DE69326434T2

DE69326434T2 - Methode zur Herstellung von verteilten Bragg-Reflektoren in optischen Medien

Info

Publication number: DE69326434T2
Application number: DE69326434T
Authority: DE
Inventors: Victor Mizrahi; John Edward Sipe
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: JPH06230207A; EP0611972B1; JP2931194B2; EP0611972A2; EP0611972A3; DE69326434D1; US5309260A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Be- und Verarbeiten von optischen Wellenleitergegenständen, wie etwa optischen Fasern, und insbesondere auf das Bilden passiver optischer Bauteile, die in den Wellenleitergegenständen integriert sind, durch Verwenden aktinischer Strahlung zum Modulieren des Brechungsindex.

Fachlicher Hintergrund

Bestimmte optische Medien einschließlich wenigstens einiger optischer Fasern auf der Grundlage von Quarzglas oder Silika können durch Belichten mit elektromagnetischer Strahlung im geeigneten spektralen Bereich verändert werden. (Diese Strahlung, welche typischerweise ultraviolette Strahlung ist, wird nachfolgend als aktinische Strahlung bezeichnet). Das heißt, das Belichten einer photoempfindlichen optischen Faser (oder eines anderen optischen Mediums) mit aktinischer Strahlung kann bewirken, daß sich der Brechungsindex im belichteten Abschnitt des Mediums ändert. Die auftreffende Strahlung kann mit einem periodischen Muster versehen sein, z. B. durch Überlagern eines Strahlenpaares im wesentlichen monochromatischer Strahlung von z. B. einem Laser, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Wenn dieses gemusterte Strahlungsfeld auf eine optische Faser oder einen anderen optischen Wellenleiter mit einem Kern geeigneter Photoempfindlichkeit fällt, wird der Kern in Form periodischer (oder quasiperiodischer) Störungen des Brechungsindex des Kernes mit einem entsprechenden Muster versehen. Dieses Muster, welches oftmals als "Bragg-Gitter" oder als "verteilter Bragg-Reflektor" (distributed Bragg Reflector, DBR) bezeichnet wird, kann sich als spektral wählbarer Reflektor elektromagnetischer Strahlung verhalten. Auf diese Weise ausgebildete Bragg-Gitter sind insbesondere als Endreflektoren bei optischen Faserlasern nützlich. Diese Bragg-Gitter sind sowohl nützlich, weil diese spektral auswählend sind und einfach in der gleichen optischen Faser, die das aktive Lasermedium trägt, auszubilden sind.
Ein Verfahren zum Erzeugen dieser Bragg-Gitter wird im US Patent 4,725,110 beschrieben, herausgegeben von W. H. Glenn et al., 16. Februar 1988, und im US Patent 4,807,950, herausgegeben von W. H. Glenn et al., am 28. Februar 1989. Ein optischer Faserlaser mit einer DBR-abgeschlossenen Kammer wird in G. A. Ball und W. W. Morey beschrieben, "Continuously tunable single-mode erbium fiber laser", Optics Letter 17 (1992) 420-422.
Bragg-Gitter sind als passive optische Bauteile für andere Anwendungen neben Endreflektoren in Faserlasern nützlich. Beispielsweise sind Bragg-Gitter als Spektralfilter für Wellenlängenmultiplex und weitere optische signalverarbeitende Anwendungen nützlich. Ein optisches Filter, welches ein Bragg-Gitter umfaßt, welches in einer optischen Faser ausgebildet ist, wird im US Patent 5,007,705, herausgegeben am 16. April 1991 von W. W. Morey et al., beschrieben.
Beobachtet wird, daß wenn ein Paar überlagerter Laserstrahlen zum Ausbilden eines Bragg-Gitters in einer optischen Faser verwendet wird, das erhaltene Gitter bestimmte optische Merkmale zeigt, die im wesentlichen unerwünscht sind. Spezifisch zeigt das Reflexionsspektrum des Gitters ein oder mehrere verhältnismäßig scharfe Nebenmaxima oder eine regelmäßig beabstandete Folge dieser Maxima an einer Seite des Hauptmaximums, im wesentlichen der Seite mit kurzer Wellenlänge. (Diese Nebenmaxima werden nachfolgend als "Feinstruktur" bezeichnet). Diese Feinstruktur ist beispielsweise bei einem Rückkopplungs-Stabilisierungssystem unerwünscht, bei dem die Ausgangswellenlänge eines Lasers auf das Hauptmaximum des Bragg-Gitters ein- oder verrastet. Wenn das Gitter Nebenmaxima aufweist, ist für die Abstimmung des Lasers möglich, als Reaktion auf Umgebungsstörungen auf ein Nebenmaximum zu schalten. Daher kann das Vorhandensein der Feinstruktur ein Lasersystem dieser Art weniger stabil gegen Umgebungsstörungen machen.
Beispielhaft zeigt Fig. 1 ein experimentell gemessenes Spektrum der spezifischen Durchlässigkeit eines typischen Bragg-Gitters, das in einer optischen Faser ausgebildet ist (bei Fehlen von Verlusten beträgt die Summe der spezifischen Durchlässigkeit und des Reflexionsvermögens 100%). Das Spektrum umfaßt ein breites Hauptmaximum 10 und eine Reihe von Nebenmaxima 15.
