KR20010053401A - 도파관상에 임의의 굴절률 변동을 기록하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 도파관을 따라서 임의의 굴절률 변동을 기록하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 이러한 방법은 감광성 영역을 가진 도파관을 제공하는 단계와, 공칭 직경 D를 가진 화학 방사의 기록 빔을 제공하는 단계를 포함하고, 기록 빔은 광학 축으로 나타낸다. 도파관은 알려진 속도 v(t)로 기록 빔의 광학 축에 대해 병진 운동된다. 방정식(I)에서 변조기는 도파관에 직접적으로 방사선 플루언스를 전달하기 위해 시간 t의 함수로서 기록 빔의 방사선 세기 I(t)를 변조시킨다. 도파관의 길이를 따라서 위치 x에서 굴절률 변동량는

Description

도파관상에 임의의 굴절률 변동을 기록하기 위한 방법{METHOD FOR WRITING ARBITRARY INDEX PERTURBATIONS ON A WAVEGUIDE}

일반적으로 광 유도 굴절률 변동을 생성하기 위해, 빔을 개구나 일련의 개구들 또는 진폭 마스크를 통과시킨 다음, 화학 방사선의 합성 패턴으로 감광성의 도파관을 조명함으로써 화학 레이저빔의 강도 프로파일을 정형한다. 굴절률은 이 화학 방사에 노출된 도파관의 감광성 영역 내에서 변화한다. LPG와 같은 주기적 장치들은 통상 레이저 빔을 주기적 진폭 마스크나 일련의 개구들을 통과시켜 제조되지만, 이러한 기술에는 여러 가지 결함이 있다. 예컨대, 상이한 격자 주기를 만들기 위해 마스크의 주기적이 변화되어야 하는데, 일반적으로 원하는 각각의 격자 주기에 대해서 별도의 마스크를 제조하는 것이 필요하다. 또한, 공간 필터와 같은 외부 광학 장치가 격자의 어포다이제이션(apodization)을 위해 도파관에 기록된 주기적 굴절률 변동의 엔벨로프를 정형하기 위해 필요하며, 진폭 마스크 보다 더 긴 격자를 제조하기 위해 서브격자 "스티칭(stitching)"이 필요하다. 전형적인 진폭 마스크는 그 길이가 약 10 ㎝이다. 또한, 굴절률 프로파일의 정보를 알리는데 특정 마스크가 필요하고, 주기적인 방형파 이외의 굴절률 변조 함수는 만들기 어렵다. 결과적으로, 마스크는 전형적인 엑시머 레이저(excimer laser)에 의해 전달되고, 고플루언스에 연속해서 노출됨으로써 손상될 수 있다.

감광성 도파관은 기존의 브래그 격자(bragg graing)의 평균 굴절률을 변화시키기 위해 언마스크 UV 빔에 노출될 수 있다. 그러나, 이 방법은 기존의 변동 패턴의 파장을 거의 전이시키지 않으며 긴 주기의 격자와 같은 일련의 굴절률 변동 기록이 가능하지 않다.

긴 주기의 격자는 도파관의 길이를 따라 일련의 굴절률 변동이 발생하면서 형성된다. LPG는 유용한 온도 및 스트레인 센서이다. LPG가 파장 의존 손실의 요소이기 때문에, 어느 광 전송 요건에 부합하도록 장치나 서브시스템의 스펙트럼 특성을 미세 조정할 수 있다. 예컨대, 인 라인 LPG는 파장 분할 다중화(WDM) 시스템을 위한 광대역 광 증폭기의 이득 프로파일을 평탄하게 하기 위해 사용될 수 있다. WDM 응용에서, 몇몇 채널은 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)의 약 1530 내지 약 1560 nm의 대역 내에서 동시에 전달된다. 각 채널은 EDFA에 의해 증폭되지만, EDFA의 비균일 이득 프로파일은 상이한 채널들간의 불규칙한 신호 증폭과 그에 따른 상이한 신호 대 잡음비를 가져온다. LPG 장치는 에르븀 이득 스펙트럼과 일치하는 손실 스펙트럼으로 제조될 수 있고, 불규칙 신호 증폭으로 인한 문제를 크게 감소시키기 위해 EDFA 시스템에 사용될 수 있다.

LPG에 있어서 송신 손실은 LPG 길이나 세기 또는 굴절률 변동의 프로파일을 변화시키는 등의 여러가지 방법으로 맞추어질 수 있다. EDFA 시스템의 이득 특성을 LPG로 교정하기 위해, 증폭기 이득 스펙트럼은 통상 개개의 일정 주기의 LPG 스펙트럼 형태의 합으로 분해된다. 적당한 수의 필터는 광섬유 노출 매개변수를 달리해서 맞추어진 그들의 형태나 강도로 제조된다. 그런 다음 이러한 격자는 복합 전송 스펙트럼을 생성하기 위해 연결된다. LPG로 교정된 EDFA는 40 nm 대역에 걸쳐 평탄한 이득 스펙트럼으로 제조되었다.

