DE69116166T2 - Verfahren zur herstellung von optischen fasergittern - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausbildung zweier oder mehrerer Bragg-Gitter in einem Faser- Lichtwellenleiter.
• In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "Licht" auf den Teil des elektromagnetischen Spektrums, der allgemein als sichtbarer Bereich bekannt ist, zusammen mit jenen Bereichen der infraroten und ultravioletten (UV) Bereiche an den jeweiligen Enden des sichtbaren Bereichs, die durch dielektrische Lichtwellenleiter wie z. B. Lichtleitfasern übertragen werden können.
• Es besteht beträchtliches Interesse an der Ausnutzung der Lichtempfindlichkeit in Germaniumsilikat-Lichtleitfasern für Anwendungen in den Bereichen der optischen Kommunikation und der optischen Sensoren. Die ersten Berichte über dauerhafte, optisch erzeugte Anderungen des Brechungsindex von Lichtleitfasern stammen von K. O. Hill, Y Fujii, D. C. Johnson und B. S. Kawasaki in "Photosensitivity in Optical Fibure Waveguides: Application to Reflection Filter Fabricationy" Appl. Phys Lett, 32, 647 (1978). In deren Experiment erzeugte eine kohärente Strahlung bei 514,5 nm, die an den Faserenden reflektiert wurde, eine stehende Welle in der Faser, die eine periodische Brechungsindexveränderung längs der Faser verursachte. Diese bildete in der Faser ein Bragg-Gitter mit hoher Reflektivität aus, welche bei der Wellenlänge des zugehörigen Strahls eine Spitze aufwies. Seit dieser Zeit sind viele Studien über den Gitterwachstumsmechanismus und über lichtempfindliche Fasern durchgeführt worden - siehe z. B. D. K. W. Lam, B. K. Garside, "Charakterisation of Single-Mode Optical Fibre Filters" Appl. Phys., 62, 4371 (1987). Jedoch ist der Mechanismus, der zur Störung des Brechungsindex des Faserkerns führt, nicht vollständig verstanden. Es wurde festgestellt, daß der Spektralbereich, in dem die Faser lichtempfindlich ist, vom UV-Bereich bis ungefähr 700 nm reicht.
• Es gibt viele mögliche Anwendungen für Fasergitter. Zum Beispiel können in Telekommunikationsanwendungen abstimmbare integrierte Fasergitter, die von außen mit einem UV- Laser erzeugt worden sind, für die Spektralregelung von Faserlasern verwendet werden. B. S. Kawasaki, H. O. Hill, D. C. Johnson und Y. Fuji stellen im Artikel "Narrow-Band Bragg reflectors in optical fibres", Optics Letters, Band 3, Nr.2, August 1978, S. 66-68 fest, daß eine wichtige Eigenschaft des Gitterbildungsvorgangs ist, inwieweit die Filterantwort zugeschnitten werden kann. Zum Beispiel besteht ein Verfahren zur Ausbildung eines komplexen Filters darin, zwei oder mehrere einfache Bandsperr- Charakteristika in der gleichen Faser zu überlagern, indem die Faser gleichzeitig oder nacheinander mit Licht verschiedener Wellenlängen bestrahlt wird.
• Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Ausbildung der Bragg-Gitter ist, durch Interferieren zweier kohärenter Strahlen in einem geeigneten Winkel die Gitter von der Seite her zu schreiben. Der Gitterabstand wird durch den Schnittwinkel der beiden Strahlen bestimmt, so daß verschiedene Gitterabstände durch Einstellen dieses Winkels ausgebildet werden können.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schreiben zweier Bragg-Gitter in einem Faser-Lichtwellenleiter mittels eines optischen Schreibvorgangs dadurch gekennzeichnet, daß während des jeweiligen Schreibvorgangs die Faser mit unterschiedlicher Längsspannung beaufschlagt wird, wobei alle Gitter zum Zeitpunkt des Schreibens die gleiche Bragg-Bedingung aufweisen.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Schreiben zweier oder mehrerer Bragg-Gitter, ohne daß eine Bestrahlung mit mehreren Wellenlängen erforderlich ist.
• Das Verfahren der vorliegenden Erfindung nutzt die Tatsache, daß Lichtleitfasern theoretisch um bis zu 20 % linear gedehnt werden können. Wenn eine lichtbrechende Faser der Länge 1 mit dem Licht eines Lasers der Wellenlänge λ&sub0; behandelt wird, ergibt dies ein Gitter mit einer Periode von ungefähr λ&sub0;/2neff, wobei neff der Fasermodus- Brechungsindex ist. Wenn die Faser nun um Δl gedehnt wird, wird bei der Bestrahlung ein Gitter mit der gleichen Teilung, d. h. der gleichen Bragg-Bedingung, wie vorher geschrieben. Wenn die Faser nach dem Schreiben bis zu ihrer ungedehnten, normalen Länge entspannt wird, ist die Teilung dieses zweiten Gitters etwas kleiner als die des ersten Gitters. Im Falle eines Reflexionsfilters besitzt das zweite Gitter eine Spitzenwellenlänge, die kleiner ist als die Schreib-Wellenlänge. Dies kann fortgesetzt werden, um in der gleichen Faser mehrere unterschiedliche geteilte Gitter zu schaffen.