Wir führen diese Seitenband-Feinstruktur auf Interferenzauswirkungen bezogen auf das mittlere axiale Profil des Brechungsindex im Gitterbereich zurück. (Mit "Achsen"-Richtung ist die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung im Gitter gemeint). Das heißt, der Brechungsindex der Faser (oder anderer Wellenleitermedien) im Gitterbereich wird in Hinsicht einer Störung δ(z) geeignet beschrieben, welche die Differenz zwischen diesem Brechungsindex und dem Brechungsindex der nicht belichteten Faser beschreibt, und in Hinsicht auf die Änderung der Störung entlang der Achsenrichtung (d. h. der z- Richtung). Die Störung ändert sich periodisch einhergehend mit aufeinander folgenden Lichträndern und schwarzen Rändern im Interferenzmuster, welches diese erzeugt hat. Jeder interferierende Strahl weist jedoch einen räumlich veränderlichen bzw. sich räumlich ändernden Intensitätsverlauf in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahles auf. Dieser Verlauf weist typischerweise eine Gaußsche Form auf. Der Intensitätsverlauf der interferierenden Strahlen definiert die räumliche Ausdehnung des Bragg-Gitters und moduliert die Amplitude der periodischen Brechungsindexstörung. Als Ergebnis nimmt die Störung δ(z) im wesentlichen die Form einer periodischen Reihe von Maxima an, die von einer Hülle umgeben sind, typischerschweise mit Gaußscher Form, welche bei oder nahe bei der Gittermitte maximal ist, und an den Gitterrändern auf 0 abfällt. Wenn die Störung über einen Achsenabstand gemittelt wird, der größer als das Gitterintervall ist, z. B. über 10 oder mehr Intervalle, so wird die erhaltene mittlere Störung selbstverständlich die gleiche Form wie die Hülle aufweisen.
Das Vorhandensein dieser Hüllen ist bekannt. In der Tat ist bekannt, daß eine Hülle, beispielsweise mit Rechteckform, die Seitenkeulen des erhaltenen Reflexionsspektrums erhöht. (Siehe beispielsweise H. Kogelnik, "Filter Response of Nonuniform Almost-Periodic Structures", The Bell System Technical Journal 55, 1976, Seiten 109 bis 126). Der wesentliche Grund dieser Auswirkung jedoch ist, daß das Gitter eine begrenzte räumliche Ausdehnung aufweist. Im Gegensatz dazu ist die vorstehend beschriebene Feinstruktur eine Folge der räumlich gemittelten Störungen. Diese gemittelte Störung wirkt in bestimmter Hinsicht als eine "Hintergrund"-Störung, welche eine physikalische Bedeutung aufweist, die von der der schnellen Modulationen (d. h. der "Linien") der Gitter zu unterscheiden ist. Bis jetzt ist eine vollständige Beschreibung der Auswirkungen der gemittelten Störung auf Spektralstrukturen in der relevanten technischen Literatur nicht erschienen. Insbesondere haben Fachleute bisher versäumt, mögliche Verfahren zum Verringern (oder zum Erhöhen) der erhaltenen Feinstruktur zu behandeln.
G. Meltz und W. W. Morey, in SPIE, Band 1516, International Workshop an Photoinduced Self-Organization Effects in Optical Fiber (1991), Seiten 185 bis 199, berichten über Experimente mit Bragg-Gitterfiltern. Die Filter weisen Merkmale spektraler Seitenkeulen auf, welche durch das Glühen verursacht sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist in Anspruch 1 beschrieben. Bestimmte Ausbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfinder waren erfolgreich beim Nachweisen durch Computersimulationen, daß wenn der Verlauf der mittleren Brechungsindexstörung δAVE(z) in einigen Abschnitten des Bragg-Gitters in etwa pulsförmig ist, sich das Gitter in Hinsicht auf bestimmte Wellenlängen des Lichtes als Resonanzkammer oder -kavität verhalten kann. (Der Begriff "Licht" wird hierbei in Bezug auf Strahlung der ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereiche des elektromagnetischen Spektrums verwendet). Die der Fabry- Perot-Resonanz sehr ähnliche Interferenz in dieser Kammer kann die Seitenbänder oder die Feinstruktur erklären, die die Erfinder in Laborexperimenten beobachtet haben. Die Erfinder haben weiterhin ein Verfahren zum Verringern oder Erhöhen dieser Feinstruktur gefunden.
Demgemäß umfaßt die Erfindung in einer Ausführungsform ein Verfahren zum Bilden eines Bragg-Gitters (auch als verteilter Bragg-Reflektor oder "DBR" bezeichnet) in einem photoempfindlichen optischen Medium. Der DBR zeigt ein Reflexionsspektrum, welches ein Hauptmaximum mit einer meßbaren Amplitude umfaßt. Der DBR umfaßt einen Materialbereich des Körpers, bei welchem der Brechungsindex die Summe eines anfänglichen Brechungsindex und wenigstens einer ersten, räumlich periodischen oder quasiperiodischen Brechungsstörung ist. (Ein Beispiel eines quasiperiodischen Gitters ist ein Gitter, dessen Periode sich linear mit der Lage verändert, d. h. ein sogenanntes "linear gechirptes" Gitter). Diese Summe weist wenigstens eine Vakuum-Bragg- Wellenlänge auf, d. h. eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Vakuum, welche die Bragg- Bedingung bei wenigstens einem Abschnitt des DBR erfüllt und als Ergebnis verhältnismäßig stark vom DBR reflektiert wird.
