CN1185463C - 光学波导光栅的生产和/或光学波导的特征 - Google Patents

Abstract

一种光学波导光栅，形成在具有标称为均匀直径的波导中。沿光栅在某些位置处按与波导在这些位置处的直径有基本上相反关系的方式来改变光栅的特征。

Description

光学波导光栅的生产和/或光学波导的特征

技术领域

本发明涉及用于生产诸如光纤光栅之类的光学波导光栅和/或赋于诸如光纤之类的光学波导特征的方法和设备。

背景技术

布拉格光纤光栅是纤维光学系统中研究和开发的最有前途的领域之一。诸如激光和传感器之类的许多系统都依靠布拉格光栅的精确的波长选择性能，并且，有更多的系统可能会在不远的将来利用高质量的光栅。

可能在通讯系统特别是在色散补偿中业已最大限度地使用了布拉格光纤光栅。线性调频光纤光栅特别适用于色散补偿，因为，这种光栅小型化、有低的损耗、高的弥散性并且不受非线性效应的影响，所述非线性效应会使专用的色散偏移和色散补偿光纤出问题。业已多次成功地进行了传输试验，这些试验包括用于色散补偿的光纤光栅。通过对弥散轮廓的更精确的控制可以进一步提高色散补偿系统中光纤光栅的效率，特别是能降低时间延迟脉动并增加高位速率系统所需的第三阶补偿。

附图中的图7a至7d说明标称线性的线性调频光纤光栅中可能出现的问题。图7a和7c说明光栅的反射和时间延迟特征，图7b和7d说明相对预定特征的偏差。

发明内容

本发明提供一种检测光学波导中直径变化的方法，该方法包括下列步骤：在有已知物理间距的光学波导中生产出线性调频光栅；以及，测量相对线性调频光栅的预定时间延迟的偏差。

本发明还提供一种在标称有均匀直径的波导中生产出光纤波导光栅的方法，该方法包括下列可重复的步骤：在已知物理间距的光学波导一部分中生产出光栅部分；测量相对至少是最近写入的光栅部分的预定响应的偏差；以及，根据测出的至少是对于最近写入的光栅部分的偏差，改变用于写入下一个光栅部分的光栅参数。

本发明还提供一种在标称有均匀直径的波导中生产光学光栅的方法，该方法包括下列步骤：沿光栅在某些位置处按与波导在这些位置处的直径有基本上相反关系的方式改变光栅的特征。

本发明还提供一种在标称有均匀直径的波导中形成的光学波导光栅，其中，沿光栅在某些位置处按与波导在这些位置处的直径有基本上相反关系的方式改变光栅的特征。

本发明是以下列新认识为基础的即：当在通常的即阶跃折射率光纤中生产光纤光栅时，反射波长不仅取决于光纤的NA数值孔径，而且取决于光纤的切割(cut-off)。这是因为反射波长λ_B是由下式给出的：

           2n_eff·Λ_B

其中，n_eff是对于引导模式的有效光纤折射率，Λ_B是光栅线的实际周期。

业已发现，在牵拉光线时，光纤直径一般会有小的波动。就125μm的标称光纤直径来说，已发现在(沿光纤)100-200mm的周期范围内有多达±1μm的直径偏差。

阶跃折射率光纤具有芯折射率n₁和包层折射率n₂(其中n₁＞n₂且NA＝√n₁ ²-n₂ ²)。有效折射率n_eff取决于覆盖芯的引导模式的比例，η可表述为

           n_eff＝ηn₁+(1-η)n₂

例如Snyder和Love的文件中说明了用于给定光纤的覆盖参数。

就NA为0.2、标称直径为125μm、切割为1250μm的典型光纤来说，1μm的直径变化会导致约50pm的光栅波长偏移。由于直径沿光栅的长度会发生变化，所以，光栅的响应会显著地偏离预定的响应。

在线性的线性调频光纤光栅的情况下，直径波动的结果是使得时间延迟成为波长特征的函数，从而偏离线性特征。

在本发明的所有广意方面中，本文提出了若干优选工艺技术，以在非均匀光纤中生产所需要的光栅。前三种工艺包括调整被写入光栅的周期Λ_B以减少直径波动对n_eff的影响。第四种技术包括对光纤进行VU－前或后处理，以便沿光纤在芯区附近调整n₁或n₂，以使n_eff沿光纤变得更均匀。很明显，可以使用这些方法的任何组合。所有这些方法都可包括在目前的光栅生产工艺中。