LPG는 광 파장보다 훨씬 더 큰 주기로 광섬유를 따라서 굴절률 변동을 생성함으로써 만들어진다. 대부분의 경우에서, 이러한 주기는 수백 미크론 정도가 된다. LPG 굴절률 변동의 주기는 광섬유의 유도 모드로부터의 광을 손실이 있는 순방향 전파 클래딩 모드로 결합하도록 선택된다. 유도된 모드에서 유도되지 않은 모드로의 결합은 파장 의존적이며, 그래서 스펙트럼 선택 손실이 얻어진다.

개발자들은 도파관 길이에 따라서 각 굴절률 변동이 개별적으로 기록되는 LPG 제조를 위한 포인트 바이 포인트(point-by-point) 기술을 개발하였다. 이러한 방법으로, 도파관에 기록된 각 굴절률 변동의 형태는 도파관에 대하여 개구를 두거나 화학 방사선으로 개구를 통해서 도파관에 조사함으로써 제어된다. 광섬유(또는 별법으로 빔 조정 어셈블리)는 정밀 이동단과 함께 기록 빔을 지나면서 병진 운동되고 기계적인 셔터를 사용하여 선택된 곳에서 광섬유로 전달되는 방사선량을 제어한다. 이 방법은 진폭 마스크 제조 기술에서 발생하는 많은 문제점들을 해소시킬 수 있지만, 현재로는 방형파 굴절률 프로파일을 생성하는 곳으로 제한된다. 또한, 처프되고 어포다이즈된 LPG를 제조하기 위해 복잡하고 정확한 이동과, 가변 개구 및 방사선량 전달 제어를 필요로 함에 따라, 이 기술의 실용성을 감소시킨다.

따라서, 임의의 길이의 굴절률 변동 패턴을 쉽고 정확하게 기록하고 개구 및/또는 마스크를 사용함이 없이 도파관의 내부에 소망하는 굴절률 프로파일을 갖게 하는 방법이 요구된다.

본 발명은 개구나 일련의 개구들이 필요없는 도파 구조 내에 임의의 굴절률 변화를 기록하기 위한 기술에 관한 것이다. 이 기술은 연구나 생산 환경에 있어서 전례 없는 제조의 융통성을 제공한다. 특히, 본 발명은 임의의 길이와 임의의 소망의 굴절률 함수 프로파일을 가진 긴 주기의 격자(LPG)와 같은 도파관의 길이를 따라서 굴절률의 변화를 필요로 하는 다양한 도파관 장치를 제조하는데 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라서 마스크 없이 도파관에 굴절률 변동을 기록하기 위해 사용되는 구성의 블록도.

도 2는 본 발명에 따라서 굴절률 변동 기록 어셈블리의 개략 측면도.

도 3은 본 발명에 따라서 굴절률 변동 기록 어셈블리의 제2 실시예의 개략도.

도 4는 본 발명에 따라서 굴절률 변동 기록 어셈블리의 제3 실시예의 개략도.

도 5a는 본 발명에 따라서 사인파 변조 패턴으로 만들어진 LPG의 감쇠 대 파장 프로파일을 나타내는 그래프.

도 5b는 도 5a에 예시된 그래프의 일부분의 확대도.

도 6은 사인파 LPG와 비교한 방형파 LPG의 감쇠 대 파장 프로파일을 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 방법의 구체적인 단계를 설명하는 흐름도.

본 발명은 개구나 진폭 마스크를 사용하지 않고 광 도파관의 길이를 따라서 원하는 대로 굴절률을 변화시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 감광성 영역을 가진 도파관을 제공하는 단계와, 공칭 직경 D를 가진 화학 방사선의 기록 빔을 제공하는 단계를 포함하며, 기록 빔은 광학 축을 형성한다. 정밀 병진 운동 기구를 사용하는 도파관은 기록 빔의 광학 축에 대해 공지된 속도 v로 수직으로 병진 운동된다. 기록 빔에 대해 도파관의 병진 운동은 도파관 조사동안 시간 t의 어느 주어진 시간에 대해 도파관의 속도 v(t)가 공지되도록 제어될 수 있다.

양호한 실시예에서, 도파관은 감광성의 영역을 가진 광섬유를 포함한다. 광섬유는 예컨대 회전 드럼, 스풀 투 스풀(spool-to-spool) 시스템, 가동 스테이지 위에 장착되거나, 도르래 시스템을 사용하여 기록 빔이 지나면서 병진 운동될 수 있다. 광섬유 스풀이나 드럼의 회전 속도는 예컨대 위상 고정 루프 제어 회로를 사용함으로써 제어될 수 있다.