Das Verfahren umfaßt den Schritt der Herstellung zweier nicht kollinearer Strahlen elektromagnetischer Strahlung mit einer aktinischen Wellenlänge. Jeder Strahl weist typischerweise im Querschnitt einen gaußschen Intensitätsverlauf auf. Allgemeiner gesagt, weist jeder Strahl einen Intensitätsverlauf auf, der entlang des Strahldurchmessers wenigstens einen ansteigenden und wenigstens einen abfallenden Abschnitt aufweist. Die zwei Strahlen treffen derart auf wenigstens einen Abschnitt des Mediums auf, daß ein Interferenzmuster auf dem bestrahlten Abschnitt erzeugt wird, welches zur ersten Störung im bestrahlten Abschnittes führt.
Als Ergebnis dieses aktinischen Belichtens benötigt der belichtete Abschnitt einen Hintergrund-Brechungsindex, der durch Aufsummieren des anfänglichen Brechungsindex mit der ersten Störung und räumliches Mitteln der Summe über wenigstens 10 DBR-Intervalle oder Quasiintervale definiert ist. Im wesentlichen ändert sich dieser Hintergrundindex mit der Lage entlang des belichteten Abschnittes derart, daß diese ansteigende und abfallende Abschnitte korrespondierend zu den ansteigenden und abfallenden Abschnitten des Strahlungsintensitätsverlaufes aufweisen. An jedem Punkt des belichteten Abschnittes ist die Bragg-Wellenlänge im Vakuum im wesentlichen vom Hintergrundbrechungsindex an diesem Punkt abhängig.
Der belichtete Abschnitt wird im wesentlichen wenigstens ein Segment umfassen, das als "Resonanz-Segment" bezeichnet wird, welches ein erstes und zweites Ende aufweist, derart, daß der Hintergrundbrechungsindex am ersten Ende ansteigt und am zweiten Ende abfällt. Jedes Resonanzsegment weist das weitere Merkmal auf, daß bei Fehlen einer anderen als der vorstehend beschriebenen Brechungsindexstörung wenigstens eine Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung im Vakuum d. h. Vakuumwellenlänge anwesend ist, welche die Bragg-Bedingung an den ersten und zweiten Enden erfüllt, jedoch die Bragg- Bedingung in einem Bereich zwischen den ersten und zweiten Enden nicht erfüllt. Die Resonanzsegmente werden im wesentlichen Hilfsmaxima zum Reflexionsspektrum des DBR beitragen.
Im Gegensatz zu den Verfahren des Standes der Technik umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Ausführungsform ferner vor oder nach dem Schritt des Auftreffenlassens, den Schritt, eine zweite Brechungsindexstörung in wenigstens einem Abschnitt des belichteten Abschnittes zu verursachen, so daß die Nebenmaxima verändert werden. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung werden die Nebenmaxima unterdrückt oder verstärkt.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung umfaßt zusätzlich zum zweiten Störungsschritt einen weiteren Schritt. Diese alternative Ausführungsform umfaßt während des Auftreffschrittes den Veränderungsschritt des Störungsintervalls mit axialer Lage, so daß die Hilfsmaxima unterdrückt oder verstärkt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein durch Computersimulation erzeugtes Spektrum der spezifischen Durchlässigkeit eines typischen Bragg-Gitters, das in einer optischen Faser ausgebildet ist,
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm, das die optische Anordnung eines beispielhaften Interferometers des Standes der Technik zeigt, welches beim Ausführen der erfindungsgemäßen Verfahren nützlich ist,
Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das die räumliche Änderung des mittleren Brechungsindex in einem typischen Bragg-Gitter, das in einem optischen Medium ausgebildet ist, darstellt,
Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das den Vorgang darstellt, durch den Interferenzauswirkungen in einem Bragg-Gitter entstehen können, die einen pulsförmigen mittleren Brechungsindexverlauf aufweisen,
Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, welches ferner den Vorgang darstellt, durch den Interferenzauswirkungen in einem Bragg-Gitter mit einem pulsförmigen mittleren Brechungsindexverlauf auftreten können,
Fig. 6 zeigt einen durch Computersimulation erzeugten Brechungsindexverlauf des Bragg-Gitters nach Fig. 1. Die mittlere Brechungsindexstörung wird in dieser Figur sowie auch in den Fig. 7 und 8 in Hinsicht auf die Wellenlänge im Vakuum ausgedrückt. Gezeigt sind auch die untere und obere Grenze der Wellenlänge im Vakuum, für welche das Gitter bei einem gegebenen Punkt reflektierend ist,
Fig. 7 zeigt einen durch Computersimulation erzeugten Verlauf der Brechungsindexstörung, welche durch ein beispielhaftes Brechungsindex-veränderndes Belichten erzeugt wird, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 zeigt einen durch Computersimulation erzeugten Brechungsindexverlauf des Bragg-Gitters nach Fig. 6, nachdem dieses der Brechungsindex-verändernden Strahlung gemäß Fig. 7 ausgesetzt wurde,
Fig. 9 zeigt das durch Computersimulation erzeugte Spektrum der spezifischen Durchlässigkeit des veränderten Bragg-Gitters nach Fig. 8,
Fig. 10 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das die Veränderungen der Interferenzauswirkungen nach Fig. 5 darstellt, derart, daß die erhaltenen Seitenbänder im Verhältnis zum mittleren Maximum des Reflexionsvermögens invertiert sind. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Veränderung durch Modulation des mittleren Brechungsindex erreicht,
Fig. 11 zeigt ein durch Computersimulation erzeugtes Spektrum der spezifischen Durchlässigkeit des Bragg-Gitters nach Fig. 6 nach einem Brechungsindex-verändernden Bestrahlen zum Erhöhen der Feinstruktur, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 12 zeigt ein Reflexionsspektrum eines hypothetischen Bragg-Gitters, welches die Neigung einiger Hilfsmaxima darstellt, das Hauptmaxima zu verbreitern, und die Neigung anderer Hilfsmaxima, an einer Seite des Hauptmaxima Rauhigkeiten hinzuzufügen.

Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Als vorteilhaft wurde es erkannt, das Interferenzmuster unter Verwendung eines scannenden oder Scanning- Interferometers mit einer Konstruktion zu erzeugen, bei welcher die Bewegung eines einzelnen Spiegels die Lage des Interferenzmusters entlang der Faser unter Beibehaltung der Lagegenauigkeit bzw. Justierung verschiebt. Als Folge kann die Faser optional zwischen jeweiligen Belichtungsschritten feststehend gehalten werden, was zur Ausbildung vielfacher Bragg-Gitter führt. Als Beispiel ist dieses Interferometer beispielsweise im US Patent Nr. 4,093,338 beschrieben, erteilt für G. C. Bjorklund et al., am 6. Juni 1978. Die optische Anordnung des beispielhaften Interferometers ist in Fig. 2 gezeigt. Diese optische Anordnung umfaßt eine Laserquelle 80, einen verschiebbaren Spiegel 85, einen drehbaren Spiegel 120 und die Spiegel 90, 100 und 110. Die interferierenden Strahlen laufen in einem optischen Medium 130 zusammen, welches beispielhaft eine optische Faser ist. Das Interferenzmuster kann entlang der Faser durch den bewegbaren Spiegel 85 verschoben werden (ohne Beeinflussung dessen Phase). Im wesentlichen kann die Periodizität eines Interferenzmusters durch Einstellen der Schnittwinkel φ der interferierenden Strahlen verändert werden. Beim beispielhaften Interferometer wird dies ohne Ändern der Pfadlängendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen durch Drehen des Spiegels 120 erreicht. Ein Folge von zwei oder drei Gittern wird einfach durch Verschieben des Spiegels 85 und durch Belichten eines neuen Abschnittes der Faser auf einer optischen Einmodenfaser ausgebildet.
Gemäß eines bevorzugten Herstellverfahrens des Bragg- Gitters wird die Faser zuerst in eine Lage geklemmt, um sicherzustellen, daß die zu belichtenden Bereiche gerade sind. Die Faser wird einem wirkungsvollen Belichten mit typischerweise ultraviolettem Licht ausgesetzt. Verschiedene geeignete Quellen ultravioletten Lichts sind verfügbar und dem Fachmann bekannt.
Zur Darstellung wurde erkannt, daß ein Excimergepumpter, frequenzverdoppelter, einstellbarer Farblaser, der bei etwa 245 nm emittiert, eine geeignete Belichtungsquelle ist. Das Verwenden dieser Belichtungsquelle ist in EP-A- 0569174 beschrieben.
Wie darin beschrieben, ist die Belichtungsquelle zum Herstellen von Gittern in stark erbium-dotierten optischen Fasern auf der Grundlage von Silika nützlich. Diese Fasern werden typischerweise mit 2 mJ-Impulsen bei einer Wiederholungsrate von 20 Pulsen pro Sekunde belichtet. Eine zylindrische Linse fokussiert das Laserlicht in ein Band von etwa 0,5 cm Länge und 100 bis 200 um Breite. Typische Belichtungen dauern etwa 30 Sekunden. Bei diesem Verfahren werden Bragg-Gitter zum Beispiel mit einer konstanten Periode von etwa 0,5 um einfach ausgebildet.
Der Intensitätsverlauf der vorstehend beschriebenen beispielhaften Laserbelichtungsquellen weist etwa Gaußsche Form auf. Als Folge erscheint die Brechungsindexstörung in den erhaltenen Bragg-Gittern als periodische Welle auf, die durch eine Hülle moduliert ist, welche näherungsweise Gaußsche Form hat. (Selbstverständlich weist die Störung, im Mittel über mehrere Perioden, im wesentlichen die gleiche Form auf wie die Hülle). Dieses ist ein Beispiel einer Hülle, welche wenigstens teilweise pulsgeformt ist. Mit "pulsgeformt" ist gemeint, daß eine axiale Lage entlang einigen ununterbrochenen Gittersegmenten erhöht ist, der Brechungsindex des Kerns auf einen Maximalwert steigt und nachfolgend auf einen kleineren Wert fällt. (Die Feinstruktur wird auch durch ein Gitter mit einer negativ pulsgeformten Hülle erzeugt, d. h. eine Hülle, die nahe der Mitte auf einen Minimalwert anstatt auf einen Maximalwert fällt. Obwohl diese Gitter atypisch sind, ist beabsichtigt, diese unter der Definition von Gittern mit pulsgeformten Hüllen zu umfassen). Entdeckt wurde ein einfaches Konzeptmuster, das in qualitativer Weise dazu beiträgt, das Resonanzverhalten einer pulsgeformten Störung zu erklären. Dieses Muster ist in Bezug auf Fig. 3 erklärt. Für bestimmte Wellenlängen des Lichtes nahe dem Mittelmaximum des Bragg-Gittes wird der mittlere Brechungsindex (d. h. der Brechungsindex gemittelt über viele, z. B. 10, Gitterperioden) im Gitter als drei Rechteckimpulse mit den jeweiligen Brechungsindizes n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; dargestellt, wobei n&sub1; ungefähr gleich n&sub3;, und n&sub1; < n&sub2; > n&sub3; ist. Die Wellenlänge λ des sich ausbreitenden Lichtes in jedem Puls bezieht sich auf die korrespondierende Wellenlänge im Vakuum
λVAC bei λ - λVAC / n
wobei n der relevante Brechungsindex ist.
