DE19928970A1 - Lichtleiter zum Einsatz in einem Bragg-Gitter und diesen verwendendes Lichtleiter-Bragg-Gitter - Google Patents

Lichtleiter zum Einsatz in einem Bragg-Gitter und diesen verwendendes Lichtleiter-Bragg-Gitter

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Abstract

Es werden ein Lichtleiter zur Verwendung in einem Lichtleiter-Bragg-Gitter sowie ein Lichtleiter-Bragg-Gitter zur Verfügung gestellt, welches einen derartigen Lichtleiter verwendet. Der Lichtleiter weist einen Kern auf, der aus einem Material besteht, das man durch Hinzufügen von Germaniumoxid (GeO¶2¶) zu Siliziumoxid (SiO¶2¶) erhält, und der zum Führen von Licht dient, sowie einen Mantel, der durch Hinzufügung eines Materials mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Siliziumoxid (SiO¶2¶) hergestellt wird, wobei der Brechungsindex des Mantels niedriger ist als jener des Kerns. Daher kann die Änderung der Bragg-Wellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur dadurch minimiert werden, daß der Lichtleiter unter Verwendung eines Materials mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiter für ein Lichtleiter-Bragg-Gitter, und insbesondere einen Lichtleiter zur Verwendung in einem Bragg-Gitter vom Typ eines optischen Wellenleiters, bei welchem ein Beugungsgitter innerhalb des Lichtleiters oder des optischen Wellenleiters vorgesehen ist, sowie ein Lichtleiter-Bragg-Gitter, welches diesen verwendet.
Es gibt verschiedene Arten von Beugungsgittern für optische Geräte. Im Falle eines Beugungsgitters zum Einsatz in einem optischen Kommunikationssystem ist es jedoch geeignet, ein Beugungsgitter vom Typ eines optischen Wellenleiters einzusetzen, welches sich einfach mit einem optischen Wellenleiter verbinden läßt, und geringe Einfügungsverluste oder Dämpfungsverluste aufweist.
Ein herkömmliches Beugungsgitter vom Typ eines optischen Wellenleiters wird so hergestellt, daß man Ultraviolettstrahlung auf einen Lichtleiter auf Quarzgrundlage einfallen läßt, der einen Kern mit hohem Brechungsindex aufweist, der mit Germaniumoxid (GeO2) dotiert ist, um eine periodische Änderung des Brechungsindex des Kerns hervorzurufen.
Bei dem Beugungsgitter, welches man mit dem voranstehend erwähnten herkömmlichen Verfahren erhält, ändert sich jedoch der Musterabstand, in welchem sich der Brechungsindex ändert, infolge der Wärmeausdehnung. Da sich der effektive Brechungsindex in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, ändert sich auch eine Reflexionswellenlänge (die nachstehend als "Bragg-Wellenlänge" bezeichnet wird), infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur in Bezug auf den Ort, an welchem das Beugungsgitter angebracht ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer Lösung der voranstehend angegebenen Probleme und in der Bereitstellung eines Lichtleiters zur Verwendung in einem Bragg-Gitter, der die Änderung der Bragg-Wellenlängen minimieren kann, selbst wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Bragg-Lichtleiter-Gitters, welches den Lichtleiter verwendet.
Um den ersten Vorteil zu erzielen wird ein Lichtleiter zur Verfügung gestellt, der einen Kern aufweist, der aus einem Material besteht, welches man durch Hinzufügung von Germaniumoxid (GeO2) zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, und der zum Führen von Licht dient, sowie einen Mantel, dem man durch Hinzufügung eines Materials mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, wobei der Brechungsindex des Mantels niedriger ist als jener des Kerns, und das Material, welches dem Mantel zugefügt wird, vorzugsweise Zirkonoxid (ZrO2) ist.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtleiter zur Verwendung in einem Licht­ leiter-Bragg-Gitter zur Verfügung gestellt, welcher aufweist: einen Kern, der aus einem Material besteht, das man durch Hinzufügung von Germaniumoxid (GeO2) zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, und der zum Führen von Licht dient, einen inneren Mantel, der zumindest Siliziumoxid (SiO2) enthält, und einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Kern, und einen äußeren Mantel, den man durch Hinzufügen eines Materials mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, wobei der äußere Mantel den inneren Mantel umgibt, und das dem Mantel hinzugefügte Material vorzugsweise Zirkonoxid (ZrO2) ist.
