DE60100144T2

DE60100144T2 - Optische Wellenleitervorrichtung mit Fasergitter und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE60100144T2
Application number: DE60100144T
Authority: DE
Inventors: Valerie Girardon; Carlos De Barros; Isabelle Riant
Original assignee: Oclaro North America Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 2001-01-08
Filing date: 2001-01-08
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: EP1221629A1; US20020090175A1; US6760518B2; ATE235700T1; EP1221629B1; DE60100144D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fasergitter, das einen Lichtwellenleiter umfasst, der im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht, wobei der Lichtwellenleiter einen Bereich mit einem Bragg-Beugungsgitter aufweist, sowie einen Prozess zur Herstellung eines Fasergitters.
Optische Filter haben zahlreiche Anwendungen in der optischen Kommunikation und insbesondere können sie dazu benutzt werden, Wellenlängenselektivität und eine Abstimmung in WDM-(Wavelength Division Multiplexing, Wellenlängenmultiplex)- und DWDM-(Dense Wavelength Division Multiplexing, Dichtes Wellenlängenmultiplex)-Systemen bereitzustellen. Zu diesem Zweck basieren Transmissionsfilter auf Beugungsgitterstrukturen. Fasergitterstrukturen, wie sie im Bereich der Optik und somit auch im folgenden Zusammenhang definiert werden, umfassen unter anderem FBG (Fibre Bragg Gratings, Faser-Bragg-Gitter), SBG (Slanted Bragg Gratings, geneigte Bragg-Gitter), LPG (Long Period Gratings, Lang-Perioden-Gitter) sowie Modenwandler und bieten einen fast idealen Filter-Frequenzgang und eine hohe Kanaltrennung. Das spezielle „Gitter" wird entsprechend der Anforderungen des speziellen Falles ausgewählt. Darüber hinaus können sie in verschiedenen Sensoranwendungen eingesetzt werden.
Für den Fall des Verstärkungsabgleichs wird oft ein geneigtes Bragg-Gitter (SBG) verwendet, da es bei der Filter-Wellenlänge keine Reflexion zeigt. Darüber hinaus müssen nicht zwingend optische Isolatoren verwendet werden. Das SBG ist ein Standard-Bragg-Fasergitter, das während der Fotobeschriftung um einen Winkel zwischen dem Rand des Gitters und der Normalen der Faserachse geneigt wird. Dieses SBG koppelt die meisten der in der Faser geführten Moden in Strahlungs-Moden oder Moden im Mantel in die entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung. Die Hüllkurve der Kopplungen in die verschiedenen Mantel-Moden ergibt die Filterkurve. Die Hüllkurve der Kopplungen wird durch das spezielle Filterdesign definiert. Es ist zum Beispiel aus FR 2779237A bekannt, dass ein lichtempfindlicher Mantel zur Verringerung der Spektralbreite des Gitters und eine reduzierte Lichtempfindlichkeit im Kern zur Verringerung der Reflexion bereitgestellt werden muss, wobei das Gitter kurz (800 μm) oder mit Chirp versehen sein kann, um die durch die Kopplung in diskrete Moden bewirkte Modulation zu unterdrücken. Durch Chirpen, d. h. Ränder mit variabler Periode entlang der Länge des Gitters, oder durch Verkürzung des Gitters wird jeder diskrete Mantel-Mode vergrößert.
Es wird oft bevorzugt, ein großes Übertragungsspektrum des Filters zu erhalten. Um die Kopplung in die verschiedenen Mantel-Moden durch die maximale photoinduzierte Änderung des Brechungsindex des Fasermaterials zu erhöhen, muss die Länge des Gitters erhöht oder die Chirp-Rate des Gitters verringert werden. Beide Methoden führen jedoch zu dem Nachteil, dass die diskrete Anzahl von Mantel-Moden unerwünschte diskrete unitäre Filter im Übertragungsspektrum induziert. W0070379 beschreibt ein Fasergitterfilter, das durch ein Material bedeckt ist, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex des Mantels, um die Übertragungscharakteristik des Filters abzustimmen. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist daher, die Nachteile der Filter nach dem Stand der Technik zu vermeiden und eine optische Wellenleitervorrichtung mit Fasergitter bereitzustellen, die es erlaubt, das Licht in ein Kontinuum von Strahlungsmoden zu koppeln.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Fasergitterfilter gelöst, wie in Anspruch 1 definiert.
