CN104220911B - 用于制造光纤光栅的系统和技术 - Google Patents
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Abstract
电阻性加热元件用于制造长周期光栅模转换器。电阻性加热元件产生局部加热区域，用于在沿着光纤片段长度的周期性的一系列轴向位置处产生非对称扰动，其中，该光纤支持对称模和非对称模二者的传播。在进一步的技术中，光栅以高于选择的最优值的折射率反差值写入。之后，加热元件用于对光纤片段进行退火，以便将光栅的反差值减小到所选择的最优值。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年10月6日提交的名为“Modified Method for Making Long-Period Gratings in Optical Fibers using Electrical Resistive Heating”的美国临时专利申请No.61/543,973的优先权，其由本申请的受让人所有，且全文并入此处作为参考。
本发明的背景技术
技术领域
本发明一般涉及光纤器件和方法，特别涉及制造具有非对称扰动的光纤光栅的改进的系统和技术。
背景技术
近来，少模光纤中的模分复用传输作为增大单根光纤传输容量的手段已经吸引了许多注意。最简单的少模光纤支持两种模：LP01模和LP11模。如果使用这些模的全部退化(degeneration)，这些光纤将支持6个信道的传输。
模分复用系统中的关键部件是模转换器，即提供波导模之间高效且稳定的转换的器件。模转换器可使用长周期光栅(LPG)实现，长周期光栅(LPG)是一种在光纤的折射率分布、几何形状或以上二者中包括周期性的一系列扰动的光纤器件。
成功的LPG设计必须满足多种标准。当然，LPG必须由给定的输入高效地产生希望的模输出。另外，LPG还必须在延长的一段时间上稳定，还应该表现出低到可接受的水平的插入损耗。其他重要因素是成本和易制造性。
制造LPG的较早的技术典型地在满足一个以上上述标准方面有 所欠缺，特别是在对称模(例如LP01模)和非对称与对称模(例如LP11模)之间提供模转换的方面。因此，存在对于制造成功的光栅的改进方法的需求。
发明内容
本发明的方面涉及制造长周期光栅的系统和技术，其提供对称波导模与非对称波导模之间高效且稳定的模转换。
本发明的一个方面涉及用于将光学器件(例如长周期光栅)写入光纤的技术。提供了光纤的片段和加热单元，加热单元包括电阻性加热元件，其特别配置为具有与光学器件的所选周期相比较小的厚度，其中，电阻性加热元件产生宽度与所选器件周期相比较窄的局部加热区域，且其中，施加热在光纤片段的所选部分中产生局部的、旋转非对称的扰动。
光纤片段被安装为使得光纤片段的侧表面与电阻性加热元件的侧表面邻近。为光纤片段和加热元件中的至少一个提供平移台，使得光纤片段的侧表面可相对于加热元件轴向平移。光纤片段关于电阻性加热元件定位，使得光纤片段的所选部分的表面位于电阻性加热元件的加热区域中。电阻性加热元件的温度被选择为在光纤片段的所选部分中导致旋转非对称扰动。
另一方面涉及在制造LPG中提供更大控制的技术。上述技术用于写入具有与所选最优值相比更高的折射率反差值的光栅。加热元件之后用于对光纤片段的扰动与非扰动区域二者进行退火，从而减小光栅与所选最优值的反差值。
本发明进一步的方面涉及执行上面的技术的系统。
附图说明
图1A和图1B示出了示例性多模光纤中的基本LP01模和高阶LP11模的简化的标量图，且图1C和图1D示出了对于两种模的相应的电场强度分布的曲线图。
图2示出了长周期光栅的简化图。
图3和图4是用于制造长周期光栅的机械光栅的图。
图5为一简化图，其示出了根据本发明一方面的用于在光纤片段中产生局部非对称折射率扰动的设置。
图6为图5所示光纤片段的部分和加热元件的并非按比例绘制的特写侧视图。
图7为图5的光纤片段的部分的进一步的侧视图，示出了到光纤片段的被加热部分的变化。
图8-图11示出了根据本发明的进一步的方面的用于电阻性加热元件的多种不同的配置。
图12示出了根据本发明的进一步的方面的组件的图，该组件用于控制光纤片段相对于加热元件的轴向移动，以便在光纤片段中制造一系列的非对称扰动。
