DE69809358T2

DE69809358T2 - Verfahren zum Schreiben von Bragg-Reflexionsgittern in Lichtwellenleitern

Info

Publication number: DE69809358T2
Application number: DE69809358T
Authority: DE
Inventors: Kevin Christopher Byron
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: EP0903597A3; EP0903597A2; EP0903597B1; GB9720135D0; US6310996B1; CA2247744A1; DE69809358D1; GB2329484A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf das Schreiben von Bragg-Reflexionsgittern in Lichtwellenleitern durch Ausnutzung des photorefraktiven Effektes in Materialien, wie z. B. in mit Germanium dotiertem Silizium. Ein frühes Verfahren zum Schreiben derartiger Gitter ist in dem US-Patent 4 474 427 beschrieben, wobei dieses Verfahren das Lenken von intensivem Ultraviolett-Licht in ein Ende eines Längenabschnittes eines Lichtwellenleiters beinhaltet, der einen Reflektor am entfernten Ende aufweist, so daß eine Stehwelle in dem Wellenleiter ausgebildet wird. Nachfolgend wurde ein laterales Verfahren zum Schreiben eines derartigen Gitters in dem US-Patent 4 725 110 offenbart, bei dem ein Strahlteiler verwendet wird, um einen Strahl von ultraviolettem Licht in zwei Strahlen aufzuteilen, die in zwei Spiegeln reflektiert werden, um ein Interferenzstreifenmuster in dem Wellenleiter zu bilden. Dieses Schreibverfahren ist in manchen Fällen als das holografische Verfahren bekannt. Ein weiteres alternatives Verfahren, das manchmal als das Gitterverfahren bekannt ist, beinhaltet die Schafffung eines äquivalenten Streifenmusters nahe hinter einem Beugungsgitter, das mit senkrecht auftreffendem Ultraviolett-Licht bestrahlt wird, wobei dieses Verfahren beispielsweise in dem US-Patent 5 351 321 beschrieben ist. Typischerweise wird ein Phasengitter für diesen Zweck verwendet, und die Tiefe der Gitterelemente wird für eine Unterdrückung der Beugung nullter Ordnung gewählt. Der Wellenleiter befindet sich nahe hinter dem Beugungsgitter, weil dies die Stelle ist, an der das erforderliche Streifenmuster, das durch eine Interferenz zwischen den Ordnungen +1 und -1 der Beugung erzeugt wird, am wenigsten durch Leistung gestört wird, die in Moden höherer Ordnung gebeugt wird.
Eine Ausnahme zu dieser Anordnung des Beugungsgitters und des Wellenleiters in enger Nähe zueinander ist in der Veröffentlichung von J. R. Armitage mit dem Titel "Fibre Bragg Reflectors written at 262 nm Using a Frequency Quadrupled Diode- Pumped Nd³&spplus;: YLF Laser", Electronic Letters, 24. Juni 1993, Band 29, Nr. 13, Seiten 1181-3 beschrieben. In diesem Fall werden die Ordnungen +1 und -1 der Beugung so angeordnet, daß sie auf einen Quarzglas-Block auftreffen. Nach der Reflexion in den Seitenwänden dieses Blockes treten die beiden Strahlen an dem entfernten Ende des Blockes aus und bilden ein Interferenzstreifenmuster im Kern eines Lichtleitfaser-Wellenleiters, der sich hinter dem Block befindet. Ein Vorteil dieser größeren Trennung zwischen dem Beugungsgitter und dem Wellenleiter besteht darin, daß eine Strahlsperre nullter Ordnung auf dem Quarzglas-Block angeordnet werden kann, um zu verhindern, daß irgendwelches Licht nullter Ordnung das Streifenmuster erreicht, das durch die Interferenz zwischen den Beugungsordnungen +1 und -1 erzeugt wird und damit die Sichtbarkeit dieses Streifenmusters verringert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Schaffung eines Verfahrens zum Schreiben eines Bragg-Reflexionsgitters in einem Lichtwellenleiter unter Verwendung eines Beugungsgitters, das an einem ausreichenden Abstand von dem Wellenleiter angeordnet ist, um es sehr einfach zu ermöglichen, eine Apertur bildende Einrichtungen einzufügen, um die Beleuchtung des Wellenleiters zu kontrollieren, so daß ein eine hohe Sichtbarkeit aufweisendes Streifenmuster geschaffen wird, wobei gleichzeitig getrennte Abschnitte des Beugungsgitters für die Erzeugung dieses Streifenmusters verwendet werden können.