• Wenn z. B. in der Faser zwei Gitter mit verschiedenen Perioden vorhanden sind, ist unter der Annahme, daß diese irgendeine relative Phasenbeziehung aufweisen, die Indexmodulation der Faser effektiv gegeben durch die Überlagerung der beiden Indexmodulationen. Sie ist gegeben durch
• neff(Z) = A&sub1; cos ((k&sub1; + k&sub2;)Z) cos ((k&sub1; - k&sub2;)Z), wobei k&sub1; und k&sub2; die Wellenzahlen der beiden Gitter, Z die Ausbreitungsrichtung und A&sub1; die Amplitude der Brechungsindexstörung sind. Derzeit ist der zweite Modulationsterm von Interesse, wobei angenommen werden kann, daß der erste Term, der ein Hochfrequenzterm ist, eine Konstante ist. (Dieser Hochfrequenzterm kann prinzipiell als Reflexionsfilter für kurze Wellenlängen verwendet werden). Somit ergibt sich nun die Indexmodulation zu
• neff (Z) = A&sub2; cos ((k&sub1; - k&sub2;)Z).
• Mit diesem Ausdruck wird deutlich, daß durch Wählen der Perioden der beiden optisch geschriebenen Gitter ein resultierendes Gitter mit einer beliebigen Periode erzeugt werden kann. Das in die Faser geschriebene Frequenzdifferenzgitter ist bei Anwendungen wie z. B. SHG, Polarisationsumsetzung und Modenwandlung von besonderer Bedeutung, da es ermöglicht, daß die erforderlichen Phasenangleichungsbedingungen für diese Prozesse angepaßt werden können. Die aktuelle Betriebswellenlänge hängt nur von der Differenz der Werte k&sub1; und k&sub2; ab und nicht von der aktuellen Schreibwellenlänge selbst. Eine einfache Berechnung zeigt z. B., daß die Faser um ungefähr 2 % gedehnt werden muß, wenn sie für die Phasenangleichung in einer SHG-Anwendung verwendet werden soll. Für Polarisations- und Modenwandler werden auch kleinere Veränderungen der Faserlänge benötigt. Diese Faserlängenänderungen können mit der derzeit in den Experimenten verwendeten Faser leicht erreicht werden.
• Ferner ist es möglich, Reflexionsgitter für die Verwendung im Telekommunikationsbandbereich von 1,3 bis 1,5 um zu schreiben, wenn die Faser um ungefähr 10 % gedehnt werden kann. Dies liegt noch innerhalb des theoretisch vorhergesagten Bereichs; jedoch ist aufgrund von Fehlern bei der Herstellung der Faser nicht klar, ob dies durchführbar ist. Unter der Annahme, daß dies durchführbar ist, ermöglicht dies das Schreiben stark reflektierender, schmalbandiger Gitter in der Faser. Ferner wäre es möglich, mehrere Gitter in die Faser zu schreiben, die eine Impulserzeugung und Formung des einfallenden Laserlichts ermöglichen würden.
• Ein einfaches Verfahren zum Beaufschlagen der Faser mit verschiedenen Längsspannungen, um die verschiedenen Dehnungen zu erzeugen, besteht darin, ein Ende der Faser einzuklemmen und mittels einer piezoelektrischen Vorschubvorrichtung, die an das andere Ende der Faser geklemmt ist, eine Zugspannung anzulegen. Selbstverständlich können auch andere Spannvorrichtungen wie z. B. eine angeklemmte Mikrometerschraube, die anstelle der piezoelektrischen Vorschubvorrichtung am Faserende angebracht ist, verwendet werden.
• Es können andere Schreibtechniken verwendet werden, wie z. B. Wickeln der Faser um einen Zylinder, wobei die Faser mit der Zugspannung beaufschlagt wird, indem der Radius des Zylinders durch eine piezoelektrische Ausdehnungsvorrichtung verändert wird. Ferner kann die Faser mit einem piezoelektrischen Mantel beschichtet werden, wobei die Dehnung durch Verändern der angelegten Spannung verändert werden kann.
• Die Erfindung ist sowohl auf externe Gitterschreibverfahren als auch auf Gitter anwendbar, die durch Einkoppeln eines Lichtsignals in die Faser geschrieben werden.
