DE69800679T2

DE69800679T2 - Vorrichtung zum lichtinduzierten Schreiben von apodisierten Bragg Gittern

Info

Publication number: DE69800679T2
Application number: DE69800679T
Authority: DE
Inventors: Lionel Quetel; Loic Rivoallan
Original assignee: Highwave Optical Technologies SA
Current assignee: Highwave Optical Technologies SA
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2018-06-10
Also published as: US6043497A; EP0884613A2; FR2764394B1; DE69800679D1; FR2764394A1; EP0884613B1; EP0884613A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtschreibbank zum Erzeugen von Bragg'schen Gittern.
Sie findet ihre Anwendung bei verschiedenen Verfahren zum Lichtschreiben von Bragg'schen Gittern, die an allen Arten von lichtempfindlichen optischen Leitern und insbesondere an einer optischen Faser erzeugt werden.
Man spricht im folgenden ohne Unterschied von einem lichtempfindlichen optischen Leiter oder einer optischen Faser, es versteht sich jedoch, daß ein Faserstück nichts anderes als ein optischer Leiter ist.
Es sei daran erinnert, daß eine Lichtschreibbank zum Erzeugen von Bragg'schen Gittern in bekannter Weise eine Strahlungsquelle 1 umfaßt, die einen optischen Leiter oder eine optische Faser 4 bestrahlen kann. Die Bestrahlung erfolgt mittels einer optischen Einrichtung 2, die es erlaubt, ein Interferenzfeld zu erhalten.
Das Grundprinzip einer Lichtschreibbank ist in Fig. 1 dargestellt.
Das Lichtschreiben eines Bragg'schen Gitters besteht darin, daß eine Faser über ein System von ultravioletten Interferenzstreifen bestrahlt wird, um eine permanente Veränderung des Index des Faserkerns zu erzeugen, die längs einer Achse periodisch ist. Die Modulationstiefe des Index ist eine Funktion der empfangenen Leistung und sowie der Belichtungszeit. Die Interferenzstreifen können über verschiedene Verfahren, beispielsweise über die Verwendung einer Phasenmaske oder über ein interferometrisches Verfahren erhalten werden.
Das Schreiben kann entweder durch ein Abtasten mit einem UV Bündel vor dem Leiter, oder mittels eines breiten Bündels, d. h. mittels eines Bündels erfolgen, das den gesamten Leiter bestrahlt.
In der Fig. 1 ist berücksichtigt, daß man ein W Bündel mit geringer Breite verwendet und ist die Versetzung des Bündels durch einen gestrichelten Pfeil D wiedergegeben.
Das Bezugsschreib 3 bezeichnet das Interferenzfeld, das durch das optische System 2 erhalten wird.
In den letzten Jahren hat sich die Erzeugung von Bragg'schen Gittern weiterentwickelt.
Tatsächlich haben diese Gitter, die bei der Reflektion oder der Übertragung verwandt werden, zahlreiche optische Funktionen, wie beispielsweise von Lasern, Multiplexern, Kompensatoren von chromatischen Dispersionen und Meßwandlern bekommen.
Ihre Verwendung bei gewissen Anwendungsformen hat gewisse Notwendigkeiten bezüglich ihrer Eigenschaften deutlich gemacht. Ein klassisches Bragg'sches Gitter zeigt ein Reflektionsspektrum, das eine deutliche Diaphotie, d. h. eine Restreflektion außerhalb des Bandes hat. Darüber hinaus ist die Reflektion in der Nähe der Bragg'schen Wellenlänge nicht konstant. Kompensatorgitter für die chromatische Dispersion sollten eine lineare Dispersion haben. Diese Einschränkungen machen es notwendig, die Gitter zu apodisieren, d. h. eine kontinuierliche Änderung der Modulationstiefe des Index an den Gitterenden zu erzeugen. Es sind bereits verschiedene Verfahren der Apodisation vorgeschlagen worden.
Eine erste Lösung besteht beispielsweise darin, die Interferenzstreifen an den Gitterenden zu stören. Bezüglich Einzelheiten sei auf das Dokument 1 mit dem Titel "Simple technique for apodising chirped and unchirped fibre Bragg gratings" ELECTRONICS LETTERS 20. Juni 1996, Band 32, Nr. 13 oder auf das Dokument 2 mit dem Titel "Moving fibre/phase mask-scanning beam technique for enhanced flexibility in producing fibre gratings with uniform phase mask" ELECTRONICS LETTERS 17. August 1995 Band 31, Nr. 17 verwiesen.
Eine zweite Lösung besteht darin, eine spezielle Phasenmaske zu verwenden, die einen variablen Beugungsgrad hat. Bezüglich Einzelheiten sei auf das Dokument 3 mit dem Titel "Apodisation of the spectral response of fibre Bragg gratings using a phase mask with variable diffraction efficiency" ELEC- TRONICS LETTERS 2. Februar 1995 Band 31, Nr. 3 verwiesen.
Eine dritte Lösung besteht darin, die Intensität bei der Verwendung eines großen Bündels mit einem passenden Profil, wie beispielsweise mit einem Gauss'schen Profil zu verändern oder eine Maskierung des Bündels zu verwenden und beispielsweise mit einer Doppelbelichtung des Leiters zu arbeiten. Die erste Belichtung erfolgt in Anwesenheit einer Maske und in Abwesenheit einer Phasenmaske und die zweite erfolgt in Anwesenheit einer Phasenmaske und einer zweiten Maske, die ein Profil des Bündels in Glockenform komplimentär zur Maske der ersten Belichtung bildet. Diese Doppelbelichtung erlaubt es, eine über die Länge des Gitters konstante Erhöhung des mittleren Index zu erzielen. Bezüglich weiterer Einzelheiten sei auf das Dokument 4 mit dem Titel "Apodised in-fibre Bragg grating reflectors photoimprinted using a phase mask" ELECTRONICS LET- TERS 2. Februar 1995, Band 31, Nr. 3, Seite 223 bis 225 verwiesen.