Insbesondere im Fall des Schreibens von langen Bragg-Reflexionsgittern hat die Verwendung von zwei getrennten Zonen der Beleuchtung des Beugungsgitters den Vorteil, daß die nachteiligen Wirkungen im optischen Betriebsverhalten des resultierenden Bragg-Reflexionsgitters verringert werden, die durch das Vorhandensein von zufälligen Stichfehlern in dem Beugungsgitter hervorgerufen werden, das zum Schreiben dieses Bragg-Reflexionsgitters verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schreiben eines Bragg- Gitters in einen lichtempfindlichen Lichtwellenleiter durch Bestrahlen des Wellenleiters (12) mit einem Interferenzstreifenmuster geschaffen, das durch das Hindurchlaufen elektromagnetischer Strahlung durch ein Beugungsgitter (11) erzeugt wird, das so ausgerichtet ist, daß sich Beugungselemente des Beugungsgitters unter einem Winkel zur Wellenleiter-Achse erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtstrahl (10) in zwei räumlich getrennte Komponenten (10' und 10") aufgeteilt wird, die so angeordnet sind, daß sie auf das Beugungsgitter in zwei räumlich getrennten Zonen auftreffen, wobei das Streifenmuster durch eine Interferenz zwischen einer Beugungsordnung (10'c) eines der beiden Komponenten und eine Beugungsordnung (10"a) der anderen Komponente erzeugt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind ohne weiteres aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, den Zeichnungen und den Ansprüchen zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die bei einem bekannten Verfahren zum Schreiben eines Bragg-Reflexionsgitters verwendet wird.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die bei einem Verfahren zum Schreiben eines Bragg-Reflexionsgitters verwendet wird und die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Form verwirklicht, und
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Form einer Vorrichtung, die bei einem Verfahren zum Schreiben eines Bragg-Reflexionsgitters verwendet wird, das die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform verwirklicht.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bevor mit der speziellen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weitergegangen wird, wird weiter auf das bekannte Schreibverfahren Bezug genommen, das eine enge Nähe zwischen einem Beugungsgitter und dem Wellenleiter beinhaltet, in den das Bragg-Reflexionsgitter eingeschrieben werden soll. Diese Beschreibung bezieht sich auf Fig. 1 und betrifft die Erläuterung, wie diese Konfiguration zur Beeinträchtigung des Kontrastverhältnisses in dem Streifenmuster im Vergleich mit dem führt, das unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erreichbar ist.
Gemäß Fig. 1 trifft ein Strahl von intensivem ultravioletten Licht 10 senkrecht auf ein Beugungsgitter 11 auf, das typischerweise ein Phasengitter ist, dessen Tiefe so gewählt ist, daß die Beugung nullter Ordnung von senkrecht auftreffendem Licht unterdrückt wird. Nahe hinter dem Phasengitter befindet sich ein Lichtleitfaser- Wellenleiter 12, dessen Achse sich quer zur Richtung der Erstreckung der Gitterelemente des Gitters 11 erstreckt. Der Wellenleiter 12 ist typischerweise mit einem Kunststoff-Schutzüberzug 12a versehen, von dem ein Teil entfernt ist, um die rohe Faser 12 in dem Bereich freizulegen, in dem das Bragg-Reflexionsgitter geschrieben werden solL Am Mittelpunkt der Lichtleitfaser befindet sich ihr optischer Kern 12b, dessen Oberfläche die Wellenleiter-Grenzfläche der Lichtleitfaser bildet. Typischerweise wird das Licht des Strahls 10 auf diesem Kern mit Hilfe einer Zylinderlinse 13 konzentriert. Wenn das Licht auf das Beugungsgitter auftrifft, wird es in eine Anzahl von Strahlen mit einer unterschiedlichen Beugungsordnung aufgeteilt. In Fig. 1 sind nur drei dieser Strahlen gezeigt, nämlich der Strahl 10a mit der Beugungsordnung -1, der Beugungsstrahl 10b nullter Ordnung und der Beugungstrahl 10c +1-ter Ordnung. Innerhalb des dreieckigen Bereiches, der durch die rechte Kante des Beugungsstrahls +1-ter Ordnung, der linken Kante des Beugungsstrahls -1-ter Ordnung und das Beugungsgitter selbst begrenzt ist, ergibt sich eine vollständige Überlappung des Lichtes dieser beiden Beugungsordnungen, was hierdurch die Möglichkeit eines maximalen Streifenkonstrastes entstehen läßt. Dies wird jedoch durch irgendwelches Licht verwässert, das sich in der nullten Ordnung ausbreitet (das streifenfrei ist), wenn derartiges Licht nullter Ordnung nicht vollständig durch die Wahl eines geeigneten Profils der Gitterelemente des Gitters 11 unterdrückt wurde. Zusätzlich gibt es Bereiche des Lichtleitfaser-Kerns 12 unmittelbar links und unmittelbar rechts von dem dreieckförmigen Bereich der vollständigen Überlappung, an denen der Kern Licht von einer der ersten Beugungsordnungen ausgesetzt ist, nicht jedoch dem der anderen. In dem Ausmaß, daß diese Bereiche des Lichtes frei von dem erforderlichen Streifenmuster sind, erzeugen sie unerwünschte Sockel in den Brechungsindex-Änderungen, die in dem Kern durch den photorefraktiven Effekt der Beaufschlagung mit dem Ultraviolett-Licht hervorgerufen werden.
