DE69411590T2

DE69411590T2 - Methode und vorrichtung zur erzeugung von aperiodischen gittern in optischen fasern

Info

Publication number: DE69411590T2
Application number: DE69411590T
Authority: DE
Inventors: William Glenn
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2014-10-01
Also published as: WO1995017705A2; US5388173A; ES2119372T3; CA2179042A1; CA2179042C; EP0736201A1; JP3059761B2; JPH09506981A; DE69411590D1; WO1995017705A3; EP0736201B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Bragg-Gitter und insbesondere aperiodische Gitter in optischen Fasern.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, daß reflektierende Gitter in den Gebieten der optischen Sensorik und Signalverarbeitung in vielfältiger Weise Verwendung finden. Ferner ist es bekannt, Brechungsindex- (oder Bragg-) Reflexionsgitter, die eine einheitliche räumliche Periodizität aufweisen, in den Kern einer germaniumdotierten optischen Faser einzuprägen, wie dies in den US Patentschriften 4,807,950 und 4,725,110, beide von Glenn et al., angegeben worden ist. Ein Bragg-Gitter mit einheitlicher räumlicher Periodizität der Brechungsindexänderungen oder -störungen dient als ein Reflektor mit schmalem Wellenlängenband bei Wellenlängen, die dem Zweifachen des Gitterabstands entsprechen (d.h. dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Indexstörungen).
Ferner ist die Breite des Reflexions-Peaks durch die Amplitude der Brechungsindexänderungen oder -störungen (d.h. der "Stärke" des Gitters) und die effektive Länge des Gitters (d.h. den Abstand, innerhalb dessen sich das einfallende Licht im wesentlichen auf null dissipiert) bestimmt.
Insbesondere für Indexänderungen mit niedriger Amplitude (d.h. für "schwache" Gitter) ist die Breite des Reflexions-Peaks sehr schmal, weil, während das Eingangslicht aufgrund der geringen Änderung des Brechungsindexes auf aufeinanderfolgende störungen auftrifft, nur ein kleiner Teil des einfallenden Lichtes reflektiert wird. Folglich wird das Licht der Quelle nur gering abgeschwächt. Daher weist das insgesamt reflektierte Licht eine Vielzahl geringer Lichtmengen auf, die je von einer von vielen aufeinanderfolgenden Störungen reflektiert worden sind und sich (aufgrund ihres Abstandes) kohärent addieren und ein starkes Reflexionssignal bei der Peak-Reflexionswellenlänge (d.h. bei dem Zweifachen des Gitterabstandes) erzeugen. Es versteht sich, daß die effektive (optische) Länge des Gitters, d.h. die Länge, die notwendig ist, damit das Licht vollständig dissipiert, nicht notwendigerweise gleich (und im allgemeinen kürzer als) der physikalischen Länge des Gitters ist.
Da sich jedoch die Wellenlänge des Lichtes der Quelle vom Zweifachen des Gitterabstands (wo maximale Reflexion auftritt) ändert, beginnt schnell destruktive Interferenz zwischen Lichtstrahlenbündeln aufzutreten, die von verschiedenen Störungen aufgrund von Phasendifferenzen verursacht werden, weil der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Störungen nicht mehr gleich der Hälfte der einfallenden Wellenlänge ist.
Umgekehrt wird für Indexänderungen mit großer Amplitude (d.h. für "starke" Gitter) von jedem Gitter ein großer Teil des Lichtes reflektiert. Folglich wird ein bedeutsamer Teil des Eingangslichts von jeder Störung aufgezehrt. Demzufolge ist die effektive Länge des Gitters viel kürzer als bei schwachen Gittern. Als Folge davon kann die Eingangswellenlänge stärker vom Zweifachen des Gitterabstandes abweichen, bevor destruktive Interferenz aufzutreten beginnt. Folglich ist die Breite des Reflexions-Peaks für starke Gitter typischerweise breiter als für schwache Gitter.
Bekannterweise ist die Erzeugung von Gittern in einer Faser das Ergebnis eines lichtbrechenden Effektes. Insbesondere, wenn der Kern einer lichtempfindlichen Faser ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge in der Nähe von 250 Nanometern ausgesetzt wird, wird eine permanente Änderung des Brechungsindexes erzeugt. Die Größe der Änderung hängt zusammen mit der Intensität der einfallenden Strahlung und der Zeit der Bestrahlung. Wie in den vorstehend erwähnten Patenten angegeben ist, kann ein Gitter mit einer gleichförmigen räumlichen Periodizität hergestellt werden, indem zwei nominell ebene optische Wellen im Kern der Faser zur Interferenz gebracht werden und hierbei ein Interferenzmuster im Kern erzeugen. Die gleichförmige sinusförmige Intensitätsänderung des Interferenzmusters erzeugt ein Gitter mit einer gleichförmigen räumlichen Periode von Brechungsindexänderungen, die den sinusförmigen Änderungen der Interferenzmuster ähnlich sind.
Während ein enges Reflexionsband für einige Anwendungen nützlich ist, kann es jedoch andere Anwendungen geben, für welche die Benutzung einer Filterfunktion erwogen wird, die breiter ist als diejenige, welche mit den vorstehend erwähnten starken Gittern erreichbar ist, oder die eine andersartige Form als lediglich ein einfaches einziges schmales Peak-Reflexionsband hat.
Daher wäre es wünschenswert ein Bragg-Gitter bereitzustellen, das ein Reflexionsprofil aufweist, welches nicht nur ein schmales Band mit einem einzigen Peak ist.

