DE69332247T2

DE69332247T2 - Methode zur erzeugung eines bragg-gitters in einem optischen wellenleiter

Info

Publication number: DE69332247T2
Application number: DE69332247T
Authority: DE
Inventors: Elias Snitzer; John Dennis Prohaska
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1993-10-13
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2013-10-14
Also published as: CA2145542F; JP2001503529A; EP0694172B1; CA2145542A1; DE69332247D1; US5351321A; EP0694172A1; KR100302122B1; KR950704706A; CA2145542C; WO1994009396A1; EP1197771A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Erzeugen eines Bragg-Gitters in einem Kern einer optischen Faser oder Lichtleitfaser oder einem anderen lichtleitenden Weg und insbesondere Verfahren zum Erzeugen von Veränderungen des Brechungsindex, die eine periodische Variation entlang der Länge eines Kerns einer optischen Faser oder eines anderen lichtleitenden Weges erzeugen können, welcher ein Bragg-Reflexionsgitter vorsieht, das für Licht in einem vorgegebenen Wellenlängenintervall reflektierend ist, während es für Licht bei anderen Wellenlängen transparent ist.
Ein Bragg-Gitter kann für das Wellenlängen-Multiplexen (WDM; Wavelength Division Multiplexing) mehrerer verschiedener Wellenlängenbänder in derselben Faser verwendet werden, um die Nutzbarkeit der Faseroptik für die Datenübertragung über mehrere Kanäle zu erweitern. Die Realisierung eines solchen WDM-Systems erfordert wellenlängenselektive Reflektoren, Multipler, Demultiplexer und andere Komponenten, in denen der Brechungsindex des Glas auf vorgegebene Weise in dem Kern einer Faser oder einer anderen Wellenleiterstruktur und in der Nähe des lichtleitenden Pfades verändert werden kann. Es kann auch wünschenswert sein, Bragg-Gitter zur Verwendung als Belastungs- und Temperatursensoren zu verwenden.
Es ist bekannt, daß bestimmte Materialien, die zum Herstellen des Kerns einer optischen Wellenleiterfaser verwendet werden, eine Veränderung des Brechungsindex zeigen, wenn sie Strahlung einer Aktivierungsfrequenz ausgesetzt werden. Insbesondere ist bekannt, daß glasartiges Siliziumdioxid, in dem einige Mol-Prozent Germaniumdioxid aufgelöst sind, eine Erhöhung des Brechungsindex aufweist, wenn es einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 245 nm in Vakuum ausgesetzt wird. Für mit Germanium dotierte, verschmolzene Kieselerde (Silica) liegen die Hauptaktivierungswellenlängen im Bereich von 240 bis 250 Nanometer oder bei Einsatz einer Zweiphotonen-Absorption, was ein wesentlich langsamer Prozeß ist, im Bereich von 480 bis 500 Nanometern. Das U. S. Patent 4,474,427, vom 2. Oktober 1984, mit dem Titel „Optical Fiber Reflective Filter", Erfinder K. O. Hill et al., und eine Veröffentlichung mit dem Titel „Photosensitivity in Optical Fiber Waveguides: Application to Filter Fabrication" in Applied Physics Letters, Band 32, Nr. 10, S. 647-649, (1978) von K. O. Hill et al. beschreiben ein Verfahren zum Herstellen eines Bragg-Filters, wobei Licht von einem Ar gonionenlaser mit 488,0 nm in ein Ende eines Faserkerns fokussiert wurde. Dieses Verfahren leidet unter dem Nachteil, daß die Wellenlänge des Bragg-Gitterfilters nicht unabhängig von der Aktivierungswellenlänge zur Erzeugung des Gitters eingestellt werden kann.
U. S. Patent Nr. 4,807,950 vom 28. Februar 1989, Erfinder Glenn et al., beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Bragg-Filters durch „Seiten-Schreiben" eines Gitters, d. h. durch Aufteilen eines zeitlich begrenzt kohärenten Lichtstrahls aus einer spektral sehr schmal bandigen Laserquelle und Interferierenlassen der zwei Lichtstrahlen bei der Position der Faser. Dies ist ein sogenanntes „holografisches" Verfahren, weil es insofern einem Hologramm ähnlich ist, als zwei getrennte Lichtstrahlen in Interferenz gebracht werden. Dieses Verfahren leidet unter den Nachteilen, daß (a) sehr monochromatische Laserlichtquellen benötigt werden, welche teuer sind, und (b) das Gitter über den gesamten Faserkern und nicht nur bei vorgewählten begrenzten Abschnitten über dem Kern gebildet wird.