Es wird nunmehr auf das Schreiben eines Bragg-Reflexionsgitters in dem Kern eines Lichtleitfaser-Wellenleiters unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 2 verwiesen, die die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform verwirklicht. Das Licht des Strahls 10 wird in zwei eine im wesentlichen gleiche Amplitude aufweisende Komponenten 10' und 10" mit Hilfe eines Strahlteilers 20 unterteilt, wobei diese zwei Komponenten nach der Reflexion in Spiegeln 21 und 22 und wahlweise nach Durchlaufen einer Zylinderlinse 23 senkrecht auf das Beugungsgitter 11 in zwei mit Abstand voneinander angeordneten Bereichen auftreffen. Dieses Gitter kann ein Gitter mit gleichförmiger Teilung oder ein gechirptes Gitter sein. Zum Schreiben eines eine gleichförmige Teilung aufweisenden Bragg-Reflexionsgitters wird es ein Gitter mit gleichförmiger Teilung sein. In der gleichen Weise, wie der Strahl 10 nach Fig. 1 in eine Anzahl von Strahlen mit unterschiedlicher Beugungsordnung als Ergebnis davon aufgeteilt wird, daß er senkrecht auf das Beugungsgitter 11 auftrifft, wird das senkrecht auftreffende Licht der Teilstrahlen 10" und 10" in ähnlicher Weise geteilt. Auch in Fig. 2 sind nur drei dieser Strahlen für jeden Teilstrahl 10' und 10" gezeigt, nämlich die Strahlen -1-ter Ordnung 10'a und 10", die Strahlen der Beugung nullter Ordnung 10'b und 10"b und die Strahlen +1-ter Ordnung 10'c und 10"c. Eine Feldbegrenzung 24 ist so angeordnet, daß sie alle gebeugten Ordnungen mit Ausnahme der gebeugten Strahlen 10'c und 10" a abfängt, die durch diese Feldbegrenzung hindurchlaufen. Die Lichtleitfaser 12 ist hinter der Feldbegrenzung an der Position angeordnet, an der ihr Kern 12b derart liegt, daß sich eine vollständige Überlappung der gebeugten Strahlen 10'c und 10"a ergibt. Die Zylinderlinse 23 wird bei ihrer Verwendung dazu eingesetzt, das Licht auf den Kern 12b der Faser 12 zu fokussieren, und sie erfüllt somit eine äquivalente Funktion zu der, die von der entsprechenden Linse 13 nach Fig. 1 erfüllt wird.
Im Laufe der Zeit neigt die profilierte Oberfläche des Phasengitters 1 zu einer Verunreinigung, was zu einer Beeinträchtigung der Betriebsleistung des Gitters führt. Es ist möglich, diese Verunreinigung durch einen speziellen Reingigungsprozeß zu beseitigen, doch ist dies ziemlich zeitraubend. Weil die Faser 12 sich in einer gewissen Entfernung von diesem Gitter befindet, kann es daher bevorzugtsein, das Gitter mit einem Silika-Abdeckstreifen 25 zu versehen, um dessen profilierte Oberfläche gegen eine Verunreinigung zu schützen, wobei die freiliegende Oberfläche des Deckstreifens wesentlich einfacher und schneller gereinigt werden kann.
Die Vorrichtung nach Fig. 2 kann zum Schreiben von Bragg-Reflexionsgittern auf einer statischen Basis verwendet werden, wobei in diesem Fall eine weitere (nicht gezeigte) Maskierung oder Abdeckung zur Apodisierung der Enden des geschriebenen Gitters verwendet werden kann. Alternativ kann, insbesondere zum Schreiben von längeren Bragg-Reflexionsgittern, die Vorrichtung zum Schreiben in einer Ablenkbetriebsart verwendet werden, wobei in diesem Fall eine miteinander gekoppelte Bewegung des Spiegels 22 und der Feldbegrenzung 24 in der Richtung der axialen Erstreckung der Lichtleitfaser 12 vorgesehen ist, wobei diese gekoppelte Bewegung durch Pfeile 26 angedeutet ist.
