DE69824453T2

DE69824453T2 - Herstellung von gittern in optischen wellenleitern

Info

Publication number: DE69824453T2
Application number: DE69824453T
Authority: DE
Inventors: Ian Richard LAMING; Kevan Michael DURKIN; Morten Ibsen
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2018-10-24
Also published as: CA2307235C; AU731945B2; GB9722549D0; EP1116007A1; AU9551898A; DE69824453D1; AR025268A1; BR9813263A; EP1116007B1; WO1999022199A3; CN1404570A; WO1999022199A2; CA2307235A1; AR016970A1; CN1185463C; JP2001521164A; US6466311B1; KR20010031369A; NZ504183A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Lichtwellenleitergittern, wie beispielsweise Lichtleitfasergittern, und/oder Charakterisieren von Lichtwellenleitern, wie beispielsweise Lichtleitfasern.
Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter sind einer der vielversprechendsten Bereiche der Forschung und Entwicklung bei Lichtleitfasersystemen. Viele Systeme beruhen auf der präzisen Wellenlängen-Selektionsfähigkeit von Bragg-Gittern, wie beispielsweise Laser und Sensoren, und in der nahen Zukunft werden wahrscheinlich mehr Systeme den Vorteil hochqualitativer Gitter nutzen.
Möglicherweise der größte Einfall des Bragg-Fasergitters hat in Telekommunikationssystemen und insbesondere beim Dispersionsausgleich stattgefunden. Chirp-Fasergitter sind insbesondere zum Dispersionsausgleich gut geeignet, da sie kompakt sind, einen geringen Verlust aufweisen, hochgradig streuend sind und keinen nicht-linearen Effekten unterliegen, die speziellen Dispersionsversatz- und Dispersionsausgleichfasern anhaften. Übertragungsversuche, die Fasergitter zum Dispersionsausgleich eingesetzt haben, wurden vielfach erfolgreich demonstriert. Möglicherweise könnte die Leistungsfähigkeit der Fasergitter in Dispersions-Ausgleichsystemen mit einer präziseren Steuerung über das Dispersionsprofil, insbesondere einer Reduzierung von Verzögerungs-Welligkeit und einer Addition einer Komponensation dritter Ordnung, die für Systeme mit höherer Bitgeschwindigkeit notwendig sind, weiter verbessert werden.
Die 7a bis 7d der begleitenden Zeichnungen stellen Probleme dar, die in einem nominellen linearen Chirp-Fasergitter auftreten können. Die 7a und 7c stellen die Reflektions- und Verzögerungseigenschaften des Gitters dar und die 7b und 7d stellen Abweichungen von den erwarteten Eigenschaften dar.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Gitters in einem Wellenleiter mit einem vorbestimmten Nenndurchmesserprofil bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Variieren einer Gitter-Charakteristik an Positionen entlang des Gitters in im wesentlichen umgekehrter Beziehung zu der Abweichung des Wellenleiter-Durchmessers von dem vorbestimmten Durchmesserprofil an diesen Positionen.
Das vorbestimmte Durchmesserprofil kann durch Herstellen eines Chirp-Gitters in dem Wellenleiter mit einer bekannten physikalischen Teilung und Messen von Abweichungen von der erwarteten Zeitverzögerung des Chirp-Gitters erzielt werden.
Der Schritt Variieren einer Gitter-Charakteristik kann die wiederholten Schritte umfassen: Herstellen eines Gitterabschnitts in einem Abschnitt bzw. Bereich des Wellenleiters mit einer bekannten physikalischen Teilung; Messen der Abweichungen von der erwarteten Antwort des wenigstens zuletzt geschriebenen Gitterabschnitts; und Variieren der Gitter-Charakteristik zum Schreiben eines nächsten Gitterabschnitts in Abhängigkeit von den gemessenen Abweichungen für wenigstens den zuletzt geschriebenen Gitterabschnitt.
Die Erfindung stellt ferner ein optisches Wellenleitergitter bereit, das in einem Wellenleiter mit gleichmäßigem Nenndurchmesser ausgebildet ist, bei dem eine Gitter-Charakteristik an Positionen entlang des Gitters in im wesentlichen umgekehrter Beziehung zu der Abweichung des Wellenleiter-Durchmessers an diesen Positionen variiert ist.
Die Erfindung basiert auf der neuen Erkenntnis, dass wenn Fasergitter in herkömmlichen z.B. Stufenindexfasern hergestellt werden, die Reflektionswellenlänge nicht nur von der numerischen Apertur NA der Faser abhängt, sondern auch von dem Faserschnitt. Dies ist dadurch begründet, dass die reflektive Wellenlänge λ_B gegeben ist durch 2neff·ΛB wobei n_eff der effektive Faserindex für den geführten Modus ist und Λ_B die tatsächliche Periode der Gitterlinien.
Es wurde beobachtet, dass beim Faserziehen im allgemeinen geringe Schwankungen des Faserdurchmessers auftreten. Für einen Fasernenndurchmesser von 125 μm wurden Durchmesserschwankungen in der Größenordnung von ± 1 μm bei einer Dauer in einem Bereich von 100-200 mm (entlang der Faser) beobachtet.
Eine Stufenindexfaser weist einen Kernindex n₁ und einen Mantelindex n₂ auf (wobei n₁ > n₂ und
). Der effektive Index n_eff hängt von dem Anteil des Führungsmodus n ab, der den Kern überlappt und kann ausgedrückt werden durch neff = ηn1 + (1-η)n2.