图13A示出了完整模转换器的图。
图13B和图14示出了用于对根据本发明的方面制造的LPG的性能进行量化的两种测试设置的图。
图15和图16A-图16E示出了使用图13B所示测试设置获得的透射光谱，其显示出根据本发明制造的LPG相比于使用机械光栅制造的LPG的改进的稳定性。
图17为一曲线图，其示出了如由使用图14所示的测试设置进行的S2测量计算的作为群延迟的函数的模拍幅度。
图18为一曲线图，其示出了在计算得到的多路径干扰和根据本发明的方面制造的LPG的透射光谱之间的一致性。
图19为一曲线图，其示出了在根据本发明的方面制造的LPG中的扰动状态和加热时间之间的关系。
图20为一曲线图，其示出了根据本发明进一步的方面将退火技术应用到长周期光纤得出的扰动反差的减小。
图21A-图21F示出了对于受到一系列五次退火处理的长周期光栅的LP01到LP01的一系列透射光谱。
图22和图23为根据本发明的方面的大致技术的流程图。
具体实施方式
本发明的方面涉及用于配置和制造长周期光栅(LPG)以提供对称输入模和非对称输出模之间的模转换的系统和技术。本发明在少模光纤(FMF)中提供对称LP01模和非对称LP11模之间的模转换的背景下介绍。将会明了，这些技术也可适用于其他背景，以便为其他类型的光纤提供其他输入与输出模对之间的模转换。
根据本发明一方面，电阻性加热元件用于在光纤片段中产生一系列的非对称扰动。如下面所讨论的，这些扰动可以在折射率中、在光纤几何形状中或在以上二者中。本发明进一步的方面涉及后写入退火技术，其提供圆形非对称折射率扰动的更为精确的控制。
使用所介绍的系统和技术，已经可以相比于传统的、机械制造的长周期光栅展示出好的稳定性，以及高的耦合效率和低的插入损耗。
如这里所使用的，形容词“对称”和“非对称”指圆形对称，除非另有说明。因此，如这里所使用的，术语“对称模”指具有在横切面表现出圆形(或轴向)对称性(即绕横切面中的点的不依赖于旋转角度的对称性)的电场分布的波导模。对称模将在绕中心点(即原点)的所有旋转角度上具有同样的外观。如这里进一步使用的，术语“非对称模”指无论可能存在的任何其他类型的对称性如何，不显示出圆形对称性的波导模。
典型的光纤支持光以一个以上的线性偏振模LPlm的传播，其中，l和m为整数，分别表示模的横切面强度分布中的方位角节点数和径向节点数。
一般而言，如果模具有零个方位角节点和一个以上的径向节点，即如果l＝0且m≥1，LPlm模是对称的。因此，基本LP01模和高阶LP02以及LP03模全部是对称模的实例。如果具有一个以上的方位角节点，即如果l≥1，LP模是非圆形对称的。因此，高阶LP11、LP21和LP31模全部是非对称模的实例。
特定的光纤应用需要将对称模输入转换为非对称模输出。例如，一种近来开发的模分复用(MDM)系统需要将对称LP01模输入转换为非对称LP11模输出。
图1A和图1B分别示出了示例性多模光纤10中的截面的简化图，其中存在基本LP01模和高阶LP11模的相应强度的简化标量图示11、12。图1C和图1D示出了对于跨光纤直径D的LP01和LP11模的相应的电场分布15、17的曲线图14、16。
在图1C中将会看到，LP01电场分布17具有大体上的高斯形状。在图1D中，另一方面，将会看到，LP11电场分布具有非高斯形状，包括与图1B中的瓣12a、12b对应的两个相反符号的峰17a、17b。(瓣12b有交叉阴影线，以指示其负值。)
由图1A和图1C将会明了，LP01模的电场分布是圆形对称的，因为LP01模呈现跨所有直径的同样的电场分布，无论角方位如何(例如，跨直径D’)。由图1B和1C将会进一步明了，LP11模的电场分布不是圆形对称的，因为LP11模表现跨具有不同角方位的直径(例如跨直径D’)的不同的电场分布。
提供模转换常用的一种器件是长周期光栅(LPG)。图2示出了并非按比例绘制的示例性LPG20的简化图，其被配置为提供所选输入模和所选输出模之间的模转换。LPG20包括具有纤芯22和包层23的光纤片段21，光纤片段21被配置为支持输入模和输出模二者的传播。LPG进一步包括一系列折射率扰动24，其具有定义光栅周期的中心到中心的间距25。
