DE60221435T2

DE60221435T2 - Faser-Bragg-Gitter mit langer Periode, geschrieben mit Alternie-Render, seitlicher IR-Laser-Belichtung

Info

Publication number: DE60221435T2
Application number: DE60221435T
Authority: DE
Inventors: John Andover BENDA; Aristotle East Hampton PARASCO
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2002-01-02
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2022-12-28
Also published as: US20030121289A1; US20050204779A1; EP1463967B1; JP2005515491A; US20050217321A1; AU2002364241A1; DE60221435D1; WO2003060581A1; EP1463967A1; JP4547155B2; US7946137B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren zum Erzeugen eines optischen Beugungsgitters für eine Lichtleitfaser vorzugsweise unter Verwendung eines CO₂-Lasers.
Lichtleitfasern werden zum Übertragen von Licht für industrielle Zwecke verwendet, wie zum Beispiel für die Telekommunikation und für Sensoranwendungen. Eine Lichtleitfaser bzw. ein Lichtleiter kann einen Kern, einen Mantel und einen Puffer aufweisen. Der Kern dient als Hauptübertragungsmedium oder Kanal für das Licht, das sich durch die Faser hindurch fortpflanzt. Eine Mantelschicht umgibt den Kern und hat typischerweise einen anderen Brechungsindex als das Übertragungsmedium des Kanals. Der Mantel kann als weiterer Kanal zum Übertragen von Licht dienen. Die Pufferschicht, die die Kernschicht und die Mantelschicht umgibt, kann zum Eliminieren von Licht in der Mantelschicht verwendet werden.
Eine Einzelmoden-Telekommunikationsfaser kann einen Kern aus Quarzglas mit einem Durchmesser von etwa 8 μm aufweisen, das zum Erhöhen seines Brechungsindexes dotiert ist und von einer Mantelschicht mit einem Durchmesser von 125 μm aus Quarzglas und einem Polymer-Puffer mit einem Durchmesser von 240 μm umgeben ist. Mantelmoden werden normalerweise durch den Puffer eliminiert, breiten sich jedoch aus, wenn der Puffer entfernt ist. Während eine Einmodenfaser eine einzige Kernmode aufweist, die sich in Vorwärtsrichtung ausbreitet, hat die Faser zahlreiche diskrete Mantelmoden von Licht, die sich in der Mantelschicht ausbreiten.
Für bestimmte Anwendungen kann eine Lichtleitfaser ein Lichtgitter aufweisen, wie zum Beispiel ein Bragg-Gitter. Insbesondere ist ein solches Gitter für verschiedene Anwendungen auf dem Gebiet der Telekommunikation von Nutzen.
Ferner kann eine solche Faser aufgrund ihrer Ansprechempfindlichkeit auf Temperatur, Druck und den Brechungsindex der Umgebung der Faser als Sensor verwendet werden.
Im Allgemeinen weist ein Bragg-Gitter bei einer Lichtleitfaser eine periodische Veränderung in dem körperlichen Zustand der Faser auf, wie zum Beispiel eine Veränderung beim Brechungsindex oder eine Abtragung oder ein Entfernen von Bereichen der Faser, die geführte Strahlung im Kern der Faser in einen anderen geführten Modus in der Faser oder in manchen Fällen in ungeführte Strahlung, die aus der Faser entweicht, umwandeln können. Bragg-Gitter können in zwei Formen vorliegen: Bragg-Gitter mit kurzer Periode und Bragg-Gitter mit langer Periode. Bragg-Gitter mit kurzer Periode werden normalerweise zum Rückstrahlen des geführten Kernmodus in einer Einmodernfaser in die sich in der gegenläufigen Richtung ausbreitende Kernmode verwendet. Bragg-Gitter mit langer Periode wandeln die Kernmode in Mantelmoden um.
Ein Bragg-Gitter wandelt Licht von einer Mode in eine andere geführte Mode oder eine ungeführte Mode innerhalb eines schmalen Bereichs von Wellenlängen um, die als sogenannte Resonanzwellenlängen bezeichnet werden. Wie bekannt ist, werden die Resonanzwellenlängen durch folgende Gittergleichung bestimmt: 2π/λ = |β2(λ) – β1(λ)|dabei bedeuten λ die Gitterperiode, β₁ die Ausbreitungskonstante der ursprünglichen Kernmode und β₂ die Ausbreitungskonstante der abgehenden Mode. Ausbreitungskonstanten definieren die axiale Phasenvariation der geführten Mode und sind Funktionen der Wellenlänge.