附图说明

以下仅参照附图以举例的方式说明本发明，在附图中：

图1是经验图，它标绘出样品光纤的直径与沿光纤的位置的关系；

图2至4是经验图，它们示出了相对被写入光纤样品的三个相应光栅的线性色散特征的偏差情况；

图5a和5b是概略图，表示施加给具有可变直径的光纤的补偿；

图6a至6c概略表示光纤的后处理操作；以及

图7a至7d说明相对标称为线性的线性调频光栅的预定效率的偏差情况。

具体实施方式

参照图1，标绘出一段光纤的直径与沿光纤的位置的关系。用具有150nm精度和50nm复测不变性的市售光纤直径测定装置来进行测定。

图1说明了光纤直径基本上为周期性的变化，其峰值至峰值的范围约1000nm。

图1中还标注出用于光栅生产的一段光纤(如下所述)。

为了确定所述直径变化对于(假定是)线性的线性调频光栅性能的可能影响，实际上将一系列线性的线性调频光栅彼此叠置到图1所示的这段单个光纤内。这样，可通过使用不同的光纤长度来消除任何的测定赝象或随机结果。

按同样的线性调频方向但有6nm偏移量写入两个光栅，图2和3示出了所测出的相对这两个光栅的时间延迟偏差特征。图4说明了用于相对另两个光栅具有相反的线性调频方向并有3nm偏离量的第三个光栅(即位于这两个光栅中间点的那个光栅)的相应结果。所述光栅的的长度为85cm，并将色散设计成能补偿标准光纤中传输150km。

可将光纤结构缺陷所导致的相对线性时间延迟的偏差看作是按相同线性调频方向写入的两个光栅在延时特征方面基本上相同的波动(图2和图3)。就按相反的线性调频即主动线性调频方向写入的第三个光栅而言，时间延迟的波动(图4)实际上并不与图2和3中所看到的时间延迟偏差相等。前提是，直径的波动“方向”在色散斜率变化中起重要的作用。

应该注意，图4中的轴是颠倒的，以便以与图2和3相似的方式表示色散的“形状”。

从图2和3中可以看出，业已能看到偏差效应，这种效应基本上独立于光栅的中心波长并且与光纤直径的物理测量结果相关。因此，用于检测物理直径(而不是其绝对直径)偏差的技术如下所述：

(a)将感兴趣的波长频带之外的弱测试光栅写入要加以评定的光纤内；

(b)对于该测试光栅赋予时间延迟特征。

所述测试光栅应该是弱的，以便不使其折射率饱和。在赋予特征之后，评价光栅的强度会限制要被写到顶部的“实际”光栅的强度。

某些防范措施可改进对光纤直径波动的预评价的过程。这些措施包括根据时间延迟特征减少噪音，通过增加网络分析仪上的频率以便更平均化，可以部分地满足这一条件。对于技术熟练人员来说，将所获得的与光纤中波长位置误差有关的信息加入光栅写入过程的方法是简单的，因此本文不予详细地说明。

直径波动的原因肯定是未知的。当在牵拉过程中产生直径缺陷时，一种情况是，随着对光纤的牵拉，直径会准线性地增加。牵拉所导致的某些共振会产生直径的这种增加/减少。基于某种数据的直径控制装置会导致急剧地变回/校正回光纤的校正直径，所述数据来自高精度干涉光纤直径控制器(例如嵌在牵拉塔中的有0.15μm精度的Anritsu测定装置)。所述校正位置是反馈时间的函数。

为了校正直径变化所导致的色散特征误差，尽管在某些实施例中可在物理上测出直径的绝对变化，但不一定要知道这些变化，甚至不必知道相对变化，因为可以根据相对测试光栅的预定性能的偏差来推断这些

$\mathrm{\τ}=\frac{2\·n_{\mathrm{eff}}\·L}{c}---\left(1\right)$

相对变化。所必需的是知道某种波长的位置误差。通过画出作为位置L函数的波长λ_B(L)图而不是作为波长函数的时间延迟τ(λ_B)图，可以从线性的线性调频光栅的时间延迟特性中获得所说的信息。光栅中的时间延迟由下式给出：

其中，c是光在真空中的速度。使时间延迟值对于光栅中相对位置值重新配置(re-arrangement)以及轴的变化会揭示出λ_B(L)而不是τ(λ_B)。曲线的斜率是线性调频率ξ，它是由下式给出的：

其中，Δλ是线性调频脉冲，D是光栅的色散。通过画出λ_B(L)的图并且知道ξ的值，可以确定线性调频光栅中的用于特定波长的位置误差的值ε，因为相对线性调频率的位置偏差是ε。为了校正这种结果，

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{L}=\frac{2\·n_{\mathrm{eff}}}{c\·D}---\left(2\right)$