Dies führt zu einer Schicht von Material um das optische Filter, deren Brechungsindex mit dem Mantel des Lichtwellenleiters übereinstimmt. Dadurch wird das übertragene Licht in ein Kontinuum von Strahlungsmoden gekoppelt.
Das optisch durchlässige Material glättet das Übertragungsspektrum des Filters.
Es ist von Vorteil, wenn das optisch durchlässige Material aus einem momomeren und/oder oligomeren Zwischenstoff besteht, wodurch die Verwendung einer großen Vielzahl von möglichen Zwischenstoffen ermöglicht wird, die gemäß den speziellen Anforderungen ausgewählt werden. Darüber hinaus sind diese Zwischenstoffe im Allgemeinen leichter in einer Vielzahl von Lösungsmitteln lösbar als zum Beispiel polymere oder amorphe Materialien.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung enthält der Zwischenstoff hydrolysierbare Funktionsgruppen. Daher können leicht verfügbare und preiswerte Lösungen auf Wasserbasis verwendet werden.
Es wird weiterhin bevorzugt, dass der Zwischenstoff und das optisch durchlässige Material mindestens ein Element enthalten, das aus Si, Al, Ti, Sn, Ni und/oder Mischungen davon ausgewählt wurde.
In einer vorteilhaften Ausführung enthält der Zwischenstoff organische Gruppen, was die leichte Änderung, Variation und Festlegung der physikalisch-chemischen und daher der optischen Eigenschaften der endgültigen Schicht durch eine entsprechende Auswahl der organischen Gruppen R erlaubt. Organische Gruppen, wie sie im Zusammenhang mit dieser Erfindung verstanden werden, bestehen hauptsächlich aus C- und H-Atomen, enthalten aber auch Gruppen und Teile mit Heteroatom-Funktionalitäten, wie N, S, P, Si, As, usw.
Das Material wird im Wesentlichen durch kovalente Bindungen auf der Oberfläche des Gitter-Bereichs gebunden. Daher ist die resultierende Schicht fest auf der Oberfläche der Faser angebracht und garantiert weiterhin ein stabiles Verhalten des gesamten Filters ohne durch mechanische Belastung hervorgerufene Filter-Deformation.
Das im Gitter-Bereich eingesetzte Gitter ist ein geneigtes Bragg-Gitter, das für Anwendungen des Verstärkungsabgleichs besonders vorteilhaft ist (kleine Reflexion).
Es ist von Vorteil, dass der Lichtwellenleiter einen Kern und einen äußeren Bereich aufweist, wobei der Kern bezogen auf den äußeren Bereich eine geringere Lichtempfindlichkeit aufweist, um die Reflexion zu verringern.
Das Problem der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung einer Faser mit geneigtem Bragg-Gitters gelöst, wie in Anspruch 7 definiert. In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Verfahren folgende Schritte:

- Herstellung einer Lösung von Zwischenstoff des Materials
– Bringen der Lösung in Kontakt zur Oberfläche des Lichtwellenleiters, welche den Gitter-Bereich umfasst
- Trocknen und Aushärten des Lichtwellenleiters

Das In-Kontakt-Bringen gemäß Schritt b) bedeutet zum Beispiel Eintauchen oder Sprühen oder andere einem Fachmann bekannte Methoden. Das Herstellen des Kontaktes erfolgt vorteilhaft bei Raumtemperatur, höhere oder niedrigere Temperaturen sind jedoch auch möglich.
Es wird weiterhin bevorzugt, die Oberfläche der Faser zu reinigen, bevor sie mit der Lösung in Kontakt gebracht wird.
Es ist von Vorteil, wenn das Aushärten im Temperaturbereich von 60°C bis 120°C stattfindet.
