DE102012222460A1

DE102012222460A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter

Info

Publication number: DE102012222460A1
Application number: DE102012222460.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schade; Jörg Burgmeier
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-12
Also published as: US20150309251A1; US10067288B2; EP2929381A1; EP2929381B1; WO2014086708A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (1) in einem Wellenleiter (2), wobei der Wellenleiter (2) zumindest einen Kern (21) mit einem ersten Brechungsindex (n₁) aufweist und das Faser-Bragg-Gitter (1) eine Mehrzahl von Raumbereichen (10) enthält, welche jeweils ein Teilvolumen des Kerns (21) einnehmen und einen zweiten Brechungsindex (n₂) aufweisen, wobei die Raumbereiche (10) jeweils durch Einwirkung von Laserstrahlung auf ein Teilvolumen des Kerns (21) erzeugt werden, wobei die Laserstrahlung eine Mehrzahl von Pulszügen (5) enthält, welche jeweils eine Mehrzahl von Einzelpulsen (51) enthalten, wobei der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (51) geringer ist als der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulszügen (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter in einem Wellenleiter, wobei der Wellenleiter zumindest einen Kern mit einem ersten Brechungsindex aufweist und das Faser-Bragg-Gitter eine Mehrzahl von Raumbereichen enthält, welche jeweils ein Teilvolumen des Kerns einnehmen und einen zweiten Brechungsindex aufweisen, wobei die Raumbereiche jeweils durch Einwirkung von Laserstrahlung auf ein Teilvolumen des Kerns erzeugt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung zumindest eines Faser-Bragg-Gitters in einem Wellenleiter mit zumindest einem Kern durch Bestrahlung einer Mehrzahl von Raumbereichen des Kerns mit Laserstrahlung. Faser-Bragg-Gitter der Eingangs genannten Art können in optischen Kommunikationsnetzwerken zur Signalverteilung und Signalkonditionierung eingesetzt werden. Weiterhin können Faser-Bragg-Gitter als Sensorelement für Temperaturänderungen oder mechanische Spannungen eingesetzt werden.
Aus A. Martinez, M. Dubov, I. Khrushchev and I. Bennion: "Direct writing of fibre Bragg gratings by femtosecond laser", Electronics Letters, Vol. 40, No. 19 (2004) 1170 ist bekannt, Faser-Bragg-Gitter in optischen Wellenleitern durch Punkt-für-Punkt-Belichtung mit einem Femtosekundenlaser zu erzeugen. Die Absorption der Laserstrahlung bewirkt eine Änderung des Brechungsindex, so dass an jeder Grenzfläche zwischen bestrahltem und unbestrahltem Material ein Teil des im Wellenleiter geführten Lichtes reflektiert und ein Teil des Lichtes transmittiert wird. Sofern eine Mehrzahl bestrahlter Bereiche in definiertem Abstand in Ausbreitungsrichtung hintereinander im Wellenleiter angeordnet ist, ergibt sich eine Gitterstruktur, an welcher eine vorgebbare Wellenlänge bzw. ein vorgebbarer Wellenlängenbereich reflektiert wird und Licht abweichender Wellenlänge transmittiert wird.
Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch der geringe Kontrast bzw. die geringe Änderung des Brechungsindex, welche durch Absorption der Femtosekundenlaserpulse induziert wird. Ein Faser-Bragg-Gitter höherer optischer Qualität kann durch größere Energie der Einzelpulse erzeugt werden. Dies erfordert jedoch einen hohen Aufwand für regenerative Verstärker, welche die Pulsenergie des zur Herstellung verwendeten Femtosekundenlasers erhöhen.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Faser-Bragg-Gittern anzugeben, welches einen geringen apparativen Aufwand erfordert und Faser-Bragg-Gitter hoher optischer Qualität bereitstellen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter in einem Wellenleiter vorgeschlagen. Der Wellenleiter kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein RippenWellenleiter sein, welcher Teil einer integrierten optischen Komponente ist. Die integrierte optische Komponente kann eine Mehrzahl optischer Elemente, beispielsweise Koppler, Interferometer oder Wellenleiter auf einem Substrat integrieren. In einigen Ausführungsformen können daneben auch elektrische Komponenten auf dem Substrat der integrierten optischen Komponente vorhanden sein, beispielsweise Photodioden oder Signalverstärker. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wellenleiter eine optische Faser sein oder eine solche enthalten. Die optische Faser kann aus Glas oder einem Polymer gefertigt sein. Die optische Faser enthält zumindest einen Kern. Der Kern ist meist von einem Mantel umgeben. Das Material des Kerns weist einen größeren Brechungsindex auf als das Material des Mantels, so dass in den Kern eingekoppeltes Licht an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel totalreflektiert wird. Auf diese Weise kann sich das Licht mit geringen Verlusten entlang der Längserstreckung des Wellenleiters ausbreiten.