Diese zuletzt genannte Technik ist schwer umzusetzen, zumal die aktuellen Techniken der Änderung der Leistung längs des Gitters durch Maskieren oder durch Verwenden eines großen Bündels mit einem passenden Profil keine gute Reproduzierbarkeit des UV Leistungsprofils längs der Faser erlauben.
Die Techniken, die eine Störung der Streifen an den Gitterenden während des Lichtschreibens verwenden, erlauben es nicht, das gewünschte Profil der Modulationstiefe genau zu steuern. Darüber hinaus können nicht alle Profilarten erhalten werden.
Die Phasenmasken, die dazu dienen, die Beugung variabel zu machen, sind nur für eine einziges Gittermodell anwendbar, jedes Modell benötigt eine andere Maske.
Diesbezüglich sei auf die GB 2 302 599 verwiesen, die den am nächsten kommenden Stand der Technik zeigt, der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht.
Die vorliegende Erfindung erlaub es, diese Mängel zu beheben. Sie hat insbesondere eine Lichtschreibbank nach Anspruch 1 zum Ziel.
Vorzugsweise umfaßt die Maskierungseinrichtung mit variabler Oberfläche wenigstens eine rotierende Abdeckung gegebener Form für das gewünschte Intensitätsprofil und Einrichtungen, zum Versetzen der Einrichtung zum Maskieren vor dem UV Bündel. Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Abdeckung die Form eines Rechtecks, was es beim Drehen der letzteren und dann, wenn sie vor dem Bündel translationsversetzt wird, erlaubt, ein Rechteckprofil mit abgeschwächten Rändern für die UV Leistung zu erhalten, die von dem Leiter oder der Faser empfangen wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel hat die Abdeckung die Form einer Doppelklinge, die dann, wenn sie in Drehung versetzt und vor dem Bündel versetzt wird, die Erzielung eines Rechteckprofils mit sinusförmigen Rändern für die UV Leistung erlaubt, die vom Leiter oder der Faser empfangen wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden sich aus der Lektüre der Beschreibenung ergeben, die zur Erläuterung und keineswegs zur Beschränkung anhand der Schreibenen gegeben wird, in denen
- Fig. 1 schematisch das Grundprinzip einer Lichtschreibbank nach dem Stand der Technik zeigt,
- Fig. 2 schematisch das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lichtschreibbank zeigt,
- Fig. 3 eine Lichtschreibbank bei einem Installationsbeispiel zeigt,
- die Fig. 4 und 5 schematisch eine Einrichtung zum Maskieren mit variabler Oberfläche gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Abdeckung zeigen,
- Fig. 6 schematisch eine Abdeckung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt,
- Fig. 7 schematisch die Kurve der Änderung der ultravioletten Strahlungsleistung nach der Maskierung durch die Abdeckung in Fig. 6 zeigt,
- Fig. 8 schematisch das Profil der Änderung der ultravioletten Strahlungsleistung längs des Leiters mit einer Abdeckung nach Fig. 6 zeigt,
- Fig. 9 schematisch eine Abdeckung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels zeigt,
- Fig. 10 schematisch die Kurve der Änderung der ultravioletten Strahlungsleistung nach der Maskierung mit einer Abdeckung zeigt, die in Fig. 9 dargestellt ist,
- Fig. 11 schematisch das Profil der Änderung der ultravioletten Strahlungsleistung längs des Leiters mit einer Abdeckung gemäß Fig. 9 zeigt und
- die Fig. 12 und 13 geometrische Darstellungen zur Darstellung der Beziehung zwischen der Form der Abdeckung und der übertragenen Lichtleistung sind.
Die Erfindung erlaubt es eine Änderung in der mittleren UV-Leistung längs der Faser zu erzeugen, um dadurch für eine Änderung in der Modulationstiefe längs des gebildeten Gitters zu sorgen. Zu diesem Zweck ist eine Vorrichtung 10 zum Maskieren mit variabler Oberfläche im UV-Bündel angeordnet.
Auf Grund seiner Änderungen in der Oberfläche, die dem UV- Bündel zugewandt ist, sorgt diese Vorrichtung für eine dynamische Maskierung während des Lichtschreibens. Diese Vorrichtung wird im folgenden als Apodisationsvorrichtung bezeichnet, da sie in vorteilhafter Weise eine Apodisation bewirken kann.
Die Apodisationsvorrichtung 10 kann entweder vor der Interferometrievorrichtung 2 oder hinter der Bildung der Interferenzstreifen angeordnet sein. Sie ist vorzugsweise vorne daß heißt zwischen der Lichtquelle 1 und der Vorrichtung 2 angeordnet, wenn die Vorrichtung 2 eine Phasenmaskiervorrichtung ist, damit sie ausreichend nahe am Leiter angeordnet werden kann.
Die Apodisationsvorrichtung 10 kann hinter der Vorrichtung zum Bilden der Interferenzstreifen angeordnet sein.