一般而言，LP模是正交的，且因此，在没有扰动的情况下，不会彼此干扰。LPG24中的周期性扰动被配置为产生输入模的散射。至少某些散射光与所选输出模相位匹配，导致输出模的激励。
LPG的转换效率由下式给出：
其中 (公式1)
这里，
为LPG的输入上的LP01功率；
为LPG的输出上的LPlm功率；
L为LPG的长度；
λ为波长；
为LP01模的有效折射率；
为LPlm模的有效折射率；
为光栅周期；且
κ为由下式给出的耦合系数：
(公式2)
其中，
E01为LP01模的电场分布；
Elm为LPlm模的电场分布；且
p()为扰动函数。
从公式(2)得出，为了实现LP01和非对称模(例如LP11)之间的高效耦合，需要非对称的扰动。(在没有非对称扰动的情况下，公式(2)将导致为0的κ的值。)
对于非对称扰动的需求可通过回到上面讨论的示出LP01和LP11模的相应的电场分布15、17的图1C和图1D直观地理解。耦合到LP11模要求能量到LP11电场分布17的正负两个部分的传送。然而，LP01电场分布15仅具有正值。在没有非对称扰动的情况下将LP01模耦合到LP11模是不可能的，因为这可能在本质上需要仅正值被相乘，来生成正值和负值二者。非对称扰动可概念化为将负分量引入模耦合函数。
非对称扰动的LPG可以以多种不同的方式产生。图3为LPG30的图，其中，通过在光栅32和橡胶块33之间按压光纤片段31来产生非对称扰动。通过改变光纤31片段和光栅32之间的角度，可对变形周期进行调谐。然而，由于橡胶块33的粘弹性，光纤变形不是随时间稳定的。
图4为LPG40的图，其中，非对称扰动通过在第一机械光栅42和第二机械光栅43之间按压光纤片段41来产生。尽管LPG40(图4)显示出相比于LPG30(图3)的改进的稳定性，LPG40也缺乏随时间的稳定性。缺乏稳定性的一个原因在于光纤的粘弹性涂层。通过从光纤移除涂层，稳定性可得到改进，但从可靠性的观点看来，这不是持久性的解决方案。
相比于通过如上面所讨论的对光纤片段进行机械按压或形成压痕来产生扰动，改进的稳定性可通过直接向光纤片段永久性写入扰动来实现。另外，这样的LPG具有小得多的尺寸。在光纤片段中产生非对称扰动的一种方式是使用CO2激光器从一侧施加热。然而，这样的技术需要使用可能对工人来说存在危险的昂贵仪器。
根据本发明一方面，电阻性加热元件(即在导电时加热的材料丝或带)用于向沿着光纤片段一侧的一系列的位置施加热，以便在光纤中产生周期性的一系列非对称扰动。
扰动根据上面的公式(1)和(2)来配置，以便在对称模和非对称模之间提供模耦合。电阻性加热元件与CO2激光器相比较为简单且便宜得多，并且操作起来也安全得多。类似于使用CO2激光器写入的扰动，使用这里介绍的技术产生的扰动是永久性的，且因此带来比使用机械方法产生的LPG稳定得多的LPG。
注意，美国专利No.7,486,858中介绍了使用电阻性加热元件来制造LPG的技术，该专利属于本申请的受让人。然而，根据其中介绍的技术，光纤片段穿过电阻性加热元件中的孔。所产生的扰动是对称性的。因此，如上面讨论的公式(2)所给出的，美国专利No.7,486,858中介绍的技术不适合制造对称模与非对称模之间的模转换器。
图5为一简化图，其示出了根据本发明一方面用于在光纤片段51中产生局部扰动511的设置50。该设置包括电阻性加热元件52，其使用例如Kanthal(FeCrAl)或铂的合适的材料制造。在本实例中，电阻性加热元件是具有圆柱形形状即圆形外轮廓的线。然而，本发明也可使用具有不同形状的加热元件来实践。
设置50被配置为允许光纤片段51沿着加热元件52的一侧定位，使得光纤片段51和加热元件52大体上彼此垂直且足够靠近，或彼此邻接。这允许来自加热元件52的热在一系列选择的轴向位置511上在光纤片段51中导致非对称扰动。
设置50进一步被配置为允许光纤片段或加热元件或是二者相对于彼此的受控移动，由此允许加热元件52移动到各个扰动位置511。例如，这种受控移动可提供双向箭头53代表的光纤片段51相对于加热元件52的向上和/或向下的移动，或箭头54代表的加热元件52相对于光纤片段51的向上或向下的移动，或其某种组合。在移动过程中，光纤被保持为直的而不扭曲。