Offenbarung der Erfindung

Aufgaben der Erfindung umfassen die Bereitstellung eines Bragg-Gitters mit einem wählbaren Filterfunktionsprofil
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Methode zum Einprägen von aperiodischen Gittern die Schritte, einen optischen Wellenleiter zu nehmen, der aus einem Material gemacht ist, das einen Brechungsindex hat, der durch die Belichtung mit einem Licht vorbestimmter Intensität und vorbestimmter Wellenlänge permanent geändert werden kann, und den Wellenleiter gleichzeitig mit zwei Schreiblichtstrahlenbündeln zu be lichten, die sich in einem vorbestimmten Bereich des Wellenleiters kreuzen und dort zu Interferenz führen, so daß ein Interferenzmuster entlang der Längsachse des Wellenleiters für eine Zeitdauer entsteht, die lang genug ist, um eine permanente Brechungsindexänderung im Wellenleiter hervorzurufen. Jedes der zwei Schreibstrahlenbündel hat eine vorbestimmte Anzahl an Wellenlängen und die Wellenlängen sind ausreichend voneinander verschieden, um zu bewirken, daß die Brechungsindexänderung eine aperiodische Änderung ist.
Im Rahmen des ersten Aspekts der Erfindung weist beim Schritt der Belichtung jede der Wellenlängen eine Fourierkomponente der aperiodischen Brechungsindexänderung auf.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Einprägen eines aperiodischen Gitters in einen Bereich eines optischen Wellenleiters auf: eine Lichtquelleneinrichtung zur Bereitstellung einer vorgegebenen Anzahl von Lichtstrahlenbündeln, wobei jedes Strahlenbündel eine vorbestimmte Wellenlänge hat; eine Wellenlängenkombiniereinrichtung zum Kombinieren der Quellenstrahlenbündel in ein einziges Strahlenbündel; eine Strahlenbündelteilereinrichtung zum Teilen des einzigen Strahlenbündels in mindestens zwei Schreibstrahlenbündel; und eine Strahlenbündellenkeinrichtung zum Lenken der Schreibstrahlenbündel derart, daß diese sich in einem Bereich des Wellenleiters kreuzen, und dadurch ein Interferenzmuster entlang einer Längsachse des Wellenleiters für eine Zeitdauer schaffen, die lange genug ist, um eine permanente Brechungsindexänderung in dem Wellenleiter zu bilden, wobei die zu den Quellenstrahlenbündeln gehörigen Wellenlängen ausreichend unterschiedlich voneinander sind, um zu erreichen, daß die Brechungsindexänderung eine aperiodische Änderung ist.
Im Rahmen des zweiten Aspekts der Erfindung umfaßt die Lichtquelleneinrichtung eine Breitbandlichtquelleneinrichtung zur Bereitstellung eines breitbandigen Quellenlichtes mit einer Mehrzahl von Wellenlängen und eine Wellenlängentrenneinrichtung zum Trennen des Breitbandlichts in eine vorbestimmte Anzahl von Strahlenbündeln.
Die Erfindung stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber Bragg-Gittern des Stands der Technik dar, indem eine Methode und eine Vorrichtung zur Herbeiführung eines aperiodischen Brechungsindexes (d.h. eines aperiodischen Gitters) entlang der Länge eines optischen Wellenleiters, wie einer optischen Faser, verfügbar gemacht werden. Solche aperiodischen Gitter erlauben eine Anpassung des Reflexionsprofils des Gitters an einige spezifische vorbestimmte Wellenlängenprofilcharakteristika. Bei einer Ausführungsform wird die Periodizität der Brechungsindexänderung, also das Gitter, durch Änderung der Wellenlänge, der Amplitude und/oder der Phase der interferierenden Strahlenbündel und/oder ihres Schnittwinkels innerhalb der Faser geändert. Durch Anpassung dieser Parameter der Schreibstrahlenbündel ist es möglich, sequentiell die gewünschte Änderung der Periodizität durch einen Fouriersyntheseprozeß aufzubauen. Folglich ist jedes Interferenzmuster eine Fourierkomponente der gesamten aperiodischen Indexänderung.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein aperiodisches Gitter mit allen Fourierkomponenten oder einem Teil davon simultan geschrieben, indem ein Spektralfilter benutzt wird, das die gewünschten Wellenlängen herausfiltert, die Amplitude jeder Wellenlänge in einer vorbestimmten Art ändert (und/oder die Phase jeder Wellenlänge verschiebt) und die individuellen Fourierkomponenten in ein einziges Strahlenbündel zusammenführt, das dann zum Schreiben des Gitters benutzt wird. Bei der ersteren Technik wird das Schreiben sequentiell ausgeführt, und bei der letztgenannten Technik werden die Fourierkomponenten simultan eingeprägt.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher im Licht der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Amplituden und Phasenmodulation zum Schreiben von aperiodischen Gittern zeigt.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Seitenansicht von einer Faser und zwei Strahlenbündeln, die sich im Bereich einer Faser schnei den und dort interferieren.