Eines der Probleme, das wahrscheinlich beim Schreiben langer Bragg- Reflexionsgitter auftritt, ist die Beeinträchtigung des spektralen Betriebsverhaltens, das durch das Vorhandensein von Stichfehlern in dem Abstand der Beugungselemente des Beugungsgitters eingeführt wird, das zum Schreiben dieses Bragg-Gitters verwendet wird. Diese Stichfehler neigen besonders zu einem Auftreten, wenn die Beugungselemente des Beugungsgitters als solche in Gruppen auf einer Schritt-und-Wiederholungsbasis, beispielsweise unter Verwendung von E- Strahl-Lithographietechniken geschrieben werden. Eine mangelhafte Perfektion bei dem Schrittbewegungsprozeß neigt zur Erzeugung von "Phasenfehlern" mit zufälliger Größe zwischen den nächst benachbarten Beugungselementen benachbarter Gruppen von Elementen. Bei der Anordnung mit enger Nähe des Beugungsgitters und des Lichtwellenleiters nach Fig. 1 werden derartige Phasenfehler mit einer geringen Modifikation von dem Beugungsgitter auf das Bragg-Reflexionsgitter umgesetzt, weil relativ wenige Beugungselemente des Beugungsgitters wesentlich zum Schreiben irgendeines einzelnen Elementes des Bragg-Reflexionsgitters beitragen. Dies steht im Gegensatz zu der Situation, die im Fall der einen Abstand aufweisenden Anordnung nach Fig. 2 vorherrscht. Es ist insbesondere zu erkennen, daß, weil die Amplituden der einzelnen Phasenfehler zufällig sind, sich wahrscheinlich keine Korrelation zwischen einem Phasenfehler in dem Teil des Beugungsgitters, der durch den Strahl 10' beleuchtet wird, und demjenigen ergibt, der in dem durch den Strahl 10" beleuchteten Teil vorhanden ist. Dies bedeutet, daß in dem Beugungsgitter 11 vorhandene Stichfehler eine weniger nachteilige Wirkung auf das spektrale Betriebsverhalten von Bragg-Reflektoren haben, die unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 2 geschrieben wurden, als auf diejenigen, die unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 geschrieben wurden.
Es ist festzustellen, daß die spezielle Anordnung des Strahlteilers 20 und der Spiegel 21 und 22 nach Fig. 2 eine merkliche ungleiche optische Pfaddifferenz bezüglich der beiden Pfade von dem Strahlteiler zu dem Lichtleitfaser-Kern 12d ergibt. Dies kann ein Problem sein, wenn die Quelle des ultravioletten Lichtes, die den Strahl 10 liefert, eine kurze optische Kohärenzlänge hat. Fig. 3 zeigt eine modifizierte Anordnung, bei der zum Ausgleich der optischen Pfadlänge der einzelne Spiegel 22 durch zwei Spiegel 32a und 32b ersetzt wurde und der Strahlteiler 20 und der Spiegel 21 neu ausgerichtet wurden. In jeder anderen Hinsicht sind die Bauteile der Vorrichtung nach Fig. 3 im wesentlichen identisch zu ihren Gegenstücken in der Vorrichtung nach Fig. 2.

Claims

1. Verfahren zum Schreiben eines Bragg-Gitters in einen lichtempfindlichen Lichtwellenleiter durch Bestrahlen des Wellenleiters (12) mit einem Interferenzstreifenmuster, das durch das Hindurchlaufen von elektromagnetischer Strahlung durch ein Beugungsgitter (11) erzeugt wird, das so ausgerichtet ist, daß die Beugungselemente des Beugungsgitters sich unter einem Winkel zu der Wellenleiterachse erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl (10) aus Licht in zwei räumlich getrennte Komponenten (10' und 10") unterteilt wird, die so angeordnet sind, daß sie auf das Beugungsgitter in zwei räumlich getrennten Zonen auftreffen, und daß das Streifenmuster durch eine Interferenz zwischen einer Beugungsordnung (10'c) einer der beiden Komponenten und einer Beugungsordnung (10"a) der anderen Komponente erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Phasengitter als das Beugungsgitter verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein gechirptes Beugungsgitter zum Schreiben des Bragg-Reflexionsgitters verwendet wird, wobei das Bragg- Reflexionsgitter ein gechirptes Gitter ist.