所介绍的相对移动可通过例如产生加热元件52的静止安装和光纤片段51的平移安装来实现。作为替代的是，光纤可具有静止安装，且加热元件可具有平移安装。加热元件和光纤片段也可均具有平移安装。
扰动根据所选择的光栅周期间隔开。电阻性加热元件具有小于光栅周期的宽度或厚度，且因此，产生比光栅周期窄的加热区域。加热的量应当足够高以实现希望的结果。例如，典型地，将会需要大约1500℃以上的温度，以便在示例性的石英光纤中产生局部软化。估计在1000℃到1100℃范围内的稍微低一点的温度可能对于释放光纤中的应力来说是足够的。
注意，作为实际情况，典型地不必知道电阻性加热元件的确切温度。光栅制造过程中使用的多种参数可通过试错法根据经验确定。这里给出的温度旨在提供关于适合用于实践本发明的设备和材料的类型的指导，并提供对于给定应用建立一组制造参数时的可能的起始点的一般概念。
进一步注意，光纤典型地具有保护性外涂层。在实践所介绍的技术时，可以想到，外涂层可在加热之前移除。
图6和图7为并非按比例绘制的简化图，其示出了所介绍的加热技术如何能产生折射率中的非对称扰动、光纤几何形状中的非对称扰 动或其组合。
图6为并非按比例绘制的系统50的特写侧视图，其示出了加热元件52，该元件邻接光纤片段51，产生加热区域521，在加热区域521中，热非对称地施加到光纤片段51的局部部分。加热元件52还可以邻近光纤片段51而不是与之邻接。在这种情况下，可能需要其他的结构来确保光纤片段51在加热区域521中的精确定位。
加热元件的温度足够导致光纤片段的局部软化。在这里介绍的实例中，加热元件达到估计在1,400℃到1,600℃的范围内的温度。图7为加热完成后的并非按比例绘制的进一步的侧视图，其示出了对光纤片段的被加热部分的改变。
如图7所示，将热施加到光纤片段511导致两件事发生，其各自导致被加热的光纤区域中的非对称扰动。
首先，由电阻性加热器52施加的热导致被加热光纤区域中的牵引引发的应力的非对称放松，且其导致被加热区域中的纤芯的长度的轻微的非对称增大512，如图7所示。由于弹光效应，应力和纤芯长度的差异导致折射率分布的扰动。由于应力和纤芯长度的差异是非对称的，结果得到的扰动也是非对称的。
第二，也如图7所示，电阻性加热元件52施加的热导致槽口513在接触点上被熔入光纤片段54，由此显著减小包层直径。由于槽口513是非对称的，槽口62所导致的扰动也是非对称的。
因此，所介绍的加热技术可用于在纤芯折射率或光纤几何形状中或是在其组合中产生非对称扰动。
根据本发明一方面，电阻性加热元件52使用这样的一段材料来实现：其由在以足够软化光纤的局部部分的温度运行时能够保持其结构完整性的电阻性材料制造。如上面所提到的，这样的材料包括例如铂和Kanthal(FeCrAl)，其能够耐受1000℃数量级或更高的温度。如上面进一步提到的，在本实例中，电阻性加热元件52使用具有圆形外轮廓的线实现。然而，还可以使用不同形状的电阻性元件，包括带或盘。
在当前介绍的实例中，电阻性加热元件通过一段铂线提供。加热元件的直径应当小于所选择的光栅周期。如下面所讨论的，使用具有0.5mm直径的铂线制造具有1.17mm周期的光栅，获得满意的结果。还可以使用具有1.25mm x0.15mm尺寸的Kanthal丝制造LPG。由于比Kanthal耐受更高的温度的能力，铂看来是优选的。
图8-图11为根据本发明进一步的方面的电阻性加热元件的多种不同构造的简化图。
图8示出了基本构造80，其中，直的铂线81连接在一对电极块82之间。作为替代的是，Kanthal加热丝可代替铂线81连接在电极块82之间。
图9示出了第二构造90，其中，Kanthal加热丝91连接在一对电极块92之间。缺口911已经切入加热丝91的一侧，以便为将要热处理的光纤93提供引导轨道。
图10示出了第三构造100，其中，铂线101已经连接在电极块102之间。线101已经弯曲为曲线形状，以提供对于光纤片段103的引导。
