TW436667B - Exposure method to fabricate fiber bragg grating of low side lobes by using uniform phase mask - Google Patents

Description

436667 五、發明說明（1) 【發明之應用領域】 本發明係關於一種製造光纖光柵的方法，特別是關於 一種以均一性相位光罩來製造低雜訊光纖光柵的方法。 【發明背景】 光纖光栅（Fiber Bragg Grating，FBG)的製作發展 至今已逾二十年’由剛開始的雙光子吸收的駐波現象，到 後來的干涉曝照法，以至現在最普遍的使用相位光罩的方 式，其製造技術愈來愈成熟，而且也已經實際被應用在光 纖通訊網路的被動元件上。光纖光柵由於直接在光纖核心 (core )中成形週期性的折射率變化，它的週期數一般皆 超過一萬次週期以上’因此光纖光柵具有極低的插入損失 (insertion loss)，且頻寬極窄，反射率高，實為一理 想的反射式濾波器。目前在光纖通訊上，除了被當作波長 多工濾波器外’尚可被使用在半導體雷射穩頻、光放大^ 增益平坦化，以及感測器等領域。 光纖光柵一般來說’是以感光性之光纖來曝製。例 如’在光纖的核心摻有一部份的錯（Germanium)，其中 的鍺-氧鍵吸收帶在240ηπι附近。當這個鍵結被破壞時’在 延伸至紅外光的波長的折射率也會有微量的增加。若是用 240im波長附近的紫外光（UV )產生干涉條紋，再將此&條 紋曝照在裸光纖上，則在光纖核心的折射率變化量將外' 纖縱向呈正弦分佈’這種分佈形成了相位式光柵。它二、“ 期（period ) d將能滿足布拉格條件式2neff d =入的波長週 反射回去。其中neff為經該紫外光曝照後的光纖光柵的有

第4頁 4 3 6667 五、發明說明（2) - 效折射率。 現今製造光纖光栅的單位或廠商，大多是以使用相位 光罩（Phase mask)為主，這是因為uv光源一般同調長度 (coherence length)很短，利用近場干涉（near field interferece)的方法，可獲得較佳的干涉效果。習知 上，使用相位光罩來曝製光纖光柵的方法，大致如「第工 圖」所示。將一相位光罩1貼近一感光性光纖2，以一訐光 束3照射該相位光幻，該訂光3通過該相位光幻產生繞射 現象’ A能集中在正負一階的兩繞射光4、5，該兩繞射光 、5在該相位光罩丨附近干涉一小段距離後隨即分離。其 干涉條紋6印寫（writing)在該感光性光纖2上，即產生 -光纖光柵。由於該干涉條紋6的間距恰為該相位光罩旧 一： ’/要控制該相位光草1的週期，以及該感光性 且折射率’就能計算出該光纖光柵所能濾出的 不目對應波長a 制此，以均一性相位光罩（unif〇rm phase财以）來 ’乍雜訊光纖光柵’一般以強度分佈近似高斯光束 光ieam)的紫外光雷射光束做為曝照光束，使 的折射率改變（index modulati〇n)愈向兩端愈 處的雜訊Γ Γ缺而士低反射頻譜在長波長 de iobes)。然而，由於高斯光束在中心的 大，兩旁的光強度小，造成光纖光柵在中心的平均 二$它支5立胡:見f農小。所以產生的光纖 -〜一...............................對應波長...在....中心一毯A两在兩旁較短，使

第5頁 五、發明說明（3) 得反射頻譜在短波長處有殘餘的雜訊（Side lobes)存 在。然而，在高密度波長多工系統中（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM) ’做為取出訊號之用的 光纖光柵濾波器，其光纖光柵之反射頻譜必須儘量接近一 方形波’以減少和相臨波長訊號的串話（cross talk)。 為了消除該短波長處的雜訊，必須設法使整個光纖光 栅的平均折射率接近為一常數，如果使用平面波來曝照， 則需額外使用兩個強度型濾光片（amplitude filter), 這兩個濾光片互為反向強度分佈。由於高強度的紫外光濾 光片價格昂貴’且在對光時各有5至6個平移或旋轉的量要 調整’這將增加製造的成本及對光的複雜性。 因此，本發明為解決上述問題而提出一種操作簡易且 成本較低的方法’以製造低雜訊光纖光柵。 【發明之目的及概述】 本發明的主要目的即為提供一種製造低雜訊光纖光柵 的曝照方法，以降低製造成本與製程之複雜性。 根據上述目的，本發明之曝照方法，在使用一近似高 斯強度分佈的曝照光束對一均—性相位光罩進行曝照，而 形成一光纖光柵後，再進行至少一次的後曝照（p〇st exposure)，作為背景補償光，以降低該光纖光柵之雜 訊。 本發明之特徵之-，在進行後曝照時，僅將原來的相 位光罩後移適當距離，利用正負一階之繞射光束對光纖光 栅進行背景補償光的曝照，製程簡單，成本較低。 Η