Für Wellenlängen nahe der Mitte des Maximums der Hauptreflexionsfähigkeit des Gitters wird die Bragg-Bedingung im mittleren Abschnitt des mittleren Brechungsindexverlaufs (d. h. im zweiten Puls) erfüllt. Einige kleinere Wellenlängen jedoch werden die Bragg-Bedingungen im ersten und dritten Puls erfüllen, erfüllen die Bragg-Bedingungen aber nicht im Mittenpuls. Als Folge wird elektromagnetische Strahlung dieser Wellenlänge in den ersten und dritten Pulsen reflektiert. Im Gegensatz dazu breitet sich diese Strahlung im zweiten Puls frei und nicht reflektiert aus und wird wenigstens teilweise zwischen den zwei reflektierenden Endpulsen begrenzt. Dies definiert eine Fabry-Perot-Kammer. Das Reflexionsfähigkeitsspektrum eines derartigen Gitters zeigt Feinstrukturen, welche im wesentlichen bei Wellenlängen unterhalb der Mitte des Maximums der Hauptreflexionsfähigkeit liegen. Die Maxima dieser Feinstruktur korrespondieren zu stehenden Wellen in der Fabry-Perot-Kammer.
Gemäß einer detaillierteren Analyse weist das Bragg- Gitter eine Entwurfswellenlänge λ&sub0; auf, welche die Wellenlänge im Vakuum der maximalen Reflexionsfähigkeit eines idealisierten Gitters mit einem gegebenen Intervall und einem mittleren Brechungsindex n&sub0; gleich dem eines nicht gestörten Kernmaterials ist. Wenn die Belichtung des Gitters mit interferierenden Strahlen in Intensität oder Dauer erhöht wird, wird die Störung ohne Änderung der Gitterperioden erhöht. Als Folge wird die maximale Wellenlänge im Vakuum von zu einer anderen Wellenlänge gewechselt, gegeben durch
Weil die Belichtungserhöhung im wesentlichen den Brechungsindex erhöht, liegt diese Verstimmung im wesentlichen bei höheren Wellenlängen im Vakuum. Wegen des Intensitätsverlaufes der interferierenden Strahlen ändert sich diese Auswirkung im wesentlichen mit der axialen Lage im Gitter.
Ein idealisiertes Gitter ist in Hinsicht auf λ&sub0; über das gesamte Gitter reflektierend. (Eine äquivalente Weise dieses darzustellen ist, daß Licht bei der Wellenlänge λ&sub0; einen schwindenden Anteil über der gesamten Gitterlänge aufweist). Vorausgesetzt wird nun, daß das Gitter in der Mitte stärker als an den Enden ist, aber keine Verstimmung aufweist. In diesem Fall werden die Wellenlängen im Vakuum, die geringfügig größer oder kleiner als λ&sub0; sind, nur im Mittenbereich des Gitters schwinden, wo das Gitter am stärksten ist. Diese Situation wird graphisch in Fig. 4 dargestellt. Die Abweichung einer gegebenen Wellenlänge im Vakuum von λ&sub0; wird entlang der senkrechten Achse gemessen, in der Figur mit Δ bezeichnet. Die Achsenkoordinate wird mit z bezeichnet. Als schraffierter Bereich in der Figur ist der Ort aller Punkte dargestellt (z,Δ), bei dem die Bragg- Bedingung erfüllt ist. Um zu bestimmen, welcher Abschnitt des Gitters in Hinsicht auf eine gegebene Wellenlänge im Vakuum reflektierend ist, wird eine waagerechte Linie beim korrespondierenden Wert von Δ gezeichnet. Der Schnittpunkt der schraffierten Bereiche mit der Linie wird auf die z-Achse projiziert. Diese Projektion definiert die axiale Ausdehnung des reflektierenden Gitterabschnitts.
Die Auswirkung des Verstimmens wird mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben. Vorausgesetzt wird (wie gewöhnlich), daß die Verstimmung des Gitters bei größeren Vakuumwellenlängen liegt. Weil das Gitter bei einigen Wellenlängen größer als λ&sub0; am wirkungsvollsten ist, verschiebt das Verstimmen den gesamten schraffierten Bereich zu größeren Wellenlängen und verschiebt das Maximum der Hauptreflexionsfähigkeit von λ&sub0; zu einer größeren Wellenlänge im Vakuum λ&sub0;. Wenn die interferierenden Strahlen jedoch einen pulsförmigen Verlauf haben, ist die Verstimmung in der Mitte stärker als an den Enden des Gitters. Dieses bewirkt, daß der Mittenabschnitt 20 des schraffierten Bereiches mehr als die Endabschnitte 25 verschoben sind. Als Folge können einige Bereiche der Wellenlänge kleiner als λ&sub0; sein, die von den schwächeren, aber weniger verstimmten Endabschnitten des Gitters, nicht aber von den stärkeren, aber mehr verstimmten Mittenabschnitten reflektiert werden. In Hinsicht auf diese Wellenlängen verhält sich der Mittenabschnitt wie eine Resonanzkammer analog zum Mittenpuls des vorstehend beschriebenen Konzeptmusters. In der gleichen Analogie korrespondieren die reflektierenden Endabschnitte 25, nachfolgend "Flügel" genannt, mit den zwei Impulsen, die den Mittenpuls begrenzen. Dieser Fall wird graphisch in Fig. 5 dargestellt.