Um den zweiten Vorteil zu erreichen wird ein Licht­ leiter-Bragg-Gitter zur Verfügung gestellt, welches einen Kern aufweist, der aus einem Material besteht, das man durch Hinzufügung von Germaniumoxid (GeO2) zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, und der zum Führen von Licht dient, sowie einen Mantel, den man durch Hinzufügung eines Materials mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, wobei der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist, und ein Bragg-Gitterbereich, der mehrere Abschnitte mit sich änderndem Brechungsindex entlang der optischen Achse aufweist, innerhalb des Kerns vorhanden ist. Hierbei ist das dem Mantel hinzugefügte Material vorzugsweise Zirkonoxid (ZrO2).
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 und 2 den körperlichen Aufbau und das Profil des Brechungsindex eines Lichtleiters zur Verwendung in einem Beugungsgitter unter Verwendung von TiO2;
Fig. 3 die Änderung der Wärmeausdehnungskoeffizienten in Bezug auf die Konzentrationen von TiO2 und ZrO2; und
Fig. 4 ein Lichtleiter-Bragg-Gitter, welches durch Einstrahlung von UV-Strahlen auf einen Abschnitt hergestellt wird, an welchem ein Lichtleitergitter erzeugt werden soll.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Lichtleiter, die bei der Herstellung eines Lichtleiter-Bragg-Gitters verwendet werden können, wobei die oberen Abschnitte den körperlichen Aufbau der Lichtleiter erläutern, und die unteren Abschnitte die Profile der Brechungsindizes der Lichtleiter.
Der in Fig. 1 dargestellte Lichtleiter weist einen Kern 11 und einen Mantel 12 auf. Um Licht durch den Kern 11 zu führen, muß hierbei der Brechungsindex des Kerns 11 größer sein als jener des Mantels 12. Der in Fig. 2 dargestellte Lichtleiter weist einen Kern 21, einen inneren Mantel 22 sowie einen äußeren Mantel 23 auf. Damit Licht durch den Kern 21 hindurchgeführt werden kann, muß der Brechungsindex des Kerns 21 höher sein als jener des inneren Mantels 22.
Bei dem Aufbau des in Fig. 1 dargestellten Lichtleiters ist der Kern 11 aus GeO2 und SiO2 hergestellt, und der Mantel 12 aus TiO2 oder ZrO2, sowie SiO2. Bei dem Aufbau des in Fig. 2 dargestellten Lichtleiters ist der Kern 21 aus GeO2 und SiO2 hergestellt, der innere Mantel 22 aus SiO2, und der äußere Mantel 23 aus TiO2 oder ZrO2 sowie SiO2.
Im einzelnen ist in Fig. 1 der Kern 11 so hergestellt, daß GeO2 in SiO2 eindotiert wurde. Der Mantel 12 weist einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern 11 auf, und ist so ausgebildet, daß in SiO2 entweder TiO2 oder ZrO2 enthalten ist. In Fig. 2, die einen Doppelmantellichtleiter zeigt, ist der Kern 21 so ausgebildet, daß GeO2 in SiO2 enthalten ist. Der Brechungsindex des inneren Mantels 22 ist niedriger als jener des Kerns 21, und der innere Mantel 22 ist so ausgebildet, daß er zumindest SiO2 enthält. Der Brechungsindex des äußeren Mantels 23 ist niedriger als jener des Kerns 21, und der äußere Mantel 23 ist so ausgebildet, daß zumindest entweder TiO2 oder ZrO2 in SiO2 enthalten ist. Der äußere Mantel 23 kann so ausgebildet sein, daß zusätzlich B und F in SiO2 enthalten ist.