第6頁 4 3 6 6 6 7 五、發明說明⑷ 為達上述目的，本發明之曝照方法包含下列步驟：將 一均一性相位光罩貼近一感光性光纖，並以一曝照光束， 例如’可為一高斯光束，曝照於該相位光罩，以在該感光 性光纖形成一光纖光柵；以及，對該光纖光柵進行後曝 照’將該相位光罩後移至距該光纖光柵一適當距離，並以 該曝照光束曝照射於該相位光罩，使該曝照光束經由該相 位光柵之繞射後，產生正負一階之兩繞射光束，照射該光 纖光柵’作為背景補償光。 上述後曝照的步驟中，該兩繞射光束的中心，較佳 上，分別照射於該光纖光柵之兩端的位置，可得到較佳的 背景光分佈。 ^ 上述後曝照的步驟可為一次以上，將該相位光罩調整 至不同距離的位置’重覆進行後曝照的動作，並且亦可包 含以一光圈調整該曝照光束範圍的步驟，以使後曝照之g 景補償光之強度分佈更趨於理想。 為使對本發明的目的、構造特徵及其功能有進一步的 了解，茲配合圖示詳細說明如下： 、 【實施例詳細說明】 本發明所揭露的製造低雜訊光纖光栅的曝照方法，使 用一均一性相位光罩以及—曝照光束，例如，紫外光高斯 電射光束，來製造低雜訊、高反射率之光纖光柵。在^下 來的本發明之較佳實施例中，一感光性光纖，在經過高斯 光束的第一次曝照後’在該感光性光纖的核心產生一 S 光柵。為了降低該光纖光柵的反射頻譜在短波長處的雜v

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五、發明說明（5) 訊，本發明接下來對該光纖光柵進行後曝照的步驟，以做 為該光纖光柵的背景光補償’使整條光纖光柵的平均折射 率為一常數’如此即可有效降低前述短波長處的雜訊。 凊參照「第2〜3圖」為本發明之一較佳較實施例流程 圖。 如「第2圖」所示，進行第一次曝照，將一均一性相 位光罩11，貼近一感光性光纖12，在不磨損該相位光罩u 表面的情況下，可儘量貼近。然後，以一紫外光曝照光束 1 3，通過一光圈1 4及一柱狀透鏡1 5後，曝照於該相位光罩 11。前述之曝照光束1 3，例如’為波長又=248nm的紫外光 雷射光束’其強度近似南斯強度分佈，且在此第一次的曝 照中，該曝照光束13使用300 0 laser shots。而前述均一 性相位光罩11的週期（p e r i 〇 d )，例如，為d = 1. 0 7 y m。 在經過適當時間的曝照’該曝照光束1 3經過該相位光罩j】 後’產生的干涉條紋印寫（writing/photoimprinting) 在該感光性光纖1 2的核心’於是可在該感光性光纖1 2上得 到一光纖光栅20，其中，該光纖光柵20的長度L，在本實 施例中為1 2mm。 接著如「第3圖」所示，進行第一次後曝照。調整該 光圏1 4的孔徑，使其約等於該光纖光柵2 0的長度（1 2 mm )。將該相位光罩11後移至一第一後曝照位置，該第一後 曝照位置距該光纖光柵20 —第一距離h! ，約為25mm。然 後’使用4500 laser shots的該曝照光束13曝照該相位 光罩11，使該曝照光束1 3經由該相位光栅11之繞射後，產

4 3 66 6 五、發明說明（6) 生正負一階之兩繞射光束131、132，而該兩繞射光束 1 31、1 32的中心分別照射該光纖光柵2〇之兩端位置，作為 第一次背景補償光。該第一次背景補償光的辞度分佈31， 較佳上，被控制為前述第一次曝照時干涉光的反向分佈。 前述之第一距離h ’較佳上，可由下列公式求得： hj= (L/2) ^ cot Θ d s i η θ = λ 其中，d為該相位光罩之週期，λ為該曝照光束之波長， L為該光纖光柵之長度，㊀則為該正負一階兩繞射光束與 相位光罩法線之夾角。 接著’為了使背景光的補償效果更加的理想，使整條 該光纖光柵20的平均折射率更趨於常數，可如「第4圖」 所示，進行第二次後曝照。 調整該光圈14的孔徑’使其約等於該光纖光柵2〇長度 的一半（6mm )。將該相位光罩^丨推近至距離該光纖光柵 2 〇 —第二距離hz的第二後曝照位置，其中&約為丨7mm。使 用3 0 0 0 laser shots的該曝照光束13曝照於該相位光罩 11，使該曝照光束1 3經由該相位光罩丨丨之繞射後，產生正 負一階之兩繞射光束133、134，分別照射該光纖光柵2〇左 右兩半段之靠近中間位置’作為第二次背景補償光。該第 二次背景補償光的強度分佈32，係安排用以補充前述第一 次後曝照時，第一次背景補償之不足，使整條該光纖光柵 20在經過兩次後曝照後，平均折射率趨近一常數。 「第5Α〜5C圖」為本較佳實例中，照射於該光纖光栅

4 3 6 7 五、發明說明（7) 的各次曝照光強度分佈示意圖。 如「第5 A圖」所示，在經該第一次曝照的過程後’於 該光纖光栅上的第一次曝照光強度分佈30，中間最強而兩 旁則逐漸趨於零，呈覌近似高斯曲線分佈。而在第一次後 曝照後，照射於該光纖光柵的該第一次背景補償光強度分 佈31，近似於該第一次曝照光強度分佈3 0的反向分佈’在 兩旁最強而在中間最弱。 在「第5B圖」中顯示，該第一次曝照光與第一次背景 補償光強度分佈之和33，已大致趨向於一常數。然後再經 過前述第二次後曝照，其中，照射在該光纖光柵上的第二 次背景光強度分佈3 2，用以修正第一次後曝照之不足《最 後如「第5C圖」所示，曝照於光纖光柵之光強度總合34趨 近於一常數’於是使整條光纖光柵的折射率更趨近一常 數。 「第6圖」為本發明之曝照方法所曝製出的光纖光柵 之反射頻譜，以及習知的僅以高斯光束及均一性相位光罩 (Gaussian Apodization)直接曝製出的光纖光柵之反射 頻譜對照圖。由圖中可知’本發明之方法所曝製出的光纖 光栅反射頻譜41，在短波長處的雜訊比該高斯光束直接曝 製（Gaussian Apodization)的光纖光柵反射頻譜42降低 20 dB 。 — 雎然本發明以上述實施例作為說明，但其僅為本發明 之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明的實施範圍， 習知此技藝者在不脫離本發明之精神下，當可做適當之修

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43 66 F 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1圖為一種習知的製作光纖光柵的方法示意圖β 第2圖為本發明之較佳實施例中，一均一性相华光罩貼近 於一感光性光纖並以一高斯光束曝照於該相位光 罩’以形成一高反射率之光纖光栅。 第3圖為本發明之較佳實施例中，相位光罩後移至距該光 纖光栅一適當距離之第一後曝照位置，做第一次後 曝照，進行背景光補償。 第4圖為本發明之較佳實施例中，在第一次後曝照後，將 相位光罩前移至距該光纖光柵另一適當距離之第二 後曝照位置，做第二次後曝照，以使背景光的補償 能更趨於理想。 第5Α圖為第一次曝照於光纖光柵上之光強度分佈，以及第 一次後曝照之背景補償光之強度分佈。 第5 Β圖為第一次.曝照夂光與第一次後曝照之背景補償光強 度分佈之和，'以及第二次後曝照之背景補償光強度 之分佈。 第5C圖為第一次曝照之光、第一次後曝照及第二次後曝照 之背景補償光強度分佈之總和。 第6圖為本發明之方法所曝製出的光纖光柵之反射頻譜， 以及習知的一種僅以高斯光束曝照均一性相位光罩 (Gaussian Apodization)直接曝製出的光纖光柵 之反射頻譜對照圖。 【圖式符號說明】

第12頁 436667 圖式簡單說明 1 相位光罩 2 感光性光纖 3 紫外光 4 繞射光 5 繞射光 6 干涉條紋 7 核心 11 相位光罩 12 感光性光纖 13 曝照光束 14 光圈 15 柱狀透鏡 20 光纖光柵 30 第一次曝照光強度分佈 31 第一次背景補償光強度分佈 32 第二次背景補償光強度分佈 33 第一次曝照光與第一次背景補償光強度分佈之和 3 4 光強度總合 41 反射頻譜 42 反射頻譜 1 31繞射光束 1 3 2繞射光束 1 3 3繞射光束 134繞射光束

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Claims (1)

