ITTO980305A1 - Reticolo di bragg in fibra ottica con piano equivalente spostato e pro cedimento per la sua realizzazione. - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"RETICOLO DI BRAGG IN FIBRA OTTICA CON PIANO EQUIVALENTE SPOSTATO E PROCEDIMENTO PER LA SUA REALIZZAZIONE’

La presente invenzione si riferisce ai componenti in fibra ottica per sistemi di telecomunicazioni ottiche, e più in particolare riguarda un reticolo di Bragg in fibra ottica con piano equivalente spostato e un procedimento per la sua realizzazione.

E' da tempo noto l'uso di reticoli di Bragg in fibra ottica per realizzare componenti di sistemi di telecomunicazioni ottiche, quali laser, amplificatori, filtri, dispositivi di estrazione e inserzione di lunghezze d'onda, multiplatori/demultiplatori di lunghezza d'onda ecc. Una rassegna sull'uso di reticoli di Bragg in fibra ottica come componenti di sistemi di telecomunicazioni ottiche si trova per esempio negli articoli "Lightwave Applications of Fiber Bragg Gratings’, di C. R. Giles, Journal of Lightwave Technology, Voi. 15, No. 8, Agosto 1997, pagg. 1391 e segg. e “Fiber Gratings in Lasers and Amplifiers", di J. Archambault e S.G. Grubb, ibid. pagg. 1379 e segg.

In particolare, nelle applicazioni in sistemi a divisione di lunghezza d'onda è necessario avere dispositivi atti a separare i vari canali. Per questo scopo è possibile utilizzare reticoli che presentino un picco dello spettro in riflessione per quanto possibile stretto e privo di lobi laterali.

Quando si utilizzano reticoli di Bragg in fibra ottica per realizzare uno o entrambi gli elementi riflettenti che delimitano una cavità risonante di un componente, p. es. un laser a cavità Fabry-Perot, da utilizzare in tali sistemi, si ha un problema legato alla lunghezza della cavità. Questa dipende, come noto, dalla posizione del cosiddetto piano equivalente del reticolo. Il piano equivalente è il piano in cui occorrerebbe disporre uno specchio affinché un impulso inviato da una sorgente e riflesso dallo specchio ritorni alla sorgente nello stesso tempo in cui vi ritornerebbe lo stesso impulso inviato nel reticolo. La distanza tra il piano equivalente e l'imbocco del reticolo costituisce la lunghezza equivalente del reticolo. La lunghezza di una cavità risonante che fa uso di reticoli di Bragg in fibra ottica è rappresentata quindi dalla distanza tra il piano equivalente del reticolo e l'altro elemento riflettente della cavità (se solo uno di questi elementi è realizzato mediante un reticolo) o tra i piani equivalenti dei due reticoli (se entrambe gli elementi riflettenti sono realizzati mediante reticoli). Ora, se si vuole limitare la larghezza di riga del laser, la lunghezza della cavità non può essere inferiore a una certa lunghezza minima, determinata dalla necessità di realizzare fisicamente il reticolo; d'altro lato, tanto più è lunga la cavità, tanto minore è la distanza tra i modi e quindi tanto più difficile diventa isolare i singoli modi.

I reticoli finora proposti hanno una modulazione dell'indice di rifrazione che, in funzione della lunghezza del reticolo, presenta un andamento simmetrico rispetto al punto centrale del reticolo. In questi reticoli simmetrici il piano equivalente è posto sostanzialmente al centro del reticolo, se questo è poco riflettente, e si trova in posizione più avanzata verso un’estremità se il reticolo è molto riflettente. "Poco riflettente" indica un valore di riflettività tale che, quando il reticolo è usato come elemento riflettente della cavità, la frazione di radiazione uscente dalla cavità sia sufficiente per gli scopi pratici (tipicamente, una riflettività dell'ordine del 70% in un laser), "molto riflettente’ indica una riflettività praticamente del 100% o molto vicina a tale valore. Un reticolo molto riflettente potrebbe essere usato come uno degli elementi riflettenti della cavità, riducendone la lunghezza, purché l'altro presenti un fattore di trasmissione sufficientemente elevato. Nel caso di una cavità con un solo elemento riflettente realizzato mediante un reticolo, questo è disposto in corrispondenza dell'estremità di uscita, e l'uso di un reticolo molto riflettente in queste condizioni non è evidentemente proponibile. Nel caso di una cavità con entrambi gli elementi riflettenti realizzati mediante reticoli (per esempio, la cavità di un laser completamente in fibra), l'uso di un reticolo fortemente riflettente non risolve il problema di ottenere una banda stretta con una lunghezza molto ridotta della cavità, sia perché la riga di questi reticoli è comunque relativamente larga, sia perché uno dei reticoli dovrebbe essere comunque un reticolo poco riflettente e quindi presenterebbe la lunghezza equivalente elevata.

