erreicht durch einen Prozess, der die weiteren Charakteristika aufweist, die auf spezifische Weise in Anspruch 1 beansprucht sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4, die für die Anwendung dieses Prozesses verwendet werden kann.
• Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und ohne Beschränkung mit Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
• 1 bezieht sich auf die Charakteristika des Stands der Technik, die bereits oben beschrieben wurden;
• 2 zeigt schematisch die Struktur einer Vorrichtung, die gemäß der Erfindung arbeitet; und
• 3 zeigt auf eine Weise, die im Wesentlichen der von 1 entspricht, die Charakteristika eines Gitters, das gemäß der Erfindung hergestellt ist.
• In 2 zeigt das Bezugszeichen 10 als Ganzes eine Vorrichtung an, die verwendet werden kann, um ein Langperiodengitter in einer Länge der optischen Faser F herzustellen, die einen Kern 1A umfasst, der durch eine Umhüllung 1B umgeben ist.
• Das Gitter wird auf bekannte Weise hergestellt durch Bestrahlen des Kerns 1A mit der Strahlung, die durch eine Quelle 12 (beispielsweise einen frequenzverdoppelten Argonlaser) emittiert wird, durch eine Maske 14, die eine Folge von Bereichen aufweist, die undurchlässig und durchlässig sind für die Strahlung, die durch die Quelle 12 emittiert wird.
• Anstatt einfach auf einem Träger (z. B. einer Platte aus Silika, die in einer Position diametral entgegengesetzt zu der Maske 14 angeordnet ist) zu ruhen, ist die Faser F in der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung einem Träger 16 zugeordnet, der mit einem Oberflächenausschnitt versehen ist, wie z. B. einer V-förmigen Rille 18, um zu ermöglichen, dass der Schritt des Schreibens des Gitters stattfindet.
• Die Rille 18, die in der Lage ist, zumindest einen Teil der Faser F in derselben aufzunehmen, ist mit einer symmetrischen V-Form hergestellt, die einen idealen Zweiflächner bildet, dessen Öffnungswinkel 120° beträgt.
• Wie es aus der Sicht von 2 zu beobachten ist, legt daher jede der Seiten oder Flanken 20 der Rille 18 in einer Ebene, die in einem Winkel α von 60° zu der Ausbreitungsrichtung der Strahlung geneigt ist, die von der Quelle 12 ankommt. In 2 ist diese Ausbreitungsrichtung durch X12 angezeigt.
• Der Träger 16 kann beispielsweise aus zwei Platten 16a (beispielsweise aus Silika oder Quarz) hergestellt sein, die anfangs einer Anfasoperation unterzogen werden, so dass jede eine der Ebenen 20 bildet, die die Seiten der Rille 18 darstellen, und die dann ihre beiden geradlinigen Seiten 16b benachbart zu den Bereichen, die Anfasen unterzogen wurden nebeneinander platziert haben.
• Vorausgesetzt, dass die beschriebene Geometrie beibehalten wird, können die Prozeduren zum Bilden der Rille 18 vollständig unterschiedlich sein: insbesondere kann der Träger 16 aus einem einzigen Stück Material bestehen, einer Bearbeitung unterzogen wird.
• Das Material, das den Träger 16 bildet, kann auch ein anderes sein als diejenigen, die angezeigt wurden, vorausgesetzt, dass gute Dimensionsstabilitätscharakteristika, die Möglichkeit, die Seiten 20 als ebene Oberflächen zu formen, und (insbesondere aufgrund der möglichen Anwendungen in Kombination mit einer Quelle 12 mit hoher Leistung) die Fähigkeit, gute Wärmeableitungscharakteristika zu liefern, beibehalten werden.
• Vorzugsweise (und insbesondere wenn dies nicht direkt oder praktisch direkt aus dem Schritt resultiert, der zu der Bildung der Seiten 20 führt), wird eine Beschichtungsschicht 20a, die in der Lage ist, einen hohen Grad an Oberflächenreflexionsvermögens zu zeigen, kombiniert mit guten Widerstandscharakteristika gegenüber der Strahlung, die durch die Quelle 12 erzeugt wird, auf dem Träger 16 gebildet oder aufgebracht, zumindest auf den Seiten 20 der Rille 18.