Im Wellenleiter ist zumindest ein Faser-Bragg-Gitter angeordnet. Das Faser-Bragg-Gitter enthält eine Mehrzahl von Raumbereichen, welche jeweils ein Teilvolumen des Kerns einnehmen und einen vom Material des Kerns abweichenden Brechungsindex aufweisen. Das Faser-Bragg-Gitter ist somit eine periodische Störung des Brechungsindex entlang der Längserstreckung des Wellenleiters. Die gesamte Längsausdehung kann zwischen etwa 5 mm und 40 mm betragen. Die Anzahl der bestrahlten Raumbereiche bzw. Teilvolumina des Kernes in einem Faser-Bragg-Gitter kann zwischen etwa 5000 und etwa 50000 variieren. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der bestrahlten Raumbereiche bzw. Teilvolumina des Kernes in einem Faser-Bragg-Gitter zwischen etwa 100 und etwa 50000 variieren. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der bestrahlten Raumbereiche bzw. Teilvolumina des Kernes in einem Faser-Bragg-Gitter zwischen etwa 1000 und etwa 10000 variieren.
Zur Erzeugung der einzelnen Raumbereiche des Faser-Bragg-Gitters wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Laserstrahlung einzusetzen. Die Laserstrahlung weist eine Mehrzahl von Pulszügen auf, welche jeweils eine Mehrzahl von Einzelpulsen enthalten. Die Pulszüge zeichnen sich dadurch aus, dass der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen geringer ist als der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulszügen. Die Verwendung von Pulszügen zur Erzeugung eines einzelnen Raumbereiches eines Faser-Bragg-Gitters weist den Vorteil auf, dass die Einzelpulse sequentiell an derselben Stelle des Wellenleiters absorbiert werden und dort das Material des Kerns des Wellenleiters so modifizieren, dass sich der Brechungsindex ändert. Der zeitliche Abstand der Pulszüge definiert zusammen mit der Vorschubgeschwindigkeit des Wellenleiters den Abstand der modifizierten Raumbereiche und damit die Gitterkonstante.
Der zeitliche Abstand der Einzelpulse innerhalb eines Pulszuges kann dabei entweder so eingestellt sein, dass das Material des Kerns nach Absorption eines Einzelpulses vollständig relaxiert, ehe der nächste Einzelpuls eintrifft. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zeitliche Abstand zwischen Einzelpulsen so gering sein, dass ein nachfolgender Einzelpuls zu einem Zeitpunkt im bestrahlten Raumbereich eintrifft, zu dem sich Phononen und/oder Elektronen aufgrund des vorhergehenden Einzelpulses noch in einem angeregten Zustand befinden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei Verwendung von Pulszügen anstelle von Einzelpulsen zur Erzeugung eines einzelnen Raumbereiches mit modifiziertem Brechungsindex die Gesamtenergie innerhalb eines Pulszuges geringer sein kann um die gleiche Änderung des Brechungsindex zu induzieren. Alternativ kann auch bei gleicher oder größerer Energie des Pulszuges im Vergleich zu den im Stand der Technik verwendeten Einzelpulsen eine größere Änderung des Brechungsindex erzeugt werden, so dass ein Faser-Bragg-Gitter mit verbessertem Kontrast erzeugt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zwischen etwa 200 µs und etwa 50 ps sein. Dementsprechend treffen die Einzelpulse auf ein vollständig relaxiertes oder ein elektronisch und/oder phononisch angeregtes Material auf. Der zeitliche Abstand zwischen allen Einzelpulsen eines Pulszuges kann identisch gewählt sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen eines Pulszuges variieren, so dass ein zusätzlicher Parameter zur Optimierung der optischen Eigenschaften des so erzeugten Faser-Bragg-Gitters vorhanden ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zwischen etwa 50 µs und etwa 1 µs gewählt sein. In diesem Fall treffen die Einzelpulse stets auf ein vollständig in den Grundzustand relaxiertes Material auf. Im Gegensatz zur Bestrahlung des Wellenleiters mit einer Mehrzahl von Einzelpulsen entfällt jedoch das Positionierproblem, d.h. die Einzelpulse eines Pulszuges treffen stets im selben Raumbereich auf. Hierdurch werden eine Verbreiterung des Raumbereiches und damit eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Faser-Bragg-Gitters vermieden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zwischen