Das U. S. Patent 5,104,209, vom 14. April 1992, mit dem Titel „Method of Creating an Index Grating in an Optical Fiber and a Mode Converter Using the Index Grating", Erfinder K. O. Hill et al., beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Bragg-Filters durch Seiten-Beleuchtung, das unter dem Nachteil leidet, daß es nicht sehr effektiv oder vielseitig ist, weil es einen einzelnen Schlitz verwendet, der mehrere aufeinanderfolgende Beleuchtungen entlang der Länge des Filters erfordert.
Eine Veröffentlichung mit dem Titel „Novel Method to Fabricate Corrugation for a (lambda)/4 – Shifted Distributed Feedback Laser Using a Grating Photomask" von M. Okai, S. Tsuji, N. Chinone und T. Harada in Applied Physics Letters, Band 55, Nr. 5, S. 415-417 (31. Juli 1989) beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Gittern in einem Halbleiter, das zunächst die Herstellung einer transparenten Harzwiedergabe eines mechanischen Strichgitters erfordert. Durch Beleuchten bei einem schrägen Winkel, so daß das gebrochene Licht mit dem hindurchgelassenen Licht nullter Ordnung interferiert, werden Streifen gebildet, die ein Bragg-Gitter erzeugen. Dieses Verfahren leidet unter den Nachteilen, daß es aus folgenden Gründen schwierig ist, Gitter guter Qualität zu erhalten: (a) die erforderliche Genauigkeit für die außerhalb der Achse liegende Beleuchtung, und (b) ist es schwierig, gleiche Lichtintensitäten in dem hindurchgelassenen Strahl nullter Ordnung und dem gebrochenen Strahl erster Ordnung zu erhalten.
Im Lichte des oben gesagten besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen eines Bragg-Gitterfilters in einem Kern einer Lichtleitfaser oder einem anderen lichtleitenden Pfad, der die oben beschriebenen Nachteile überwindet.
Die Erfindung ist in dem beigefügten Anspruch 1 angegeben.
Es wurde entdeckt, daß durch das Hindurchschicken von Licht einer Quelle mit der Aktivierungsfrequenz durch eine Maske mit einer periodischen Änderung der Durchlässigkeit, Phase oder einer anderen optischen Eigenschaft, ein Beugungsmuster gebildet wird, das dazu verwendet werden kann, eine periodische Änderung des Index entlang des Kerns einer optischen Lichtleitfaser und somit ein Bragg-Gitter zu erzeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Anordnung einer Maske und einer Strahlung, die darauf auftrifft, zum Erzeugen eines Beugungsmusters, das in der Erfindung verwendet wird;
2 zeigt ein Koordinatensystem, das für die Beschreibung des Beugungsmusters passend ist;
3 bis 9 zeigen die Intensität der Strahlung in dem Beugungsmuster;
10 bis 13 zeigen die mittlere Intensität des Beugungsmusters, das in Richtung der Ausbreitung gemittelt ist;
14 zeigt eine Lichtwellenleiterfaser mit einem darin ausgebildeten Bragg-Gitter gemäß der Erfindung;
15 zeigt eine Einrichtung zum Herstellen des Bragg-Gitters der 14; und
16 zeigt die Maske und den Faserhalter der 15 im einzelnen, wobei Teile weggeschnitten sind.
Wie in 1 gezeigt wird dann, wenn eine Maske 102 mit einer periodischen Variation der Durchlässigkeit, mit der Periode m in der hier so bezeichneten z-Richtung, Licht ausgesetzt wird, welches eine ebene Wellenfront 103 hat und sich in der hier so bezeichneten x-Richtung ausbreitet, durch das durch die Maske gehende Licht ein Beugungsmuster in dem Bereich 104 erzeugt. In der x-z-Ebene erfährt die Intensität des Beugungsmusters eine periodische Änderung sowohl in x- als auch in z-Richtung, wobei die Periode in der z-Richtung m ist und die Periode in der x-Richtung gleich px = 2nm²/l ist, wobei 1 die Vakuum-Wellenlänge der Strahlung ist und n der Brechungsindex im Bereich des Beugungsmusters ist.