Ein Bragg-Gitter für eine Lichtleitfaser wird am häufigsten dadurch gebildet, dass auf eine Seite einer Faser ein Laser mit einer periodischen Verteilung von UV-Licht von einem Excimer-Laser gerichtet wird. Das Verfahren funktioniert nur mit Siliziumdioxidfasern bzw. Quarzfasern, deren Kernindex durch Dotierung mit Germaniumdioxid erhöht worden ist. Durch Belichten von mit Germaniumdioxid dotiertem Siliziumdioxid mit UV-Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge wird der Brechungsindex von diesem verändert. Die Änderung des Brechungsindex bildet dann den Mechanismus, der für die Gitterbildung verantwortlich ist.
Das Gitter wird normalerweise unter Verwendung einer Maske als Schablone erzeugt. Der Vorgang wird durch Hydrieren der Faser vor der Bildung des Gitters unterstützt. Die Hydrierung besteht darin, dass die Faser unter hohem Druck stehendem Wasserstoff bei einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, wobei es sich um einen potenziell gefährlichen Vorgang handelt. Nach der Bestrahlung mit der UV-Strahlung muss die Faser dann "gebrannt" werden, um den Wasserstoff auszutreiben und das Gitter zu stabilisieren. Die Resonanzwellenlänge des Gitters ändert sich aufgrund dieses Brennvorgangs etwas. Es sind auch bereits Gitter mit einem CO₂-Laser und einer thermischen Spleißeinrichtung gebildet worden, doch die veröffentlichten Resultate scheinen schlechter zu sein als die Resultate, die mit einem durch UV-Strahlung gebildeten fotorefraktiven Gitter erzielt werden.
Die US 6 067 391 offenbart ein System zum Herstellen eines optischen Filters an einer Lichtleitfaser.
Die US 5 502 786 offenbart ein weiteres Verfahren zum Bilden eines Gitters an einer Lichtleitfaser.
Es besteht somit ein Bedarf für eine Technik zum Erzeugen eines Gitters an einer Lichtleitfaser in einer sicheren und effektiven Weise.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser geschaffen, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Gemäß einem weiteren Gesichtpunkt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Herstellen einer Lichtleitfaser geschaffen, wie es in Anspruch 14 beansprucht ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Laser zuerst auf eine erste Stelle auf der Faser gerichtet und dann auf eine zweite Stelle gerichtet, die relativ zu der ersten Stelle auf der Faser in Radialrichtung versetzt ist. Mit anderen Worten wird der Laser auf die eine Seite und dann auf die andere Seite der Faser aufgestrahlt. Die Faser verändert sich lokal an jeder Stelle, so dass ein gleichmäßiges Gitter erzeugt wird.
Der Laser verursacht eine Verformung und möglicherweise eine Erwärmung der Stelle an der Lichtleitfaser, um das Gitter zu bilden. Ein Infrarot-Laser, wie zum Beispiel die Strahlung von einem CO₂-Laser, kann zum Verformen der Faser dienen. Der Laser kann einen Abtastvorgang über die Faser ausführen und an vorbestimmten Punkten des Abtastmusters aktiviert werden. Auf diese Weise erfolgt die Veränderung der Faser in konsistenter Weise, so daß ein effizienteres Gitter erzeugt wird.
Ferner kann das Gitter an einer Lichtleitfaser mit einer Übertragungsschicht und einer Mantelschicht gebildet werden. Es können zwei voneinander beabstandete Gitter gebildet werden, um dadurch eine Lichtleitfaser für Anwendungszwecke bei Sensoren zu bilden. Das eine Gitter dient zum Abgeben von Licht von dem Kern in die Mantelschicht. Das zweite Gitter führt das Licht von der Mantelschicht zu dem Kern zurück. Licht von der Mantelschicht, das sich nun im Kern befindet, interferiert mit dem Licht, das sich durch den Kern ausbreitet. Das kombinierte Licht enthüllt Details über die die Faser umgebende Umgebung.
