TW200407572A - Fabrication of chirped fiber bragg gratings of any desired bandwidth using frequency modulation - Google Patents

Description

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玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種製造任何所兩 · 汁而長度的軸内（in-line)光 學波導折射率光拇之方法，以芬μ *以及使用此方法製造的物件。 說的明確些’本發明提及一種製造任何長度的光纖布雷格 光栅（FBG)之m將—光纖相對於具有—間隔之化學線 幸畐射的干涉條紋移動，該間隔是以_時間函數調變頻率而 得，以及利用此技術製造長的連續相位之布雷格光拇。_ 【先前技術】 1 - 軸内的光學波導折射率光柵，於—波導内的折射率變化 疋週J丨生非週期性、或虛擬的週期性，例如：光柵可以 實際地將-模㈣印在該波導上，利耗光現象沿著波導 方向所形成的該折射率變化之方式製成，或者以本技藝中 其他的方法製成。特別3也，寫入光纖核心的光柵是光纖光 學通訊與感應器系統中許多應用的關鍵元件。 將摻雜質，例如：鍺加入該波導材質中的一區域，使其 具有感光型’造成該區域的折射率對增加的化學線輻射曝 露變得敏感。目前，用來寫入一軸内光柵的較佳方法，包 括將一部分的波導曝露在兩束化學線（通常是紫外線uV)輻 射光之間的干涉内。該兩束光是入射至一橫方向上該波導 的導引結構，以產生一干涉條紋，也就是光學干涉圖的圖 樣。此兩束光之間的角度（以及輻射的波長）決定了該干涉條 紋的間距。通常，此兩束的化學線輻射光是一干涉儀的兩 分支，或是由一單一光束投射穿過一相位光罩所產生的。 200407572 該相位光罩的方法-般認為是比較適合大量製造轴内光桃 /因為具有高度的重複性，對於光學設置的機械振動較不 敏感，並且可以使用具有非常短的一致性長度之寫入光束 完成。

光纖轴内光撕之於鶴·秦枯分 A — 、wr技術的優點，包括全部光纖的幾 何安排、低接入損失、高回復損失或消失，以及可能的低 成本。但是光纖光柵最顯著的特點之一，是光桃能夠提供 達到理想間隔特彳生gM . —、之弹11。该先柵的許多物理參數是可以 改變，包括降低的折射率變化、長度、變跡、週期線性調 頻、先柵間隔傾斜，以及該光栅於一所需的波長是否支援 搞合成為共同傳遞（長週期或穿透性光⑷，或㈣_ 布雷格光柵）。藉由改變這些參數，可以將光拇修 特定應用。 -軸内光柵的可變性’大部分由兩個因素決定：該光栅 結構的總長度’以及該光柵本身的反射性（或穿透性）分佈情 況。複雜的反射性分佈’可以小心地控制沿著波導長度方 向X的折㈣«來完成’該折射率變動η(χ)可由—相位和 振幅調變的週期函數來表現其特徵·· aiix) = αιύ{χ) < Α[χ) -f ni{x) · cos 2π Λ ⑴ 其中^ο是於-餘週期的平均空間“直流，，折射^ 化，Α⑺是-偏移量（通常A=1)，m(x)是該折射率變化㈣ 紋可見度’ Λ是名義上的週期以及0(χ)是騎光柵線性铸 文。為將製造過程自動化，所以希望把此任意的折射率分 200407572

佈狀況’在一單—的步驟中寫入一波導内，也就是以該雷 射光的一單一路徑照射該波導，而且沒有實際地改變該寫 入儀器。對於光栅製造的完全彈性，必須要獨立地控制每 一個描繪5n(x)的參數。 特別地，一光柵光譜的變跡是可以沿著光栅長度方向控 制，如5nQ(x)和m(x)來完成。一有限長度連接光柵之反射光 譜中的主要尖4 ’具有均勻調變的折射率，可以相鄰波長 處一連串的旁瓣完成。降低該旁瓣的反射性，或“變跡” _ 該光栅的反射光譜’是褒置中必須高度拒絕非共振光處戶^ 需要的’變跡也改善了線性調頻光柵的散射補償特性。大 部分的此應用’料望當m(x)變化日夺，在該光拇的長度範 ?内以保持加。㈨和a⑷為常數來產生變跡，此被認為是在 單-步驟過程中只控制雷射光束是不能完成的。 沿著光柵長度改變，紫外線曝光產生的折射率調變之變 化，/導致該折射率調變的大小以及平均的感光折射率產 生變化’而該平均的折射率變化會引發該光柵共振長度所 :希望產生的有效線性調頻’也使得該光減譜的反應加 ^ 了。為減緩這些不良的現象’希望的是將該光柵“純粹 '、匕 也就疋產生非均勻調變的紫外線條紋圖樣，以 及-補償性曝光兩者自動確保沿該光纖長度方向的平 均感光折射率是常數。—些研究者已經能夠製造所需的變 ^刀佈狀況’其藉由抖動干涉圖内的波導，以便在沿該波 ¥長度的特定位置降低折射率條紋可見度，但是這歧技術 必須有複雜的機械固定器’才能使該相位光罩以及波導在 200407572 精確的位置上振動。 除了將特定的折射率變動寫人該波導以外，在光纖通訊 與分佈的感應系統中-些應用時，光樹的長度也是重要的 。例如u線性調頻光纖布雷格光柵，已經成為製造散 射補償器中吸引人優點的裝i ’高速、長距離的資料傳遞 ，特別是現存非散射偏移的光纖網路中的傳送，受限於光 纖中的色散。因為傳遞的頻寬通常是基於系統的需要而事 先决定且貝地可用於當做散射補償器，線性調頻的布蕾 格光栅之於-頻寬所呈現的散射補償效果，必須夠大足二 遮蓋典型半導體雷射的波長容忍度。已經有報告顯示，呈 有-不變的散射分佈和一廣闊頻寬之約i公尺長光栅，必須 能達到約每毫微米有1700一兆分之一秒的一時間延遲，才 ^夠補償在波長1550毫微米於⑽公里長光纖内5毫微米的 無散射偏移。 口此㊉要有-種製造較長且具有複雜絲結構之布雷 格光栅的方法存在。之前已敘述的_種方法，纟中以一紫 外線UV掃描相對於該光纖具有固定位置之—長的相位光 罩，藉由改變曝光時間或利用後續步驟處理光桃加入複雜 的結構。另一方法討論的是使用位於相對特殊設計且長相 位先罩之固定位置的光纖，其具有的複雜結構已經印入該 :罩内。然而’此兩者技術都受限於所適用相位光罩的長 度’通常是約10公分左右。 種寫入光柵的方法，已經提出將該波導相對於該光 罩㈣1而此技術有所限制’因為如果該波導相對於該 2S4 200407572 相位光罩移動得太多，該波導内折射率調變的條纹可見产 會明顯地降低，所以就無法製造比一相位光罩大許多的： 柵近來的發展已經嘗試以一紫外線光束掃描—相位光罩 ^且：用一非常精確的星電式轉換器移動該光纖時，在 :^照射步驟中將次光柵（數個^栅元件）寫人光纖，來製 化較長且複雜的光栅。為增加該光栅結構的尺寸，就可以 =光栅連續地一個接著一個，而且以高度精= 二、’外線（uv)光干涉儀來移送該光纖。該平臺 ， 疋以干涉儀的方式來確定，並且當該光_ 二' 次照射所需要的位置時 "、’' 一 次光柵間的相位，以產生_此此外可控制這些 頻。藉著約略抖動十儀/:複雜的結構，例如：線性調 跡。 杨干涉儀/光纖的相對位置，可以完成變 這種連續製造步驟因需 前僅⑽而要十分準確的定位平臺所苦，目 , 、木取一干涉儀為'編碼器。若沒有干涉儀的栌 制，這類連續製造时式有 干"儀的匕 在該光柵元件吻合連接的錯誤：、=_，也就是 由干涉儀的方式控制，旋轉線性移動平堂可 編碼器。所以，利用連續牛Γ 機械式尺度的 會因為精確平臺上可料造—域光栅的長度， 公尺長的具择一 ^ Λί1私動而限制，如果要製造比】 於制、二厂，就“的執行方式是十分驚人地昂貴。由 :=栅時必須除去光纖周圍包由 柵且很長的外露光纖要從精卩&匕3先 增加了製造的複雜性，（增加了 #私動並捲曲包裝，其 处理手續），致使自動化製造 ' /〇. 200407572 也複雜化，就似乎降低了應用光纖的優點。 =此’仍然需要一種適用於一具有複雜的反射性分佈、 非常長且軸内光波導的有效寫入技術。 【發明内容】 本&月你涉及一種製造具有所需光柵間隔Λ的一光波導 反射性光栅之方法，該方法包括提供-感光的波導之步驟 。該波導可以是—感光的光纖，而該光栅可以I連續的 斤射率又^7 4波導是以速度ν⑴相對於—具有強度之化學 '射寫入光束移動’該移動的步驟包括放置該光纖於一 旋轉平臺上。 t光束的強度是在—頻率f⑴以—時間函數來調變，其 中。在一頻率阶）以—時間函數來調變寫入光束強度 的步驟，包括改變八的步驟。 本方法可進步包括移動_線性調頻相位光罩穿過該寫 入光束的步驟，以备斗 么士么 以產生一變化週期Λ⑴的一干涉圖形，其 中 式中八/疋 < 始週期’以及藉由改變Λ來調變該寫入光 束的強度之步驟，其中 /10 ί/Λ 八、十--------· / 以維持一共振狀況。 本方法也可包括提供_寫人光束的步驟，該步驟包括提 供一具有一照射該光纖的尖峰強度!◦及寬度D之寫入光束 ”中傳迗到σ亥波導的光通量φ⑷以下列方程式決定 -11 - 200407572

其中A疋一偏移量，以及m是條紋可見度。 该變化週期的干涉圖可利用一調整式的干涉儀產生，而 κ折射率受動可以是沿著該光柵長度方向有一變化的週期 性。 一較長的相位連續布雷格光柵，可利用上述的方法製造 。一些具體實施例中，該光柵可以是線性調頻的，此光擁 的/、肢κ ^例有至少2 · 5公尺的長度，或甚至比4公尺長。 光學元件中，例如：一光散射補償器、一寬頻光產生器 、陕速空間測量分析器，以及一感應器，都可以將此敘 述的光栅包括在内製造。 【實施方式】 圖1顯示的是一光纖ίο，其具有長度L的光柵2〇〇該光纖 1〇通常包含碎，雖然、本技藝中熟知的其他具體實施例可包 含塑膠化合物。該光纖10包括一核心部分12，以及一或多 個包圍部分14。該光柵20是在該光纖中核心12和/或一或多 個包圍部分14處，-料的週期性、非週期性、或虛擬週 期性變化。如圖i顯示的對應圖，該光栅2〇由光纖1〇的折射 率變化所組成。 共同所有的美國專利號6,404,956標題為“光學媒介中長 且連續的相位布雷格反射器”以及美國專利號5,91、2,999標 題為“-種製造在軸内任何長度的光波導折射率光棚之方 法”兩者，在此以引述方式併入本文，其敎述一種製造實 -12- 200407572 質上任何長度的光纖布雷格光柵（FBGs)之方法。 本方法中’一光纖是以速度v移動通過一固定的干涉儀， 並穿過該干涉儀所傳遞強度1〇的一雷射光束，其在徑向頻率 ω以一時間函數來調變振幅。如果該光束的直徑D是比該干 涉圖的週期2 Λ大很多，那麼傳送到該光纖核心之每單位面 積的能量就可以表示為 Φ(χ) /〇 DΤ 7 Ο sine cos L U 一 v J」 L v U vjj 0) 從了解製程的角度進一步地研究方程式（1)，顯示式; 圓括弧内的第二項（事實上是兩項）包括一調整的參數： •士 · Λ 而且如果 其中〒2 7Γ f那麼 Φ(χ) ^1± - fl-1 ΓΛ …d 、5 l1 τ cos (2) 這顯示製造一任何長度之線性調頻FBG的能力’藉由 微調整偏離該光振幅調變的頻率，或是改變該光纖的速 。當改變該光調變的頻率或該光纖的速度時，⑴式中正 函數的δ亥调整參數將合你烫鬥私涵 双肝θ仗芩開始增加，並且使得餘弦函 空間調變的振幅減少。如果該調變頻率或光纖的速度降 太多，而偏離共振狀況，就毫無發生調變後的結果。 此振幅的降低效果是與該雷射光束的直徑成正比，可上 將該雷射光聚焦使得制；止官、士 g ^ 一、、使仵見波長的線性調頻成為可能，g 可以用直徑約小於1 〇〇微米的亦 攸木的先束寫一個4毫微米的線性郭 200407572 頻 fbg〇 光學通訊網路中所需的散射補償器，應該包含鎮離子 摻雜光纖的光學放大器之全部範圍，要比4〇毫微米大。利 用上述的方法，一個40毫微米的線性調頻可以直徑約小於 10微米的雷射光寫入-單一的FBG，而能保持⑴式中正弦 函數的角度小於7Γ。 然而，儘管將寫入光束聚焦至—小直徑，能夠製造寬的 線性調頻：但是該FBG折射率調變的可見度，仍舊合 栅的頻寬範圍變化，同時其反射分佈Μ如此。這:的變-_ 化可能導致訊息喪失而不同於波長頻道間，產生系统管理 :問題。因為該折射率變動對於所傳遞的紫外線（υν)幸昌射 量是非線性的比例’在該光纖的範圍可以應用較大的紫外 線輻射’以飽和該光纖的感光型來產生一似均句的折射率 可見度於-寬廣的波長範圍。但該光纖曝露在過量程产的 紫外線幸畐射，會增加光學損失以及外圍模組_合= 置的可用性變差了。 此外’緊密的聚焦雷射光束很難掌握，並需要十 的對準步驟。這是產生沿其長度方向具 見度之寬頻FBGs必須要的。 、4目^置條紋可 本發明的方法中’該干涉圖的週期是隨著—時間函數 化，而且該光調變的頻率同時變化如下 忐-八⑴ 如此一來⑴式中正弦函數的角度仍將保持等於零。 當一線性調頻的相位光罩移動穿過嗲 馬入光束，產生一 200407572

變化週期的干涉圖時 八⑴=Λ + ν ώ 其中Λs是其起始週期，那麼該光束強度會被調變於 dt 以維持該共振狀況。

圖2繪製顯示使用本發明寫入方法的一折射率寫入組件 100。該折〜射率寫入組件100包括一光源130產生一光束m ’一干涉圖樣產生器丨40，一調變器150，以及一光纖支^ 組件160用來握住光纖11〇。該折射率寫入組件可以同時放 置亚移動一個以上的波導。該光纖丨1〇中一區域的矽玻璃内 ，可加入鍺或其他感光型摻雜質，使得光纖中該區域的折 射率曝露在化學線輻射下易於改變，而且通常是增大。市 售的感光型光纖，例如：c〇rning® SMF_28TM cpc6(康寧公 司於紐約升丨康寧）可適用。如本技藝中的技術人員能夠理解 ，本發明的方法不僅可以用來修改光纖的折射率，也可以 改變其他的波導的折射率，例如：平面形的波導。 該光源130是化學線輻射的源頭，例如：一紫外線雷射裝 或X光輻射。言亥光源的選取是能夠傳遞一光束，其具有足夠 的強度“及一足夠狹窄的直徑’才能寫入需要的光柵。本 技藝中所知其他的光源，可依照所使用光纖的型態以及所 需的光栅圖樣而決定。該光源13()產生—光束132，具有一 尖峰強度IG與一直徑D。 該干涉圖樣產生器14〇產生一 週期Λ的強度分佈，其位於 -15 - 200407572 該光纖11 0與該光源1 3 0之間。該強度分佈的週期通常是與 需要的光柵間隔配合，一強度分佈為一空間中變化且重複 的光強度圖樣，其可以是週期性或近似週期性，例如：一 干涉圖。該干涉圖樣產生器140是週期為2Λ的一相位光罩 ，例如·週期 1.078 微米的一 Lasirus ΡΜ-248-1 078 25.4(Lasirus公司，Saint-Laurent魁北克加拿大），產生週期 〇·539微米的一干涉圖。該干涉圖可以其他方法產生，如一 干涉儀。或者就像本技藝中技術人員所理解，用來製造二 光栅之化學線輻射的該週期性（或近似週期性）的強度分^ ’不-定需要從架構一干涉儀而得到，例如：利用振幅光 罩的一影像減縮系統也可以用來產生該強度分佈。 圖3顯示緣製調變器15〇的電子訊號控制之一具體實施例 。凋變器150的該電子訊號控制，包括一振幅調變功能m 、—頻率調變功能154 ’以及—直流抵消項156。各種的調 變器可以使用’例如：一聲光調變器(如Action公司 ASM-HSU^，於Be丨丨卿〇時利諾州）。該調變器…在一 以振幅調變該光束132。此外如圖3顯示，控制該調 ^的電子控制訊號可以_功能產生器使之成形，例如： 史丹佛研究系統職345(史丹佛研Μ統於-π加州） 性==亥光纖長度方向修改該折射率變動分佈，以產生線 周頻和變跡於-完成的光柵中。 以纖m相對於該強度分佈以一速度v⑴移動，並且可 以;:上的波導同時移動穿過該週期性的強度分佈。 日卞間函數與-相位光罩來調變振幅的—雷射光束， *16- 200407572 疋用來產生任何需要長度BGs 以-精準的速度V⑴移動，通過一固=二_110 傳遞以-徑向頻率=， 疋的相位光罩140,其 ,^ , fit) 1 ω疋· f)振幅調變的該雷射光束13 2 隨著該寫入組件以及所需要的分佈，f⑴與 =可：是”的函數，或者其中之-或兩者是常數。 二;;數疋規範在對於由不穩定或錯誤引起的光纖光 柵間m⑽之可接受的參數内，如下的解釋。 二亥光纖U0相對於該強度分佈的移動，是精密地 :械所控制。該光纖是固定在該光纖支#組件⑽上厂 :為—非常精準速度控制的移動平臺，可以是-旋轉的或 平臺。一變化具體實施例中，如圖4顯示-連續長度 的光纖是繞在一捲軸170上，而且當該捲軸旋轉時，追縱該 寫入光束的位置以保持在該光纖上。該平臺或該捲軸的移 動為耦合’使得該調變器能夠同時動作恶“。而另一變 八體κ轭例中，s亥傳輸機械可以控制該光源13 〇以及該干 涉儀產生器140的動作。 為製造-個比精密移動平臺傳送範圍還要長的光拇，可 以在一網狀驅動系統中移動該光纖穿過該干涉儀，將該光 纖放置在V型凹槽、或是精密的V型凹槽滑輪内，類似圖2 所顯不那些用於光纖支撐組件16〇，以保持具有該干涉圖樣 之光纖的精確對準位置。因為本發明的方法必須要控制速 度，如同對照於精確的定位，該光纖是可以捲成軸1 7〇，如 圖4顯示該捲軸170旋轉，以移動一連續長度的光纖π〕，於 一經由一調變的雷射光束174從一相位遮照所產生之干涉 -17 - 200407572 旋轉m軸m是—軸對n统的—部分，這些捲轴的 路心& 一主轴馬達得以完成，其為簡單的相位鎖定迴 提供精確的軸緣速度。如圖4所， 精由與该捲軸17〇同步旋棘 持在該光纖172上。”捲:：直多動，使得該光束174保 田5亥捲軸轉動時，例如：可以使用一兩 172光上、Μ寫入光束m的位置，以確定其保持在該光纖 本，明之一變化具體實施例中，沒有鍍膜的光纖可以附 忠、〆"車上並且包裝帶有光柵的捲軸，這樣就可降低 光纖的處理過程。 一 圖5疋根據本發明製造實質上軸内任何長度光波導折射 。光柵之方法的流程圖。該方法中提供化學線輻射的一寫 入光束，如果該光束是小於所需的光柵 :涉圖樣產生器；否則以該寫入光束產生„週期為= W生強度分佈。本方法中也提供—感光波導，並放置於穿 越孩寫入光束的路徑上。之後將該波導以速度v⑴相對於該 …光束私動，而δ亥寫入光束的強度在一頻率f(t)是以一時 間函數調變，其中皆八。如果需要的是變跡之光柵，就 可以變化該寫入光束的強度，以進一步控制該折射率變動 的外圍。 本發明之方法提供寫人軸内光波導折射率的光栅之能力 而邊光柵貧質上是任何長度，並有複雜的折射率分佈。 曰如本技藝中的技術人員可以理解，本說明文件中揭示的發 明方法’可以適用於修改不只是光纖、還有平面形波導的 -18- 200407572

折射率。 本技藝的技術人員會發現’有幾種方式可產生週期變化 的干涉圖’例如··線性調頻相位光罩、或可調變的干涉儀 。雖然本發明是以參考範例性的較佳具體實施例來敘述， 但本發明也可以其他特定方式實施，而沒有偏離本發明的 I巳圍。尤其應該了解的是，此處描述以及呈現的具體實施 例僅為範例’不應該被視為本發明的範圍限制，而其他的 變化以及修改均可根據本發明的範圍得以完成。 一 【圖式簡單說明】 " 圖1是一光纖布雷格光柵之一簡化繪製代表圖，其光柵包 括一可能的折射率分佈。 圖2是一軸内的光波導折射率寫入組件之一簡化繪製代 表圖，其根據本發明寫入光纖光栅。 圖3疋：折射率外圍調變的軸内光波導折射率寫入組件 之一簡a化繪製代表圖，其根據本發明寫人光纖光柵。 圖4是本發明—具體實施例之一簡化代表圖，其中該光纖 是以一轉軸拉住。 圖5疋本發明方法的一具體實施例之流程圖。 【圖式代表符號說明】 10 光纖 12 核心 14 包圍部分 2〇 光柵 100折射率寫入光束 -19- 200407572 110 光纖的一區域 130 光源 132 光束 140 干涉圖樣產生器 150 調變器 152 振幅調變功能 154 頻率調變功能 156 直流偏移量 160 光纖支撐組件 170 捲轴 172 連續長度的光纖 174 調變的雷射光束 176 相位鎖定迴路電路主軸馬達

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Claims (1)

1. 200407572 拾、申請專利範圍： 1 ·—種製造一具有所需光柵間隔Λ的光坡遑^ 斧折射幸本4撒+ 方法，該方法包括下列步驟： 冊之 提供一感光型波導（110); 提供化學線輻射的一寫入光束（132)， 強度； 5亥寫入光束有一 將泫波導以速度V(t)相對該寫入光束移動· 於一頻率f⑴以一時間函數調變該 中，★ 先束的強度，其 m ， 於一頻率物一時間函數調變該寫入光束的強度之 步驟包括改變Λ的步驟。 2.圍第1項之方法，包括將-線性調頻的相位 移動、穿過該寫入光束的步驟，以產生一變化 t /月八⑴的一干涉圖，其中 Cit 其中As是一起始週期； 該步驟藉由改變Λ來調變該寫入光束強度，其中 V m λ dK Λ、 dt 以維持一共振狀況。 3 ·如申請專利範圍第1項之 、方法，楗供一寫入光束的步驟包 寫入光束’該寫入光束照射在光纖上的尖峰強 ^為I。且寬度為D’其中傳送到該光波導的該 由下列等式決定： V ^ D Φ(.\·) -.{Au COS 川(x> 200407572 其中A疋一偏移量，㈤是條紋可見度。 4·如申請專利範圍第1項之方法，其中該變化週期的干涉圖 是利用一可調整的干涉儀產生。 5· 一種根據中料利範圍第1項之方法所製造長的相位連 續布雷格光拇。 6·如申請專利範圍第5項之光柵，該光柵的長度為至少2 5 公尺。 7.如申明專利範圍第5項之光栅，其中該光拇的長度為一至 少4公尺。 8·如申請專利範圍第5項之光栅，其中該光栅是一連續相位 的布雷格光拇。 9·如申請專利範圍第5項之光才冊，其中該》皮導是一感光型光 纖，而且該光栅是一連續的折射率變動。 10•如申請專利範圍第5項之光拇，其中該折射率變動在沿著 該光柵長度的方向上有一變化的週期性。 11 ·如申5月專利|巳圍第5項之光柵，其中該移動的步"驟包括將 該波導放置在一轉動的平臺上。 12.如申明專利範圍第5項之光柵，其中該光柵是線性調頻的。 13· —種光學散射補償器，其包括如申請專利範圍第$項之光 柵。 14. -種寬頻光產生器’其包括如中請專利範圍第5項之光拇。 15. —種快速光譜測量分析器，其包括如申請專利範圍第5項 之光栅。 1 6. —種感應器，其包括如申請專利範圍第5項之光栅。 -2-