Gemäß der Erfindung wird die Apodisationsvorrichtung 10 während des Lichtschreibens vor dem Bündel UV versetzt, wie es durch den Pfeil D' angegeben ist, wobei sie eine im Verlauf der Versetzung variable Maskierungsfläche bietet, um eine Änderung in der mittleren Leistung längs der Faser während des besagten Lichtschreibens des Gitters zu erzielen.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Installation der Lichtschreibbank für den Fall, daß man ein schmales Bündel zum Abtasten benutzt. Diese Abtastung erfolgt auf der Höhe eines Umlenkspiegels 22 über ein Translationsbewegung des Spiegels 22 in Richtung des Pfeiles F. Das Bündel kommt am Spiegel 22 an, nachdem es bei diesem Ausführungsbeispiel von einem Spiegel 23 umgelenkt worden ist.
Die Apodisationsvorrichtung 10 ist im Weg des Bündels angeordnet. Sie umfasst einen Translationsbewegungstisch 11, an dem ein Motor angebracht ist, der sich mit irgendeiner Frequenz dreht, wie es sich im einzelnen aus den Fig. 4 und 5 ergibt.
Die Vorrichtung versetzt sich in einer Translationsbewegung im Bündel entlang des Tisches 11 und ermöglicht eine Maskierung des UV-Bündels während einer variablen Zeit in abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Versetzung des Tisches.
Zur Verwirklichung einer Apodisation wird praktisch die Leistung des Bündels fortlaufend an den Enden des Gitters gedämpft.
Dazu wird in der in den Fig. 6 bis 8 und 9 bis 11 dargestellten Weise die Apodisationsvorrichtung 10 vor dem Bündel während der Arbeit des Lichtschreibens, die von T0 bis TS dauert, zwischen den Zeitpunkten T0 und T1 und dann zwischen T7 und T8 versetzt. Die Gesamtdauer des Lichtschreibens ist T = T8- T0. Das Bündel ist am Anfang (Zeitpunkt T0) vollständig durch die Vorrichtung abgedeckt (Ausgangsleistung = 0). Die Aufdekkung während der Zeitdauer T0 bis T1 erfolgt über ein Wandern der Vorrichtung von X1 nach X2. Die Verdeckung während der Dauer T7 bis T8 erfolgt über ein Rückkehr der Vorrichtung von X2 nach X1. Während der Dauer T1 bis T7 ist die Vorrichtung unbeweglich.
Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Apodisationsvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Vorrichtung umfasst eine Drehabdeckung 50, die von einem Motor 51 angetrieben wird. Die Abdeckung 50 sitzt auf einer Achse 52 und umfasst bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Flügel. Die Flügel drehen sich und verdecken das UV-Bündel während ihrer Drehbewegung, was durch den Pfeil G wiedergegeben ist, während sich der Sockel längs der Translationsachse 12 versetzt.
Die Fig. 6A und 6B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Drehabdeckung 50. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Drehabdeckung die Form eines Flügels mit der Form eines ebenen Rechtecks. Der Flügel wird um seine Achse 52 in Drehung versetzt.
Bei der folgenden Beschreibenung der Vorgänge wird angenommen, daß das Bündel fest liegt und sich an der Stelle X0 = 0 befindet.
Während der Versetzung des rechtwinkligen Flügels nach rechts in Ebene der Fig. 6A oder 6B deckt der Flügel das Bündel bis zur Abzisse X1 = r ab (r ist der Radius des Innenkreises des Flügels). Dieser ist eine Funktion der Größe (der Breite) des Bündels.
Während sich die Vorrichtung nach rechts auf der Achse X von einem Punkt X1 zu einem Punkt X2 bewegt (X1 = R Radius des Außenkreises der Vorrichtung) wird das Bündel (bei X0) abwechselnd verdeckt und dann frei gegeben, da sich der Flügel dreht.
Wenn die Vorrichtung eine Strecke vom Punkt X2 zum Punkt X3 (X3 größer X2) durchlaufen hat, ist das Bündel frei und ist die vom Gitter empfangende Bündelleistung maximal.
Die Tranlationsversetzung des Flügels vom Punkt X1 zum Punkt X2 vor dem Bündel kommt in einer Änderung der UV- Leistung zum Ausdruck, die von dem Leiter während der entsprechenden Zeit empfangen wird, was durch die Kurve von Fig. 7 dargestellt ist.
Fig. 8 zeigt das Profil der Änderung der UV-Leistung gesehen von dem lichtgeschriebenen Leiter bei einem Flügel mit der in Fig. 6 dargestellten Form. Die Länge des eingeschriebenen Gitters ist 1.
Während des Schreibens des Anfangsteils 0-e des Gitters (Fig. 8) wird der Flügel im Bündel während der Zeit d über eine Wegstrecke X1 bis X2 versetzt (siehe Fig. 6 und 7). Während des Schreibens des letzten Teils e'-1 des Gitters (siehe Fig. 8) wandert der Flügel den Weg von X2 nach X1 zurück. Das Profil der erhaltenden Leistung entspricht einem Rechteck mit gedämpften Rändern.
Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Drehabdeckung 50. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Abdeckung die Form eines Doppelklingenflügels. Diese Form erlaubt insbesondere eine sinusförmige Dämpfung der Leistung zu erzielen, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Das Profil der UV-Leistung gesehen von dem Leiter während des Lichtschreibens ist in Fig. 11 dargestellt.
Es können andere gewünschte Profile ausgehend von anderen Flügelformen erzielt werden, die Berechnungen des Leistungsprofils in Abhängigkeit von einer gegebenen Form des Flügels oder umgekehrt, daß heißt die Berechnungen einer Form des Flügels in Abhängigkeit von der gewünschten Form des Profils der Leistung werden im folgenden gegeben und sind jeweils in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
Man bezeichnet:
I (Xp) Stärke der UV-Strahlung am Punkt Xp.
Pmax = Einfallsleistung.