Eine gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren gebildete Lichtleitfaser ist genauer als eine Lichtleitfaser, wie sie mit vielen bestehenden Techniken gebildet wird. Die Lichtmoden, die die Mantelschicht durchlaufen, sind besser definiert. Auch ist das Verfahren relativ sicher.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich den Fachleuten aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsform. Die die ausführliche Beschreibung begleitenden Zeichnungen lassen sich kurz wie folgt beschreiben:
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Lichtleitfaser und einem Laser;
1A zeigt die Lichtleitfaser der 1, wobei ein Kern, eine Mantelschicht und eine Pufferschicht im Detail zu sehen sind;
1B zeigt eine alternative Ansicht der Lichtleitfaser der 1;
1C zeigt eine Seitenansicht der Lichtleitfaser der 1, wobei das Gitter schematisch dargestellt ist;
2 zeigt eine alternative Ansicht des Ausführungsbeispiels der 1, wobei die Lichtleitfaser, der Laser, Abtastspiegel und Drehspiegel dargestellt sind;
3 zeigt eine Übersichtsdarstellung der Lichtleitfaser mit der Richtung des Lasers der 1 und 2;
4A zeigt eine Modellübertragung von Licht durch eine Lichtleitfaser unter Darstellung der Übertragung von Licht durch die Kern- und die Mantelschicht;
4B zeigt eine Modellübertragung von Licht durch eine Lichtleitfaser unter Darstellung der Übertragung von Licht durch die Kern- und die Mantelschicht;
5 zeigt die Übertragung von Licht durch eine Lichtleitfaser mit einem Gitter, das gemäß der erfindungsgemäßen Technik gebildet ist;
6 zeigt eine Spektralanalyse Licht durch die Lichtleitfaser der 5;
7 zeigt eine Spektralanalyse Licht durch eine Lichtleitfaser ähnlich der Faser der 6 ohne ein Gitter;
8 zeigt die Übertragung von Licht durch eine Lichtleitfaser mit einem Gitter, das gemäß der erfindungsgemäßen Technik gebildet ist;
9 zeigt eine Spektralanalyse von Licht durch die Lichtleitfaser der 8;
10 zeigt eine Spektralanalyse von Licht durch eine Lichtleitfaser ähnlich der Faser der 8 ohne ein Gitter;
11 zeigt die Übertragung von Licht durch eine Lichtleitfaser mit einem Gitter, das gemäß der erfindungsgemäßen Technik gebildet ist;
12 zeigt eine Spektralanalyse von Licht durch eine Lichtleitfaser gemäß 11;
13 zeigt eine Spektralanalyse von Licht durch eine Lichtleitfaser ähnlich der Faser der 11 ohne ein Gitter;
14 zeigt eine Spektralanalyse von Licht durch eine Lichtleitfaser mit einem Gitter, das gemäß der erfindungsgemäßen Technik gebildet ist;
15 zeigt einen Sensor, ein Mach-Zehnder-Interferometer, unter schematischer Darstellung des Gitters, das gemäß der erfindungsgemäßen Technik gebildet ist;
16 zeigt eine Spektralanalyse von Licht durch ein Mach-Zehnder-Interferometer unter Verwendung eines Gitters, das gemäß der erfindungsgemäßen Technik gebildet ist; und
17 zeigt eine Spektralanalyse von Licht durch ein Mach-Zehnder-Interferometer unter Verwendung eines Gitters, das gemäß der erfindungsgemäßen Technik gebildet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
1 veranschaulicht die Gitterbildungstechnik 20, bei der eine Lichtleitfaser 24 in beabstandeter Weise zwischen zwei Drehspiegeln 28 und 32 angeordnet ist. Wie in 1A gezeigt ist, umfaßt die Lichtleitfaser 24 einen Kern 36, einen Mantel 40 und einen Puffer 44, die alle durch bekannte Verfahren hergestellt sind. Generell wird Licht in erster Linie durch den Kern 36 und alternativ durch den Mantel 40 übertragen. Der Puffer 44 löscht Lichtmoden aus. Wie in 1B gezeigt ist, beinhaltet im Gegensatz zu bestehenden Techniken die Gitterbildungstechnik 20 das Richten eines Laserstrahls 48 auf eine erste Stelle 56 und das anschließende Richten des Laserstrahls 52 auf eine zweite Stelle 58, die von der ersten Stelle 56 in Umfangsrichtung versetzt ist. Bei dem Laserstrahl 48 und dem Laserstrahl 52 kann es sich um einen Laser von der gleichen Quelle handeln. Dabei ist die erste Stelle 56 von der zweiten Stelle 58 um einen Winkel θ von vorzugsweise 180° winkelmäßig versetzt. Auf diese Weise kann ein Gitter 62 auf dem Kern 36, dem Mantel 40 und dem Puffer 44 gebildet werden, wie dies in 1C schematisch dargestellt ist.