etwa 10 ns und etwa 100 ps gewählt sein. In diesem Fall können Einzelpulse im Material des Kerns des Wellenleiters absorbiert werden, wenn dieses aufgrund der Absorption eines vorhergehenden Einzelpulses noch in einem phononisch oder elektronisch angeregten Zustand ist. Hierdurch können Materialmodifikationen möglich sein, welche durch einen Einzelpuls nach dem Stand der Technik nicht erzeugt werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Energie eines Pulszuges zwischen etwa 100 Nanojoule (nJ) und etwa 350 nJ betragen. Diese Energie kann von einem Laseroszillator bereitgestellt werden, ohne dass ein regenerativer Verstärker erforderlich ist. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter mit reduziertem apparativen Aufwand durchgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Pulszug zwischen zwei und etwa 50 Einzelpulse enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Pulszug zwischen etwa 15 und etwa 30 Einzelpulse enthalten. Es wurde erkannt, dass die genannte Anzahl von Einzelpulsen einerseits hinreichend ist, um Faser-Bragg-Gitter mit guten optischen Eigenschaften, insbesondere hoher Reflektivität und geringer Bandbreite, bereitzustellen. Andererseits sind diese Einzelpulse als Pulszug mit geringem technischem Aufwand erzeugbar.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Einzelpulse im Pulszug und/oder der zeitliche Abstand der Einzelpulse und/oder die Amplitude der Einzelpulse und/oder die Dauer der Einzelpulse in Abhängigkeit einer Messgröße optimiert werden. Dies ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher Laserstrahlung mit unterschiedlicher Zeitstruktur für unterschiedliche Wellenleiter, welche aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein können. Beispielsweise kann der Wellenleiter in einer integrierten optischen Komponente ein Halbleitermaterial enthalten, beispielsweise Silizium oder einen III-V-Verbindungshalbleiter. Sofern der Wellenleiter eine optische Faser enthält oder daraus besteht, kann diese ein Polymer oder ein Glas enthalten. Das genannte Optimierungsverfahren ermöglicht es, in unterschiedlichen Materialien stets Faser-Bragg-Gitter guter oder bestmöglicher Qualität zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Messgröße ausgewählt sein aus der Reflektivität des Faser-Bragg-Gitters und/oder der Bandbreite des Faser-Bragg-Gitters und/oder der vom Pulszug erzeugten Plasmaintensität. Die ersten beiden Parameter erfassen unmittelbar die Qualität des erzeugten Faser-Bragg-Gitters. Die vom Pulszug erzeugte Plasmaintensität bestimmt die Wirkung des Pulszuges auf das Material des Wellenleiters.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Optimierung mit einer Regeleinrichtung erfolgen. Diese kann dazu eingerichtet sein, unterschiedliche Pulszüge zu generieren und das erzielte Ergebnis solange zu bewerten, bis ein Abbruchkriterium erfüllt wird. Beispielsweise kann das Abbruchkriterium so gewählt sein, dass ein Faser-Bragg-Gitter mit gewünschten Solleigenschaften erreicht wird oder dass das bestmögliche Faser-Bragg-Gitter in einer vorgebbaren Zeit erhalten wird. Die Qualität des Faser-Bragg-Gitters kann bewertet werden durch Erfassung der Reflektivität und/oder der Transmissivität, wobei eine mittlere Wellenlänge und/oder die Breite einer Wellenlängenverteilung zur Beurteilung herangezogen werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Optimierung mit einem genetischen Algorithmus erfolgen. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird unter einem genetischen Algorithmus eine Klasse von stochastischen, metaheuristischen Optimierungs- und/oder Suchverfahren verstanden, welche sich an die Grundprinzipien der biologischen Evolution anlehnen. Zu Beginn eines solchen Algorithmus kann ein zufällig ausgewählter Pulszug als mögliche Lösung des Optimierungsproblems erzeugt werden. Das damit hergestellte Faser-Bragg-Gitter wird anhand einer Fitnessfunktion bewertet, welche das zu lösende Optimierungsproblem beschreibt. Diejenigen Lösungen bzw. Pulszüge, welche die besten Fitnesswerte aufweisen, werden zufällig verändert, während die restlichen verworfen werden.