Fig. 3 ist eine Vielzahl von Wellenformen in den Darstellungen (a), (b), (c), (d) (e), die eine Vielzahl von Fourierkomponenten einer Brechungsindexänderung entlang einer Längsachse eines Wellenleiters und das Ergebnis einer Summierung dieser Komponenten zeigt, die existiert, nachdem alle Komponenten in eine Faser geschrieben worden sind, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des Reflexionsprofils des aperiodischen Gitters in Fig. 3, Darstellung (e), gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die scannende Spiegel zur Einstellung des Schnittwinkels aufweist, unter dem das Gitter in die Faser geschrieben wird, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig.6 ist eine vergrößerte Darstellung des scannenden Spiegels und von optischen Elementen der Ausführungsform in Fig. 5, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist ein schematisches Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der simultan alle Fourierkomponenten zur Bildung eines aperiodischen Gitters geschrieben werden, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Gemäß Fig. 1 liefert ein Laser 10 mit abstimmbarer Wellenlänge ein Quellenstrahlenbündel 12 mit einer Wellenlänge, die auf einem Signal auf einer Leitung 14 einer Steuereinheit 16 beruht (nachfolgend erläutert). Das Licht 12 trifft auf einen Amplitudenmodulator 18 auf, beispielsweise einen elektrooptischen Amplitudenmodulator oder einen räumlichen Lichtmodulator. Der Amplitudenmodulator 18 stellt die Amplitude des Eingangslichtsignals 12 ein und liefert ein Lichtsignal 20 mit einer Amplitude in Abhängigkeit von einem Amplitudensteuersignal auf einer Leitung 21 der Steuereinheit 16.
Das amplitudeneingestellte Lichtsignal 20 trifft auf einen Strahlenbündelteiler 22 auf, der einen vorbestimmten Prozentsatz, z. B. 50 Prozent, des Eingangslichts 20 als durchgelassenes Licht 24 passieren läßt und den verbleibenden Teil als reflektiertes Licht 25 reflektiert. Das durchgelassene Licht 24 trifft auf einen Spiegel 26 auf, der ein reflektiertes Strahlenbündel 28 liefert. Das Strahlenbündel 28 trifft auf einen Bereich 30 einer optischen Faser 32 auf, beispielsweise einer germaniumdotierten Silikakern-Faser.
Das reflektierte Strahlenbündel 25 trifft auf ei nen Phasenmodulator 34 auf, beispielsweise einen elektrooptischen Phasenmodulator, der ein Ausgangsstrahlenbündel 36 liefert, das gegenüber dem Eingangsstrahlenbündel 25 in Abhängigkeit von einem Signal auf der Leitung 38 der Steuereinheit 16 phasenverschobenen ist. Das phasenverschobene Strahlenbündel 36 trifft auf einen Spiegel 40 auf, der ein reflektiertes Strahlenbündel 42 liefert. Das reflektierte Strahlenbündel 42 trifft außerdem auf den Bereich 30 der optischen Faser 32 auf und kreuzt sich und interferiert mit dem Strahlenbündel 28. Alternativ kann ein Modulator mit einer festgelegten Phase verwendet werden, wenn dies erwünscht ist, wie eine Phasenplatte. Es versteht sich, daß der Phasenmodulator 34 alternativ in dem Pfad der Strahlenbündel 24, 28 oder 42 angeordnet werden kann.
Die Steuereinheit weist eine bekannte Elektronik, Digital- und/oder Analog-Schaltungen auf oder es kann sich auch um einen digitalen Computer mit einer geeigneten Signalverarbeitung und Speicherfähigkeit handeln, der die hierin genannten Funktionen liefert.
Wie vorstehend und in dem vorgenannten US-Patent von Glenn et al. erläutert, wird ein Bragg-Gitter in den Kern einer optischen Faser eingebettet durch die Interferenz von zwei kohärenten Strahlenbündeln im Bereich des Faserkerns, in dem das Gitter erwünscht ist. Das resultierende Interferenzmuster ist eine stehende Welle, die entlang der Länge der Faser (oder der Längsachse) vorhanden ist und die eine korrespondierende räumlich periodische Änderung des Brechungsindexes entlang der Längsachse der Faser hervorruft (vorstehend erläutert) . Die räumliche Periodizität der Brechungsindexänderung (und folglich des Gitters) ist eine Funktion der Wellenlänge der zwei einfallenden Lichtstrahlenbündel 28, 42. Zur Unterstützung der Änderung jeder Komponente des Brechungsindexes kann die Amplitude und Phase jeder Komponente eingestellt werden. Dies ist jedoch nicht notwendig, falls die Quelle wellenlängenvariabel ist. Ferner kann die Laserquelle 10 anstelle des Amplitudenmodulators 18 eine variable Ausgangsleistung haben, die von der Steuereinheit 16 gesteuert wird.