광세기 변조기가 설치되어 시간 t의 함수로서 기록 빔의 세기 I를 변조하도록 설정한다. 임의의 주어진 도파관 위치에 전달된 전체 방사선량(Φ)은 그 위치가 기록 빔을 가로질러 병진될 때 기록 빔의 세기나 도파관의 속도를 가변함으로써 제어된다. 도파관에 기록된 굴절률 변동은로서 이 방사선량과 관련되며, 여기에서 C는 도파관의 감광성을 고려하는 스케일링 계수(scaling factor)이다. 수학식으로 표시하면, 변조된 빔은 방사선(Φ(×))의 플루언스를 도파관에 직접적으로 전달하는데, 그 수학식 1 은 다음과 같다.

도파관의 길이를 따라서 위치 x 에서의 굴절률의 변화량는 그 위치()로 전달된 플루언스와 관련된다.

전술한 방법의 변형된 방법에 있어서, 변조기는 방사선의 플루언스를 도파관에 전달하기 위해 주파수 f 에서 시간 t의 함수로써 주기적인 패턴으로 기록 빔의 세기를 다음의 수학식 2와 같이 변조시킬 수 있다.

이 식에서는 기록 빔의 최대 세기이고,은 함수의 푸리에(Fourier) 급수 표시에서 n 번째 항에 대한 가중 요소이며, sinc(z) = sin(z)/z이다. 주기적으로 변조된 기록 빔의 피크 세기()는 I(t)와 함께 변조될 수 있다. 이와 마찬가지로, 기록 빔의 세기는 도파관에 전달된 플루언스를 정의하는 함수의 푸리에 급수 표시에서 각 항을 독립적으로 제어하도록 변조될 수도 있다.

당업자들은 스케일링 계수가 기하학적 요소들과 광 흡수 매개변수 및/또는 광세기의 분포 변화를 반영하기 위해 수학식 1 및 2에서 고려될 수 있음을 인지할 것이다. 또한, 당업자들은 v(t), I(t) 및와을 제어함으로써 어떤 원하는 굴절률 함수가 도파관 상에 기록될 수 있음을 인식할 것이다. 예컨대, 주기의 주기적 굴절률 변동은 도파관에 수학식 3 과 같이 기록된다.

다른 예로서, 기록 빔의 세기 I(t)는 수학식 4와 같이 푸리에 급수에 의해 표시할 수 있는 오프셋 정현파 함수를 생성하도록 변조될 수 있다.

도파관에 전달된 플루언스는 수학식 5와 같이 다음과 같이 나타낼 수 있다.

다른 예에서, 기록 빔의 세기 I(t)는 수학식 6과 같이 푸리에 급수에 의해 표시할 수 있는 오프셋 주기의 방형파를 생성하도록 변조될 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 에르븀 이득 스펙트럼에 부합되는 도파관을 통해 전송 손실 스펙트럼으로 되는 굴절률 변동의 기록이 가능하다. LPG를 포함하는 본 발명의 방법에 따라 기록된 도파관 장치들은 광 증폭기와, 스트레인률과, 온도 및 환경 센서와 같은 각종 장치들에서 사용될 수 있다.

본 발명의 방법은 개구나 진폭 마스크를 사용하지 않고 도파관에 굴절률 변동의 임의의 패턴을 기록하기 위해 강도 변조된 레이저빔을 사용하는 것을 가능하게 한다. 더 구체적으로, 이 방법은 어느 소망의 굴절률 프로파일과 길이의 인 라인 형의 긴 주기 격자를 제조하기 위해 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 굴절률 변동 기록 어셈블리(10)를 개략 도시하고 있다. 도 2는 기록 어셈블리(10)의 제1 실시예의 개략 측면도이다. 기록 어셈블리(10)는 화학선 빔(22)을 발생하는 화학 방사원(20)과, 변조기(30)와, 도파관(50)을 이동시키거나 고정시키는데 사용되는 도파관 고정 어셈블리 및 병진 운동 기구(40)를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 기록 어셈블리는 동시에 하나 이상의 도파관을 수용할 수 있다.