Der Überlappungsparameter für eine gegeben Faser ist z.B. in Snyder & Love, Optical Waveguide Theory, London (GB) 1983, dokumentiert.
Bei einer typischen Faser mit einer NA von 0,2, einem Nenndurchmesser von 125 μm und einem Schnitt von 1250 μm verursacht eine 1 μm Durchmesser Änderung einen ~50 pm Gitter-Wellenlängenversatz. Da der Durchmesser entlang der Länge eines Gitters variiert, kann daher die Antwort des Gitters signifikant von dem was zu erwarten ist abweichen.
Im Falle von linearen Chirp-Fasergittern verursacht der Effekt dieser Durchmesserschwankungen eine Abweichung der Zeitverzögerungs-Charakteristik im Vergleich zu der Wellenlängen-Charakteristik von einer linearen Charakteristik.
Innerhalb des breiten Gesamtaspekts der Erfindung werden hier mehrere bevorzugte Techniken vorgeschlagen, um die Herstellung eines gewünschten Gitters in einer ungleichmäßigen Faser zu ermöglichen. Die ersten drei Techniken beinhalten das Einstellen der geschriebenen Gitterperiode Λ_B, um den Einfluss der Durchmesserschwankung auf n_eff zu reduzieren. Die vierte Technik beinhaltet eine UV-Vor- oder Nachbearbeitung der Faser um n₁ oder n₂ im Bereich des Kerns entlang der Faser einzustellen, so dass n_eff entlang der Faser gleichmäßiger wird. Es ist offensichtlich, dass jegliche Kombination dieser Verfahren eingesetzt werden könnte. Sämtliche diese Verfahren können in momentane Gitter-Herstellungstechniken integriert werden.
Die Erfindung wird nun rein beispielhaft in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein empirischer Graph ist, der den Durchmesser eines Prüflings einer optischen Faser gegenüber der Position entlang der Faser graphisch darstellt;
2 bis 4 empirische Graphen sind, die die Abweichung von einer linearen Dispersions-Charakteristik von drei entsprechenden Gittern zeigt, die in den Prüfling der optischen Faser geschrieben sind;
5a und 5b schematische Diagramme sind, die die Kompensation darstellen, die auf eine Faser mit variierendem Durchmesser angewandt ist;
6a bis 6c schematisch einen Faser-Nachbearbeitungsvorgang darstellen; und
7a bis 7d Abweichungen von der erwarteten Leistung eines nominellen linearen Chirp-Gitters darstellen.
Bezug nehmend auf 1 ist der Durchmesser einer Länge der optischen Faser gegenüber der Position entlang der Faser graphisch dargestellt. Die Messungen wurden unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Faserdurchmesser-Messeinrichtung mit einer Genauigkeit von 150 nm und einer Wiederhol-Präzision von 50 nm durchgeführt.
1 stellt eine im wesentlichen periodische Änderung des Faser-Durchmessers dar mit einem doppelten Scheitelbereich von ungefähr 1000 nm.
Eine Länge der Faser, die zur Gitterherstellung (die unten beschrieben wird) verwendet wird, ist ebenso in 1 bezeichnet.
Um die möglichen Effekte dieser Änderung im Durchmesser auf die Leistungsfähigkeit eines (vermutlich) linearen Chirp-Gitters zu beurteilen, wurde tatsächlich eine Reihe linearer Chirp-Gitter über die Länge der in 1 dargestellten Einzelfaser aufeinander angeordnet. Dies schloss durch die Verwendung unterschiedlicher Faserlängen jegliche Mess-Artefakte oder Zufallseffekte aus.
Zwei Gitter wurden mit der gleichen Chirp-Richtung, aber um 6 nm versetzt, geschrieben und die gemessenen Zeitverzögerungs-Abweichungs-Charakteristika davon sind in den 2 und 3 dargestellt. 4 stellt entsprechende Ergebnisse für das dritte Gitter dar, das die entgegengesetzte Chirp-Richtung aufwies und um 3 nm von den beiden anderen zwei Gittern versetzt war (d.h. an einem Mittelpunkt zwischen den zweien). Die Länge des Gitters ist 85 cm und die Dispersion ist ausgestaltet um eine 150 km Übertragung in einer Standardfaser zu kompensieren.
Die Abweichungen von der linearen Zeitverzögerung, verursacht durch den Aufbau bei den Fasermangelhaftigkeiten, sind als im wesentlichen identische Störungen, in denen Zeitverzögerungseigenschaften beider Gitter, die in der gleichen Chirp-Richtung geschrieben wurden (2 und 3), ersichtlich. Bei dem dritten Gitter, das in der entgegengesetzten Chirp-Richtung (positiver Chirp) geschrieben wurde, ist die Störung der Zeitverzögerung (4) tatsächlich nicht identisch mit den Zeitverzögerungs-Abweichungs-Charakteristika, die in den 2 und 3 ersichtlich sind. Es ist gefordert, dass die "Richtung" der Durchmesserabweichungen auch eine wichtige Rolle bei den Änderungen in der Dispersionskurve spielen.
Es ist anzumerken, dass die Achsen der 4 vertauscht wurden, um die "Form" der Dispersion in einer ähnlichen Art und Weise wie in den 2 und 3 darzustellen.
Werden die 2 und 3 betrachtet, ist ersichtlich, dass Abweichungseffekte beobachtet wurden, die im wesentlichen unabhängig der Gittermitten-Wellenlänge sind und die mit der physikalischen Messung des Faser-Durchmessers korrelieren. Folglich ist eine Technik zum Erfassen von Abweichungen des physikalischen Durchmessers (statt dem absoluten Durchmesser selbst) wie folgt:

(a) Schreiben eines schwachen Testgitters außerhalb des Wellenlängenbandes von Interesse in die zu beurteilende Faser; und
(b) Charakterisieren der Zeitverzögerungs-Abweichung für das Testgitter.

Das Testgitter sollte schwach sein, um den Index nicht zu sättigen, wobei die Stärke des Beurteilungsgitters die Stärke des "echten" Gitters, das nach der Charakterisierung darüber geschrieben werden wird, begrenzt.
Gewisse Vorkehrungen können den Vorgang der Vorbewertung der Faser-Durchmesserschwankungen verbessern. Diese umfassen die Geräuschreduzierung auf die Zeitverzögerungs-Charakteristika, wobei dieser Zustand teilweise durch Erhöhen der Frequenz des Netzwerk-Abtasters erreicht wird, wodurch mehr gemittelt wird. Der Vorgang des Ladens der erzielten Informationen über den Wellenlängen-Positionsfehler in der Faser in den Gitterschreibvorgang ist für den Fachmann geradlinig und wird hier nicht genauer beschrieben.
Die Ursache für die Durchmesserschwankungen ist nicht definitiv bekannt. Wenn die Durchmessermangelhaftigkeiten bei dem Ziehvorgang erzeugt werden könnte ein Szenario sein, dass eine quasi-lineare Erhöhung des Durchmessers existiert, wenn sie gezogen wird. Diese Erhöhung/Verminderung des Durchmessers könnte durch gewisse durch das Ziehen induzierte Resonanzen erzeugt werden. Der Durchmesser-Steuermechanismus, der auf Daten basiert, die von einem hochgenauen interferometrischen Fahrer-Durchmesserüberwacher herrühren (z.B. einer Anritsu Messeinheit, die auf dem Ziehturm aufgepasst ist und eine 0,15 μm Genauigkeit aufweist) könnte dann eine abrupte Änderung/Korrektur zurück zu dem richtigen Durchmesser der Faser bewirken. Diese Korrekturposition ist dann eine Funktion des Takts des Feedbacks.
Um die Fehler bei den Dispersions-Charakteristika zu korrigieren, die durch die Änderung in dem Durchmesser verursacht werden, ist es nicht notwendig, die absoluten Änderungen des Durchmessers zu kennen, obwohl diese in einigen Ausführungsformen physikalisch gemessen werden oder sogar die relativen Änderungen, da diese von der Abweichung von der erwarteten Leistung des Testgitters abgeleitet werden können. Der Positionsfehler für eine gewisse Wellenlänge muss jedoch bekannt sein. Diese Information kann aus den Zeitverzögerungs-Charakteristika eines linearen Chirp-Gitters durch graphisches Darstellen der Wellenlänge als Funktion der Position L, λ_B(L), statt der Zeitverzögerung als Funktion der Wellenlänge, τ(λ_B), erzielt werden. Die Zeitverzögerung in dem Gitter ist gegeben durch
wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Eine Änderung des Zeitverzögerungswerts zu einem relativen Positionswert in dem Gitter und eine Änderung der Achse wird dann λ_B(L) statt τ(λ_B) zutage fördern. Die Neigung der Kurve ist dann der Chirp-Grad ξ, gegeben durch
wobei Δλ der Chirp ist und D die Dispersion des Gitters. Durch graphisches Darstellen von λ_B(L) und wenn der Wert von ξ bekannt ist, ist es möglich, den Wert ε des Positionsfehlers für eine gewisse Wellenlänge in einem Chirp-Gitter zu bestimmen, weil die positionelle Abweichung von dem Chirp-grad ε ist. Um diesen Effekt zu korrigieren, leitet man den Wellenlängenfehler für eine gegebene Position her und weil die Abweichungen in dem Faser-Durchmesser von einer relativ niedrigen Frequenz sind, ist die Verbesserung bei den Gitter-Dispersions-Charakteristika nachweislich.
Im Detail sind einige Techniken zum Verwenden der durch die oben beschriebenen Faser-Charakterisierungstechniken oder durch eine Messung eines physikalischen Faser-Durchmessers gesammelten Daten wie folgt:

1. Das gewünschte Gitter wird durch Modifizieren des geschriebenen Gitterprofils hergestellt, um die Durchmesserschwankungen zu berücksichtigen, so dass das resultierende Gitter optimaler ist als das, welches erzielt worden wäre, ohne Anpassung an die Durchmesserabweichungen. Insbesondere wird das gewünschte Gitter unter Verwendung einer Teilungsvariation in einer umgekehrten Beziehung zu den gemessenen Abweichungs-Charakteristika für das band-externe Gitter geschrieben. Viele Techniken sind zum Schreiben von Gittern mit einer Teilung bekannt, die entlang der Länge des Gitters genauestens einstellbar ist – siehe z.B. GB 9617688.8 (GB-A-2316760).
2. Einige Gitter werden sequentiell entlang der Faser geschrieben. Der Abschnitt der gerade geschrieben wurde, kann effektiv charakterisiert werden, um seine Reflektions-Wellenlänge zu bestimmen. Der Vergleich mit der Zielwellenlänge gibt eine Angabe des Durchmesserfehlers an der Position entlang des Gitters an. Da herausgefunden wurde, dass die Durchmesserschwankungen eine Periode in dem Bereich von 10-20 cm aufweisen, ist dann das Bereitstellen der Messposition nahe, z.B. ~1 cm der Schreibposition, wobei der Durchmesserfehler bestimmt werden kann und "fliegend", d.h. wenn jeder Gitterabschnitt geschrieben wird, korrigiert werden kann.
3. Ein drittes Verfahren schlägt vor, einfach die physikalischen Durchmesserabweichungen der Faser vor dem Einschreiben des Gitters zu messen. Somit wird die Schreibdauer modifiziert, um den Einfluss der Durchmesserschwankungen zu reduzieren und zwar durch Einstellen der Teilung in einer umgekehrten Beziehung zu den gemessenen Durchmesserschwankungen. Der Durchmesser sollte typischerweise mit einer Auflösung von besser als 0,1 μm bestimmt werden, obwohl geringere Auflösungen noch immer brauchbare Resultate bereitstellen können. Die 5a und 5b sind schematische Diagramme, die die Kompensation darstellen, die auf eine Faser mit variierendem Durchmesser angewandt wurde. Insbesondere stellt 5a schematisch die Variation einer Gitterteilung entlang eines optimalen linearen Chirp-Gitters dar und 5b stellt die Art und Weise dar, mit der die Teilung entlang der Länge des Gitters unter Verwendung einer der oben beschriebenen Techniken modifiziert ist. In einem Abschnitt 100 ist der Durchmesser größer und so ist die Teilung geringer und in einem Bereich 110 ist der Durchmesser geringer, so dass die Teilung größer ist.
4. Bei einer vierten Technik wird das Gitter eingeschrieben, wobei nominell eine gewisse typische gleichmäßige Faser-Charakteristik angenommen wird. Das Gitter wird dann charakterisiert, um Schwankungen von n_eff entlang der Faser zu bestimmen. Eine Nachbearbeitung der Faser typischerweise durch Aussetzen des Kernbereichs gegenüber einer unterschiedlichen UV Fluenz wird eingesetzt, um das resultierende n_eff gleichmäßiger zu gestalten als es anderweitig wäre.