Wie in 3 dargestellt ist, wird die erste Stelle 56 ferner in regelmäßigen Intervallen entlang der Y-Achse von der zweiten Stelle 58 axial verlagert. Der Vorgang wird über die Länge der Lichtleitfaser 24 wiederholt, um ein Gitter zu bilden. Bei dem Laserstrahl 48, 52 kann es sich um einen Infrarot-Strahl von einer fokussierten Infrarot-Quelle handeln, und zwar um einen Strahl, dessen Wellenlänge außerhalb des von Quarzglas übertragenen Bereichs liegt, wie zum Beispiel um einen CO₂-Laser. Der Laserstrahl 48, 52 erwärmt die Lichtleitfaser 24, so dass eine Tendenz zum Verformen der Faser lokal in Mikro-Biegungen 62 entsteht, wie dies in 3 gezeigt ist. Der Laserstrahl 48, 52 kann bei einer lokalen Brechungsindexänderung Restspannungen in der Faser zurücklassen.
Die Gitterbildungstechnik 20 erzeugt ein Gitter bestehend aus mikroskopischen Biegungen 62, wie dies schematisch in 3 gezeigt ist. Die Mikro-Biegungen 62 sind an der Lichtleitfaser 24 gebildet, die den Kern 36, den Mantel 40 und den Puffer 44 beinhaltet, und können eine allgemein symmetrische Sinusform in der Lichtleitfaser 24 aufweisen. Diese Technik beinhaltet die Möglichkeit zum Bilden von Gittern in Fasern ohne Germaniumdioxid-dotierte Kerne und ohne Hydrierung.
Bei früheren Arbeiten unter Verwendung eines CO₂-Lasers wurde die Faser nur auf einer Seite, d.h. an axial voneinander versetzten Stellen, jedoch nicht an ra dial voneinander versetzten Stellen, bestrahlt. Es kam zu einem beträchtlichen einseitigen Kräuseln der Faser, so dass ein nicht gerade effizientes Gitter entstanden ist. Das resultierende Strahlungsmuster, das aufgrund des Gitters in dem Mantel erzeugt wird, lässt sich nicht als irgendeine gut definierte Mantelmode identifizieren. In der Tat sind keine Bilder von Mantelmoden bei früheren Arbeiten veröffentlicht worden. Die Gitterbildungstechnik 20 kann die Kräuselung in vorteilhafter Weise nutzen, um ein symmetrisches Gitter zu bilden, wie es in 3 gezeigt ist.
2 veranschaulicht ein computergesteuertes Abtastsystem 66 zum Richten des Laserstrahls 48 im Allgemeinen entlang einer Achse, beispielsweise der Z-Achse, auf die Lichtleitfaser 24 auf der einen Seite von dieser und dann auf der anderen Seite in regelmäßigen Abständen voneinander entlang der Faserlänge. Die Stellen, zum Beispiel die erste Stelle 56 und die zweite Stelle 58, auf entgegengesetzten Seiten der Faser 24 sind um die Hälfte der Biegemusterperiode voneinander getrennt, wie dies in 3 gezeigt ist.