可获得对于给定位置的波长误差，并且，由于光纤直径的变化具有较低的频率，故对光栅色散特征的改进是相当明显的。

具体地说，使用上述赋予光纤特征的技术或通过测定光纤物理直径所收集到的数据的某些技术是：

1、通过修改被写入的光栅轮廓以考虑直径的波动，可以生产所需要的光栅，以致于所得到的光栅要比在对直径波动不作调整情况下接收到的光栅更为理想。具体地说，用按与测定的频带外光栅的偏差特征有相反关系的方式调整的间距变化来写所需要的光栅。已知有多种这样的技术，它们按可沿光栅长度进行微调的间距来写入光栅，例如见GB9617688.8。

2、沿光纤顺序地写入某些光栅。可有效地使刚写入的部分具有特征，以确定其反射波长。与目标波长的比较可给出沿光栅长度该位置直径误差。由于业已发现直径波动有在10-20cm区域内的周期，故，假定测量位置靠近写入位置例如距该位置1cm，则可确定直径误差并对其“飞在空中”即在写入各光栅部分时进行校正。

3、第三种方法提供仅在刻划光栅之前测量光纤的物理直径的波动。因此，可通过按与所测定的直径波动相反的关系调节间距而修改写入周期，以减少直径波动的影响。尽管较小的分辨率也能提供某些有用的结果，但一般应按优于0.1μm的分辨率来确定所述直径。

图5a和5b是概略图，其说明对于可变直径的光纤的施加补偿情况。具体地说，图5a概略表示沿理想线性的线性调频光栅的光栅间距变化，图5b表示利用上述工艺之一沿光纤长度修改间距的方式。在区域100内直径较大，故间距较小，在区域110内直径较少，故间距较大。

4、在第四种工艺中，刻划出所需要的光栅，以便在标称上有某种一般是均匀的光纤特征。然后赋于光栅特征，以沿光纤确定n_eff的波动。使用对光纤的后处理即一般通过将核芯区域曝露在不同的紫外能量密度下使得n_eff比在其它情况下更均匀。

图6a至6c概略地说明了上述第四种方法。图6a概略地说明了在有直径波动的光纤波导上扫描光栅生产工艺。将后处理紫外束照射到直径波动的区域上，以改变该区域处的平均折射率，从而使得有效折射率(n_eff)更加均匀。所述后处理紫外束是均匀的紫外束或者例如是光栅写入紫外束。

Claims (17)

1.一种在标称有预定直径轮廓的波导中生产光学光栅的方法，该方法包括下列步骤：测定所述直径的偏差并沿光栅在某些位置处按与波导在这些位置处的直径和所述预定直径轮廓的偏差有基本上相反关系的方式改变光栅的特征。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述波导具有标称为均匀的直径轮廓。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述光栅特征是光栅间距。

4.根据权利要求1或2的方法，所述改变光栅特征的步骤为：

在已知物理间距的波导一部分中写入光栅部分；

测量相对至少是最近写入的光栅部分的预定响应的偏差；以及

根据测出的至少是对于最近写入的光栅部分的偏差，改变用于写入下一个光栅部分的所述光栅特征。

5.根据权利要求1或2的方法，其中所述预定直径轮廓通过以下方法获得：

(i)在有已知物理间距的波导中生产出线性调频光栅；以及

(ii)测量相对线性调频光栅的预定时间延迟的偏差。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：在所述波导中生产出另一个光栅，沿光栅在某些位置处按与光导管在这些位置处的直径有基本上相反关系的方式来改变该光栅的光栅特征。

7、根据权利要求6的方法，其特征在于，所说的线性调频光栅和另一个光栅工作在不同的波长区域。

8.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述线性调频光栅要比前述另一个光栅弱。

9.根据权利要求5的方法，其特征在于：

所述波导的至少一部分是光敏的；以及

通过使该波导曝露于写入光束而生产出所述线性调频光栅。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：沿光栅在某些位置处按与光纤在这些位置处的直径有关系的方式改变对上述写入光束的曝光。

11.根据权利要求9的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：沿光栅在某些位置处按与光纤在这些位置处的直径有关系的方式有选择地对另一写入光束曝光。

12.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述波导是光纤。

13.一种在标称有预定直径轮廓的波导中形成的光学波导光栅，其中，沿光栅在某些位置处按与波导在这些位置处直径和所述预定直径轮廓的偏差有基本上相反关系的方式改变光栅的特征。

14.根据权利要求13的光栅，其特征在于，所述波导具有标称为均匀的直径轮廓。

15.根据权利要求13或14的光栅，其特征在于，所述光栅特征是光栅间距。

16.根据权利要求13或14的光栅，其特征在于，所述波导是光纤。

17.根据权利要求13或14的光栅，其特征在于，所述光栅是基本上为线性的线性调频光栅。

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