Ein Lichtleiter zur Verwendung in einem Lichtleiter-Bragg-Gitter reagiert empfindlich auf die Temperatur. Auch der Brechungsindex eines Kerns, der in dem Lichtleiter vorgesehen ist, reagiert empfindlich auf die Temperatur. Die Periode, also der Musterabstand des Gitters, welches in dem Kern ausgebildet ist, nimmt in Abhängigkeit von der Temperatur zu oder ab. Anders ausgedrückt ändert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns in Abhängigkeit von der Temperatur. Im einzelnen läßt sich die Bragg-Wellenlänge (λB) durch den effektiven Brechungsindex (n) des Kerns ausdrücken, und durch den Abstand (Λ) der sich ändernden Periode des Brechungsindex des Beugungsgitters, wie dies in Gleichung (1) angegeben ist:
λB = 2nΛ (1)
Nunmehr wird die Gleichung (1) nach der Temperatur (T) differenziert, um die Änderung der Bragg-Wellenlänge (λB) in Abhängigkeit von der Temperatur zu erhalten, die durch Gleichung (2) oder (3) ausgedrückt wird:
Hierbei ist n der effektive Brechungsindex des Kerns, Λ der Abstand der sich ändernden Periode des Brechungsindex des Beugungsgitters, ΔT die Temperaturänderung, α der Wärmeausdehnungskoeffizient
und ζ der Temperaturkoeffizient
des Brechungsindex des Kerns.
Nimmt man beispielsweise für den Wärmeausdehnungskoeffizienten α einen Wert von 0,5×10-8/°C an, für den Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex des Kerns ζ einen Wert von 6,8×10-8/°C, und eine Bragg-Wellenlänge λB bei Zimmertemperatur von 1550 nm, so läßt sich die Änderung der Bragg-Wellenlänge λB unter Verwendung der Formel (3) berechnen, nämlich zu 0,0113 nm/°C. Liegt daher die Umgebungstemperatur in einem Bereich von -20°C bis 60°C, also beträgt ΔT = 80°C, so ist die maximale Änderung der Bragg-Wellenlänge λB gleich 0,9 nm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Änderung der Bragg-Wellenlänge eines Lichtleiters innerhalb des Lichtleiters selbst zu kompensieren, ohne daß getrennt ein externes Gerät eingesetzt werden muß, so daß sich bei derartigen Temperaturänderungen die Bragg-Wellenlänge des Lichtleiters nicht ändert. Anders ausgedrückt ist es besonders wünschenswert, daß die durch Formel (2) ausgedrückte Änderung der Bragg-Wellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur gleich Null ist. Allerdings ist in Formel (2) der Wert von
eine positive Konstante, und ändert sich der Wert von
der den bestimmenden Faktor für den Wärmeausdehnungskoeffizienten darstellt, in Abhängigkeit von der Art der Materialien, die zur Herstellung des Kerns verwendet werden. Daher kann die Änderung der Bragg-Wellen­ länge in Abhängigkeit von der Temperatur dadurch minimiert werden, daß ein Mantel unter Verwendung eines Materials mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizient eingesetzt wird.
Materialien, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, umfassen TiO2 und ZrO2. Die Änderungen der Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) in Bezug auf die Konzentrationen von TiO2 und ZrO2, in Mol-%, sind in Fig. 3 angegeben. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weisen die Wärmeausdehnungskoeffizienten von TiO2 und ZrO2 beide negative Werte auf, und ist der Absolutwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten von ZrO2 etwa vier mal so groß wie jener von TiO2, bei denselben Konzentrationspegeln. Ein Lichtleiter, der ZrO2 statt TiO2 aufweist, kann daher zur Bereitstellung eines Lichtleiter-Bragg-Gitters dienen, welches erheblich weniger temperaturempfindlich ist und verläßlicher ist.