Die neu gewonnenen Pulszüge werden dann wiederum bewertet, wobei die Iterationen solange fortgesetzt werden, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist. Das Abbruchkriterium kann beispielsweise darin bestehen, ein Faser-Bragg-Gitter mit vorgebbaren Eigenschaften zu erzeugen. Der vorgeschlagene genetische Algorithmus weist im Vergleich zu anderen Optimierungsverfahren den Vorteil auf, dass nur geringes Problemwissen erforderlich ist, d.h. die Wechselwirkung des Pulszuges mit dem Material des Wellenleiters muss nicht im Detail verstanden sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Pulszüge durch Ein- und Ausschalten zumindest einer Laserlichtquelle erzeugt werden. Dieses Verfahren ist insbesondere für Pulszüge längerer Zeitdauer geeignet, bei welchen die Einzelpulse einen größeren zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Die Laserlichtquelle kann in diesem Fall ein direkt modulierbarer Halbleiterlaser sein, welcher mit kurzen Schaltzeiten durch ein elektrisches Signal ansteuerbar ist.
In einigen Ausführungsformen dieser Erfindung können die Pulszüge durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase des Laserlichtes erzeugt werden. Diese Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, einen spektral breitbandigen Laserpuls mit einer Pulsdauer von etwa 50 Femtosekunden bis etwa 10 Pikosekunden durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase in einen Pulszug mit einer Mehrzahl von Einzelpulsen mit geringem zeitlichen Abstand zueinander zu wandeln.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist eine zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Vorrichtung zumindest eine Aufnahmeeinrichtung auf, in welcher der Wellenleiter befestigt werden kann und welche dazu eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen dem Wellenleiter und Laserlichtquelle zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Anpassung der Gitterkonstanten des zu erzeugenden Faser-Bragg-Gitters, da sich diese aus der Vorschubgeschwindigkeit der Relativbewegung und der Repetitionsfrequenz ergibt, mit welcher die Laserlichtquelle Pulszüge aussendet.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung mittels einer Optik auf den Kern des Wellenleiters fokussiert werden. Hierdurch kann in den ausgewählten Raumbereichen des Kerns eine hohe optische Leistung konzentriert werden, welche zu einer signifikanten Änderung des Brechungsindex führt. Weiterhin können die Raumbereiche, welche das Faser-Bragg-Gitter definieren, räumlich eng begrenzt ausgeführt werden, so dass sich ein Gitter hoher Güte ergibt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 die schematische Darstellung eines Wellenleiters mit Faser-Bragg-Gittern.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem einzelnen Faser-Bragg-Gitter.
3 zeigt eine zur Durchführung des Verfahrens verwendbare Vorrichtung.
4 zeigt ein Beispiel für moduliertes Laserlicht nach dem Stand der Technik.
5 erläutert schematisch die Modulation von Laserlicht gemäß der Erfindung.
6 zeigt die Transmission zweier Faser-Bragg-Gitter gegen die Wellenlängenabweichung für ein erfindungsgemäß erzeugtes und ein mit bekannten Verfahren erzeugtes Faser-Bragg-Gitter.
7 zeigt Transmissionsspektren von Faser-Bragg-Gittern, welche mit unterschiedlichen Pulszügen erzeugt wurden.
8 zeigt die Brechzahländerung in Abhängigkeit der Anzahl der Einzelpulse im Pulszug.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wellenleiters 2, welche eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern 1 enthält. Der Wellenleiter 2 enthält zumindest einen Kern 21 und einen Mantel 22. Kern und Mantel können aus einem Polymer oder einem Glas gefertigt sein. Der Mantel weist einen geringeren Brechungsindex auf als der Kern, so dass Licht innerhalb des Kerns 21 an der Grenzfläche zum Mantel 22 totalreflektiert wird und sich entlang der Längserstreckung des Wellenleiters 2 ausbreitet.
Innerhalb des Kerns ist eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern 1 angeordnet. Ein Faser-Bragg-Gitter reflektiert eine vorgebbare Wellenlänge, welche von der Gitterkonstanten des Faser-Bragg-Gitters abhängt. Andere Wellenlängen werden hingegen transmittiert. Wenn Faser-Bragg-Gitter 1 unterschiedlicher Gitterkonstante an unterschiedlichen Orten angeordnet sind, wird im Wellenleiter 2 propagierendes Licht unterschiedlicher Wellenlänge an unterschiedlichen Orten reflektiert.