본 실시예에서, 도파관(50)은 광학 유리 섬유이다. 광섬유는 주로로 만들어질 수 있고 게르마늄으로 도핑 처리될 수 있지만, 일반적으로 임의의 감광성 도파관도 사용될 수 있다. 게르마늄이나 다른 감광성 도펀트가 광섬유(50)의 영역에 있는 규산 유리에 첨가됨에 따라, 화학 방사에 노출시 광섬유의 영역의 굴절률이 변화하기 쉽고, 일반적으로는 굴절률이 증가한다. 광섬유는 감광성 품질을 높이기 위해 수소나 중수소와 함께 적재될 수 있다. 광섬유의 영역에 있는 감광성 요소는 전달된 방사선의 함수인 C로서 표시될 수 있다. Corning(등록 상표)CPC6(미국 뉴욕주 코닝 소재의 코닝 주식회사)과 같이 시판되고 있는 감광성 광섬유를 사용할 수 있다. 당업자라면 인식할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법은 광섬유 뿐만 아니라 평면 도파관 등의 다른 도파관의 굴절률을 변화시키는데 사용될 수도 있다. 이와 유사하게, 상이하거나 유사한 감광성 요소인 하나 이상의 감광성 영역을 가진 광섬유를 사용할 수 있다.

광원(20)은 UV 레이저광이나 X선 방사선 처럼 화학 방사선원이다. 광원은 원하는 격자를 기록하기 위해 충분한 강도와 충분히 좁은 직경의 빔을 전달하도록 선택된다. 종래 기술에서 알려진 다른 광원은 도파관의 조성이나 원하는 격자 패턴에 기초하여 사용될 수 있다. 광원(20)은 피크 강도()와 공칭 직경(D)을 가진 빔(22)을 생성한다. 이러한 분석에서, 기록 빔의 세기 프로파일은 대략 정사각형 모양을 갖는다. 당업자라면, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 다수의 변화된 다른 빔으로의 구성을 생각할 수 있다.

도 1은 주기적인 변동을 도파관에 기록하기 위해 변조기(30)를 제어하는 함수 발생기(60)의 하나의 실시예를 개략적으로 예시하고 있다. 함수 발생기(60)는 진폭 변조 함수(62)와, 주파수 변조 함수(64) 및 제어 가능한 D.C. 오프셋(66)을 포함한다. 예컨대, 발진 엔벨로프(진폭 변조) 함수(62)가 격자의 특성을 어포다이즈하기 위해 발진 진폭을 서서히 가변하면서, 주파수 변조 함수(64)는 도파관에 기록된 주기적 파형의 주기성과 형태를 결정한다. 광 음향 변조기(예컨대, 일리노이주 밸우드 소재의 IntraAction사에 의해 제조된 IntraAction ASM-1251LA3)와 같이 다양한 진폭 광 변조기(30)가 사용될 수 있다. 만약 주기적인 구조가 도파관에 기록된다면 변조기(30)는 주파수 f(t)에서 기록 빔(22)의 세기를 변조시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스탠포드 연구 시스템 DSM345s(캘리포니아주 써니밸 소재의 스탠포드 연구 시스템)과 같은 함수 발생기(60)는 변조기를 제어하는 전자 신호를 정형할 수 있다. 이러한 정형은 최종 격자의 어포다이즈와 처프를 야기시키기 위해 도파관의 길이를 따라서 기록된 굴절률 변동 프로파일로 맞추기 위한 것이다. 함수 발생기(60)는 공정의 변수와 결과를 감시하는 중앙 처리 장치나 컴퓨터(70)에 결합되어 제어된다.

광섬유(50)는 기록 빔(22)에 비례하는 속도 v(t)로 병진 운동된다. 다시 언급하면, 하나 이상의 도파관은 빔을 통해 동시에 병진 운동될 수 있다. 주기적 또는 비주기적인 변동을 기록할 때, 광섬유(50)는 주파수 f(t), 즉로 세기 변조되는 변조된 기록 빔(22)을 통과한 정확하게 알려진 속도 v(t)로 병진 운동되는데, 여기에서는 도파관에 기록된 주기적인 굴절률 변동의 공간적인 주기를 나타낸다. f(t)와 v(t)는 기록 어셈블리와 원하는 프로파일에 따라서 가변 함수일 수 있거나 한쪽 또는 양쪽 모두 일정하게 고정될 수 있다. 물론, 항의 상수는 지터나 오차로 인한 광섬유 격자 피치의 편차에 대한 수용할 수 있는 매개변수 내에서 정의된다.