图11示出了第四构造110，其中，铂线111已经连接在电极块112之间。线已经弯曲为“W”形状，其被配置为在热处理过程中容纳线111的热膨胀。当电流被施加到线111时，其在长度上膨胀，同时，电极块112保持静止。在图10所示的构造中，线101的热膨胀将会典型地导致光纤103和线101之间的接触点的移动。在线111的“W”形构造中(图11)，弯曲1111和1112可容纳额外的长度，且因此，保持光纤113和线111之间的更为稳定的接触点，且因此保持从线111到光纤113的更为恒定的热传输。
图12示出了根据本发明的进一步的方面的组件120的图，该组件用于控制光纤片段121相对于加热元件122的轴向移动，以便在光纤片段中制造一系列的非对称扰动1211。
在组件120中，底座123提供了其他组件部件的结构基础。
加热元件122在侧视图中呈现，并可实现为图8-图11中所示的 加热元件构造之一。在所示出的实例中，加热元件122连接到一对电极块(未示出)，电极块被连接到由合适的开关1222控制的电流源1221。
光纤片段121的尾端由被安装到平移台125的光纤夹124保持，平移台125可在上下方向平移。较小的重物126被附着到光纤片段的头端。
加热元件122被定位在光纤夹124下方，使得被施加重量的光纤以偏移127从垂直位置移开。导轮128被定位在光纤夹和加热元件下方，使得光纤上由于所附着重物施加的拉力导致光纤片段的被加热部分129被轻柔地按压到加热元件124。
一旦光纤已经被加负荷，开关1222闭合，且光纤的一部分被加热达选择的时间。之后，开关断开，且平移台用于以选择的距离(即光栅周期)降低光纤。重复该过程，一直到已经产生希望数量的光栅扰动。
开关1222也可以对于整个雕刻过程保持闭合。在该情况下，在各个个体扰动已经雕刻以后，光纤迅速前进到下一个扰动位置。注意，这是用于制造这里介绍的示例性光栅的技术。必须小心确保不会将过量的热施加到任何扰动位置，且不将扰动引入扰动位置之间的光纤片段部分。
重物126使得光纤121被恒定的力按压为紧贴加热元件122，保证贯穿整个制造过程稳定的、足够的热接触。使用2.5g的重物获得好的结果。
对根据本发明的方面制造的LPG进行测试，包括将这些LPG与使用其他技术制造的LPG进行比较的测试。
被测试的光栅如下构造：
所使用的光纤是少模光纤(FMF)，其具有19μm的纤芯直径，并具有仅仅两个传导模：LP01模和LP11模。具有0.5mm直径的铂线用作电阻性加热元件。0.5mm直径铂线产生比光栅周期窄的加热区域。所产生的热量足够产生光纤的局部软化，且估计具有1400℃到1600℃ 范围内的温度。
根据上面讨论的图11所示的本发明的实践，铂线加热元件被形成为W形状，并连接在一对电极之间。光纤片段相对于加热元件的移动使用图12所示的类型的组件受到控制。通过铂线的电流为11A。光纤保持静止达8秒，接着，在0.2秒内移动到下一个位置。周期为1.17mm。使得9个周期对应于10.5mm的光栅长度。
根据上面介绍的技术制造的LPG被组装到图13A所示的完整的模转换器130A中。
模转换器130A提供用于通过输入131A发射的激光的LP01到LP11的模转换，并包括下面的元件：一段标准单模光纤(SSMF)132A，其具有连接到输入131A的输入端；一段少模光纤(FMF)134A，其具有在接头133A上连接到SSMF132A的输出端的输入端；模消除器135A，其具有连接到FMF134A的输出端的输入端；以及，根据上面介绍的技术制造的LPG136A，其具有连接到FMF134A的输出端的输入端。模转换器输出137A被从LPG136A的输出端发射。
图13B和图14示出了两个测试设置1301B和140的图，其用于对根据本发明的方面制造的LPG模转换器的性能进行量化。
在图13B中，测试设置1301B包括模转换器130B，其具有与图13A所示的模转换器130A的部件132A-136A对应的元件132B-136B，包括根据上面介绍的技术制造的LPG136B。
模转换器130b接收来自输入131B的宽带宽光，并向连接到光谱分析器(OSA)139B的模消除器138b提供模转换后的输出137B。LPG136B的模特性通过模消除器135B和138B隔离。