Ein normalisiertes Koordinatensystem, wie es in 2 gezeigt ist, eignet sich zum Darstellen des Beugungsmusters innerhalb eines repräsentativen Wiederholungsblocks 105. Die Koordinate a ist parallel zur z-Richtung und nimmt von 0 bis 1 zu, wenn z in dem Wiederholungsintervall m zunimmt. Die Koordinate b ist parallel zur x-Richtung und nimmt von 0 bis 1 zu, wenn x mit der Wiederholungsperiode px zunimmt. 3 bis 9 zeigen die relative Intensität der Strahlung in dem Beugungsmuster, das für verschiedene Werte von b über a aufgetragen ist. In allen 3 bis 9 gehören die gezeigten Werte zu einem Übertragungsbruchteil der Maske von 0,25.
Wenn die Intensität des Beugungsmusters in der x-Richtung über eine Wiederholungsperiode integriert wird (das ist von b = 0 bis b = 1), erhält man die mittlere Intensität über einer Wiederholungsperiode. Der Mittelwert hängt von dem Wert a und von dem Übertragungsbruchteil der Maske ab. 10 bis 13 zeigen solche gemittelten Intensitäten, welche für verschiedene Werte des Übertragungsbruchteils der Maske über a aufgetragen sind. Man kann erkennen, daß in allen gezeigten Fällen (was auch allgemein gilt) die gemittelte Intensität sich mit der Periode m wiederholt, so daß tatsächlich die gemittelte Intensität in der z-Richtung mit einer Periode m/2 periodisch ist.
In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß die auf die Maske auftreffende Wellenfront eben oder planar ist und sich in den Raum des Beugungsmusters direkt fortsetzt. In einem allgemeineren Fall können gekrümmte Wellenfronten und Linsen und Spiegel, welche entlang des Wegs der Maske und des Brechungsraums angeordnet sind, Skalierungs-Vergrößerungsfaktoren einführen. In dem allgemeinen Fall sollte die Größe m, welche die Skalierung des repräsentativen Wiederholungsblocks 105 definiert, als die Wiederholungsperiode einer Projektion der Maske auf den repräsentativen, interessierenden Wiederholungsblock (wie sie von der auf die Maske auftreffenden Strahlung gemäß den Regeln der geometrischen Optik projiziert wird) interpretiert werden. Für diese oben erörterte einfache Anordnung ist der Vergrößerungsfaktor eins und die Periode der Maske gleich der Periode ihrer Projektion.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 14 umfaßt eine optische Wellenleiterfaser oder Lichtleitfaser 12 einen Kern 13, der entlang einer Achse 14 verläuft und einen optischen Weg durch die Faser bereitstellt. Der Kern 13 ist aus einem Material hergestellt, das eine Änderung seines Brechungsindex zeigt, wenn es Strahlung mit einer Aktivierungsfrequenz ausgesetzt ist. Ein beispielhaftes und vorteilhaftes Material ist glasartiges Siliziumdioxid, in dem einige Molprozent Germaniumdioxid aufgelöst sind. Das Material erfährt eine Änderung des Brechungsindex, wenn es eine Strahlung mit einer Frequenz von 1222 Tera-Hz ausgesetzt ist. Das Bragg-Gitter 15 wird in dem Kern 13 durch eine periodische Änderung des Index entlang der Kernachse 14 erfindungsgemäß ausgebildet.
Die in 15 gezeigte Vorrichtung 20 wird zum Herstellen eines Gitters 15 gemäß der Erfindung verwendet. Die Vorrichtung 20 umfaßt eine Sockelstruktur 21, an der eine Strahlungsquelle 22, eine Kollimationslinse 23 und ein Masken- und Faserhalter 24 montiert ist. Die Strahlungsquelle 22 umfaßt eine Lampe 25, welche Strahlung mit der Aktivierungsfrequenz von 1222 Tera-Hz ausgibt und hinter einem Nadelloch 26 gehalten ist. Der Halter 24, der mit weiteren Einzelheiten in 16 gezeigt ist, umfaßt eine transparente Maskenhalterung 27, welche die Maske 28 trägt, die eine sich periodisch wiederholende Änderung der Durchlässigkeit in einer Richtung aufweist, welche sich senkrecht zur Zeichenebene der 15 erstreckt. Der Halter 24 weist auch einen Kanal 29 auf, der eine Faser 12 gegen die Maske 28 in Position hält, wobei die Faserachse 14 parallel zu der Erstreckungsrichtung der Maske verläuft. Die Periode der Änderung der Maskendurchlässigkeit ist insbesondere zweimal die gewünschte Periode der Indexänderung in dem Bragg-Gitter.