Gemäß Fig. 2 sind die Strahlenbündel 28, 42 auf eine Linie entweder kollimiert oder fokussiert (unter Verwendung von zylindrischen Linsen - nicht dargestellt) und schneiden sich im Bereich 30 des Kerns der Faser 32. Der Bereich 30 ist dort, wo das periodische Interferenzmuster gebildet ist, das die periodische Änderung des Brechungsindexes erzeugt.
Bezugnehmend auf Fig. 3 haben wir herausgefunden, daß durch aufeinanderfolgendes Schreiben von Interferenzmustern mit verschiedener Amplitude, Phase und Frequenz der räumlichen Änderungen (wodurch korrespondierend unterschiedliche periodische Brechungsindexänderungen erzeugt werden) ein aperiodisches Brechungsindexprofil geschaffen werden kann, wodurch andere Filterkurven als die eines Einzelschmalbandreflexionsfilters ermöglicht werden.
Insbesondere, wenn nacheinander jedes der Brechungsindexprofile entlang der Längs- oder z-Achse der in Fig. 3, Darstellungen (a) - (d), in den Kern der Faser geschrieben wird, ergibt sich ein permanentes Brechungsindexänderungsprofil wie in Fig. 3, Darstellung (e) angegeben, welches einfach die Summe der einzelnen Fourierkomponenten (in Fig. 3, Darstellungen (a) - (d)) ist. Solch ein Indexänderungsprofil liefert ein Filterprofil 60 mit großer Bandbreite, wie in Fig. 4 gezeigt.
Bei Verwendung des Prinzips der Überlagerung reflektiert jede der Wellenformen 50-56 von Fig. 3, Darstellungen (a) - (d), in dieser Reihenfolge, ein schmales Wellenlängenband von Licht, das mit dem Gitterabstand zusammenhängt, was durch die einzelnen Profile 62-66, in dieser Reihenfolge, angegeben ist. Hieraus resultiert ein Filterprofil entsprechend der Breitbandfilterfunktion 60, wenn jede dieser Wellenformen in den Kern der Faser eingeprägt wird. Es versteht sich, daß andere Filterfunktionsprofile geschaffen werden können, indem andere Fourierkomponentenindexänderungswellen formen verwendet werden.
Ferner ist das Reflexionsprofil (wie z.B. in Fig. 4) bekannterweise die Fouriertransformation des Brechungsindexprofils, wenn die Amplitude der Änderung klein ist (d.h. für "schwache" Gitter), wie z.B. in Fig. 3, Darstellung (e). Für weitere Informationen betreffend diesen Fouriertransformationszusammenhang sei auf H. Kogelnik, "Filter Response of Nonuniform Almost Periodic Structures", Bell System Tech. Journal, Vol. 55, No. 1 (Jan. 1976) hingewiesen. Folglich kann man das gewünschte aperiodische Brechungsindexänderungsprofil erhalten, indem man die inverse Fouriertransformation der gewünschten Reflexionscharakteristik und die Fouriertransformation des resultierenden aperiodischen Indexprofils (in Bezug auf die Länge) nimmt, um die einzelnen Brechungsindex- Fourierkomponenten zu bestimmen, die zum Schreiben benötigt werden, um eine solche Reflexionsfunktion zu schaffen.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ist zur Erzeugung des Brechungsindexprofils 58, das in Fig. 3, Darstellung (e) gezeigt ist, vorgesehen, daß die Steuereinheit 16 den abstimmbaren Laser 10, den Amplitudenmodulator 18 und den Phasenmodulator 34 steuert, um zeitlich aufeinanderfolgend jede der Fourierkomponenten der Wellenformen 50-56 der Fig. 3, Darstellungen (a) - (d), zu erzeugen.
Genauer gesagt legt die Steuereinheit 16 die Wellenlänge des abstimmbaren Lasers 10, das Maß der Dämpfung des Amplitudenmodulators 18 und den Betrag der Phasenverzögerung des Phasenmodulators 34 fest, um die Strahlenbündel 28, 42 mit der geeigneten Amplitude und Phase bereitzustellen, so daß die Brechungsindexwellenform 50 in Fig. 3, Darstellung (a), geschaffen wird. Diese Bedingungen werden für eine vorbestimmte Zeitdauer, die lang genug ist, um dieses Brechungsindexänderungsmuster permanent in den Kern der Faser 32 zu schreiben, konstant gehalten, ähnlich dem, was in den vorgenannten US-Patenten angesprochen worden ist. Die Zeitdauer variiert, wie bekannt, von Sekunden zu Minuten in Abhängigkeit von der Lichtempfindlichkeit der Faser und der Intensität der Belichtungsstrahlung.
Anschließend stellt die Steuereinheit die Wellenlänge des abstimmbaren Lasers 10, den Amplitudenmodulator 18 und den Phasenmodulator 34 so ein, daß Strahlenbündel 28, 42 mit geeigneter Amplitude, Phase und Wellenlänge zur Schaffung der Brechungsindexänderungswellenform 52 in Fig. 3, Darstellung (b), in der Faser 32 entstehen. Diese Einstellungen werden für eine ausreichend lange Zeit und bei einer ausreichenden Intensität beibehalten, um eine permanente Indexänderung herbeizuführen, wie durch die Wellenform 52 in Fig. 3, Darstellung (b), angegeben.