Wie beschrieben, kann das Verstimmen jedes Gitterabschnittes durch Erhöhen der Belichtung dieses Abschnittes mit Brechungsindex-verändernder Strahlung verstärkt werden. Wenn die Verstimmung verstärkt wird, verschiebt sich der korrespondierende Abschnitt der schraffierten Fläche von Fig. 5 zu größeren Wellenlängen. Aus der Figur ist ersichtlich, daß eine Resonanzkammer durch Verschieben wenigstens einer der Flügel 25 zu höheren Wellenlängen vermieden werden kann, derart, daß dieser nicht länger Licht reflektiert und andererseits im Mittenabschnitt des Gitters in Resonanz tritt. Dieses Verschieben wird einfach durch Auftreffenlassen eines Strahlens aktinischer Strahlung erzeugt, durch einen einzigen, nicht interferierenden Strahl auf das Gitter. Dieser Brechungsindex-verändernde Strahl wird von der Mitte des Gitters versetzt angeordnet. Die Veränderungen der Feinstruktur rühren von dieser Behandlung her und können sogar während der Behandlung beobachtet werden. Die Behandlung kann beendet werden, wenn die Feinstruktur auf einen annehmbaren Grad verringert ist.
Ein beispielhaftes, nicht interferierendes Brechungsindex-veränderndes Belichten ist in den Fig. 6 bis 9 gezeigt. Das nicht veränderte Gitter ist das Gitter, welches das Spektrum von Fig. 1 liefert. (Bei Computersimulationen). Dieses Gitter, weist eine Entwurfswellenlänge von 1557,45 nm auf, eine maximale Brechungsindexänderung wegen der aktinischen Belichtung von 0,08% und eine vollständige Breite beim halben Maximum von 1,75 mm. Dieses ist in einer verlustlosen optischen Faser mit einem Brechungsindex des Mantels von 1,45 ausgebildet. Fig. 6 zeigt den Brechungsindexverlauf des nicht veränderten Gitters. Der Brechungsindex wird in Hinsicht auf die korrespondierende Bragg-Wellenlänge im Vakuum wie vorstehend beschrieben ausgedrückt. Bei der Figur stellt die Kurve 30 den mittleren räumlichen Brechungsindex und die Kurven 35 und 40 die größte und kleinste Wellenlänge dar, die im Gitter reflektiert werden.
Das Brechungsindex-verändernde Belichten ist in Fig. 7 beschrieben. Der aktinische Strahl weist einen Gaußschen Verlauf mit der gleichen räumlichen Ausdehnung wie das nicht veränderte Gitter auf. Die Mitte des nicht-verändernden Strahles wird versetzt an einer Lage angeordnet, bei welcher der Verlauf der Fig. 6 auf e&supmin;² mal dem Maximalwert fällt. Dieser (simulierte) Strahlenverlauf nach Fig. 7 wird als Gesamtbrechungsindexverlauf bezeichnet (in Hinsicht auf die äquivalente Vakuumwellenlänge), die dieses Belichten in jungfräulichem, fotoempfindlichen Medium erzeugen würde.
Fig. 8 zeigt den simulierten Brechungsindexverlauf des gleichen Gitters nach Verändern durch das Belichten nach Fig. 7. Mit Bezug auf den Bereich zwischen den Kurven 35 und 40 ist offensichtlich, daß der rechte Flügel von Fig. 6 entfernt ist und der linke Flügel auf einen sehr engen Bereich verringert ist, der wenig oder keine Feinstruktur beiträgt.
Fig. 9 zeigt das Spektrum spezifischer Durchlässigkeit des veränderten Gitters. Offensichtlich ist, daß die Nebenmaxima 15 von Fig. 1 entfernt sind.
Das Brechungsindex-verändernde Belichten ist nicht auf Belichten mit Gaußschem Verlauf begrenzt. Angenommen wird, daß verschiedene andere Arten räumlich modulierten Belichtens auch einfach erzielt werden können und in manchen Fällen erwünscht sind. Beispielsweise kann ein rampenförmiges Belichten durch Scannen des Gitterbereiches mit einem verhältnismäßig schmalen aktinischen Strahl erzielt werden. Während des Scannens wird die mittlere Strahlenintensität verändert, beispielsweise als lineare Funktion der Achsenlage. Die mittlere Intensität eines ununterbrochenen Laserstrahles wird einfach moduliert durch z. B. Verändern der Eingangsleistung des Lasers. Die mittlere Intensität eines gepulsten Laserstrahles wird einfach moduliert durch z. B. Verändern der Pulswiederholungsrate.
Wie dargestellt, tritt die Feinstruktur typischerweise bei Wellenlängen unterhalb der Mitte des Maximums der Hauptreflexionsfähigkeit des Gitters auf. Bei einigen Fällen kann es wünschenswert sein, diese Struktur zu Wellenlängen oberhalb der Mitte des Hauptmaximums zu verschieben und dieses nicht zu entfernen. In Bezug auf das vereinfachte Muster nach Fig. 3 kann die Lage der Feinstruktur im Verhältnis zum Hauptmaximum invertiert werden durch Invertieren des ersten und dritten Pulses im Verhältnis zum zweiten Puls. Das heißt, ein einziger nichtinterferierender Strahl kann zum ausgewählten Belichten der Bereiche der ersten und dritten Pulse verwendet werden, derart, daß der mittlere Brechungsindex in diesem Bereich größer als im Mittenbereich gemacht wird. Das Ergebnis ist in Fig. 10 gezeigt. Als Folge dieser Behandlung ist die Wellenlänge im Vakuum, welche die Bragg-Bedingung erfüllt, für den ersten und dritten Puls größer als für den zweiten Puls. Daher treten einige Wellenlängen oberhalb der Mitte des Hauptreflexionsmaximums auf, die in den Seitenimpulsen, nicht aber im Mittenpuls, reflektiert werden.