Zwei Abtastspiegel, nämlich ein erster Abtastspiegel 70 und ein zweiter Abtastspiegel 74, werden zum Rastern des Laserstrahls 48 über die Lichtleitfaser 24 in Verbindung mit einem ersten Drehspiegel 28, der eine Reflexionsfläche 29 aufweist, und einem zweiten Drehspiegel 30, der eine Reflexionsfläche 33 aufweist, verwendet. Die Reflexionsfläche 29 ist der Reflexionsfläche 33 teilweise zugewandt. Sowohl der erste Drehspiegel 28 als auch der zweite Drehspiegel 32 sind in einem Winkel von etwa 45° in Relation zu der dargestellten Z-Achse beidseits der Lichtleitfaser 24 angeordnet. Die Computersteuerung 78 sorgt für die betriebsmäßige Steuerung der Abtastspiegel 70, 74 mittels bekannter Mechanismen und führt eine derartige Steuerung aus, dass der Laserstrahl von dem Laser 82 einen Abtastvorgang über der Reflexionsfläche 29 und der Reflexionsfläche 33 in einem Abtastmuster 84 ausführt, wobei es sich um ein quadratisches Muster mit abgerundeten Ecken handelt, um eine gleichmäßige Richtungsänderung des Abtastspiegels zu vereinfachen, wie dies in 1 zu sehen ist. Es können auch andere Abtastmuster in bekannter Weise verwendet werden.
Der erste Abtastspiegel 70 weist eine Reflexionsfläche 71 auf, während der zweite Abtastspiegel 74 eine Reflexionsfläche 75 aufweist. Die Reflexionsfläche 71 ist der Reflexionsfläche 75 teilweise zugewandt. Wie weiter in der Zeichnung zu sehen ist, wird der Laserstrahl 48 zu der geeigneten Zeit, und zwar in Dunkelbereichen 88 des Sinusmusters, aktiviert, um die Lichtleitfaser 24 abwechselnd auf jeder Seite und vorzugsweise nicht auf der Oberseite der Faser zu bestrahlen.
2 veranschaulicht auch die Platzierung der Lichtleitfaser 24 zwischen den Drehspiegeln 28 und 32 sowie unter den Abtastspiegeln 70 und 74. 1 veranschaulicht den tatsächlichen Weg des Laserstrahls 48 bei Betrachtung von oben und veranschaulicht die Bereiche des Weges, in denen der Laser 82 aktiviert wird. In den Dunkelbereichen 88 ist der Laserstrahl 48 stets eingeschaltet, wobei sich der rasch bewegende Abtastspiegel in der gleichen Richtung bewegt, so dass auf der einen Seite der Lichtleitfaser 24 ein Abtastvorgang von oben nach unten (entlang der Richtung des Pfeils A) stattfindet, während auf der anderen Seite der Lichtleitfaser 24 ein Abtastvorgang von unten nach oben (entlang der Richtung des Pfeils B) stattfindet. Dies ist wichtig, um ein symmetrischeres Muster zu erzeugen, da die Faser wärmer wird, während sich der Strahl über diese bewegt.
Ferner ist es auch bevorzugt, dass der Laserstrahl nicht eng auf die Faser fokussiert wird, da ein eng fokussierter Laserspot die Tendenz hat, die Faser abzutragen. Die Spotgröße an der Stelle der Faser kann derart gewählt werden, dass sie in etwa die halbe Periode des gewünschten Biegemusters beträgt, um eine stärker sinusförmige Wellung der Faser hervorzurufen. Die Gitterperiode λ sowie die resultierende Spektralresonanz wird durch einfaches Verändern der Beabstandung zwischen den Abtastlinien variiert.
Ein Gitter gebildet aus mikroskopischen Biegungen in einer Faser, wie dies in 3 zu sehen ist, erzeugt erwartungsgemäß asymmetrische Mantelmoden, d.h. mit einer Azimutzahl von 1. In einem kreisförmigen Koordinatensystem variiert die Amplitude der Mantelmode als cosθ oder sinθ, und das Intensitätsmuster variiert als cos²θ oder sin²θ. (Andere Azimutzahlen würden zu einem Intensitätsmuster führen, das als cos^2vθ oder sin^2vθ variiert.) Die Mantelmoden niedriger Ordnung können angenähert werden, und zwar in einer Weise, wie dies in der Technik in Form von LP-Moden bekannt ist. Die Moden zeichnen sich durch eine steigende Anzahl von Ringen bei steigender Modenzahl.