기록 빔(22)과 관련된 광섬유(50)의 움직임은 병진 운동 기구(40)로 정확하게 제어된다. 도 2는 펜실바니아주 피츠버그 소재의 에로텍사의 에로텍 모델 제 ABL20010-LN10의 선형 모터 구동 단과 같이 매우 정확한 속도 제어 운동 단(42) 또는 매사추세츠주 웨스트보로 소재의 도버 인스트르먼츠사의 도버 인스트르먼츠 모델 635RF와 같이 정확한 회전 운동 단을 포함하는 병진 운동 기구(40)의 제1 실시예를 나타낸다. 광섬유(50)는 2개의 v 홈이나 클램프(44, 46)에 의해 유지된다. 양호한 실시예에서,의 정확도를 가진 운동 단이 사용된다. 약 1 mm/s의 속도로 도파관을 병진 운동하면서, 에르븀 도핑 광섬유 증폭기 대역의 LPG를 생성하는데 ＜0.2 Hz의 플러터(flutter)를 가진 약 2 KHz의 변조가 권장된다. 현재 사용 가용한 광 음향 변조기는 ＜1플러터의 능력을 가지며, 버지니아주 드브린 소재의 모션 컨트롤 시스템사의 MCS LA 2000과 같이 위상 동기 루프로 제어되는 시판되고 있는 회전단은 약 1 mm/s의 림 속도에서 ＜10 p.p.m. 속도 플러터의 능력을 갖는데, 이것은 고품질의 LPGs를 만드는데 아주 충분하다. 높은 감광성을 가진 광섬유는 증가된 도파관 병진 운동 속도를 가능하게 한다.

정밀 운동 단의 이동 범위보다 더 긴 격자를 제조하기 위하여, 한 단은 예컨대 회전 드럼이나 웹 드라이브 시스템을 가진 기록 빔을 통해 광섬유를 병진 운동할 수 있다. 도 3은 회전 스풀이나 드럼(180)을 사용한 병진 운동 기구(140)를 가진 굴절률 변동 기록 어셈블리의 제2 실시예(110)를 도시한다. 도 2의 제1 실시예에 있는 것들과 유사한 모든 다른 요소들은 유사하게 표시된다. 드럼(180)의 원주는 알려져 있고 드럼(180)의 회전 속도는 정밀한 위상 동기 루프 제어기(182)에 의해 제어된다. 기록 빔(22)의 위치는 빔이 스풀(180)의 회전에 따라 광섬유(50)를 확실히 트래킹하도록 병진 운동 단(148)과 함께 미러(145)를 이동시킴으로써 기록 과정동안 이동될 수 있다.

본 발명의 방법이 정확한 위치 선정과는 반대로 속도 제어를 필요로 하기 때문에, 대안적으로 광섬유는 도 4에 도시된 대로 분배 스풀(92)과 권취 스풀(94)을 가진 웹 드라이브 시스템에 의해 장전될 수 있다. 도 4는 스풀 투 스풀 병진 운동 기구(240)를 가진 굴절률 변동 기록 어셈블리의 제3 실시예를 도시하는데, 광섬유(50)의 연속 길이는 분배 스풀(피드 스풀)(92)에 먼저 제공되고 권취 스풀(94)로 끌어 당겨진다. 이러한 스풀의 회전 속도는 예컨대, 정확한 림 속도를 제공하도록 위상 동기 루프 회로(282)에 의해 제어된 스핀들 모터(96)로 달성된다. 분배 스풀(92)로부터 광섬유(50)는 기록 빔(22)의 전방에 광섬유(50)를 정렬시키는 도르래의 제1 세트와 제2 세트의 v 홈과 또는 장력 조절기(244, 246)를 통해서 배치되고 권취 스풀(94)에 감겨진다.

본 발명의 방법에 있어서의 중요한 장점은 정확한 위치 감시나 제어가 불필요하다는 것이다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 기록 빔과 관련한 광섬유의 속도는 일정하다. 다른 실시예에서, 단과, 스풀 및 또는 광섬유의 이동은 제어되고 또는 감시되며 변조기와 동일한 속도로 작용하도록 결합된다. 이 방법은 광섬유를 끌어당기는 타워처럼 매우 정확하고 일정한 속도를 가지지 않은 장치에 의해 분배된 광섬유에 대한 굴절률 변동을 기록하는데 특히 유용하다. 또 다른 실시예에 있어서, 병진 운동 기구는 광원의 움직임을 제어할 수 있고 광섬유는 고정되거나 고정되지 않을 수 있다.

광섬유(50)는 기록 빔(22)으로 광섬유의 정확한 정렬을 유지하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 V 홈에 놓이거나 도 4에 도시된 바와 같이 V 홈 도르래에 정확히 놓여질 수 있다. 광섬유(50)는 병진 운동 기구(40)에 위치하거나 나선 가공된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 광섬유는 회전 스풀(180)에 영구적으로 부착되고, 광섬유가 스풀에 싸매진 채로 격자가 광섬유에 직접적으로 기록된다. 그 위에 격자를 가진 스풀은 패키지되어질 수 있다. 이 직접적인 스풀 기록 방법은 운영자가 광섬유를 다루는 것을 줄이거나 심지어 없앨 수도 있다. 굴절률 변동을 만드는 속도 제어 방법을 활용하여 웹 드라이브 기술과 회전 단은 진폭 마스크나 개구를 필요로 하지 않고 임의의 패턴과 무제한 길이의 도파관에서 굴절률 변동을 만든다.