Es sei erwähnt, daß das Brechungsindex-verändernde Belichten, wie vorstehend beschrieben, die Festigkeit des belichteten Abschnittes des Gitters verringern kann. Daher besteht eine praktische Grenze der maximalen Brechungsindexveränderung, die erzielt werden kann. Ein weiteres Beispiel, welches nicht in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fällt, ist das Erwärmen des Gitters.
Beobachtet wurde, daß bei wenigstens einigen fotoempfindlichen Gläsern das Erwärmen des Bragg-Gitters zum Zerstören des Gitters führt, d. h. zum Verringern der Amplitude der Brechungsindexstörung. Demgemäß können Ergebnisse ähnlich den vorstehend beschriebenen durch Anwenden von lokalem Erwärmen erzielt werden, um den mittleren Berechungsindex des Gitters zu modulieren. Dieses lokale Erwärmen wird einfach durch Auftreffenlassen eines Strahles von einem Infrarotlaser erzielt, wie etwa einem Karbondioxidlaser auf das fotoempfindliche Medium. Dieser Strahl wird optional während des Belichtens entlang des Mediums versetzt angeordnet. Verschiedene andere Verfahren des Erwärmens sind ebenso möglich, wie etwa das Erwärmen der Spitze eines erhitzten nadelähnlichen Musters.
Ein weiteres Beispiel zum Entfernen, Erhöhen oder Invertieren der Feinstruktur ist das Modulieren des Gitterintervalls. Dieses Verfahren kann anstelle oder zusätzlich zum Verfahren des Modulierens des mittleren Brechungsindex verwendet werden. Gemäß dieses zweiten Verfahrens wird die Wellenlänge im Vakuum, welche die Bragg- Bedingung erfüllt, in einem gegebenen Bereich durch Erhöhen der Gitterperiode in diesem Bereich verstärkt, und durch korrespondierendes Verringern des Gitterintervalls verringert. Die Feinstruktur kann durch Erhöhen des Gitterintervalls an einer Seite des Gitters entfernt werden. Dies wird beispielsweise durch Ausbilden eines Gitterbereichs erreicht, dessen Intervall sich linear mit der Achsenlage ändert (d. h. ein linear gechirptes Gitter). Bekannt ist, daß ein gechirptes Gitter in fotoempfindlichem Material durch Auftreffenlassen eines Paares interferierender nicht kollinearer konvergierender aktinischer Strahlen erzielt werden kann. Weil die Strahlen zusammenlaufen, hängt der Schnittwinkel von der Lage ab. Das lokale Gitterintervall verändert sich gemäß den Veränderungen des Schnittwinkels. Die Auswirkung dieser Modulation auf das spektrale Verhalten des Gitters wird qualitativ ähnlich zu den Auswirkungen des Hinzufügens an einer linear veränderlichen Brechungsindexstörung sein. In der Tat ist dem Fachmann leicht verständlich, daß Modulationen der Gitterperiode zahlreiche Auswirkungen analog zu denen durch die Modulation des mittleren Brechungsindex erzeugen.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen eines gechirpten Gitters umfaßt das Verwenden eines Interferometers nach Fig. 2 und wird in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung US 536 2239A, eingereicht von V. Mizrahi et al., unter dem Titel "Method for Forming Spatially-Varying Distributed Bragg Reflectors in Optical Media" beschrieben. Kurz gesagt wird eine einstellbare Quelle aktinischer Strahlung verwendet und die aktinische Wellenlänge wird während des Belichtens verändert, während gleichzeitig das Interferenzmuster entlang dem fotoempfindlichen Medium versetzt angeordnet wird. Alternativ wird die aktinische Wellenlänge konstant gehalten und der Schnittwinkel der aktinischen Strahlen verändert. Dies wird durch Ersetzen eines gekrümmten Spiegels für einen der festen, ebenen Spiegel des interferometrischen optischen Systems erzielt und durch Ersetzen des Interferenzmusters während des Belichtens.
In manchen Fällen kann es tatsächlich wünschenswert sein, die Feinstruktur zu verstärken und nicht zu mäßigen. Beispielsweise ist es möglich, ein sehr scharfes Mittenmaximum im Reflexionsfähigkeits-Gitterspektrum durch Überlagern der Feinstruktur zu erzeugen, die sehr hervorgehoben ist. Dieses kann bei Anwendungen nützlich sein, bei denen ein äußerst scharfes Spektralmaximum wünschenswert ist und das Vorhandensein von Nachbarmaxima zugelassen werden kann. Die Feinstruktur kann durch weiteres Verstimmen eines ausgewählten Mittenabschnittes des Gitters verstärkt werden. Dieses weitere Verstimmen kann durch Auftreffenlassen eines einzigen aktinischen Strahles auf den ausgewählten Gitterabschnitt durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Gitter durch einen zentrierten Strahl mit Gaußschem Verlauf auf die gleiche räumliche Ausdehnung wie das nichtveränderte Gitter belichtet werden. Das simulierte Spektrum spezifischer Durchlässigkeit des Gitters nach Fig. 6 nach dieser Belichtung ist in Fig. 11 gezeigt. Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, können ähnliche Ergebnisse durch räumliches Modulieren der Gitterperiode erreicht werden.