Wie anhand von 2 ersichtlich ist, besteht das Faser-Bragg-Gitter 1 im Wesentlichen aus einer periodischen Störung des Brechungsindex, d.h. Raumbereiche 10 weisen einen zweiten Brechungsindex n₂ auf, welcher vom Brechungsindex n₁ des Kerns 21 abweicht. Der Abstand benachbarter Raumbereiche 10 definiert die Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gitters 1 und damit den reflektierten Wellenlängenbereich.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Raumbereiche durch Laserbestrahlung des Kerns 21 zu erzeugen, wobei in jeden Raumbereich 10 zumindest ein Pulszug auftrifft, welcher eine Mehrzahl von Einzelpulsen enthält. Die Einzelpulse weisen eine vorgebbare Amplitude und einen vorgebbaren zeitlichen Abstand zueinander auf.
3 erläutert eine Vorrichtung zur Herstellung von Faser-Bragg-Gittern gemäß der vorliegenden Erfindung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Wellenleiter 2 eine optische Faser verwendet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es sich um eine für Telekommunikationszwecke gebräuchliche Faser handeln. Zur Erzeugung eines Faser-Bragg-Gitters 1 wird zumindest ein Längsabschnitt des Wellenleiters 2 in eine Aufnahmevorrichtung 39 eingespannt. Die Aufnahmevorrichtung 39 sichert eine vorgebbare Position zumindest eines Längsabschnittes des Wellenleiters 2 und ermöglicht eine Relativbewegung zwischen dem Laserlicht 4 und dem Wellenleiter 2, welche durch die Vorschubrichtung 37 dargestellt ist.
Zur Erzeugung eines Faser-Bragg-Gitters 1 muss eine Mehrzahl von Raumbereichen 10 im Wellenleiter 2 erzeugt werden, wie bereits anhand der 1 und 2 erläutert wurde. Die Gitterkonstante ergibt sich dabei aus der Vorschubgeschwindigkeit und der Repetitionsrate, mit welcher Pulszüge von der Laserlichtquelle 31 ausgesandt werden.
Die Laserlichtquelle 31 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein direkt modulierbarer Halbleiterlaser sein, welcher kurze Schaltzeiten ermöglicht. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserlichtquelle ein Kurzpulslaser sein oder einen solchen enthalten. Der Kurzpulslaser kann in an sich bekannter Weise Laserpulse mit einer Dauer von etwa 50 fs bis etwa 50 ps erzeugen. Das Laserlicht 4 verlässt die Laserlichtquelle 31 in Richtung des Wellenleiters 2.
Zur Erzeugung von Pulszügen steht entweder eine Einrichtung 32 zur Beeinflussung der Amplitude und/oder der Phase der von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung zur Verfügung. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können Pulszüge mit einer Einrichtung 38 zum Schalten der Laserlichtquelle 31 erzeugt werden. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann sowohl die Einrichtung 38 zum Schalten der Laserlichtquelle 31 als auch die Einrichtung 32 zur Modulation der Amplitude und/oder der Phase des Laserlichtes 4 in der Vorrichtung 3 vorhanden sein. In jedem Fall wird das Laserlicht 4 so moduliert, dass es vor Auftreffen auf den Wellenleiter 2 eine Mehrzahl von Pulszügen aufweist, wobei jeder Pulszug eine Mehrzahl von Einzelpulsen enthält, wobei der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen geringer ist als der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Pulszüge.
Das Laserlicht 4 kann mit einer optionalen optischen Einrichtung 33 fokussiert werden, so dass die Raumbereiche 10 gegenüber dem Strahlquerschnitt des Laserlichtes 4 verkleinert sind und/oder die Intensität des Laserlichtes im Kern 21 erhöht ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Wechselwirkung des Laserlichtes überwiegend im Kern 21 erfolgt und der Mantel 22 des Wellenleiters 2 mit geringer Intensität und, dadurch bedingt, geringerer Absorption vom Laserlicht durchlaufen wird.
Die optische Einrichtung 33 kann zumindest eine Sammellinse und/oder eine Mehrzahl von Sammel- und/oder Zerstreuungslinsen und/oder einen oder mehrere Spiegel enthalten, um das Laserlicht 4 in gewünschter Weise zu fokussieren.