Ein ähnlicher Vorgang wird durchgeführt, um die Brechungsindexänderungswellenformen 54, 56 in Fig. 3, Darstellungen (c), (d), im selben Bereich 30 der Faser 32 zu schaffen. Das Ergebnis ist ein Gesamtbrechungsindexprofil, wie das in Fig. 3, Darstellung (e) gezeigte Profil.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist die räumliche Periodizität der Brechungsindexänderung, wie bekannt, auch eine Funktion des Einfallswinkels θ der zwei auf der Faser 32 interferierenden Strahlenbündel. Bei Benutzung dieses Effektes treffen die Strahlenbündel 24, 36 auf scannende Spiegel 100, 102 auf, die sich um Achsen 104 bzw. 106 drehen (anstatt auf stationäre Spiegel 26, 40 aufzutreffen, wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert). Bei dieser Ausführungsform können die variable Wellenlängenquelle und die Amplitudenund Phasenmodulation zur Änderung weiterer Variablen verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 liefert der Spiegel 100 ein reflektiertes kollimiertes Strahlenbündel 108 mit einem Winkel α in bezug auf den Winkel des Spiegels 100. Das Strahlenbündel 108 trifft auf eine Linse 110 auf, die Licht fokussiert und leitet, das in die Linse unter verschiedenen unterschiedlichen Winkeln eintritt, um Ausgangslicht 112 mit im wesentlichen parallelen Zentraistrahlen zu liefern. Das Licht 112 trifft auf eine kollimierende Linse 114 auf, die das Licht 112 kollimiert und als ein Ausgangslicht 116 zu einem Bereich 30 der Faser 32 leitet, welche in der Brennpunktebene der Linse 114 angeordnet ist.
Der Abstand zwischen der Stelle, an der das Licht 108 den Spiegel 100 verläßt, und der Linse 110 ist gleich der Brennweite fl der Linse 110. Der Abstand zwischen der Linse 114 und der Faser 32 ist gleich der Brennweite f2 der Linse 114. Ferner ist der Abstand zwischen der Linse 110 und der Linse 114 gleich der Summe der zwei Brennweiten fl, f2 der Linsen 110 bzw. 114. Um dafür zu sorgen, daß die Änderung des Winkels α dieselbe Änderung des Winkels e auf der Faser herbeiführt, sollten die Brennweiten f1, f2 gleich sein. Dies ist jedoch nicht notwendig für die Ausführbarkeit der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 besteht eine ähnliche Anordnung zwischen dem einstellbaren Spiegel 102 und der Faser 32. Insbesondere wird ein Licht 120 von dem Spiegel 102 reflektiert und trifft auf eine fokussierende und umlenkende Linse 122 auf, die ein fokussiertes Ausgangslicht 124 (ähnlich dem fokussierten Strahlenbündel 112 der Fig. 6) liefert. Das fokussierte Licht 124 trifft auf eine kollimierende Linse 126 auf, die ein kollimiertes Lichtstrahlenbündel 128 auf den Bereich 30 der Faser 32 liefert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 liefert eine Breitbandlaserquelle 200 ein Strahlenbündel 201, das ein breites Wellenlängenband aufweist, das Wellenlängen des gewünschten Fourierspektrums umfaßt. Das Strahlenbündel 201 trifft auf ein Beugungsgitter 202 auf, welches, was bekannt ist, Licht beugt und so verschiedene Wellenlängen im Lichtstrahlenbündel 201 räumlich trennt. Insbesondere he fert das Beugungsgitter 202 ein gebeugtes Licht 204, das eine Wellenlänge λ1 aufweist. Das Beugungsgitter liefert ferner ein Strahlenbündel 206 mit einer Wellenlänge λ2 und ein Strahlenbündel 208 mit einer Wellenlänge λ3. Es können weitere Wellenlängen verwendet werden, wenn dies erwünscht ist.
Die Strahlenbündel 204-208 treffen auf eine fokussierende Linse 210 auf, welche die kollimierenden Strahlenbündel 204-208 in fokussierte Strahlenbündel 212-216 umwandelt, in der angegebenen Reihenfolge, die im wesentlichen parallele Zentralstrahlen (wie in Fig. 5 angegeben) aufweisen.
Die Strahlenbündel 212-216 treffen auf einen Amplitudenmodulator 220 auf, beispielsweise eine sich räumlich ändernde Transparenz oder einen räumlichen Lichtmodulator. Der Lichtmodulator 220 ändert die Intensität der Strahlenbündel 212-216 in einer selektiven Art, die von der Stelle abhängt, an der ein gegebenes Licht auf den Modulator 220 auftrifft. Der räumliche Lichtmodulator liefert amplitudeneingestellte Lichtstrahlenbündel 222-226 in Abhängigkeit von einem Steuersignal auf Leitungen 228 einer Steuereinheit 230. Die Steuereinheit 230 ist der Steuereinheit 56, die vorstehend erörtert worden ist, ähnlich und stellt die Amplitudenwerte jedes zur Herstellung des Gitters benutzten Strahlenbündels 222-226 ein. Alternativ kann der räumliche Lichtmodulator 220 ein passives Transparenzblatt mit veränderlichen Bereichen von Undurchsichtigkeit sein.
Die Strahlenbündel 222-226 treffen auf eine Linse 240 auf, welche die Strahlenbündel 222-226 zu den Strahlenbündeln 242-248, in der angegebenen Reihenfolge, kollimiert und die Strahlenbündel auf den gemeinsamen Bereich des Beugungsgitters 250 richtet. Das Beugungsgitter 250 kombiniert die Strahlenbündel 242-248 zu einem einzigen Ausgangsstrahlenbündel 252.