在图14中，测试设置140包括可调谐激光输入141，其将可调谐的输入光发射到与如图13A和图13B所示的模转换器130A和130B对应的模转换器142。模转换器输出143被提供为到自由空间光学器件144中的光束输出143。自由空间光学器件144的输出之后被聚焦在红外照相机145上。
注意，测试设置140是美国专利No.7,817,258中介绍的成像系统 和技术的修改版本，该专利由本申请的受让人所有，且整体并入此处作为参考。成像系统和技术在这里被称为“S2成像”，其是“空间和光谱解析成像”的缩写。S2成像证实为用于模转换器特征化的有效且高速的工具。
图13A所示的完整模转换器130A的插入损耗测量为0.47dB。1500nm和1620nm之间的插入损耗的变化在测量不确定度范围内。对插入损耗的主要贡献来自SSMF和少模光纤之间的消除器133A。在测试中，在1550nm处，由于模场直径从对于SSMF的10.5μm到对于两模光纤的LP01的14.9μm的大的差异，消除器133A难以最优化。
图15示出了图4所示类型的机械制造LPG的两种LP01到LP01透射光谱151和152的曲线图150。光谱使用测试设置1301B(图13B)来产生。光谱151在LPG起始被制造时记录；光谱152在1/2小时后记录。两个光谱之间显著的差异指示LPG缺少稳定性。
图16A到图16C为一系列曲线图160A、160B、160C，示出了根据本发明制造的LPG的三个LP01到LP01透射光谱的相应的曲线161A、161B、161C。光纤的类型和测试设置与产生图15中的光谱使用的那些相同。图11所示的加热元件以及图12所示的平移组件用于制造LPG，该LPG具有10个扰动(9个周期)以及1.17mm的扰动周期。光谱161A(图16A)在制造时记录。光谱161B(图16B)在16小时后记录；且光谱161C(图16C)在64小时后记录。
图16D和图16E示出了曲线图160D和160E，其被提供以说明光谱161A、161B和161C彼此的接近度，这展示了LPG的稳定性。在曲线图160D(图16D)中，光谱161B(实线)已经被叠加在光谱161A(虚线)的上方，并显示出在制造时和在16小时后之间LP01到LP01的光谱改变有多小。在曲线图160E(图16E)中，光谱161C(实线)已经叠加在光谱161A(虚线)的上方，并显示出在制造时和在64小时后之间LP01到LP01的光谱改变有多小。因此，图16D和图16E都展示出使用本发明的方法制造的LPG的稳定性。
图17为一曲线图170，其示出了在第一波长范围1520nm到 1530nm(下方的曲线171)和第二波长范围1580到1590nm(上面的曲线172)上作为组延迟的函数的模拍幅度。一般而言，模拍是由于模之间的交互导致的一种噪音。因此，曲线图170示出了由于LPG产生的LP01和LP11模的交互导致的模拍。
图17所示的修改后的S2设置用于产生曲线图170。修改后的S2设置允许非常快的测量。对应于100波长点的照相机图像在22秒内拍摄。曲线171和172基于作为组延迟差异的函数的、在所有照相机像素上平均的测量模拍，该组延迟差异被正规化到光纤长度。
曲线图17在2.2ps/m处示出了清晰的峰，对应于剩余LP01。还观察到，此峰在1520nm到1530nm范围(曲线171)中比1580到1590nm范围(曲线172)中小得多。图17中的其余峰来自由于设置中的弱反射导致的噪音，其导致耦合到照相机中。
图18为一图表180，其示出了(1)从S2测量计算得到的模式转换器的计算得到的多路径干扰(MPI)(黑色菱形181)和(2)使用图13B所示设置测量的透射光谱(曲线182)之间的一致性。插图183示出了来自模转换器的在1520nm处的测量模图案的简化线条图。
在模消除器在LPG的两侧的情况下，从LP01到LP01测量透射光谱。从S2测量计算模转换器的MPI，其中，MPI定义为：
其中：
Ppar为寄生模(在这种情况下，LP01)的功率；且
Ptot为总功率。
在曲线图180中，MPI181基于以10nm的间隔进行的S2扫描的结果计算。曲线图180显示出测量得到的LP01到LP01透射光谱(曲线182)和计算得到的MPI(黑色菱形181)之间的良好的一致性。已经观察到，MPI在1520nm和1540n之间低于-25dB，并在1510nm和1550nm之间低于-20dB。