Dieser vierte Vorgang ist schematisch in den 6a bis 6c dargestellt. 6a stellt schematisch eine Abtastgitter-Herstellungstechnik auf einer Lichtleitfaser mit Durchmesserschwankung dar. Ein Nachbehandlungs-UV-Strahl wird auf den Bereich der Durchmesserschwankung gelenkt, um den mittleren Brechungsindex in diesem Bereich zu ändern, wodurch der effektive Brechungsindex (n_eff) gleichmäßiger gestaltet wird. Der Nachbearbeitungsstrahl könnte z.B. ein gleichmäßiger Strahl oder der Gitter-Schreibstrahl sein.

Claims

Verfahren zum Herstellen von optischen Gittern in einem Wellenleiter mit einem vorbestimmten Nenndurchmesserprofil, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Variieren einer Gitter-Charakteristik an Positionen entlang des Gitters in im wesentlichen umgekehrter Beziehung zu der Abweichung des Wellenleiter-Durchmessers (100, 110) von dem vorbestimmten Durchmesserprofil an diesen Positionen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wellenleiter ein gleichmäßiges Nenndurchmesserprofil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gitter-Charakteristik die Gitterteilung ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Variieren einer Gitter-Charakteristik die folgenden Wiederholungsschritte aufweist: Herstellen eines Gitterabschnitts in einem Bereich des Wellenleiters mit einer bekannten physikalischen Teilung; Messung der Abweichungen von der erwarteten Antwort des wenigstens zuletzt geschriebenen Gitterabschnitts; und Variieren der Gitter-Charakteristik zum Schreiben eines nächsten Gitterabschnitts in Abhängigkeit von den gemessenen Abweichungen für wenigstens den zuletzt geschriebenen Gitterabschnitt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das vorbestimmte Durchmesserprofil erhalten wird durch: (i) Herstellen eines Chirp-Gitters in dem Wellenleiter mit einer bekannten physikalischen Teilung; und (ii) Messen der Abweichungen von der erwarteten Zeitverzögerung des Chirp-Gitters.
Verfahren nach Anspruch 5, umfassend den Schritt Herstellen eines weiteren Gitters in dem Wellenleiter, wobei eine Gitter-Charakteristik des weiteren Gitters an Positionen entlang des Gitters in einer im wesentlichen umgekehrten Beziehung zu dem Durchmesser des Wellenleiters an diesen Positionen variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Chirp-Gitter und das weitere Gitter in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Chirp-Gitter schwächer als das weitere Gitter ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem: wenigstens ein Teil des Wellenleiters photoempfindlich ist; und das Chirp-Gitter durch Belichten des Wellenleiters mit einem Schreiblichtstrahl hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 in Abhängigkeit von Anspruch 5, umfassend den Schritt Variieren der Belichtung mit dem Schreiblichtstrahl an Positionen entlang des Gitters in Beziehung auf den Durchmesser der Faser an diesen Positionen.
Verfahren nach Anspruch 9 in Abhängigkeit von Anspruch 5, umfassend den Schritt selektives Belichten mit einem weiteren Schreiblichtstrahl an Positionen entlang des Gitters in Beziehung auf den Durchmesser der Faser an diesen Positionen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Wellenleiter eine optische Faser ist.
Optisches Wellenleitergitter, das in einem Wellenleiter mit einem vorbestimmten Nenndurchmesserprofil ausgebildet ist, bei dem eine Gitter-Charakteristik an Positionen entlang des Gitters in im wesentlichen umgekehrter Beziehung zu der Abweichung des Wellenleiter-Durchmessers von dem vorbestimmten Durchmesserprofil an diesen Positionen variiert ist.
Gitter nach Anspruch 13, bei dem der Wellenleiter ein gleichmäßiges Nenndurchmesserprofil aufweist.
Gitter nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Gitter-Charakteristik die Gitterteilung ist.
Gitter nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der Wellenleiter eine optische Faser ist.
Gitter nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das Gitter ein im wesentlichen lineares Chirp-Gitter ist.