Zur Überwachung des Herstellungsverfahrens des Faser-Bragg-Gitters 1 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, den Wellenleiter 2 mit einem optischen Spektralanalysator 35 zu verbinden. Der optische Spektralanalysator 35 kann die Plasmaemission im Kern 21 erfassen, welche durch den eintreffenden Pulszug ausgelöst wird. Sofern das erfasste Spektrum von einem vorgebbaren Sollspektrum oder einer Sollintensität abweicht, welches vorab ermittelt wurde, kann der Pulszug soweit verändert werden, dass die Materialmodifikation des Kerns 21 in gewünschter Weise durchgeführt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wellenleiter 2 über einen Koppler 25 zusätzlich mit einer Lichtquelle 36 verbunden sein. Die Lichtquelle 36 kann beispielsweise einen durchstimmbaren Halbleiterlaser und/oder eine Superlumineszenzdiode oder eine andere breitbandige Lichtquelle enthalten. Das Licht der Lichtquelle 36 kann dann über den Koppler 25 in den Wellenleiter 2 eingekoppelt werden und diesen am gegenüberliegenden Ende verlassen. Während des Erzeugens des Faser-Bragg-Gitters 1 wird ein durch die Güte und Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gitters 1 erzeugter Wellenlängenbereich reflektiert und kann im optischen Spektralanalysator nachgewiesen werden. Ein Reflektionssignal kann bereits nach dem Einschreiben von ca. 100 Gitterpunkten beobachtet werden. Somit kann in einfacher Weise überwacht werden, ob ein Faser-Bragg-Gitter mit den gewünschten Eigenschaften erzeugt wird. Sofern dies nicht der Fall ist, kann durch eine Regeleinrichtung 34, welche entweder auf die Einrichtung 32 oder die Einrichtung 38 wirkt, der Pulszug verändert werden, so dass ein weiteres Faser-Bragg-Gitter mit anderen Parametern erzeugt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass sich bereits nach 50 bis 100 Iterationszyklen, also etwa 5000 bis 10000 geschriebenen Gitterpunkten ein für das jeweilige Material des Wellenleiters 2 optimaler Pulszug gefunden werden kann. Alle nachfolgenden Faser-Bragg-Gitter können dann ohne weitere Optimierung des Pulszuges mit diesen Einstellungen erzeugt werden, so dass eine einfache Massenherstellung von Wellenleitern 2 mit Faser-Bragg-Gittern 1 ermöglicht wird und nur geringe Rüstzeiten zur Maschineneinstellung bei Materialwechsel benötigt werden.
4 erläutert nochmals die Zeitstruktur des Laserlichts 4, welche nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Faser-Bragg-Gittern verwendet wird. Das Laserlicht 4 enthält in diesem Fall eine Mehrzahl von Einzelpulsen 51, welche jeweils eine Pulsdauer von etwa 100 Femtosekunden aufweisen und mit einer Repetitionsrate von etwa 100 Hz von der Laserlichtquelle emittiert werden. Jeder Einzelpuls 51 erzeugt einen Raumbereich 10 als Teil eines Faser-Bragg-Gitters 1, so dass bei konstanter Repetitionsrate die Gitterkonstante nur noch durch die Vorschubgeschwindigkeit der Relativbewegung 37 bestimmt ist. Ein Faser-Bragg-Gitter mit beispielsweise 10000 Raumbereichen 10 kann dann in 100 Sekunden erzeugt werden.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, statt Einzelpulsen 51 Pulszüge 5 einzusetzen, welche jeweils eine Mehrzahl von Einzelpulsen 51 enthalten. Auch die Pulszüge 5 können mit einer Repetitionsrate von 50 Hz bis etwa 1000 Hz oder mit einer Repetitionsrate von etwa 50 Hz bis etwa 200 Hz von der Laserlichtquelle 31 erzeugt werden. Demgegenüber ist der zeitliche Abstand benachbarter Einzelpulse 51 geringer. Dieser kann in einigen Ausführungsformen etwa 50 Pikosekunden bis etwa 200 µs betragen. Die Anzahl der Einzelpulse 51 innerhalb eines Pulszuges 5 kann mindestens 2 und maximal etwa 50 betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können etwa 15 bis etwa 30 Einzelpulse 51 in einem Pulszug 5 enthalten sein. Die Amplitude der Einzelpulse 51 kann, wie in 5 dargestellt, konstant sein oder die Einzelpulse 51 können unterschiedliche Amplituden und/oder Pulsdauern aufweisen. Sofern jeder einzelne Raumbereich 10 eines Faser-Bragg-Gitters 1 von einem Pulszug 5 erzeugt wird, hängt auch in diesem Fall die Gitterkonstante des erzeugten Faser-Bragg-Gitters bei konstanter Repetitionsrate nur von der Vorschubgeschwindigkeit ab. Jedoch wird jeder Raumbereich 10 von einer Mehrzahl von Einzelpulsen 51 erzeugt, wodurch eine größere Änderung des Brechungsindex erfolgen kann und/oder die Energie eines Pulszuges kann bei gleicher Änderung des Brechungsindex geringer sein als die Energie eines Einzelpulses 51 gemäß 4.