도파관의 길이 x 를 따른 굴절률의 변화는로 표시된다. 병진 운동 기구(40)는 도파관 방사동안 시간 t의 어느 주어진 점에 대한 도파관의 속도 v(t)를 알 수 있도록 기록 빔과 관련된 도파관의 병진 운동을 제어한다. 변조기(30)는 도파관의 위치 x가 도파관의 병진 운동 속도와 빔 강도의 함수인 총 방사선량을 수신하도록 기록 빔의 강도 I(t)를 제어한다. 길이를 따라서 도파관에 전달된 방사선의 플루언스는 굴절률 변동()과 관련된다.

주기적인 굴절률 변동을 만들기 위해서, 광섬유는 주파수 f(t)로 강도 변조된 화학 방사의 기록 빔을 지나면서 정확하게 제어된 속도 v(t)로 병진 운동된다. 직접적인 디지털 합성 함수 발생기(60)에 의해 수학식 7의 푸리에 급수로서 표시될 수 있는 시간 t의 함수로서 기록 빔의 세기를 만들기 위해 광 변조기(30)로 보내진 임의의 주기 함수를 만드는데 그 식은 다음과 같다.

이 식에서는 기록 빔의 최대 세기이며,은 함수의 푸리에 급수의 n 번째 항에 대한 가중 요소이다. 빔을 가로질러 그것이 병진 운동될 때 폭 D와 피크 세기의 레이저빔에 의한 그 길이 x를 따라서 광섬유로 전달된 플루언스는 다음의 수학식 8과 같다.

이것은 수학식 2에 의해 감소된다.

(수학식 2)

스케일링 계수는 값 I(t)로 고려될 수 있고, 그래서의 값도 고려될 수 있거나, 기하학적 계수와 광 흡수 매개변수와 및/또는 세기 분배 편차를 반영하기 위해 수학식 2에 대입될 수 있다. 당업자들은 v(t), I(t) 및와을 제어함으로써 원하는 굴절률 프로파일 함수를 도파관에 기록될 수 있음을 인식할 것이다.

빛 강도의 변조 주파수나 기록 빔과 관련된 광섬유의 속도를 변화시킴으로써인 빔의 직경보다 더 큰 임의의 주기의 주기적인 굴절률 변동을 만들 수 있다. LPG 제조에 있어서, 함수 발생기는 순방향 전파의 제한 모드로부터 클래딩 모드로 빛을 연결하는 주기적인 굴절률 변동을 만들기 위해 화학 방사 빔의 강도를 제어한다. 파장의 함수로서 이러한 모드 사이의 결합 효율성은 주기성과 굴절률 변동의 형태 및 광섬유 구조와 같은 여러 가지 요소들에 의해 특징 지어진다. 도 6은 굴절률 변동의 상이한 형태에 대한 LPG 관통 송신 스펙트럼을 비교하는 도면이다. 변동 주기를 변화시킴으로써, 다른 중심 파장과 함께 LPG를 만들 수 있다. 일반적으로, LPG는 입사광의 도파관보다 적어도 10배나 더 큰 굴절률 변동 주기성을 가진 광섬유 격자로서 고려된다. 전형적인 LPG 주기는 700 nm ∼ 1500 nm 사이에서 최대 결합 효율성을 내기 위해 15 ㎛ ∼ 1500 ㎛ 사이에 존재한다. 굴절률 변동에 있어서의 처프는 변조기의 주파수를 지속적으로 동조시켜 광섬유에 기록될 수 있다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, LPG 외에 광섬유 모드 결합기의 다른 형태는 본 발명의 기술적 사상이나 범위에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본원 명세서에 상세히 기술된 방법으로 제조할 수 있다.

레이저빔의 폭에 의해 전술한 수학식 2에 주어진 전달된 플루언스의 푸리에 급수 표시에 있어서 사인파c 함수의 가중 항에 의해 명시된 것처럼, 광섬유에 기록된 굴절률 프로파일은 공간적으로 저역 통과된다. 정량적으로 전술한 수학식 2는 공간 좌표(예컨대,)로 표현된 시간 변수를 가진 세기 함수 형태 I로 감겨진 빔 프로파일(이 경우, 사각형 프로파일)로써 나타내어진다. 이 도표는 가우스처럼 다른 빔 프로파일에 의해 야기된 공간 필터를 평가하는데 유용하다. 만약 D ＜ O.1라면, 이 공간 필터링은 분해의 첫 번째 여러 가지 요소에 대해 무시해도 좋다. LPG가 전형적으로 수백 ㎛의 주기를 갖기 때문에, 기록 빔의 직경은 격자의 길이를 따라서 복잡한 굴절률 프로파일을 기록하기 위해 쉽게 포커스 될 수 있다.