根据本发明进一步的方面，为了折射率扰动的更为容易和更为精 确的控制，LPG首先制造为具有比最优值更大的扰动。随后，通过以恒定的速度使LPG多次经过加热元件来对LPG进行退火。该概念在图19-图21中示出。
图19示出了曲线图190，其中，曲线191示出了加热时间和扰动之间的关系。将会看到，该比值是非线性的。附加的加热时间继续产生扰动的增大，但增大率随时间减小。因此，在写入后的退火处理中，已经被扰动的光纤区域将会经历与未扰动部分相比较小的变化。退火的整体效果因此是减弱了光栅图案的反差。
光栅周期的减弱用图20所示的曲线图200中的曲线201和202示出。左曲线201示出了在起始未扰动光纤区域的折射率(用虚线203a示出)和折射率扰动的光纤区域(用虚线203b示出)的折射率之间的退火前的折射率反差203。右边的曲线202示出了在起始未扰动区域204a和起始被扰动区域204b之间的退火后的折射率反差204。
如曲线图200所示，退火处理将起始未扰动区域的扰动增加大于起始被扰动区域中的扰动增大量206的量205。因此，退火区域具有与退火区域相比较低的折射率反差。
光栅使用如图11所示配置的0.5mm铂线以及图12所示类型的平移组件制造。所使用的光纤与这里给出的其他实施例中使用的相同。通过铂线的电流是18.5A。光纤保持静止达8秒，之后在0.2秒内移动到下一个位置。周期为1.14mm。使得5个周期对应于5.7mm的光栅长度。
之后，通过以1mm/s的速度使LPG经过加热线以及经过铂线的18.5A的电流，对于光栅进行退火。退火过程多次重复。
使用图13B所示的测试设置，在雕刻和退火期间监视来自LP01到LP01的透射光谱。图21A-图21F为一系列的曲线图210A-210F，示出了在各次退火处理后记录的LP01到LP01透射光谱211A-211F。为参考便利起见，第一次退火211A后的透射光谱在图21B-图21F中重复。
观察到在所介绍的本发明的实践中，在大约5次退火处理后达到 最优值。如可在图21E和图21F的可视比较中看到的，第六次退火处理导致这样的透射光谱211F(图21F)：其可察觉地在1400-1500nm处比在第五次退火处理后记录的透射光谱211E(图21E)更为平坦。在不同的情况下，可能需要通过试错法确定的不同次数的退火处理，以实现最优结果。
将会明了，所介绍的退火技术一般地适用于将LPG雕刻到光纤中的其他系统和技术。例如，所介绍的退火技术可与美国专利No.7,486,858中介绍的对称光栅的制造结合使用，或与使用CO2激光器的非对称光栅制造结合使用。一般而言，所介绍的退火技术可以与所有这样的光栅写入系统和技术结合使用：其中，扰动vs.时间的曲线具有非线性的关系，如上面讨论的图19所示。
图22示出了制造根据本发明一方面的LPG模转换器的技术220的流程图，且图23示出了可结合技术220执行的退火技术230的流程图。
应当注意，图22和图23是示例性的而不是限制性的。本发明可以使用这些图中给出的某些或全部元素的不同组合以及包括这些图中没有明确给出的元素的组合以多种不同的方式实践。另外，所列举的步骤可以以不同的顺序或同时执行。
技术220包括下面的步骤：
221：提供光纤的片段。
222：提供加热单元，其包括电阻性加热元件，该元件产生具有短于选择的器件周期的轴向长度的局部加热区域，并在光纤片段的选择的部分中产生局部的旋转非对称扰动。
223：安装光纤片段，使得光纤片段的侧表面邻近电阻性加热元件的侧表面；
224：为光纤片段和加热元件中的至少一个提供平移台，使得光纤片段的侧表面可相对于加热元件轴向平移；
225：关于电阻性加热元件定位光纤片段，使得光纤片段的选择的部分位于电阻性加热元件的加热区域中。
226：升高电阻性加热元件的温度，以便在光纤片段的选择的部分中导致旋转非对称扰动。
如图9所给出的，技术230包括能在技术220的步骤226之后执行的下列步骤：
231：对于光纤片段的连续选择的部分，重复电阻性加热元件的升温和定位，以便将光栅写入光纤片段，同时，控制电阻性加热元件的加热，使得光栅以高于选择的最优值的折射率反差值写入。