Es versteht sich von selbst, dass die oben erwähnten Vorteile und die im folgenden erläuterten Eigenschaften der Erfindung nicht nur in der speziell beschriebenen Kombination benutzt werden, sondern von einem Fachmann in anderen Kombinationen oder alleine eingesetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu überschreiten, wie in den als Anhang beigefügten Ansprüchen definiert.
Im Folgenden wird die Erfindung detailliert beschrieben.
Ein Medium mit passendem Brechungsindex, welches das SBG umgibt, erlaubt, dass das die Faser durchlaufende Licht in ein Kontinuum von Strahlungsmoden gekoppelt werden kann und glättet das Filterspektrum. Dieses Medium mit passendem Brechungsindex bildet eine äußere Schicht um das Filter und kann durch eine Kondensationsreaktion zwischen Silanol-Gruppen, die auf der Oberfläche der Siliziumoxid-Faser vorhanden sind, und den hydrolysierbaren Gruppen des momomeren und/oder oligomeren Zwischenstoffs aufgebracht werden. Die momomeren und/oder oligomeren Zwischenstoffe sind hauptsächlich metallorganische Verbindungen, wie z. B. Organosilane oder Titan und/oder Aluminium-Alkoholate, Zinn-Organo-Verbindungen, Nickeloxide oder andere, einem Fachmann bekannte molekulare Zwischenstoffe und Mischungen davon. Diese Grenzfläche des Mediums mit passendem Brechungsindex verleiht den geeigneten Brechungsindex, der eine Glättung des Filterspektrums erlaubt. Die Oberflächenbeschichtung wird auf der Faser durch Bildung von kovalenten Bindungen fixiert und garantiert ein stabiles Verhalten ohne durch mechanische Belastungen verursachte Filter-Deformation. Wenn Organosilane verwendet werden, ist ihre allgemeine Formel R_nSiX_(4-n), wobei X eine hydrolysierbare Gruppe ist (als nicht einschränkendes Beispiel werden die folgenden Gruppen bevorzugt: Halogen, Alkoxid OR', Aryloxid oder Arylamin, wobei R' eine organische Funktionsgruppe ist, die auch Heteroatome enthalten kann). Nach der Hydrolyse (in situ oder durch Zugabe von Wasser erzeugt) wird eine reaktive Silanol-Gruppe-SiOH gebildet, die in der Lage ist, mit den Silanol-Gruppen der Oberfläche der Siliziumoxid-Faser zu kondensieren, um Siloxan-Bindungen zu bilden. Durch Hydrolyse der Organosilane wird ein Alkohol gebildet, wie z. B. Methanol oder Ethanol, wenn R' Methyl-, bzw. Ethyl ist.
Ein optionaler Reinigungsschritt erlaubt die Aktivierung der Hydroxyl-Gruppen auf der Siliziumoxid-Oberfläche und die Entfernung des durch Physisorption gebundenen Wassers und der Verunreinigungen.
Durch Variation der organischen Gruppe R' werden die Eigenschaften des Brechungsindex der Schicht kontrolliert.
Stabile Kondensationsprodukte erhält man auch über wohlbekannte Sol-Gel-Prozesse, wenn zum Beispiel die oben erwähnten entsprechenden Aluminium- und Titan-Verbindungen verwendet werden.
Bei der Kondensation des Silanols auf der Siliziumoxid-Oberfläche werden Wassermoleküle synthetisiert, und eine komplette Kondensation wird mit Hilfe eines abschließenden Schritts einer Erhitzung bewirkt. Man erhält ein vernetztes oder lineares polymeres Produkt.
Durch Aufgingen einer solchen dauerhaften Schicht eines Materials mit passendem Brechungsindex werden die gesamten optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters mit dem Filter gemäß der spezifischen Anforderungen geändert.