위에 도시한 방법은 LPG처럼 어포다이즈된 주기적 모드 결합기를 만드는데 또한 사용될 수 있다. 기록 빔 변조의 진폭 엔벨로프는 광섬유가 레이저빔을 가로질러 병진 운동될 때 다른 함수 발생기(62)나 적합한 전자 장치를 거쳐서 제어될 수 있다. 오프셋이 없는 세기 I의 푸리에 급수 표현을 나타내도록를 정의함으로써(예컨대, n≥1에서), 하나는 이하의 수학식 9(수학식 7과 비교)에서 수학적으로 순수 어포다이제이션(apodization)을 나타내면,

이 수학식 9에서 진폭 엔벨로프 M(t)는사이에서 변화한다. 엔벨로프 변조의 레벨에 관계없이, 광섬유에 전달된 평균 플럭스(flux)는 일정하고 이로 인해 순수 어포다이제이션이 만들어진다. 이 제어를 만들기 위해 사용되는 물리적 구조는 도 1에 상세히 도시되어 있다. 순수 어포다이제이션을 가진 처프된 LPG는 특별한 위상 마스크나 개구 또는 감쇠 광이 없이 원스텝 기록 공정으로 제조될 수 있다.

현재 LPG 제조 방법을 단순화하는 것 이외에, 이 제조 기술은 광섬유에 기록되기 위해서 다른 굴절률 변동 함수를 갖도록 할 수 있는데, 다른 기록된 방법으로는 어려웠다. 이후 설명되는 바와 같이, 이러한 추가된 능력은 모드 커플링의 광학적 특성을 정형하기 위해 다른 제조 제어를 제공한다. 예컨대, 정현파 굴절률 변동은 표준 함수 발생기로 광섬유에 기록될 수 있다. 이러한 경우에 수학식 4에 의해 정의된다.

(수학식 4)

이것은 전달된 방사선량을 이하의 수학식 5에 의해 나타낸다.

(수학식 5)

도 5a와 도 5b에 도시된 이러한 격자 형태의 예컨대, 이러한 도는 2.222-Hz의 변조된 약 100 ㎛의 직경에 150 mW 244 nm의 파장을 가진 레이저빔이 LPG를 빔을 지나 1 mm/s의 속도로 병진 운동하는 광섬유에 기록하는데 사용되었다. 이 격자는 제조하는데 68초가 필요했다(LPG 길이는 68 mm).

방형파 변동은 또한 표준 함수 발생기로 광섬유에 기록될 수 있다. 이 경우에, 이하의 수학식 6에 의해 정의된다.

(수학식 6)

예컨대, 이러한 격자 타입의 전달 스펙트럼이 도 6에 도시되어 있는데 도 5에 도시된 종래의 사인파 발생 스펙트럼처럼 동일한 실험용 매개변수로써 기록된다. 도 6은 또한 방형파 생성 전달 스펙트럼을 동일한 실험용 매개변수로 기록된 사인파 생성 LPG 스펙트럼을 비교한다. 방형파 LPG 스펙트럼의 최대 커플링 효율은 사인파가 발생된 스펙트럼을 가진 그것과 비교하기 위해 도에서의 긴 파장으로 약 4 nm가 편이된다. 이러한 격자는 제조하는데 54초가 걸렸다(LPG 길이는 54 mm). 방형파가 발생된 격자의 440 ㎛ 주기는 기록 빔의 직경과 거의 비슷하며, 그래서 방형파에 대한 푸리에 급수의 분해에 있어서 단지 몇몇 항만이 광섬유에 효과적으로 기록된다(빔 사이즈는 종래의 광학장치를 이용해서 쉽게 감소시킬 수 있었다). 그럼에도 불구하고, 이러한 사인파와 방형파의 LPG는 다른 감쇠 성질을 갖는데, 굴절률 변화의 함수적 형태는 특정한 감쇠 필요 조건과 부합되기 위해 변화될 수 있는 또다른 매개변수임을 보여준다.

도 7은 본 발명의 방법의 단계를 요약한 흐름도 이다. 제1 단계에서 감광성 영역을 가진 도파관이 제공된다. 직경 D와 세기 I(t)를 가진 화학 방사의 기록 빔이 또한 제공된다. 도파관은 상대 속도 v(t)로 빔이 지나면서 병진 운동된다. 광섬유에 전달된 방사선의 플루언스가의 식처럼 도파관의 길이를 가로질러 공간적으로 변화되도록 빔의 방사선 세기는 변조되고 변조된 엔벨로프는 제어된다.