232：使用加热元件对光纤片段的扰动和非扰动区域进行退火，以便将光栅的反差值减小到选择的最优值。
由上面介绍的将会明了，这里介绍的结构和技术提供了基于热扰动制造长周期光栅的新且简单的方法。在所介绍的实例中，本发明的实践用于制造从LP01到LP11的高效且稳定的模转换器。获得在20nm范围内低于0.5dB的插入损耗和低于-25dB的MPI以及40nm范围内低于-20dB的MPI。空间和光谱解析的成像(“S2成像”)用作对模转换器进行特征化的有效且快速的工具。
尽管上面的介绍包括将使得本领域技术人员能够实践本发明的细节，将会认识到，说明书是说明性的，且受益于这些启示的本领域技术人员可想到许多修改和变型。因此，本发明仅仅由所附权利要求限定，权利要求以现有技术允许的宽广方式解释。
Claims (15)
1.一种将光学器件写入光纤的方法，该方法包括：
(a)提供光纤的片段；
(b)提供电阻性加热元件，该电阻性加热元件具有小于选择的器件周期的厚度，其中，电阻性加热元件将被用于产生具有短于选择的器件周期的轴向长度的局部加热区域；
(c)定位光纤片段，使得光纤片段的侧表面邻近电阻性加热元件的侧表面；
(d)关于电阻性加热元件定位光纤片段，使得光纤片段的选择的部分位于电阻性加热元件的局部加热区域中；以及
(e)升高电阻性加热元件的温度，以便在光纤片段的选择的部分中产生旋转非对称扰动，其中所述旋转非对称扰动包括被熔入光纤片段的非对称槽口和在光纤的选择的部分中的牵引引发的应力的非对称放松，并且其中，所述旋转非对称扰动被配置成提供对称波导模和非对称波导模之间的模耦合。
2.权利要求1的方法，进一步包括：
对于光纤片段的连续的选择的部分，重复电阻性加热元件的定位和升温，以便将光栅写入光纤片段。
3.权利要求1的方法，其中，光纤片段跨电阻性加热元件的表面平移。
4.权利要求1的方法，其中，电阻性加热元件跨光纤片段的表面平移。
5.权利要求1的方法，进一步包括：
将受控张力施加到光纤。
6.权利要求1的方法，进一步包括：
将电阻性加热元件的形状设置为沿着光栅的长度实现选择的热分布和调制形状。
7.权利要求1的方法，其中，电阻性加热元件包括线。
8.权利要求7的方法，进一步包括以下步骤：使用线，该线被弯曲，以便相对于加热元件引导光纤片段的移动。
9.权利要求7的方法，进一步包括以下步骤：使用以W形状配置的线，以便容纳线温度升高时的线热膨胀。
10.权利要求1的方法，其中，电阻性加热元件包括丝。
11.权利要求10的方法，进一步包括以下步骤：在丝中产生用于引导光纤片段的槽口。
12.权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：
(f)对于光纤片段的连续的选择的部分，重复电阻性加热元件的定位和升温，以便将光栅写入该光纤片段，同时，控制电阻性加热元件的加热，使得光栅以高于选择的最优值的折射率反差值写入；以及
(g)使用加热元件来对光纤片段的扰动和非扰动区域二者进行退火，以便将光栅的反差值减小到选择的最优值。
13.权利要求12的方法，其中，重复进行退火，直到光栅的反差值减小到选择的最优值。
14.一种用于将光学器件写入光纤的系统，该系统包括：
电阻性加热组件，包括底座和安装到底座的一对电极块，电阻性加热组件进一步包括安装在电极块之间的电阻性加热元件，其中，电阻性加热元件产生局部加热区域，该局部加热区域具有短于选择的器件周期的轴向长度并在光纤片段的选择的部分中产生局部旋转非对称扰动，其中所述旋转非对称扰动包括被熔入光纤片段的非对称槽口和在光纤的选择的部分中的牵引引发的应力的非对称放松，并且其中，所述旋转非对称扰动被配置成提供对称波导模和非对称波导模之间的模耦合；
安装组件，用于安装光纤片段，使得光纤片段的侧表面邻近电阻性加热元件的侧表面；
平移组件，包括用于光纤片段和加热元件中的至少一者的平移台，使得光纤片段的侧表面可相对于加热元件轴向平移；
引导元件，用于引导光纤。
15.权利要求14的系统，进一步包括：
可附着到光纤的重物，用于以恒定的力将光纤的表面按压到加热元件的表面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171024 |