Ultraviolettstrahlen werden auf Abschnitte der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Lichtleiter dort aufgestrahlt, wo ein Gitter ausgebildet werden soll, wodurch ein Licht­ leiter-Bragg-Gitter hergestellt wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Weiterhin kann das Lichtleiter-Bragg-Gitter bei derartigen optischen Geräten oder Komponenten wie beispielsweise einem Koppler, einem Reflexionsfilter, einem Fabry-Perot-Filter und dergleichen eingesetzt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn ein Lichtleiter hergestellt wird, der bei der Ausbildung eines Licht­ leiter-Bragg-Gitters verwendet werden soll, der Lichtleiter unter Verwendung eines Materials mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, wodurch die Änderungen der Bragg-Wellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur minimiert werden. Daher kann man ein Licht­ leiter-Bragg-Gitter erhalten, welches nur eine geringe Änderung der Bragg-Wellenlänge bei einer Änderung der Umgebungstemperatur in jener Umgebung zeigt, in welcher das Lichtleiter-Bragg-Gitter vorgesehen ist, sowie in Bezug auf eine Änderung der Temperatur des Gitters selbst, wodurch die Verläßlichkeit des Lichtleiter-Bragg-Gitters bei WDM-Kommunikation (Kommunikation mit Wellenlängenunterteilungsmultiplexen) und dergleichen erhöht wird.

Claims (9)

1. Lichtleiter zur Verwendung in einem Lichtleiter-Bragg-Gitter, welcher aufweist:
einen Kern aus einem Material, das man durch Hinzufügen von Germaniumoxid (GeO2) zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, und der zum Führen von Licht dient; und
einen Mantel, den man durch Hinzufügen eines Materials mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, wobei der Brechungsindex des Mantels niedriger ist als jener des Kerns.
2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ,das dem Mantel zugefügte Material Zirkonoxid (ZrO2) ist.
3. Lichtleiter zur Verwendung in einem Lichtleiter-Bragg-Gitter, welcher aufweist:
einen Kern, den man aus einem Material erhält, das durch Hinzufügung von Germaniumoxid (GeO2) zu Siliziumoxid (SiO2) erhalten wird, und der zum Führen von Licht dient;
einen inneren Mantel, der zumindest Siliziumoxid (SiO2) aufweist, und einen niedrigeren Brechungsindex hat als der Kern; und
einen äußeren Mantel, den man durch Hinzufügen eines Materials mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, wobei der äußere Mantel den inneren Mantel umgibt.
4. Lichtleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem äußeren Mantel hinzugefügte Material Zirkonoxid (ZrO2) ist.
5. Lichtleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel durch zusätzliches Hinzufügen von Bor (B) oder Fluor (F) zum Siliziumoxid (SiO2) ausgebildet wird.
6. Lichtleiter-Bragg-Gitter, welches aufweist:
einen Kern, der aus einem Material besteht, das man durch Hinzufügen von Germaniumoxid (GeO2) zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, und der zum Führen von Licht dient; und
einen Mantel, den man durch Hinzufügen eines Materials mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Siliziumoxid (SiO2) erhält, wobei der Brechungsindex des Mantels niedriger ist als jener des Kerns,
wodurch ein Bragg-Gitterbereich mit mehreren Abschnitten mit unterschiedlichem Brechungsindex entlang der optischen Achse innerhalb des Kerns vorgesehen ist.
7. Lichtleiter-Bragg-Gitter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dem äußeren Mantel hinzugefügte Material Zirkonoxid (ZrO2) ist.
8. Lichtleiter-Bragg-Gitter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel umfaßt:
einen inneren Mantel, der zumindest Siliziumoxid (SiO2) aufweist, und dessen Brechungsindex niedriger ist als jener des Kerns; und
einen äußeren Mantel, der zumindest Zirkonoxid (ZrO2) enthält, und den inneren Mantel umgibt.
9. Lichtleiter-Bragg-Gitter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel durch zusätzliches Hinzufügen von Bor (B) oder Fluor (F) zum Siliziumoxid (SiO2) ausgebildet wird.
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