Die optischen Komponenten des Beugungsgitters 202, die Linsen 210, 240, die Amplituden- und Phasenmodulatoren 220 und das Gitter 250 bilden im wesentlichen ein Spektralfilter, welches die Amplitude und Phase der einzelnen Fourierkomponenten der gewünschten aperiodischen Brechungsindexänderung einstellt. Ferner sind die Linsen 210, 240 im wesentlichen in derselben Konfiguration wie die von Fig. 6.
Das Strahlenbündel 252 trifft auf den Strahlenbündelteiler 260 auf, der dem vorstehend erläuterten Strahlenbündelteiler 22 (Fig. 1) ähnlich ist. Der Strahlenbündelteiler 260 läßt ein Strahlenbündel 262 durch und reflektiert den restlichen Teil des Eingangsstrahlenbündels 252 als das Strahlenbündel 264. Das Strahlenbündel 262 trifft auf einen Spiegel 266 auf, der ein reflektiertes Strahlenbündel 268 auf den Bereich 30 der Faser 32 liefert. Das reflektierte Strahlenbündel 264 trifft auf einen Spiegel 270, der ein reflektiertes Strahlenbündel 272 auf den Bereich 30 der Faser 32 liefert. Die Strahlenbündel 268, 272 schneiden sich im Bereich 30 der Faser 32 ähnlich, wie dies in Fig. 2 für die Strahlenbündel 28, 42 gezeigt ist.
Die in Figur 7 gezeigte Ausführungsform ermöglicht das simultane Schreiben aller Fourierspektralkomponenten, die das gewünschte Brechungsindexwellenformprofil bilden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer reduzierten Zeit, um das gewünschte aperiodische Gitter zu schreiben und ist zudem we niger anfällig gegen Erschütterungen und Luftstromprobleme, die mit der Durchführung wiederholten Schreibens in sequentieller Art verbunden sind. Insbesondere müssen die Abstände zwischen den Spiegeln und die Ausrichtungen der Linsen und der Spiegel präzise relativ zueinander festgelegt werden, um dafür zu sorgen, daß die mehrfachen sequentiellen Spektralfourierkomponenten die gewünschte kombinierte Brechungsindexwellenform liefern.
Es versteht sich, daß sich die fokussierten Strahlenbündel 212-216 etwas überschneiden, wenn die Wellenlängen eng beieinander liegen. Daher sollte der Modulator 220 dicht bei den Brennpunkten der Strahlenbündel 212-216 plaziert werden, wie in Fig. 7 angegeben.
Falls Phasenmodulation erwünscht ist, können ferner die in ihrer Amplitude eingestellten Strah lenbündel 222-226 auf einen Phasenmodulator (nicht dargestellt) auftreffen, beispielsweise einen elektrooptischen Modulator zwischen dem Amplitudenmodulator 220 und der Linse 240. In diesem Fall können die Linsen 210, 240 zylindrisch sein, die Strahlenbündel 222-226 können auf eine Linie fokussiert werden, der Phasenmodulator würde einen Teil jeder fokussierten Linie modulieren, ein optisches Element (nicht dargestellt) würde jedes Strahlenbündel teilen und ein weiteres optisches Element würde die Strahlenbündel auf die Faser richten. Ferner würde die Steuereinheit 230 das Ausmaß der Phasenverschiebung in jedem Strahlenbündel einstellen und die optischen Elemente 260, 266, 270 würden nicht benutzt werden.
Anstelle der Benutzung einer einzigen Breitbandquelle 200 und des Beugungsgitters 202 kann eine Mehrzahl von Einzelwellenlängenquellen (nicht dargestellt) benutzt werden, um die Strahlenbündel 204-208 zu liefern, die je auf die Linse 210 auftreffen.
Es versteht sich, daß die Erfindung gleichermaßen ausführbar ist, wenn die Strahlenbündel auf eine Linie fokussiert sind, obwohl verschiedene Strahlenbündel als kollimiert beschrieben worden sind. In diesem Fall sollten zylindrische Linsen (nicht dargestellt) benutzt werden. Die Zeichnungen der Strahlenbündel in den Figuren 2, 6 und 7 würden sich jedoch nicht ändern.
Ferner versteht sich, daß die Fourierkomponenten der gewünschten aperiodischen Brechungsindexänderung Frequenzen haben, die sehr eng beieinander liegen, d.h. sie sind keine Harmonischen voneinander.
Außerdem ist die Erfindung gleichermaßen gut mit anderen Wellenleitern als einer optischer Faser ausführbar, wie mit einem ebenen Wellenleiter, vorausgesetzt, daß der Wellenleiter aus einem Material besteht, das einen Brechungsindex hat, der permanent geändert werden kann, indem der Wellenleiter Licht einer vorbestimmten Intensität bei einer vorbestimmten Wellenlänge ausgesetzt wird.
Zudem kann bei der Ausführungform nach Fig. 7 anstelle des Strahlenbündelteilers 260 zur Teilung des Strahlenbündels 252 in zwei Schreibstrahlenbündel 268, 272 ein Paar Spektralfilter und Beugungsgitter 202, 250, benutzt werden, von denen jedes ein Strahlenbündel erzeugt, das zur Bildung des Gitters auf die Faser 32 gelenkt wird.