Schritt b) des Prozesses gemäß der Erfindung wird detailliert für den Beispielfall der Verwendung von Silanverbindungen erläutert:
Durch Mischen des Silans mit Alkohol, z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol, usw. und einer Menge Wasser erhält man eine wässerige alkoholische Lösung, welche das Silan enthält. Das organische Lösungsmittel wird richtig ausgewählt, um eine gute Löslichkeit des jeweiligen Silans sicherzustellen. Das zusätzliche Wasser kontrolliert die Freisetzung der Silanol-Gruppen des in dem Alkohol gelösten Organosilans. Der Kondensations-Wirkungsgrad ist von der chemischen Struktur des Organosilans abhängig, d. h. der Silangruppe in der organischen Kette, und steht in Relation zum chemischen Prozess der Kondensationsreaktion. Der pH-Wert der wässerigen Alkohollösung ändert die kinetische Rate der Hydrolyse-Kondensation und die Struktur der Polymer-Schicht. Die Morphologie des Materials (lineare Ketten oder stark vernetztes Polymer) kann durch Anpassung der Versuchsbedingungen eingestellt werden.
Der Teil mit dem Filter wird für 5–20 Minuten in die wässerige Alkohollösung eingetaucht, die das Silan enthält. In einer anderen bevorzugten Ausführung wird die Lösung auf die Faser gesprüht. Durch den Aushärtungsschritt der Silan-Schicht, der einige Minuten im Temperaturbereich von 60–120°C, vorzugsweise bei 80–100°C stattfindet, wird die komplette Kondensation erreicht.
Durch Verwendung speziell ausgewählter Lösungsmittel können sogar polymere organische Seitenketten von Organo-Silizium-Verbindungen in dem Prozess gemäß der Erfindung verwendet werden. Die kovalenten Bindungen der Siloxan-Bindungen garantieren eine sehr gute Adhäsion der Schicht, die außerdem unempfindlich gegen Temperaturänderungen und gegen Feuchtigkeit ist. Durch diese Stabilität der Grenzschicht wird sichergestellt, dass die optischen Eigenschaften bei der natürlichen Alterung des Fasergitters beibehalten bleiben.

Claims

Fasergitterfilter, das einen Lichtwellenleiter umfasst, der im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht, wobei der Lichtwellenleiter einen Bereich aufweist, der ein Beugungsgitter enthält, und dieser Bereich mit einem Beugungsgitter von einer Schicht bedeckt ist, die aus einem Material besteht, das einen angepassten Brechungsindex hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter ein Bragg-Gitter ist, das bezogen auf die Achse des Lichtwellenleiters geneigt ist und das erwähnte Material der Schicht durch kovalente Bindungen an den Lichtwellenleiter gebunden ist und den selben Brechungsindex hat wie das Material des Mantels des Lichtwellenleiters.
Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einem monomeren und/oder oligomeren Zwischenstoff besteht.
Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material hydrolysierbare Funktionsgruppen enthält.
Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff und das Material mindestens ein Element enthalten, das aus Si, Al, Ti, Sn, Ni und/oder Mischungen davon ausgewählt wurde.
Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff und das Material organische Gruppen enthalten.
Bauelement gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter einen Kern und einen äußeren Bereich hat, wobei der Kern bezogen auf den äußeren Bereich eine geringere Lichtempfindlichkeit aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Faser mit geneigtem Bragg-Gitter, das folgende Schritte umfasst: – Bereitstellung eines UV-empfindlichen Bereichs in einem Lichtwellenleiter, der aus einem Kern und einem Mantel besteht – Schreiben des Musters eines Bragg-Gitters, das bezogen auf die Faserachse geneigt ist – Umgeben des Bereichs des geneigten Bragg-Gitters mit einem Material, welches den selben Brechungsindex hat wie der Brechungsindex des Mantels, so dass das Licht im Mantel und der umgebenden Schicht in ein Kontinuum von Strahlungsmoden gekoppelt wird, wobei der Mantel und das Material durch kovalente Bindungen miteinander verbunden werden
Verfahren zur Herstellung einer Faser mit geneigtem Bragg-Gitter gemäß Anspruch 7, das folgende Schritte umfasst: a. Herstellung einer Lösung von Zwischenstoff des Materials b. Bringen der Lösung in Kontakt zur Oberfläche des Lichtwellenleiters, welche den Gitter-Bereich umfasst c. Trocknen und Aushärten des Lichtwellenleiters
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Aushärtung in einem Temperaturbereich von 60°C bis 120°C stattfindet.