5 zeigt auf der Ordinate die Transmissionsverluste eines Faser-Bragg-Gitters und auf der Abszisse die Wellenlängenabweichung in Nanometern. Dargestellt ist im Kurvenverlauf A ein Faser-Bragg-Gitter, welches mit Einzelpulsen mit einer Pulsenergie von 470 nJ erzeugt wurde, wie anhand von 4 dargestellt. Demgegenüber zeigt Kurve B der 6 Messwerte für ein Faser-Bragg-Gitter, bei welchem jeder Raumbereich 10 mit einem Pulszug hergestellt wurde, welcher 20 Einzelpulse 51 enthält, welche jeweils eine Gesamtenergie von 280 nJ aufweisen. Jedes Faser-Bragg-Gitter enthält 1400 Raumbereiche 10.
5 zeigt eindeutig die geringere Transmission des erfindungsgemäß hergestellten Faser-Bragg-Gitters bei der gewünschten Reflektionswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters, d.h. bei einer Wellenlängenabweichung von 0 Nanometern. Dies bedeutet, dass die Reflektion des Faser-Bragg-Gitters, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, vergrößert ist. Diese verbesserten Eigenschaften des Faser-Bragg-Gitters können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, obwohl die Energie der Einzelpulse gemäß der Erfindung geringer ist als die Energie der im bekannten Verfahren eingesetzten Einzelpulse, so dass bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ein regenerativer Verstärker entfallen kann.
7 zeigt das Transmissionsspektrum von Faser-Bragg-Gittern auf der Ordinate und die Wellenlänge in Nanometern auf der Abszisse für Faser-Bragg-Gitter, welche mit unterschiedlichen Pulszügen erzeugt wurden. Die Pulszüge unterscheiden sich dabei durch die Anzahl der im Pulszug enthaltenen Einzelpulse. Kurve C zeigt die Transmission gegen die Wellenlänge für ein Faser-Bragg-Gitter zu dessen Erzeugung Pulszüge verwendet wurden, welche 5 Einzelpulse enthalten. Kurve D zeigt die Transmission eines Faser-Bragg-Gitters, bei welchem die Raumbereiche 10 durch Pulszüge mit jeweils 10 Einzelpulsen erzeugt wurden. Kurve E zeigt die Transmission eines Faser-Bragg-Gitters, zu dessen Herstellung Pulszüge mit jeweils 20 Einzelzügen verwendet wurden und Kurve F zeigt die Transmission eines Faser-Bragg-Gitters, zu dessen Herstellung Pulszüge mit jeweils 50 Einzelpulsen verwendet wurden. Aus 7 ist ersichtlich, dass mit fünf Einzelpulsen pro Pulszug kein Faser-Bragg-Gitter erzeugt werden konnte. Bei höherer Anzahl der Einzelpulse nimmt die Transmission bei einer Wellenlänge von 1546 Nanometern ab. Dies kann auf die Erzeugung eines Faser-Bragg-Gitters im Wellenleiter zurückgeführt werden. Die Transmission bzw. Reflektion des Faser-Bragg-Gitters bei 1546 Nanometern steigt bei Erhöhung der Pulszahl rasch an. Oberhalb von 20 Pulsen pro Pulszug wird nur noch eine geringe Verbesserung erzielt.