Claims

1. Verfahren zum Einprägen eines aperiodischen Gitters, das folgende Schritte umfaßt:

Es wird ein optischer Wellenleiter bereitgestellt, der aus einem Material gefertigt ist, das einen Brechungsindex aufweist, der durch Belichtung mit einem Licht vorbestimmter Intensität und vorbestimmter Wellenlänge permanent geändert werden kann; und

der Wellenleiter wird gleichzeitig mit zwei Schreiblichtstrahlenbündeln belichtet, die sich in einem vorbestimmten Bereich des Wellenleiters kreuzen und dort zu Interferenz führen, so daß ein Interferenzmuster entlang einer Längsachse des Wellenleiters für eine Zeitdauer entsteht, die lang genug ist, um eine dauerhafte Brechungsindexänderung im Wellenleiter zu bilden, wobei jedes der zwei Schreibstrahlenbündel eine vorbestimmte Anzahl an Wellenlängen aufweist und die Wellenlängen ausreichend unterschiedlich voneinander sind, um zu bewirken, daß die Brechungsindexänderung eine aperiodische Änderung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede der Wellenlängen im Schritt der Belichtung eine Fourierkomponente der aperiodischen Brechungsindexänderung umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich einen Schritt einer Modulation der Amplitude einer vorbestimmten Anzahl der Wellenlängen umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aperiodische Brechungsindexänderung ein Breitbandreflexionsprofil zeigt.