• Die Strahlung, die von der Quelle 12 ankommt (in 2 schematisch gezeigt und mit reduzierten Abmessungen, um die offensichtliche Anforderungen der Darstellung zu erfüllen), wird in der Richtung ausgebreitet, die durch die Pfeile A angezeigt wird, verläuft durch die Maske 14 und trifft dann die Faser F und insbesondere den Kern 1A. Die Charakteristika des hohen Reflexionsvermögens der Seiten 20 der Rille 18 haben jedoch den Effekt, zu bewirken, dass die Strahlung, die von der Quelle 12 ankommt (und insbesondere der Bruchteil derselben, der in einer streifenden Richtung bezüglich der Faser F ausgebreitet wird), die Seiten 20 der Rille 18 trifft und dann in den Ausbreitungsrichtungen zu der Faser F reflektiert wird, die durch die Pfeile B und C in 2 angezeigt sind.
• In den Teilen, die den durchlässigen Bereichen der Maske 14 entsprechen, wird die Faser F und insbesondere ihr Kern 1A durch drei Strahlungsfronten getroffen, die zu dem Kern 1A in drei unterschiedlichen Richtungen ausgebreitet werden, getrennt voneinander um Winkel von 120°.
• Aufgrund des hohen Grads an Reflexionsvermögen, der auf die Seiten 20 der Rille 18 übertragen wird, weisen die drei Strahlungsfronten, die auf diese Weise erzeugt werden (die erste direkt durch die Quelle 12, die als ein erster Generator wirkt, die anderen beiden durch die Seiten 20 der Rille 18, die in dem Träger 16 vorgesehen ist, wobei diese Seiten durch Reflexion als weitere Generatoreinrichtungen wirken), Intensitätspegel auf, die im Wesentlichen identisch zueinander sind.
• Experimente, die durch den Anmelder durchgeführt wurden, zeigen, dass diese Prozedur und insbesondere die Tatsache, dass das Gitter durch Bestrahlen der Faser F mit einer Mehrzahl von Strahlungsfronten hergestellt wird, die den Kern 1A in einer Mehrzahl von unterschiedlichen Winkelrichtungen (die in einer einheitlichen oder im Wesentlichen einheitlichen Weise im Raum verteilt sind) treffen, derart ist, dass der Brechungsindex des Kerns 1A der Faser über den gesamten Abschnitt des Kerns 1A Charakteristika der wesentlichen Einheitlichkeit beibehält, obwohl sein Wert durch den Strahlungseffekt schwankt.
• Das Ergebnis, das mit der Lösung gemäß der Erfindung erreicht werden kann, wird durch die Kurven dargestellt, die in 3 dargestellt sind, und durch A bzw. B auf eine ähnliche Weise identifiziert werden wie diejenigen, die in 1 verwendet werden. 3 zeigt die Ausbreitungscharakteristika eines In-Faser-Gitters, das im Wesentlichen ähnlich ist wie das, das mit Bezugnahme auf 1 betrachtet wurde.
• Die in 3 dokumentierten Ergebnisse zeigen, dass für ein äquivalentes Verhalten als ein Bandsperrfilter (Kurve A) die Schwankung des PDL (Graph B) im Vergleich zu dem entsprechenden Graph in 1 eher gleichmäßiger ist, möglicherweise weil die maximalen Werte von PDL, die in dem Bandsperrbereich messbar sind, eher niedrig sind, insbesondere im Vergleich mit der Schwankung des gleichen Parameters außerhalb dieses Bereichs.
• Zumindest theoretisch wäre es möglich, das Erhöhen der Anzahl von Strahlungsfronten, die den Kern 1A treffen, in Betracht zu ziehen. Dieses Ergebnis kann beispielsweise erhalten werden durch Verwenden von Mechanismen zum Aufteilen der Strahlung, die von dem Kern 12 ankommt, zwischen unterschiedlichen optischen Wegen, die entworfen sind, um zurück zu dem Kern 1A der Faser F gerichtet zu werden.
• Die in 2 gezeigte Lösung ist jedoch als bevorzugt anzusehen, zumindest zum aktuellen Zeitpunkt, da es dieselbe ermöglicht, das mit einem einfachen Gerät hervorragende Ergebnisse erhalten werden. All dies wird mit dem weiteren Vorteil der Tatsache durchgeführt, dass die beiden Strahlungsfronten, die durch die Pfeile B und C von 2 angezeigt werden, direkt (durch einfache Reflexion) von der Hauptwellenfront erhalten werden, die durch die Pfeile A dargestellt ist, nachdem diese Front durch die Maske 14 verlaufen ist.
• Die reflektierenden Seiten 20 der Rille 18 können jedoch, falls notwendig, einer Bearbeitung und/oder Behandlung unterzogen werden, die entworfen ist, um es zu ermöglichen, dass die Seiten 20 bezüglich der Strahlung, die auf dieselben trifft, eine leichte Fokussierungsaktion liefern. Die Experimente, die durch den Anmelder durchgeführt wurden, zeigen jedoch, dass diese Verfeinerung in den meisten Fällen überflüssig ist.