8 zeigt die Änderung des Brechungsindex zwischen dem ersten Brechungsindex n₁ des Kerns des Wellenleiters 2 und dem zweiten Brechungsindex n₂ der Raumbereiche 10 in Abhängigkeit der Anzahl der Einzelpulse in einem Pulszug auf der Abszisse. Aus 8 ist ersichtlich, dass die Änderung des Brechungsindex mit zunehmender Anzahl der Einzelpulse rasch ansteigt und bei 20 Einzelpulsen pro Pulszug ein Maximum von etwa 1,3 × 10^–3 erreicht. Somit kann in dem untersuchten Materialsystem mit diesen Pulszügen ein qualitativ hochwertiges Faser-Bragg-Gitter erzeugt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Martinez, M. Dubov, I. Khrushchev and I. Bennion: “Direct writing of fibre Bragg gratings by femtosecond laser”, Electronics Letters, Vol. 40, No. 19 (2004) 1170 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (1) in einem Wellenleiter (2), wobei der Wellenleiter (2) zumindest einen Kern (21) mit einem ersten Brechungsindex (n₁) aufweist und das Faser-Bragg-Gitter (1) eine Mehrzahl von Raumbereichen (10) enthält, welche jeweils ein Teilvolumen des Kerns (21) einnehmen und einen zweiten Brechungsindex (n₂) aufweisen, wobei die Raumbereiche (10) jeweils durch Einwirkung von Laserstrahlung auf ein Teilvolumen des Kerns (21) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung eine Mehrzahl von Pulszügen (5) enthält, welche jeweils eine Mehrzahl von Einzelpulsen (51) enthalten, wobei der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (51) geringer ist als der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulszügen (5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (51) zwischen etwa 200 µs und etwa 50 ps gewählt ist oder dass der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (51) zwischen etwa 50 µs und etwa 1 µs gewählt ist oder dass der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (51) zwischen etwa 10 ns und etwa 100 ps gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie eines Pulszuges (5) zwischen etwa 350 nJ und etwa 100 nJ beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet, dass jeder Pulszug zwischen 2 und etwa 50 Einzelpulsen enthält oder dass jeder Pulszug zwischen etwa 15 und etwa 30 Einzelpulsen enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Einzelpulse (51) im Pulszug (5) und/oder der zeitliche Abstand der Einzelpulse (51) und/oder die Amplitude der Einzelpulse (51) und/oder die Dauer der Einzelpulse (51) in Abhängigkeit einer Messgröße optimiert wird, wobei die Messgröße ausgewählt ist aus der Reflektivität des Faser-Bragg-Gitters (1) und/oder der Bandbreite des Faser-Bragg-Gitters (1) und/oder der vom Pulszug (5) erzeugten Plasmaintensität.
Verfahren Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung mit einer Regeleinrichtung (34) erfolgt und/oder dass die Optimierung mit einem genetischen Algorithmus erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulszüge (5) durch Ein- und Ausschalten einer Laserlichtquelle (31) erzeugt werden und/oder dass die Pulszüge (5) durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase des Laserlichtes (4) erzeugt werden.
Vorrichtung (3) zur Erzeugung zumindest eines Faser-Bragg-Gitters (1) in einem Wellenleiter (2) mit zumindest einem Kern (21) durch Bestrahlung einer Mehrzahl von Raumbereichen (10) des Kernes (21) mit Laserstrahlung, enthaltend – zumindest eine Laserlichtquelle (31), welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung zu erzeugen, welche eine Mehrzahl von Pulszügen (5) enthält, welche jeweils eine Mehrzahl von Einzelpulsen (51) enthalten, wobei der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (51) geringer ist als der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulszügen (5), – zumindest eine Aufnahmeeinrichtung, in welcher der Wellenleiter befestigt werden kann und welche dazu eingerichtet ist, eine Relativbewegung (37) zwischen dem Wellenleiter und der Laserlichtquelle (31) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin enthaltend eine Optik (33), mit welcher die Laserstrahlung (4) auf den Kern (21) des Wellenleiters (2) fokussierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese keinen regenerativen optischen Verstärker enthält und/oder dass die Laserlichtquelle (31), dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung (4) zu erzeugen, bei welcher die Energie eines Einzelpulses innerhalb eines Pulszuges zwischen etwa 350 nJ und etwa 100 nJ beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, weiterhin enthaltend eine Einrichtung (35, 36) zur Erfassung der Reflektivität des Faser-Bragg-Gitters (1) und/oder der Bandbreite des Faser-Bragg-Gitters (1) und/oder der vom Pulszug erzeugten Plasmaintensität.
Vorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin enthaltend eine Regeleinrichtung (34), mit welcher die Anzahl der Einzelpulse (51) und/oder der zeitliche Abstand der Einzelpulse (51) und/oder die Amplitude der Einzelpulse (51) und/oder die Dauer der Einzelpulse (51) und/oder der zeitliche Abstand der Pulszüge (5) beeinflussbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiterhin enthaltend eine Einrichtung (38) zum Schalten der Laserlichtquelle (31) oder eine Einrichtung (32) zur Beeinflussung der Amplitude und/oder der Phase der von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung.