SE520909C2 - Metod och anordning för fotoinducering av ett lutat gitter i en optisk fiber - Google Patents

Description

25 30 35 n.. szoléóšïf' 2 Portland, PDl (1995) och av A. Asseh, H.

Sandgren och R. A. H. Stubbe, i "A tions), Storøy, B. E. Sahlgren, S. writing technique for long fiber Bragg gratings with complex reflectivity profiles", J. Lightw. Techn. 15, 1419-1423 (1997). delvis överlappande delgitter - vardera innehållande Iden var att exponera et stort antal små, nägra fä hundra perioder eller mindre - i sekvens; där avancerade egenskaper sàsom vàglängdsskift, s k chirp, fasskift och apodisation infördes genom justerande av fasförskjutningen och lutning av delgittren. I uppsätt- ningen som användes i ovan nämnda referenser skapades varje delgitter genom exponerande av fibern med en kort UV-puls medan fibern själv förflyttades med konstant has- tighet. lativt UV-strålarna, UV-pulsen triggades av positionen hos fibern re- vilken mättes med en standard hei- lum-neon-laserinterferometer.

Bragg-gitter har normalt sina gitterelement upprik- tade normalt mot vàgledarens axel. Dock finns det ett ökat intresse för tillverkande av gitter vilka har sina element i vinkel mot vàgledarens axel, kända sàsom lutade ("blazed") Bragg-gitter. Sådana lutade Bragg-gitter är svära att tillverka effektivt med tillräcklig precision med tidigare kända metoder och anordningar.

Exempelvis hänför sig både US 5 730 888 och US 5 042 897 till metoder och anordningar för fotoinducering av lutade gitter i optiska fibrer. De lutade gittren formas genom lutande av projiceringssystemet relativt fibern.

Det finns dock flera problem med dessa lända metoder. För att kunna luta projiceringssystemet relativt fibern blir utrusningen komplex och dyr. Vidare är det svårt att er- hålla tillräckligt fokus pà fiber i hela exponeringsomrä- det. Härigenom blir de kända metoderna làngsamma och in- effektiva, med läg genomströmning. Dessutom är det med de kända metoderna endast möjligt att producera lutade git- ter med en begränsad lutningsvinkel, medan lutade gitter med större lutningsvinklar är mycket komplicerade att 10 15 20 25 30 35 52bí§š§°”'=n 3 tillverka, eller över huvud taget inte möjliga att produ- Cera .

Sammanfattning av uppfinningen Det är därför ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en metod och en anordning för fotoin- ("blazed") ber, vilket minskar de ovannämnda problemen hos den kända ducering av ett lutat gitter i en optisk fi- tekniken.

Detta syfte uppnås med en anordning och en metod så- som definieras i de bifogade patentkraven.

I enlighet med uppfinningen tillhandahålls en metod för fotoinducering av ett lutat gitter i en optisk fiber, omfattande stegen att samtidigt exponera fibern med två inbördes koherenta ljusstrålar, vilka skär varandra i en först vinkel i ett plan omfattande strålarna och interfe- rerar i ett förutbestämt område hos fibern för att skapa ett interferensmönster längs längdaxeln hos fibern. Vida- re bringas vardera av nämnda strålar till ett linjefokus, vilket sammanfaller med kärnan av fibern.

Uppfinningen erbjuder en ny metod för tillverkande av avancerade lutade fiber-Bragg-gitter. I motsats till tidigare kända metoder så lutar inte uppfinningen proji- ceringssystemet relativt fibern, utan tillhandahåller ett lutat interferensmönster i linjefokus med fibern.

Speciellt kan metoden användas när nämnda plan om- fattande strålarna, åtminstone i närheten av fibern, är vridet för att tillhandahålla en andra vinkel relativt fiberriktningen, varvid nämnda vridning ger upphov till en lutningsvinkel hos de fotoinducerade gitterelementen.

I enlighet med den uppfinningsenliga metoden kan en lutningsvinkel väljas godtyckligt, utan några utrust- ningsbegränsningar. Vidare är kvaliteten och precisionen hos de fotoinducerade mönstren förbättrad, eftersom lin- jefokus sammanfaller med fibern även vid stora lutnings- vinklar. Dessutom blir styrningen av tillverkningsproces- lO 15 20 25 30 LU UI 52ó:§69"°' 4 sen förenklad, vilket gör tillverkningen effektivare och mindre kostsam, och med En förkortning av tillverkningstiden för komplexa gitter.

Ljus är inom denna ansökan inte begränsat till att innebära synligt ljus, utan ett brett intervall av våg- (IR) till extremt UV.

Vidare skall i denna ansökan det med optiska fibrer längder från infrarött förstås vilken som helst typ av optiska vågledare gjorda av material vilka har ett bryningsindex som permanent kan förändras genom exponering med ljus av åtminstone en för- utbestämd våglängd.

Med fotoinducering skall förstås processen att expo- nera den optiska fibern med den ovannämnda typen av ljus av den förutbestämda våglängden för att forma en perma- nent brytningsindexvariation i fibern.

I enlighet med ett utförande av uppfinningen är strålarna fokuserade på fibern med hjälp av åtminstone en lins, och vridningen av stràlplanet erhålls genom för- skjutning av åtminstone en sträles infallsposition på nämnda lins. Strålarnas infallsposition kan företrädesvis förskjutas i en riktning vinkelrätt mot fiberriktningen.

Härigenom kan strålarna förskjutas på linsen och fortfa- rande vara fokuserade på fibern. Sålunda kan infallsvin- keln relativt fibern varieras utan att påverka fokuset.

I ett alternativt utförande är strålarna fokuserade på fibern medelst åtminstone en krökt spegel och vridning av stràlplanet erhålls genom förskjutning av åtminstone en sträles infallsposition på nämnda spegel. Strålens in- fallsposition förskjuts företrädesvis i en riktning vä- sentligen vinkelrätt mot fiberriktningen. Härigenom kan strålarna förskjutas på spegeln, och ändå vara fokuserade på fibern. Sålunda kan infallsvinkeln relativt fibern va- rieras utan att påverka fokuset även i detta utförande.

Uppfinningen hänför sig även till en anordning för fotoinducering av ett lutat gitter i en optisk fiber, om- fattande en källa för emitterande av ljus; en stråldelare för formande av två inbördes koherenta ljusstrålar; en lO 15 20 25 30 h; LH s2ó šh§l”' 5 fiberhållare för hållande av en fiber under exponering; och ett projiceringssystem för att få strålarna att skära varandra i en första vinkel i exponeringsområdet och där- igenom interferera i ett förutbestämt område av fibern för att skapa ett interferensmönster längs längdaxeln hos fibern. Projiceringssystemet omfattar vidare organ för fokuserande av strålarna så att vardera av strålarna bringas i linjefokus, vilket sammanfaller med kärnan hos fibern.

Med denna anordning kan metoden som diskuterats ovan utföras. Följaktligen presenteras en ny anordning för tillverkning av avancerade lutade Bragg-gitter. I motsats till tidigare kända anordningar lutar anordningen enligt uppfinningen inte projiceringssystemet relativt fibern, utan tillhandahåller ett lutat interferensmönster i lin- jefokus med fibern.

Speciellt kan organen för fokuserande av strålarna vidare omfatta organ för vridande av planet omfattande de två ljusstrålarna relativt fibern, åtminstone i närheten av fibern, för att tillhandahålla en andra vinkel rela- tivt fiberriktningen, där nämnda vridning ger upphov till en lutningsvinkel hos de fotoinducerade gitterelementen.

I enlighet med uppfinningen kan en lutningsvinkel väljas godtyckligt, utan några utrustningsrestriktioner.

Vidare förbättras kvaliteten och precisionen hos de foto- inducerade mönstren, eftersom linjefokus sammanfaller med fibern även vid stora lutningsvinklar. Eftersom styrning- en av tillverkningsprocessen blir förenklad, gör det tillverkningen effektivare och mindre kostsam, och med ett förkortande av tillverkningstiden för komplexa git- ter.

I ett utförande omfattar organen för fokuserande av strålarna åtminstone en lins för fokuserande av strålarna på fibern, varvid organet för vridande av strålplanet om- fattar organ för att förskjuta strålinfallspositionen på Strålinfalls- positionen förskjuts företrädesvis i en riktning väsent- nämnda lins för åtminstone en av strålarna. lO 15 20 25 30 35 52b §óåf"M:: 6 ligen vinkelrätt mot fiberriktningen. Härigenom kan strå- larna förskjutas pä linsen, och ändå vara fokuserade pà fibern. Sålunda kan infallsvinkeln relativt fibern varie- ras utan att påverka fokuset.

Organen för förskjutande av strålinfallspositionen omfattar åtminstone en förskjutbar eller vridbar reflek- terande spegel anordnad i strålvägen för nämnda stràle, och företrädesvis medgivande parallaxförskjutning av strålarna.

I ett alternativ utförande omfattar organen för fo- kuserande av strålarna åtminstone en krökt spegel, och organet för att vrida strålplanet omfattar organ för för- skjutande av strålinfallspositionen på nämnda spegel för åtminstone en av strålarna. Strålinfallspositionen är fö- reträdesvis förskjutbar i en riktning väsentligen vinkel- rätt mot fiberriktningen. Härigenom kan strålarna för- skjutas på spegeln, och ändå vara fokuserade på fibern.

Sålunda kan infallsvinkeln relativt fibern varieras utan att påverka fokuset även i detta utförande.

Kortfattad beskrivning av ritningarna I exemplifierande syfte skall uppfinningen nu be- skrivas mer ingående med hänvisning till utföranden av densamma, vilka illustreras på de bifogade ritningarna, på vilka: Fig 1 är en schematisk illustration av ett fiber Bragg-gitter tillverkningssystem i enlighet med ett utfö- rande av uppfinningen.

Fig 2 är en schematisk illustration av ett projice- ringssystem i exponeringsområdet i enlighet med ett för- sta utförande av uppfinningen där strålarna inte är för- skjutna, varvid fig 2a är en vy vinkelrätt mot fibern och 2b är en vy i längdriktningen för fibern.

Fig 3 är en schematisk illustration av projicerings- systemet i fig 2, men där strålarna är förskjutna, varvid fig 3a är en vy vinkelrätt mot fibern och 3b är en vy i längdriktningen för fibern. lO 15 20 25 30 35 52ój§§9”:" 7 Fig 4 är en schematisk illustration av ett projice- ringssystem i exponeringsområdet i enlighet med ett andra utförande av uppfinningen, varvid fig 4a är en vy vinkel- rätt mot fibern, 4b är en vy i längdriktningen för fibern och 4c år en siodvy i en riktning vinkelrätt mot vyn i 481.

Beskrivning av föredragna utföranden Ytterligare omfattning av tillåmpbarheten för före- liggande uppfinning kommer att framgå av den detaljerade beskrivningen av uppfinningen som följer härefter. Dock skall det förstås att den detaljerade beskrivningen och de specifika exemplen, även om de indikerar föredragna utföranden av uppfinningen, endast ges såsom exempel, ef- tersom olika förändringar och modifikationer inom idén och ramen för uppfinningen kommer att framgå för de som är kunniga inom teknikområdet utifrån denna detaljerade beskrivning.

Uppställningen enligt ett utförande av uppfinningen illustreras i Fig. 1. Basen för systemet enligt uppfin- ningen kan exempelvis vara ett system såsom det som be- skrivs i "Fiber Bragg Gratings" av Raman Kashyap, s. 55- 101. Speciellt systemet som beskrivs med hänvisning till fig. 3.21 tjänar som en god bas. Denna beskrivning ä här- med inkorporerad häri genom hänvisning.

Dock är även andra typer av fotoinducerande system tänkbara för uppfinningen. Ett system i enlighet med upp- finningen omfattar allmänt en ljuskälla, en stràldelare av någon typ, ett projiceringssystem och en fiberhàllare.

Projiceringssystemet kan företrädesvis omfatta ett spe- gelarrangemang och se till att strålarna interferera med varandra i ett exponeringsomràde för att forma ett inter- ferensmönster i fibern och sålunda motsvarande gitterele- ment. Ljuskällan kan vara en kontinuerlig eller pulsad laser. När en pulsad laser används aktiveras den företrä- desvis när avståndet som fibern förflyttats år lika med en gitterperiod. Dock används företrädesvis en kontinuer- 10 15 20 25 30 35 52biëó§" ”"” 8 lig laser, varigenom interferensmönstret fås att förflyt- tas i enlighet med fibern under vissa tidsperioder. Mel- lan sådana tidsperioder reverseras mönstret snabbt till startpunkten för att fortsätta gitterskrivningen. Sålunda erhålls en väsentligen oavbruten skrivningsprocess. Sådan förflyttning av interferensmönstret kan erhållas genom förändring av fasskillnaden mellan strålarna, t ex genom förskjutning av speglar i strålspåret.

I ett föredraget utförande av uppfinningen placeras fibern som skall exponeras i en fiberhàllare 2 som är monterad på en luftburen slåde 3, vilken förflyttas med en återkopplingsstyrd linjärdrivning. Positionen för för- flyttningsplattformen relativt UV-interferensmönstret mäts med ett heterodynt interferensdetekteringssystem 4 som använder en He-Ne-laser som ljuskälla. Den resulte- rande rumsliga upplösningen är approximativt 0.6 nm, vil- ken är tillgänglig over en förflyttningslängd på omkring en halv meter.

En ljuskålla 5, t ex en frekvensdubblad argon-jon laser utsänder ljus, såsom 100-mW strålning av våglängd 244 nm, spegel eller prisma, till en stråldelare, såsom en halvtransparent eller en fasmask, där den uppdelas i två koherenta strålar. Därefter skickas stålarna in i ett projiceringssystem, såsom en dubbel Sagnac-interferometer 6, vilken genererar interferensmönstret som formar gitt- ret. I projiceringssystemet fokuserar en eller flera cy- lindriska linser de två interfererande strålarna till ett linjefokus som sammanfaller med kärnan hos fibern l. I längdled kan fokuset utsträcka sig över omkring 100 mic- ron, vilket grovt motsvarar 200 fransar för en Bragg- våglängd på 1550 nm resonansvåglängd.

Anordningen styrs av en styrenhet 8, vilken t ex kan vara elektroniskt implementerad i hårdvara. Denna styren- het kan i sin tur vara styrd av en mjukvarustyrd enhet 7, såsom en konventionell persondator.

Företrädesvis tillhandahålls första förskjutande or- för styrande av gan 61, omfattande t ex en stegmotor, lO l5 20 25 30 .. .

~ -- .. .' " '= .. .H " - - . ; I _ = f , , , , V- -. .. . , , u., a i 9 vinkeln mellan de interfererande strålarna i ett plan om- fattande fibern. Detta kan användas för att förändra pe- rioden för interferensfransarna för att matcha den önska- de lokala lutningen hos gittret. Vinkelförändringen ut- förs företrädesvis symmetriskt för båda strålarna så att centerfransen inte förflyttas från sin position. I en fö- redragen uppsättning är upplösningen för denna lutnings- variation omkring 1.4 pm i resonansvåglängd. Härigenom kan chirpen eller avståndet mellan enskilda gitterelement styras precist.

För att förhindra oönskad exponering utanför det verkliga gittret omfattar systemet även en styrbar sluta- re 9 i UV-strålspåret som endast är öppen inom gitterom- rådet under skrivningen.

Införande av styrd lutning ("blazing") I enlighet med uppfinningen omfattar skrivsystemet vidare organ 62 för fokuserande av strålarna så att var- dera av strålarna bringas i ett linjefokus vilket samman- faller med kärnan hos fibern. Nämnda organ för fokuseran- de av strålarna omfattar vidare organ för vridande av planet omfattande de tvà ljusstrålarna relativt fibern, för att tillhandahålla fiberriktningen, varvid nämnda åtminstone i närheten av fibern, en andra vinkel relativt en lutningsvinkel för de fotoin- Dock bibehålls linjefokuset vridning ger upphov till ducerade gitterelementen. även under nämnda vridning.

Vridningen kan tillhandahållas medelst andra för- skjutande organ 63 för förskjutande av strålarna, och fö- reträdesvis i en sned riktning relativt fiberriktningen, och mest föredraget i en riktning väsentligen vinkelrätt mot fiberriktningen.

I ett första utförande, såsom illustreras i fig l och 2, varigenom strålinfallspositionen på linsen är förskjutbar tillhandahålls vridningen medelst en lins 621, för åtminstone en av strålarna. I fig 2 är strålarna inte förskjutna, medan de är förskjutna i fig 3. Förskjutning- lO l5 20 25 30 35 52o;9d§ 10 en kan tillhandahållas av förskjutbara eller vridbara speglar 622 anordnade i strålspåret. Härigenom kan strå- larna parallaxförskjutas. Dock är, vilket inses av för- stås av en person kunnig inom teknikområdet, andra organ för förskjutande av strålarna likaledes tänkbara.

Förskjutningen av strålarna påverkar inte fokuse- ringen av strålarna på fibern. De förskjutna strålarna tillhandahåller dock en vinkel mellan strålarna i ett plan vinkelrätt mot fiberriktningen, såsom illustreras i fig 3b. Sålunda kommer de fotoinducerade gittret att var lutat, "blazed", men som är vinkelrätt mot planet illustrerat i fig 3a. dvs vara i ett plan omfattande fibern I enlighet med ett alternativt utförande, såsom il- lustreras i fig 4, tillhandahålls vridningen av en krökt spegel 623, varigenom strålinfallspositionen på spegeln är förskjutbar för åtminstone en av strålarna. Förskjut- ningen kan tillhandahållas på samma sätt som diskuterats Följaktligen kommer det fotoinducerade gittret att "blazed", bern men som är vinkelrätt mot planet illustrerat i fig OVaIl . var lutat, dvs vara i ett plan som omfattar fi- 4a, såsom illustreras i fig 4c.

Förskjutningen utförs företrädesvis för båda strå- larna, och mest föredraget på ett väsentligen symmetriskt sätt.

Slutsats Uppfinningen tillhandahåller en ny teknik för till- verkning av högkvalitativa lutade fiber-Bragg-gitter. Med den uppfinningsenliga metoden kan en mycket precist styr- bar lutning införas, utan att luta projiceringssystemet relativt fibern eller liknande. Som ett resultat härav reduceras tillverkningstiden för alla typer av anpassade gitter högst väsentligt jämfört med tidigare metoder.

Uppfinningen medger vidare en mycket precis styrning av gitterformandet, och speciellt införandet av lutning.

Uppfinningen har nu beskrivits med hjälp av utfö- ringsexempel. Dock är många alternativ möjliga. Exempel- lO 52Ö:§Ö§¿¿~=-~ ll vis är olika typer av stràldelare möjliga, andra typer av organ för förflyttande av fibern kan användas etc. Dess- utom är andra organ för förskjutande av strålarna tänkba- ra. Sàdana alternativ är kända inom teknikomràdet. Det skall förstås av en person kunnig inom teknikomràdet att sådana alternativ är en del av uppfinningen, såsom den är definierad av de bifogade patentkraven.

Claims (20)

10 15 20 25 30 . . - . . , , _ _ ' t _ s2b:§ó§°: 12 PATENTKRAV ("blazed") gitter i en optisk fiber, omfattande stegen att samtidigt

1. metod för fotoinducering av ett lutat exponera fibern med två inbördes koherenta ljusstrålar, vilka skär varandra i en först vinkel i ett plan omfat- tande strålarna och interfererar i ett förutbestämt områ- de hos fibern för att skapa ett interferensmönster längs längdaxeln hos fibern, k ä n n e t e c k n a d av att vardera av nämnda strålar bringas till ett linjefokus, vilket sammanfaller med kärnan av fibern, och att nämnda plan omfattande strålarna, åtminstone i närheten av fi- bern, är vridet för att tillhandahålla en andra vinkel relativt fiberriktningen, där nämnda vridning ger upphov till en lutningsvinkel för de fotoinducerade gitterele- menten.

2. Metod enligt krav l, varvid strålarna är fokuse- rade på fibern medelst åtminstone en cylindrisk lins och vridningen av strålplanet erhålls genom förskjutning av åtminstone en av strålarnas infallsposition på linsen.

3. Metod enligt krav 2, varvid strålen infallsposi- tion förskjuts i en riktning som är väsentligen vinkelrät mot fiberriktningen.

4. Metod enligt krav 2 eller 3, varvid infallsposi- tionen för båda strålarna är förskjutna.

5. Metod enligt krav 4, varvid infallspositionerna är väsentligen symmetriskt förskjutna.

6. Metod enligt krav 1, varvid strålarna är fokuse- rade på fibern medelst åtminstone en krökt spegel och vridning av strålplanet erhålls genom förskjutning av åt- minstone en stråles infallsposition på spegeln. lO 15 20 25 30 520 909 1 ”" 13

7. Metod enligt krav 6, varvid strålens infallsposi- tion är förskjuten i en riktning väsentligen vinkelrät mot fiberriktningen.

8. Metod enligt krav 6 eller 7, varvid infallsposi- tionerna för båda strålarna är förskjutna.

9. Metod enligt krav 8, varvid infallspositionerna är väsentligen symmetriskt förskjutna.

10. Metod enligt något av föregående krav, varvid fibern förflyttas genom exponeringsområdet där strålarna korsas.

11. ll. Anordning för fotoinducering av ett lutat ("blazed") för emitterande av ljus; gitter i en optisk fiber, omfattande en källa en stråldelare för formande av två inbördes koherenta ljusstrålar; en fiberhållare för hållande av en fiber under exponering; och ett projice~ ringssystem för att få strålarna att skära varandra i en första vinkel i exponeringsområdet och därigenom interfe- rera i ett förutbestämt område av fibern för att skapa ett interferensmönster längs längdaxeln hos fibern, k ä n n e t e c k n a d av att projiceringssystemet vidare om- fattar organ för fokuserande av strålarna så att vardera av strålarna bringas i linjefokus, vilket sammanfaller med kärnan hos fibern, varvid nämnda organ för fokusering av strålarna vidare omfattar organ för vridande av planet omfattande de två ljusstrålarna relativt fibern, åtmin- stone i närheten av fibern, för att tillhandahålla en andra vinkel relativt fiberriktningen, där nämnda vrid- ning ger upphov till en lutningsvinkel hos de fotoinduce- rade gitterelementen.

12. Anordning enligt krav ll, varvid organet för fokuserande av strålarna omfattar åtminstone en lins för fokuserande av strålarna på fibern, varvid organet för vridande av strålplanet omfattar organ för förskjutande 10 15 20 25 30 . . - 1 : 1 5íolëO§f”H 14 av infallspositionen på nämnda lins för åtminstone en av strålarna.

13. Anordning enligt krav 12, varvid organet för förskjutande av stràlinfallspositionen omfattar åtminsto- ne en förskjutbar eller vridbar reflekterande spegel an- ordnad i strålspåret för nämnda stràle.

14. Anordning enligt krav 12 eller 13, varvid orga- net för förskjutande av strålinfallspositionen på nämnda lins är avpassat att förskjuta infallspositionerna för båda strålarna.

15. Anordning enligt något av kraven 12-14, varvid organet för förskjutande av strålarnas infall omfattar organ för parallellt förskjutande av strålarna.

16. Anordning enligt krav 11, varvid organet för fokuserande av strålarna omfattar åtminstone en krökt spegel, och organet för vridande av stràlplanet omfattar organ för förskjutande av strålinfallspositionen på nämn- da spegel för åtminstone en av strålarna.

17. Anordning enligt krav 16, varvid organet för förskjutande av strålinfallspositionen är avpassat att förskjuta infallspositionen i en riktning väsentligen vinkelrätt mot fiberriktningen.

18. Anordning enligt krav 16 eller 17, varvid orga- net för förskjutande av infallspositionen är avpassat att förskjuta infallspositionen för båda strålarna.

19. Anordning enligt krav 18, varvid organet för förskjutande av infallspositionen förskjuter infallsposi- tionen för strålarna väsentligen symmetriskt.

20. Anordning enligt något av kraven 11-19, varvid den vidare omfattar organ för förflyttande av fibern vä- .. =,,, 52ó:§d9"”°* 15 sentligen i riktningen för längdaxeln hos fibern genom exponeringsomràdet där strålarna korsas.