Die 4A und 4B zeigen ein im Schnitt dargestelltes Modellintensitätsprofil einer Lichtleitfaser für den LP14- bzw. den LP15-Modus. Gitter für eine asymmetrische Mode sind bei durch Excimer-Laser erzeugten fotorefraktiven Gittern schwer herstellbar, da das Gitter steil geblazed werden muss. D.h. die Gitterlinien sind eng voneinander beabstandet und nahezu parallel zu dem Faserkern.
Die 5, 8 und 11 veranschaulichen experimentell erzeugte Bilder von Mantelmoden, die mit Gittern gebildet werden, die anhand der Gitterbildungstechnik 20 erzeugt sind. Die 5 und 8 zeigen Bilder, bei denen es sich offenbar um gute Annäherungen für LP14-Moden handelt. 11 zeigt einen frühen Versuch zum Erzeugen eines LP15-Modus. In letzterem Fall führte schlechtes Abtrennen des Faserendes zu einem verzerrten Bild, jedoch sind fünf Ringe deutlich erkennbar.
Weiterhin sind in Bezug auf diese Figuren Spektralanalysen von weißem Licht dargestellt, das durch die Gitter der vorstehend genannten Lichtleiter übertragen wird (s. 6, 9, 12). Dabei ist die übertragene Energie gegenüber der Wellenlänge aufgetragen. In jeder dieser Figuren sind die dem Gitter zugeordneten Resonanzen deutlich sichtbar, wobei eine in der Nähe einer Wellenlänge von 1,55 μm vorhanden ist. Das Spektrum der Weißlichtquelle, das durch eine jeweilige Faser vor dem Schreiben des Gitters übertragen worden ist, ist für Vergleichszwecke dargestellt. Die Mantelmodenbilder wurden mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 1,55 μm erzeugt, die nahe der Resonanz von Interesse liegt. Die LP14-Gitter waren drei Zentimeter lang. Das LP15-Gitter war zwei Zentimeter lang.
6 veranschaulicht eine Spektralanalyse von weißem Licht, das durch die Lichtleitfaser der 5 übertragen worden ist, die die Übertragung von weißem Licht durch den Kern 90 und den Mantel 94 zeigt. 7 zeigt eine Spektralanalyse des weißen Lichts durch eine ähnliche Faser ohne ein Gitter.
Wie in den 6 und 7 zu sehen ist, handelt es sich bei der Mantelmode offenbar um eine LP14-Mode mit horizontal orientierten Bögen bzw. Keulen.
9 zeigt eine Spektralanalyse von weißem Licht, das durch die Lichtleitfaser der 8 mit einem Gitter übertragen worden ist. 10 zeigt die Spektralanalyse des weißen Lichts durch eine ähnliche Faser ohne ein Gitter. Der Mantelmodus ist offenbar einem LP14 ähnlich, wobei die Keulen in einem Winkel von ca. 60° zu der Horizontalen orientiert sind.
12 zeigt eine Spektralanalyse von weißem Licht, das durch die Lichtleitfaser der 11 mit einem Gitter übertragen worden ist. 13 zeigt die Spektralanalyse des weißen Lichts durch eine ähnliche Faser ohne ein Gitter. Obwohl 11 ein verzerrtes Bild aufgrund einer schlechten Faserabtrennung zeigt, weist die Mantelmode fünf identifizierbare Ringe auf, wobei es sich wahrscheinlich um eine LP15-Mode handelt.
Die LP14-Gitterresonanzen in der Nähe von 1,55 μm in den 5 und 8 sind mehr als 90 % tief. 14 zeigt die Übertragung eines ähnlich geschriebenen Gitters auf einer logarithmischen Skala. Die Figur zeigt, dass es möglich ist, Resonanzen mit einer Tiefe von mehr als 20 dB (99 %) zu erzielen. Die Gitter mit den tiefsten Resonanzen erzeugen tendenziell Mantelmoden, die nicht so gut ausgebildet sind wie die vorstehend dargestellten, jedoch kann eine Optimierung des Prozesses zu einer Verbesserung dieses Resultats führen. Änderungen bei den Parametern, wie der Spotgröße an der Faser, der Abtastgeschwindigkeit und der Laserenergie, können zu Änderungen bei den Resultaten führen.
Frühere Arbeiten durch einen CO₂-Laser erzeugten Gittern, bei denen die Faser nur auf einer Seite bestrahlt wurde, führten zu Gittern, die durch einen Indexanstieg in dem Kern erzeugt wurden, wie dies bei mit einem Excimer-Laser erzeugten Gitter der Fall ist. Dieser Vorgang wird durch Hydrierung gesteigert. Dieser Indexanstieg führt zu einer Verschiebung in der Resonanz-Wellenlänge in Richtung auf längere Wellenlängen bei der Bildung des Gitters, d.h. bei Zunahme des durchschnittlichen Indexes des Kerns und der Gitterstärke. Dies re sultiert in erster Linie aus einer Verschiebung bei der Ausbreitungskonstante der Kernmode bei steigendem Kernindex.
Bei mit einem CO₂-Laser geschriebenen Gittern, die eine wechselseitige Bestrahlung verwenden, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, erfolgt die Verschiebung bei steigender Gitterstärke in Richtung auf kürzere Wellenlängen. Der Mechanismus der Gitterbildung kann anders sein als bei mittels Excimer-Lasern erzeugten Gittern. Er kann das Resultat der Bildung von mikroskopischen Biegungen oder Mikro-Biegungen sein, wie diese in 3 gezeigt sind.
Ein Mach-Zehnder-Interferometer kann unter Verwendung von Gittern gebildet werden, die unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Technik geschrieben sind, wie dies in 15 gezeigt ist. Eine solche Vorrichtung ist als Sensor oder Schalter verwendbar. Das Interferometer 98 besitzt einen Kern 102 und einen Mantel 106. Licht 108 breitet sich durch den Kern 102 aus. Das erste Gitter 110 gibt Licht 108 in den Mantel 106 ab. Das abgegebene Licht 112 kehrt durch ein zweites Gitter 114 zu dem Kern 102 zurück, wo das abgegebene Licht 112 mit dem in dem Kern 112 verbliebenen Licht 108 interferiert. Diese Interferenz erzeugt Interferenzstreifen.
Zur Erzielung einer guten Sichtbarkeit von Streifen ist es notwendig, dass sich Mantelmoden ohne nennenswerte Verzerrung ausbreiten. Die 16 und 17 zeigen die Resultate von Licht, das durch das Interferometer 98 übertragen worden ist. Wie in diesen Zeichnungen zu sehen ist, sind Streifen deutlich erkennbar, jedoch wird in signifikanter Weise weniger als 100 % des Lichts im Zentrum der Resonanz zu dem Kern zurückgeführt. Jedoch ist dieses Gitter anderen Gittern überlegen, die unter Verwendung anderer Techniken erzeugt wurden. In der Tat erlaubt die Gitterbildungstechnik 20 das rasche Schreiben von Bragg-Gittern mit langer Periode unter Verwendung eines CO₂-Lasers. Die Gitterperiode lässt sich in einfacher Weise verändern, da der Prozess keine Masken verwendet. Eine Hydrierung der Faser ist nicht erforderlich. Als Ergebnis hiervon ist auch kein anschließendes Brennen erforderlich. Es wird ein kostengünstigerer, effizienterer Laser verwendet. Es werden asymmetrische Mantelmoden erzeugt, die sich mit durch Excimer-Laser erzeugten fotorefraktiven Gitter schwer erzielen lassen.