5. Vorrichtung zum Einprägen eines aperiodischen Gitters in einen Bereich eines optischen Wellenleiters, die umfaßt:

Eine Lichtquelleneinrichtung zur Bereitstellung einer vorbestimmten Anzahl von Quellenstrahlenbündeln, wobei jedes Strahlenbündel ein vorbestimmtes Wellenlängenspektrum aufweist;

eine Wellenlängenkombinationseinrichtung zum Kombinieren der Quellenstrahlenbündel in ein einziges Strahlenbündel;

eine Strahlenbündelaufteilungseinrichtung zum Aufteilen des einzigen Strahlenbündels in mindestens zwei Schreibstrahlenbündel; und

eine Strahlenbündeleinrichtung zum Lenken der Schreibstrahlenbündel derart, daß diese sich in einem Bereich des Wellenleiters kreuzen und dadurch ein Interferenzmuster entlang der Längsachse des Wellenleiters für eine Zeitdauer schaffen, die lang genug ist,

um eine dauerhafte Brechungsindexänderung in dem Wellenleiter zu bilden, wobei die zu den Quellenstrahlenbündeln gehörenden Wellenlängen ausreichend verschieden voneinander sind, um zu erreichen, daß die Brechungsindexänderung eine aperiodische Änderung ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Lichtquelleneinrichtung umfaßt:

Eine Breitbandlichtquelleneinrichtung zur Bereitstellung eines breitbandigen Quellenlichts mit einer Mehrzahl von Wellenlängen; und

eine Wellenlängentrenneinrichtung zur Trennung des breitbandigen Lichts in die vorbestimmte Anzahl von Quellenstrahlenbündeln.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine Amplitudenmodulationseinrichtung zur unabhängigen Modulation der Amplitude eines jeden der Quellenstrahlenbündel umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Bereitstellung eines Amplitudenmodulationssignals für die Amplitudenmodulationseinrichtung und für die Festlegung der erwünschten Amplitude eines jeden der Quellenstrahlenbündel um-

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die aperiodische Änderung ein Breitbandreflexionsprofil zeigt.

10. Vorrichtung zum Einprägen eines aperiodischen Gitters in einen Bereich eines optischen Wellenleiters, die aufweist:

Eine Variabelwellenlängen-Lichtquelleneinrichtung zur Bereitstellung eines Quellenlichts veränderlicher Wellenlänge;

eine Strahlaufteilungseinrichtung zur Aufteilung des Quellenlichts in mindestens zwei Schreibstrahlenbündel;

eine Strahlenbündellenkeinrichtung zum Lenken der Schreibstrahlenbündel derart, daß diese sich in einem Bereich des optischen Wellenleiters kreuzen, wobei sie ein Interferenzmuster entlang einer Längsachse des Wellenleiters für eine Zeitdauer bilden, die lange genug ist, um eine permanente Brechungsindexänderung in dem Wellenleiter zu bilden; und

eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Bereitstellung eines Wellenlängensteuersignals für die Variabelwellenlängen-Lichtquellen einrichtung zur Einstellung unterschiedlicher aufeinanderfolgender Wellenlängen, wobei jede Wellenlänge eine unterschiedliche Brechungsindexänderung herbeiführt, so daß eine Gesamtbrechungsindexänderung geschaffen wird, die eine aperiodische Änderung ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Amplitudenmodulationseinrichtung zum unabhängigen Modulieren der Amplitude des Quellenlichts umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Bereitstellung eines Amplitudenmodulationssignals für die Amplitudenmodulationseinrichtung und für die Festlegung der erwünschten Amplitude des Quellenlichts um-

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Phasenmodulationseinrichtung zum unabhängigen Modulieren der Phase mindestens eines der Schreibstrahlenbündel umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Bereitstellung eines Phasenmodulationssignals für die Phasenmodulationseinrichtung und zur Festlegung der Phasenbeziehung zwischen den Schreibstrahlenbündeln umfaßt

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die aperiodische Änderung ein Breitbandreflexionsprofil zeigt.