In manchen Fällen fügt die Feinstruktur eines nicht veränderten Gitters Rauhigkeit zum Hauptmaximum hinzu durch Überlagern eines oder mehrerer gut aufgelöster Nebenmaxima mit dem sich langsam ändernden Hintergrund auf der Seite des Hauptmaximums. Dieser Fall ist schematisch in Fig. 12 dargestellt, bei welchem das Nebenmaximum 45 (als Kurve 50 dargestellt) Rauhigkeit zum Spektrum hinzufügt, wohingegen die Nebenmaxima 45 (voll aufgelöst als Kurve 50 dargestellt) nur das Hauptmaximum verbreitern, ohne im wesentlichen dieses mit Rauhigkeit zu versehen. Wenn z. B. ein Laser durch Rückkopplungsstabilisierung auf das Mittenmaximum eines Bragg-Gitters eingerastet ist, ist Rauhigkeit unerwünscht, weil dieses die Ortsbestimmung des Maximums verringert und die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß die Abstimmung des Verstärkers auf ein Nebenmaximum springt. Demgemäß ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die durch die Feinstruktur hinzugefügte Rauhigkeit zu verringern. Eine Möglichkeit, die Rauhigkeit größenmäßig zu bestimmen ist, diese in Hinsicht auf die Größe der Nebenmaxima oberhalb des sich langsam verändernden Hintergrundes zu beschreiben. Diese Größe ist wünschenswert auf die Größe des Hauptmaximums normalisiert. Demgemäß kann die Rauhigkeit korrespondierend zum Merkmal 45 nach Fig. 12 als Verhältnis HS/HM beschrieben werden. Für Zwecke wie dem Abstimmen eines Verstärkers wird das Gitter wünschenswert derart verändert, daß die durch Nebenmaxima hinzugefügte maximale Rauhigkeit kleiner als 10% ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands, der einen optischen, wellenleitenden und photoempfindlichen Körper mit einer optischen Ausbreitungsachse aufweist, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt des Auftreffens eines interferierenden Strahlenpaares aktinischer Strahlung auf den Körper umfaßt, derart, daß darin ein Bragg-Gitter als axial angeordnetes Muster von Brechungsindexstörungen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

jeder Strahl einen pulsförmigen Querschnitt aufweist, der zu einer mittleren, Brechungsindexstörung im resultierenden Bragg-Gitter führt, das eine pulsförmige axiale Verteilung mit einem zwischen den jeweiligen Seitenabschnitten liegenden Maximumabschnitt aufweist, und das resultierende Bragg-Gitter ein Reflexionsspektrum aufweist, das zusätzlich zum Hauptmaximum wenigstens ein Nebenmaximum aufweist, das wegen der optischen Resonanz im Bereich des Maximumabschnitts liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner umfaßt:

vor oder nach Bilden des Bragg-Gitters durch Auftreffenlassen des interferierenden Strahlenpaares das Addieren einer weiteren Brechungsindexstörung, die nicht gleichförmig ist, in der axialen Richtung, quer zu dem Bragg- Gitter, wobei:

das weitere Muster durch Auftreffenlassen eines nichtinterferierenden Strahles aktinischer Strahlung mit einer Wellenlänge, bei der der wellenleitende Körper photoempfindlich ist, addiert wird, und

das Belichten, dem der wellenleitende Körper ausgesetzt ist, sich wegen des nicht interferierenden Strahles in axialer Richtung derart ändert, daß Veränderungen des Nebenmaximums im Verhältnis zum Hauptmaximum verursacht werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Auftreffenlassens eines nicht interferierenden Strahles in Bezug auf den Bereich des Bragg- Gitters azentrisch durchgeführt wird und zur Unterdrückung des Nebenmaximums im Verhältnis zum Hauptmaximum des Reflexionsspektrums führt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Auftreffenlassens eines nicht interferierenden Strahls derart ausgeführt wird, daß die weitere Brechungsindexstörung in einem Seitenabschnitt größer ist als in dem anderen Seitenabschnitt und zur Unterdrückung des Nebenmaximums im Verhältnis zum Hauptmaximum des Reflexionsspektrums führt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Auftreffenlassens eines nicht interferierenden Strahls derart ausgeführt wird, daß die weitere Brechungsindexstörung in den Seitenabschnitten größer ist als im Bereich des Maximums und zu einer spektralen Verschiebung des Nebenmaximums im Verhältnis zum Hauptmaximum führt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Auftreffens eines nicht interferierenden Strahls derart ausgeführt wird, daß die weitere Brechungsindexstörung im Bereich des Maximums größer ist als im Mittenbereich und zu einer Erhöhung des Nebenmaximums im Verhältnis zum Hauptmaximum führt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner während des Verfahrensschrittes des Auftreffenlassens eines nicht interferierenden Strahles die Verfahrensschritte des axial versetzten Anordnens des Strahls und des Modulierens der mittleren Intensität des Strahles umfaßt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Auftreffenlassens eines nicht interferierenden Strahles derart durchgeführt wird, daß die Rauhigkeiten oder Ungleichförmigkeiten im Reflexionsspektrum aufgrund der Nebenmaxima auf weniger als 10% im Verhältnis zur Amplitude des Hauptmaximums verringert werden.