1. 436667 夂、申請專利範圍 1 * ~種使用一均一性相位光罩在一感光性光纖形成低雜訊 光纖光柵的曝照方法，至少包含下列步驟： 將一均一性相位光罩貼近一感光性光纖’並以一高斯 光束曝照於該均一性相位光罩，以在該感光性光纖 形成一光纖光栅； 將該均一性相位光罩後移至一後曝照位置；以及 以該高斯光束曝照於該均一性相位光罩，藉以產生正 負一階之兩繞射光束，照射該光纖光柵，作為背景 補償光。 2·如申請專利範圍第1項所述之使用一均一性相位光罩在 感光性光纖形成低雜訊光纖光柵的曝照方法，其中該 兩繞射光束中心分別照射於該光纖光柵之兩端的位置二 1如申請專利範圍第1項所述之使用一均一性相位光罩在 —感光性光纖形成低雜訊光纖光柵的曝照方法，其中該 高斯光束為一紫外光束》 4. 如申請專利範圍第丨項所述之使用—均一性相位光罩在 一感光性光纖形成低雜訊光纖光柵的曝照方法，其中該 高斯光束為一雷射光束。 、W 5. 如申請專利範圍第丨項所述之一種使用一均一性相位光 軍在—感光性光纖形成低雜訊光纖光柵的曝照方法，其 中將該均一性相位光罩後移至一後曝照位置的步驟中，、 該後曝照位置與該光纖光柵的距離為h， h= (L/2) * c〇t0，其中，L·為該光纖光柵之長度，㊀ 則為該正負一階兩繞射光束與該均—性相位光罩法線之

   第14頁 436667 六、申請專利範圍 夾角。

   6，一種使用一均一性相位光罩在一感光性光纖形成低雜訊 光纖光栅的曝照方法，至少包含下列步驟： 將一均一性相位光罩貼近一感光性光纖’並以—高斯 光束通過一光圈曝照於該均一性相位光罩，以在該 感光性光纖形成一光纖光樹； 將該均一性相位光罩後移至一後曝照位置； 調整該光圈的孔徑，使其約等於該光纖光柵的長度； 以及 以該高斯光束曝照於該均一性相位光罩，藉以產生正 負一階之兩繞射光束，照射該光纖光柵’作為背景 補償光。 7. 如申請專利範圍第6項所述之使用一均一性相位光罩在 一感光性光纖形成低雜訊光纖光柵的曝照方法，其中該 兩繞射光束中心分別照射於該光纖光柵之兩端的位置。 8. 如申請專利範圍第6項所述之使用一均一性相位光罩在 一感光性光纖形成低雜訊光纖光柵的曝照方法，其中該 高斯光束為一紫外光束。 9·如申請專利範圍第6項所述之使用一均一性相位光罩在 一感光性光纖形成低雜訊光纖光拇的曝照方法’其中該 高斯光束為一雷射光束。 1 〇.如申請專利範圍第6項所述之使用一均一性相位光罩在 一感光性光纖形成低雜訊光纖光拇的曝照方法’其中將 該均一性相位光罩後移裘/後曝照位置的步驟中，該後

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   曝照位置與該光纖光栅的距離為h， h= (L/2) * cot θ，其中，L為該光纖光柵之長度，㊀ ，為該正負一階兩繞射光束與該均—性相位光罩法線之 11 一種使用一均一性相位光罩在一感光性光纖光柵形成 低雜訊光纖光柵的曝照方法，至少包含下列步驟 將一均一性相位光罩貼近一感光性光纖，並以一高斯 光束通過一光圈，曝照於該均一性相位光罩，以在 該感光性光纖形成一光纖光柵；

   調整該光圈的孔徑’使其約等於該光纖光拇的長度； 將該均一性相位光罩後移至一第一後曝照位罝； 以該高斯光束曝照於該均一性相位光罩，藉以產生正 負一階之兩繞射光束，該繞射光束的中心分別照射 該光纖光栅之兩端位置，作為第一次背哥 調整該光圈的孔徑，使其約等於該光纖2 = ;: 半；

   將該均一性相位光罩調整至一第二後曝照位置；以及 以該高斯光束曝照於該均一性相位光罩，藉以產生正 負一階之兩繞射光束，分別照射該光纖、光栅左右兩 半段之靠近中間位置，作為第二次背景補償光β 如申請專利範圍第11項所述之曝照方法，其中該高斯 光束為一紫外光束。 1 3·如申請專利範圍第11項所述之使用一均一性相位光罩 在一感光性光纖光栅形成低雜訊光纖光栅的曝照方法，

   、4 3 66 ί' · 六'申锖專利範圍 一 其中該光束為一雷射光束。 14. 如申請專利範圍第丨丨項所述之使用一均一性相位务罩 在一感光性光纖光栅形成低雜訊光纖光栅的曝照方法’ 其中將該均一性相位光罩後移至一第一後曝照位置的步 驟中’該第一後曝照位置與該光纖光柵的距離為h， h= (L/2) * cot Θ，其中，L為該光纖光柵之長度，Θ 則為該正負一階兩繞射光束與該均一性相位光罩法線之 夾角。 15. —種使用一均一性相位光罩及高斯光束在一感光性光 纖形成低雜訊光纖光栅的曝照方法，其特徵在於，在對 貼近該感光性光纖的該均一性相位光罩進行曝照形成一 光纖光柵後，將該均一性相位光罩後移至一後曝照位 置，利用該高斯光束曝照於該均一性相位光罩所產生的 正負一階之兩繞射光束，照射該光織光柵作為背景補償 光。 '

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