본 발명은 어느 요구된 굴절률 프로파일을 가진 실제적인 어느 길이에서의 인 라인 광학 도파관의 긴주기의 격자를 기록할 수 있는 능력을 보여준다. 긴 LPG의 가용성(1 m 이상)은 다양한 적용에 있어서 격자의 새로운 사용법을 나타낸다.

여기에 도시되고 묘사된 방법과 실시예는 단지 예증이 되며, 본 발명의 범위에 대한 제한으로 고려되지는 않는다. 당업자라면 본 발명의 사상과 범위에 따라서 이루어진 다른 변화와 수정을 인식할 것이다.

Claims (14)

1. 도파관의 길이 x를 따른 굴절률 변화가로 표시될 수 있는 소망의 굴절률의 변동 패턴을 가진 도파관을 제조하는 방법으로서,

   감광성 영역과 감광성 요소 C를 가진 도파관(50)을 제공하는 단계와;

   공칭 직경 D를 가진 화학 방사의 기록 빔(22)을 제공하는 단계와;

   도파관의 조사 중에 시간 t의 소정의 지점에 대한 도파관의 속도 v(t)를 알 수 있도록 기록 빔에 대해 도파관의 병진 운동을 제어하는 단계와;

   도파관의 위치 x가 그 길이를 따라서 도파관에 전달된 방사선 플루언스가로서 굴절률 변동과 관련된 총 방사선량를 수신하도록 기록 빔의 방사선 세기 I(t)를 제어하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,인 것인 도파관의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관에 방사선의 플루언스를 전달하기 위하여 주파수 f(t)로 시간 t의 함수로서 주기적인 패턴으로 기록 빔의 세기를 이하의 관계식

   -여기서,는 기록 빔의 최대 세기를 나타내고,은 함수의 푸리에 급수 표시에 있어서 n 번째 항의 값에 대한 가중 요소임-

   에 의해 변조시키는 단계를 더 포함하는 것인 도파관의 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관에 주기의 주기적인 굴절률 변동을 이하의 관계식

   에 의해 기록하는 단계를 더 포함하는 것인 도파관의 제조 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 주기적으로 변조된 기록 빔의 피크 강도를 변조시키는 단계를 더 포함하는 것인 도파관의 제조 방법.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 도파관에 전달된 플루언스를 정의하는 함수의 푸리에 급수 표시에서 독립적인 각각의 값을 제어하기 위해 기록 빔의 세기를 변조시키는 단계를 더 포함하는 것인 도파관의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관은 감광성 영역을 가진 광섬유인 것인 도파관의 제조 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기록 빔의 방사선 세기 I(t)는 이하의 관계식

   으로서 푸리에 급수에 의해 표시 가능한 오프셋 정현파 함수이고,

   상기 도파관에 전달된 플루언스는 이하의 관계식

   에 의해 표시 가능한 것인 도파관의 제조 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기록 빔의 방사선 세기 I(t)는 이하의 관계식

   으로서 푸리에 급수에 의해 표시 가능한 오프셋의 주기적인 방형파인 것인 도파관의 제조 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 굴절률 변동은 반전된 에르븀 이득 스펙트럼과 부합되는 도파관을 통해서 전송 손실 스펙트럼을 작성하는 것인 도파관의 제조 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라서 제조된 굴절률 변동을 가진 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 증폭기.
12. 감광성 도파관(50) 위에 긴 주기의 격자를 기록하기 위한 긴 주기의 격자 기록 어셈블리(10)로서,

    피크 강도와 공칭 직경 D를 가진 화학 방사의 기록 빔(22)을 생성하는 광원(20)과;

    진폭 변조 함수를 가진 전자 신호 제어 기능과 주파수 변조 함수 및 d.c. 오프셋을 포함하며, 기록 빔의 세기 I(t)를 제어하는 화학 방사의 기록 빔의 경로를 따라서 배치된 광 변조기(30)와;

    도파관을 지지하고 기록 빔의 경로를 교차하도록 도파관을 정렬하며 기록 빔에 대한 상대 속도 v(t)로 도파관을 병진 운동하는 광섬유 지지 어셈블리 및 병진 운동 기구(40)

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
13. 제12항에 있어서, 상기 광섬유 지지 어셈블리는 분배 스풀(92)과 속도 제어 권취 스풀(94) 및 상기 권취 스풀의 회전 속도를 제어하는 위상 동기 루프 회로(282)를 포함하며, 상기 권취 스풀의 회전 속도는 광 변조기와 공시적으로 작용하도록 결합되는 것인 어셈블리.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 변조기는 도파관에 플루언스를 전달하기 위하여 주파수 f(t)로 시간 t의 함수로서 주기적인 패턴으로 기록 빔의 방사선 세기를 이하의 관계식

    에 의해 변조시키는 것인 어셈블리.