• Im folgenden wird beispielhaft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen,
• Fig. 1 ein schematisches Schaubild einer Vorrichtung ist, die speziell zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist;
• Fig. 2 eine Kennlinie für den Reflexionsgrad und den Transmissionsgrad eines Fasergitters als Funktion der relativen Dehnung ist; und
• Fig. 3 eine Kennlinie für den Reflexionsgrad und den Transmissionsgrad einer Faser mit zwei Gittern als Funktion der angewandten Dehnung ist.
• In Fig. 1 ist der Experimentalaufbau gezeigt, der verwendet wurde, um in Einmoden-Germaniumsilikatfasern bei 514,5 nm Gitter zu schreiben. Ein Ende 4 einer Faser 2 mit einem Radius von 0,9 um und einem Δn von 0,012 ist in einem Glasring 5 eingeschlossen und mit einer Klammer 6 festgeklemmt. Das andere Ende 8 der Faser 2 ist mit einer piezoelektrischen Vorschubvorrichtung 10 verbunden, mit der die Länge der Faser, die in diesem Fall ungefähr 50 cm beträgt, um bis zu 20 um verändert werden kann. Die Gitter werden geschrieben, indem ein Argon-Ionen-Laser 12, mit einer Wellenlänge von 514,5 nm über einen halbdurchlässigen Spiegel 14 und eine Linse 16 in das Ende 4 der Faser 2 eingekoppelt wird. Das während des Schreibens eines Gitters am Ende 8 der Faser 2 austretende Signal wird auf einen Photodetektor 18 fokussiert. Das anwachsende Signal, das von dem in der Faser 2 ausbildenden Gitter reflektiert wird, tritt am Ende 4 der Faser 2 aus und wird von der Linse 16 fokussiert und durch den halbdurchlässigen Spiegel 14 auf einen Photodetektor 20 reflektiert.
• Während des Schreibens und des Lesens wird die Polarisation der Eingangs- und Überwachungsstrahlen sorgfältig geregelt.
• Das Reflexionsprofil der Faser 2 nach dem Schreiben der Gitter wird erhalten, indem Licht mit 514,5 nm und 0,5 mW in die Faser eingekoppelt wird und die Faser anschließend unter Verwendung der piezoelektrischen Vorschubvorrichtung 10 gedehnt wird.
• Fig. 2 zeigt den Reflexionsgrad/Transmissionsgrad bei niedriger Leistung für ein typisches, in der Faser ausgebildetes Gitter, nachdem von einem Einmoden-Argon-Ionen- Laser 12 für ungefähr 2 Minuten 250 mW in die Faser eingekoppelt worden sind. Dies ergibt das Reflexionsgrad/Transmissionsgradprofil des Gitters, da sich die Bragg-Bedingung des Gitters linear mit der Dehnung verändert. Mit diesen Daten ergab sich, daß das Gitter ein Spitzenverhältnis von 70 % und eine Bandbreite von 482 MHz aufweist. Das in Fig. 2 gezeigte Profil des Gitters ist dem sinc²-Reflexions-Profil ähnlich, das Bragg-Reflektoren normalerweise zugeordnet ist.
• Durch Verändern der an die Faser 2 angelegten Zugspannung vor dem Schreiben eines Gitters können in die gleiche Faser drei weitere Gitter optisch geschrieben werden, die sich in ihrer Spitzenwellenlänge jeweils um 46 GHz unterscheiden. Durch Verändern der an die Faser angelegten Zugspannung können die vier in die Faser geschriebenen Gitter abgetastet werden.
• Fig. 3 zeigt den Transmissionsgrad und den Reflexionsgrad als Funktion der angelegten Zugspannung für ein Prüfsignal von 514,5 nm aus dem Argon-Laser 12 für einen Dehnungsbereich, der zwei der vier Gitter abtastet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ausbildung zweier oder mehrerer Bragg-Gitter in einem Faser-Lichtwellenleiter durch einen optischen Schreibvorgang, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser während jedes Schreibvorgangs mit einer unterschiedlichen Längsspannung beaufschlagt wird, wobei alle Gitter zum Zeitpunkt des Schreibens die gleiche Bragg- Bedingung aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem alle Gitter geschrieben werden, indem Lichtsignale mit der gleichen Wellenlänge in die Faser eingekoppelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Lichtsignale eine Wellenlänge von 514,5 nm besitzen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, das ein Überwachen der aus der Faser zurückgeworfenen Strahlung umfaßt, um das Schreiben der Gitter zu überwachen.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zugspannung mittels einer piezoelektrischen Dehnungsvorrichtung an die Faser angelegt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Faser eine Einmoden-Germaniumsilikat-Lichtleitfaser ist.