Die vorstehende Beschreibung ist exemplarisch und nicht einschränkend zu verstehen. In Anbetracht der vorstehend geschilderten Lehren sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es sind die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart worden. Für einen Durchschnittsfachmann ist jedoch erkennbar, dass gewisse Modifikationen im Umfang der Erfindung möglich sind. Somit kann im Umfang der beigefügten Ansprüche die Erfindung auch anders ausgeführt werden, als dies speziell beschrieben worden ist. Aus diesem Grund sollten zur Bestimmung des wahren Umfangs und Inhalts der vorliegenden Erfindung die nachfolgenden Ansprüche herangezogen werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: A) Richten eines ersten Laserstrahls (48) auf eine erste Stelle (56) einer Lichtleitfaser (24), die einen Umfang aufweist und sich entlang einer Achse erstreckt; B) Richten eines zweiten Laserstrahls (52) auf eine zweite Stelle (58) der Lichtleitfaser (24), die von der ersten Stelle (56) im Umfangsrichtung versetzt ist; wobei das Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser gekennzeichnet ist durch: C) Verformen der Lichtleitfaser (24) um die erste Stelle (58) durch den ersten Laserstrahl (48); D) Verformen der Lichtleitfaser (24) um die zweite Stelle (58) durch den zweiten Laserstrahl (52); und E) Bilden eines Gitters an der Lichtleitfaser (24) durch die Schritte C) und D); sowie dadurch, dass der Schritt des Verformens der Lichtleitfaser (24) das Bilden einer Biegung in der Lichtleitfaser (24) beinhaltet; und dass die zweite Stelle (58) von der ersten Stelle (56) entlang der Achse der Lichtleitfaser (24) verlagert ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei die Schritte A und B wiederholt werden, so dass die erste Stelle (56) von der zweiten Stelle (58) in regelmäßigen Intervallen axial verlagert wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schritte, A, B, C und D wiederholt werden, um die Lichtleitfaser (24) in regelmäßigen Intervallen zu verformen.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens einer der Laserstrahlen (48, 52) die Lichtleitfaser (24) erwärmt, um das Gitter zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Verformung der Lichtleitfaser (24) eine Änderung beim Brechungsindex der Lichtleitfaser (24) hervorruft.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei es sich bei der ersten Stelle (56) um einen von der zweiten Stelle (58) abgelegenen Bereich einer Biegung handelt.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der erste Laserstrahl (48) und der zweite Laserstrahl (52) von der gleichen Laserquelle stammen.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Laserstrahlen (48, 52) von einer Kohlendioxid-Laserquelle stammt.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Laserstrahlen (48, 52) von einer Infrarot-Laserquelle stammt.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Laserstrahlen (48, 52) die Abtastung zumindest teilweise in einem Abtastmuster vornimmt.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach Anspruch 10, wobei mindestens einer der Laserstrahlen (48, 52) von einer Laserquelle (82) stammt, die an vorbestimmten Punkten des Abtastmusters aktiviert wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Lichtleitfaser (24) eine Übertragungsschicht und eine Mantelschicht aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Gitter gebildet werden.
System zum Herstellen einer Lichtleitfaser, aufweisend: eine Laserquelle (82); einen ersten Drehspiegel (28) mit einer ersten Reflexionsfläche (29) zum Empfangen eines ersten Laserstrahls (48) von der Laserquelle (82) und zum Reflektieren des ersten Laserstrahls (48) an einer ersten Stelle (56) einer Lichtleitfaser (24), die einen Umfang aufweist und sich entlang einer Achse erstreckt; und einen zweiten Drehspiegel (32) mit einer zweiten Reflexionsfläche (33) zum Empfangen eines zweiten Laserstrahls (52) von der Laserquelle (82) und zum Reflektieren des zweiten Laserstrahls (52) an einer zweiten Stelle (58) der Lichtleitfaser (24), die von der ersten Stelle (56) in Umfangsrichtung verlagert ist und entlang der Achse der Lichtleitfaser (24) von der ersten Stelle (56) verlagert ist: wobei das System zum Herstellen einer Lichtleitfaser dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner wenigstens einen Abtastspiegel aufweist, der mindestens einen der Laserstrahlen (48, 52) auf wenigstens einen der Drehspiegel (28, 32) richtet.
System zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach Anspruch 14, wobei der erste Laserstrahl (48) und der zweite Laserstrahl (52) von der gleichen Laserquelle stammen.
System zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach Anspruch 14 oder 15, wobei die erste Reflexionsfläche (29) der zweiten Reflexionsfläche zumindest teilweise zugewandt gegenüberliegt.
System zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Drehspiegel (28, 32) einen Laserstrahl jeweils die gleiche Achse entlang richten.
System zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei mindestens einer der Drehspiegel (28, 32) relativ zu der Achse in einem Winkel von ca. 45 Grad angeordnet ist.
System zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der mindestens eine Abtastspiegel einen ersten Abtastspiegel (70) mit einer ersten Reflexionsfläche und einen zweiten Abtastspiegel (74) mit einer zweiten Reflexionsfläche (75) aufweist.
System zum Herstellen einer Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei ein Computer (78) den mindestens einen Abtastspiegel (70, 74) steuert.