Risolve i problemi esposti sopra il reticolo oggetto della presente invenzione, che presenta sia uno spettro di riflettività stretto e privo di lobi secondari, sia una lunghezza equivalente ridotta.

Più in particolare, si fornisce un reticolo che presenta una modulazione non uniforme e asimmetrica dell'indice di rifrazione nel senso della lunghezza, rappresentata da una curva che ha un valore minimo e sostanzialmente nullo, con tangente sostanzialmente orizzontale, in corrispondenza di un'estremità del reticolo, e cresce gradualmente e monotonicamente fino a un valore massimo, anch'esso con tangente sostanzialmente orizzontale, che viene raggiunto in corrispondenza dell'altra estremità del reticolo.

Il profilo nel tratto a variazione graduale ha preferibilmente un andamento rappresentato da una delle seguenti funzioni: y = exp(-x<2>), y = sen<2>x, y = tanfi x. Una distribuzione asimmetrica come quella prevista secondo l'invenzione garantisce effettivamente che il piano equivalente sia spostato in avanti, in prossimità del massimo del profilo di modulazione dell'indice di rifrazione, come si può vedere applicando quanto descritto in LA. Coldren, S.W. Corzine: "Diode Lasers and Photonic Integrated Circuite", Wiley & Sons, 1995. In un esempio pratico dì realizzazione dell'invenzione, in un reticolo di lunghezza circa 1 cm e riflettività dell'ordine del 70%, con profilo di modulazione rappresentato da metà di una curva gaussiana, il piano equivalente era posto a 2,5 cm circa dall'estremità più vicina al massimo di modulazione; per confronto, un reticolo tradizionale della stessa lunghezza e riflettività analoga, con profilo gaussiano simmetrico della modulazione dell'indice di rifrazione, avrebbe una lunghezza equivalente dell'ordine di 5 cm, quindi praticamente doppia.

Un reticolo come quello descritto può quindi essere vantaggiosamente impiegato in unione con una cavità risonante, per formare uno o entrambi gli elementi riflettenti che delimitano la cavità. Inoltre, prove effettuate hanno dimostrato che non si hanno pìcchi secondari e che la banda in riflessione è stretta.

Per la realizzazione di un reticolo come quello descritto si utilizzano le convenzionali tecniche di scrittura dei reticoli in fibra ottica, una rassegna delle quali si può trovare nell'articolo “Fìber Bragg Grating Technology Fundamentals and OverView", Journal of Llghtwave Technology, Voi. 15, No. 8, Agosto 1997, pagg. 1263 e segg.. Secondo l'invenzione, per ottenere la modulazione dell'indice di rifrazione descritta sopra, il diaframma usato per generare la distribuzione d'intensità della radiazione di scrittura sulla maschera di fase deve essere atto a creare una distribuzione asimmetrica, corrispondente al profilo voluto della modulazione dell'indice di rifrazione, e quindi sarà un diaframma atto a intercettare una metà del fascio e a creare, con riferimento agli esempi illustrati, una distribuzione corrispondente alla parte compresa fra il minimo e il massimo di una curva gaussiana o del tipo sen^x, tanh x, ecc.

A maggior chiarimento si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

la fig. 1 mostra in forma schematica un dispositivo per la realizzazione di un reticolo in fibra ottica;

- la fig. 2 mostra la distribuzione d'intensità del fascio di scrittura richiesta secondo l'invenzione;

- la fig. 3 mostra, in vista frontale, un diaframma da impiegare per ottenere la distribuzione d’intensità del fascio di scrittura illustrata in fig. 2;

- la fig. 4 mostra il profilo di modulazione dell'indice di rifrazione di un reticolo secondo l'invenzione; e

- la fig. 5 mostra lo spettro in riflessione del reticolo di fig. 3.

Nella fig. 1 si è rappresentato schematicamente un convenzionale dispositivo per la realizzazione di reticoli di Bragg in una fibra ottica 1 con l'impiego di una maschera di fase 2. La maschera di fase 2 è illuminata dalla radiazione UV emessa da un laser 3 attraverso un sistema ottico atto a creare, in corrispondenza della maschera di fase 2, un'immagine della sorgente 3 costituita da una sottile striscia di lunghezza corrispondente a quella del reticolo da realizzare. La maschera di fase, come noto, dà origine per interferenza, in corrispondenza della fibra, a variazioni periodiche dell'intensità della radiazione di scrittura che a loro volta provocano variazioni periodiche corrispondenti dell'indice di rifrazione del nucleo della fibra nella zona irradiata.