Berechnung der im Fall eines rechtwinkligen Flügels übertragenen Intensität

Betrachtet wird ein Viertel des Flügels [I: X> 0 / Y> 0)] Die von der Vorrichtung (ein Viertel des Flügels) am Punkt Xp übertragene Intensität ist durch die folgende Beziehung gegeben:
I (2%) = P~ [1- (Länge der Achse des Kreises, der das Bündel abdeckt/ Umkreis eines Viertels des Kreises mit dem Radius Xp)]
somit:
I < 2%) = Pmax [1-2Θ Xp / π/2 XP]
oder für die Gesamtheit des Flügels:
I (2%) = Pmax [1-8Θ Xp / 2π/2 Xp]
damit ist: I (2%) = Pmax [1-4Θ/π] (1)

Berechnung von Θ

Die Gleichung der Geraden (AB) ist y = -x+1
beim Übergang auf Polarkoordinaten:
X = r cos Θ
Z = r sin Θ
lautete die Gleichung der Geraden:
r = 1 / (sin Θ + cosΘ) (2)
wobei ein O ein Element von [Θ, 2πj ist.
Der Punkt C hat die Koordinaten: r CosΘ; r SinΘ
so daß sich mit Hilfe von (2) ergibt:
C: Xc = 1/ (sinΘ + CosΘ) CosΘ
Yc = 1/(sinΘ + cosΘ) SinΘ
Somit ergibt sich SinΘ = Yc/Xp 1/ (sinΘ + cosΘ) SinΘ (1/Xp)
Als Lösung erhält man:
Θ = arc sin (1/ ( 2 Xp)) -π/4
und somit:
I (Xp) = Pmax [1- (4arc sin(1/ 2 Xp)))/π/π]