• Vorausgesetzt, dass das Prinzip der Erfindung beibehalten wird, ist es daher bezüglich dieser Überlegungen klar, dass die Einzelheiten der Herstellung und die Formen der Ausführungsbeispiele stark abweichen können von denjenigen, die beschrieben und dargestellt sind, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (6)

1. Prozess zum Herstellen von Gittern in einer optischen Faser (F), die einen Kern (1A) umfasst, der durch eine Umhüllung (1B) umgeben ist, wobei der Prozess den Schritt des Induzierens lokaler periodischer Schwankungen des Brechungsindex des Kerns (1A) umfasst, durch Aussetzten gegenüber einer Strahlung, die entsprechende periodische Intensitätsschwankungen aufweist, wobei die Schwankungen des Brechungsindex induziert werden durch Aussetzen des Kerns (1A) gegenüber einer Mehrzahl von Strahlungen (A, B, C), die den Kern (1A) in jeweiligen Richtungen treffen, die winkelig auf eine im Wesentlichen einheitliche Weise verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass von der Mehrzahl von Strahlungen eine erste Strahlung (A) direkt zu der Faser (F) gesendet wird, während die anderen Strahlungen (B, C) zu der Faser (F) gesendet werden, nachdem dieselben der Reflexion unterzogen wurden, wobei der Prozess für die Erzeugung von jeder der anderen Strahlungen (B, C) den Schritt des Bereitstellens einer jeweiligen reflektierenden Oberfläche (20) umfasst, die durch die erste Strahlung (A) getroffen werden kann, und die erste Strahlung (A) als Folge der Reflexion zu dem Kern (1A) umleiten kann, und der Prozess den Schritt des Bereitstellens von zwei der Reflexionsoberflächen (20) umfasst, die gemeinsam einen Aufnahmeausschnitt (18) für die Faser (F) bilden, in der das Gitter hergestellt wird.
2. Prozess gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige reflektierende Oberfläche (20) in einer Ebene liegt, die einen Winkel (α) von 60° zu der Ausbreitungsrichtung (X12) der ersten Strahlung (A) bildet.
3. Prozess gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter ein Langperiodengitter ist.
4. Vorrichtung zum Herstellen von Gittern in einer optischen Faser (F), die einen Kern (1A) umfasst, der durch eine Umhüllung (1B) umgeben ist, wobei die Vorrichtung Generatoreinrichtungen (12, 14) zum Erzeugen einer Strahlung mit lokalen periodischen Intensitätsschwankungen umfasst, die in der Lage sind, entsprechende periodische Schwankungen des Brechungsindex des Kerns (1A) zu induzieren, wobei die Generatoreinrichtungen (12, 14) weiteren Generatoreinrichtungen (16, 18, 20) zugeordnet sind, und mit denselben interagieren, um eine Mehrzahl von Strahlungen (A, B, C) zu erzeugen, die den Kern (1A) in jeweiligen Richtungen treffen, die winkelig auf eine im Wesentlichen einheitliche Weise verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoreinrichtung folgende Merkmale umfasst: – eine Strahlungsquelle (12) zum Senden einer ersten Strahlung (A) der Mehrzahl zu der Faser (F), – eine Maske (14), die in dem Ausbreitungsweg der ersten Strahlung (A) von der Quelle (12) zu der Faser (F) angeordnet ist, zum Erzeugen der lokalen periodischen Schwankungen der Strahlungsintensität, und wobei die weitere Generatoreinrichtung folgendes Merkmal umfasst: – einen Träger (16) für die Faser (F), und – eine Reflexionseinrichtung (20), die dem Träger (16) zugeordnet ist und durch die Strahlung getroffen werden kann, die durch die Quelle (12) erzeugt wird, auf solche Weise, um durch Reflexion andere Strahlungen (B, C) der Mehrzahl zu erzeugen, die zu dem Kern (1A) gerichtet sind, wobei die reflektierenden Oberflächen (20) gemeinsam einen Ausschnitt des Trägers (16) bilden, der in der Lage, ist, zumindest einen Teil der Faser (F) aufzunehmen.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung reflektierende Oberflächen (20) bildet, die in jeweiligen Ebenen liegen, die einen Winkel von 60° zu der Ausbreitungsrichtung (X12) der ersten Strahlung (A) bilden.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (16) aus zwei Plattenelementen (16A) besteht, die jeweils mit einer jeweiligen der reflektierenden Oberflächen (20) versehen sind, wobei die reflektierenden Oberflächen (20) benachbart zueinander platziert sind.