Il sistema ottico comprende, in modo noto: una prima lente 4 per espandere il fascio emesso dalla sorgente; un gruppo di lenti 5, 6, 7 per generare un fascio collimato; una lente cilindrica 8 per formare l'immagine della sorgente sulla maschera di fase 2; un diaframma 9, interposto tra le lenti 5, 6 per sagomare il fascio conferendogli una distribuzione d'intensità corrispondente alla modulazione dell'indice di rifrazione da indurre nel nucleo della fibra 1 nella zona irradiata.

Più in particolare il profilo di distribuzione dell'intensità dell'immagine formata dalla lente cilindrica 8 deve essere asimmetrico e sostanzialmente nullo, con tangente orizzontale, in corrispondenza di un estremità dell'immagine, e deve crescere gradualmente fino a raggiungere in corrispondenza dell'altra estremità dell'immagine un valore massimo, sempre con tangente sostanzialmente orizzontale, ritornando a zero con andamento sostanzialmente verticale. Pertanto, il diaframma 9 dovrà estendersi lungo il percorso del fascio in modo da intercettarne sostanzialmente la metà. Profili di distribuzione d'intensità che soddisfano le esigenze dell’invenzione sono per esempio quelli corrispondenti a metà di una curva gaussiana o di una curva del tipo y = sen^x o ancora di una curva del tipo y = tanh x. Una distribuzione d'intensità data da metà di una curva gaussiana è rappresentata in Fig. 2. Questa distribuzione può essere ottenuta con un diaframma 9 come quello illustrato in fig. 3. _ Nella fig. 4 si è rappresentato un reticolo 10 e la relativa modulazione dell'indice di rifrazione ottenuta con una distribuzione d'intensità della radiazione di scrittura come quella rappresentata in fig. 2. Per chiarezza di disegno, in fig. 4 il passo del reticolo è stato esageratamente allungato.

Nella fig. 5 si è riportato io spettro in riflessione di un reticolo come quello di fig. 4. Si vede chiaramente l'unico lobo secondario, che però ha intensità molto ridotta rispetto al picco principale e quindi non provoca problemi per la selezione in lunghezza d'onda.

E' evidente che quanto descritto è dato a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione. Cosi per esempio anche se si è fatto riferimento a una fibra ottica, l'invenzione può riguardare anche reticoli realizzati in guide ottiche integrate; così pure per la realizzazione si può usare, invece di una maschera di fase, un sistema basato sull'interferenza di due radiazioni ricavate suddividendo tra i due rami di un interferometro gli impulsi emessi da una sorgente.

Claims (4)

1. Rivendicazioni 1. Reticolo di Bragg realizzato in una zona del nucleo di una fibra o guida d'onda ottica, caratterizzato dal fatto che detto reticolo presenta, nel senso della sua lunghezza, un profilo asimmetrico della modulazione dell'indice di rifrazione che è rappresentato da una curva che ha un valore minimo con tangente sostanzialmente orizzontale in corrispondenza di un'estremità del reticolo, e cresce gradualmente e monotonicamente fino a un valore massimo, anch'esso con tangente sostanzialmente orizzontale, che viene raggiunto in corrispondenza dell’altra estremità del reticolo.
2. 2. Reticolo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detta curva è scelta fra le seguenti: y = exp(-x^) , y = sen^x, y = tanh x.
3. 3. Procedimento per realizzare, in una fibra o guida d’onda ottica, un reticolo di Bragg con piano equivalente spostato verso un'estremità del reticolo stesso, in cui la fibra o guida è esposta, nel tratto in cui si deve formare il reticolo, aH’azione di una radiazione con distribuzione d'intensità tale da dare origine a una modulazione dell'indice di rifrazione nella zona irradiata, caratterizzato dal fatto che si sagoma detta radiazione in modo tale che detta modulazione abbia un andamento asimmetrico, rappresentato da una curva che ha un valore minimo sostanzialmente nullo, con tangente sostanzialmente orizzontale, in corrispondenza di un'estremità del reticolo, e cresce gradualmente e monotonicamente fino a un valore massimo, anch'esso con tangente sostanzialmente orizzontale, che viene raggiunto in corrispondenza dell'altra estremità del reticolo.
4. 4. Procedimento secondo la riv. 3, caratterizzato dal fatto che detta sagomatura è ottenuta con un diaframma atto a intercettare metà del fascio e sagomato in modo che il profilo di modulazione, nella parte a variazione graduale, abbia un andamento rappresentabile con una funzione scelta fra le seguenti: y = exp(-x^) , y = sen^x, y = tanh x.