Berechnung der Form des Flügels, wenn die gewünschte übertragene Intensität eine Sinusform haben soll:

Eine sinusförmige Intensität am Ausgang des Flügels kann durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden:
I (Xp) = Pmax (1- (cos π/ (Xp-Dmin)) /Dmax-Dmin]
Im Fall eines Flügels mit zwei Symmetrieachsen ist die Intensität durch die folgende Gleichung gegeben:
I (Xp) = Pmax [1-2Θ/π (1)
Somit ergibt sich ein Wert von Θ
Θ = π/2 Cos ((π (Xp - Dmin)) /Dmax - Dmin] (3)
Der Flügel sollte daher die Polarkoordinaten r und O haben, wobei r ein Element von (Dmin, Des] ist und
Θ = π/2 Cos ((π(Xp - Dmin)) /Dmax - Dmin]
Diese Kurve ist in Fig. 11 dargestellt.
Die Berechnungen sind vorzugsweise programmiert, damit der Fachmann die Form des Flügels bestimmen kann, die in Abhängigkeit von dem gewünschten Profil erwünscht ist oder umgekehrt.

Claims

1. Lichtschreibbank zum Bilden von Bragg'schen Gittern in einem lichtempfindlichen optischen Leiter (4) mit

- einer Quelle (1) ultravioletter Strahlung (UV), die ein UV Strahlungsbündel zum Bestrahlen des lichtempfindlichen Leiters erzeugen kann,

- einer interferometrischen Einrichtung (2), die im Weg des Bündel UV angeordnet ist, um Interferenzstreifen zu erzeugen, die ein Bragg'sches Gitter in den in der Nähe angeordneten Leiter schreiben können, und

- einer Maskiereinrichtung (10), die zwischen der besagten Quelle (1) und der besagten interferometrischen Einrichtung (2) angeordnet ist, welche Maskiereinrichtung einen Flügel (50) umfaßt, der quer zum UV Bündel versetzbar ist, welcher Flügel eine Fläche zum Abdecken des UV Lichtes zeigt, deren Ränder eine derartige Form haben, daß der Flügel während seiner Versetzung quer zum UV Bündel eine variable UV Bestrahlungsleistung längs des besagten Leiters bewirkt, welche Bank dadurch gekennzeichnet ist, daß der versetzbare Flügel (50) ein Flügel ist, der drehbar in der besagten Maskiereinrichtung (10) angebracht ist, wobei die Drehachse des Flügels im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Teils des UV Bündels verläuft, quer zu dem er in Drehung zu versetzen ist und die Form der Ränder der Abdeckfläche des besagten Flügels eine Funktion der Position dieser Ränder bezüglich der Drehachse ist.

2. Lichtschreibbank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Ränder der Abdeckfläche des besagten Drehflügels (50) in Abhängigkeit von dem Profil gewählt ist, das für die UV Bestrahlungsleistung an jedem Punkt längs des besagten Leiters erwünscht ist.

3. Lichtschreibbank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die besagte Quelle (1) so ausgebildet ist, daß sie ein schmales W Bündel erzeugt,

- die besagte Bank weiterhin Abtasteinrichtungen (22) für das schmale W Bündel umfaßt und

- die Maskiereinrichtung (20) oberhalb der Abtasteinrichtungen (22) angeordnet ist und weiterhin Einrichtungen (11) zum translatorischen Versetzen des Drehflügels umfaßt, um in Koordination mit der besagten Abtastung des schmalen Bündels die Drehachse des Drehflügels (50) dem festen Teil der W Bündel anzunähern oder davon zu entfernen, quer zu dem der Flügel in Drehung zu versetzen ist.

4. Lichtschreibbank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehflügel die Form eines Flügels (50) mit rechteckiger Form hat, die dann, wenn der Flügel in Drehung und in Translationsbewegung quer zum schmalen Bündel versetzt wird, die Erzielung eines Profils in Form eines Rechtecks mit gedämpften Rändern für die vom Leiter empfangene W Leistung erlaubt.

5. Lichtschreibbank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehflügel die Form eines Flügels (50) mit der Form einer Doppelklinge hat, die dann, wenn dieser Flügel in Drehung und in eine Translationsbewegung quer zum schmalen Bündel versetzt wird, die Erzielung eines Profils in Form eines Rechtecks mit sinusförmigen Rändern für die UV Leistung erlaubt, die vom Leiter oder der Faser empfangen wird.