Im Betrieb wird eine Faser, welche einen Wellenleiterkern enthält, der aus mit Germanium dotierten Siliziumdioxid hergestellt ist, in den Kanal 29 eingeführt und gegen die Maske 28 in Position gehalten. Die Lampe 25 wird betätigt und bildet eine Quelle, welche von dem Nadelloch 26 abstrahlt. Die Strahlung aus dem Nadelloch 26 geht durch die Kollimationslinse 23, wo sie zu einem Strahl mit einer ebenen Wellenfront geformt wird, welche durch die Maskenhalterung 27 geht und mit einer gleichmäßigen Wellenphase auf die Maske 28 auftrifft. Beim Hindurchgehen durch die Maske 28 bildet die Strahlung ein Beugungsmuster, wie oben beschrieben. Der Kern 13, der in dem Beugungsfeld liegt, wird der Strahlung ausgesetzt, welche sich entlang der Achse 14 periodisch verändert, wobei die Periode gleich der halben Periode der Maske ist. Bei Belichtung mit der Strahlung entwickelt der Kern ein Muster der Indexänderung entlang seiner Länge, das der Änderung der Belichtung mit der Strahlung ent spricht. Wenn die Belichtung des Faserkerns mit der Strahlung soweit fortgeschritten ist, daß sie eine merkliche Änderung des Index erzeugt, wird die Belichtung beendet und die Faser aus der Vorrichtung entfernt, um ein Bragg-Gitter vorzusehen.
Man wird bemerken, daß die Periode des Beugungsmusters in der Richtung des Lichtwegs (die z-Richtung in 2) abhängig ist von der Maskenperiode und jeder durch optische Elemente eingeführten Vergrößerung, sie ist jedoch unabhängig von der Wellenlänge der Aktivierungsstrahlung. Durch Herstellung eines Gitters gemäß dem Verfahren der Erfindung kann daher die Periode des Gitters beliebig nach Wunsch eingestellt werden, ohne daß sich Beschränkungen aus der Wellenlänge der Aktivierungsstrahlung ergäben.
Eine endliche Bandbreite der Quelle oder eine Bewegung der Faser relativ zur Maske verschmiert das Beugungsmuster in der x-Richtung, jedoch nicht in der z-Richtung.
Man wird verstehen, daß die speziellen Ausführungsformen der Erfindung, die hier beschrieben wurden, lediglich Beispiele der allgemeinen Grundsätze der Erfindung sind. Zahlreiche Modifikationen können von dem Fachmann vorgenommen werden, welche die hier Beschriebenen Grundsätze verwirklichen, ohne den Bereich der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bragg-Gitters mit einer periodischen Änderung des Index, die gleich einer gewünschten Gitterperiode ist, in einem optischen Wellenleiter mit einer Längen-Dimension, der aus einem Material aufgebaut ist, das eine Indexänderung aufweist, wenn es einer Strahlung mit einer Stellfrequenz ausgesetzt ist, mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen einer Maske mit einer periodischen Änderung der Durchlässigkeit/Phase entlang einer ausgewählten Dimension, wobei die periodische Maskenänderung eine vorgegebene Wiederholungsperiode aufweist, Lenken von Strahlung mit der Stellfrequenz durch die Maske, so daß sie ein Strahlungsbeugungsmuster erzeugt, das sich in zwei Dimensionen ändert, und so daß sie in den Wellenleiter geht, Positionieren der Maske in der Nähe des optischen Wellenleiters, wobei die ausgewählte Dimension parallel zu der Längen-Dimension läuft, bei einer Position, bei der das Beugungsmuster eine mittlere Intensität mit einer Periode, die gleich die halbe vorgegebene Wiederholungsperiode ist, aufweist, und Aufrechterhalten der so gerichteten Strahlung mit der Stellfrequenz, bis sich eine erfaßbare Änderung des Index des Wellenleiters entwickelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlung mit der Stellfrequenz eine Wellenfront aufweist, welche die Maske mit gleichmäßiger Phase kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter ein Kern einer Lichtleitfaser ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stellfrequenz eine hochmonochrome Strahlung ist.