TW448322B - Method and apparatus for trimming the optical path length of optical fiber components - Google Patents

Description

4483 2 2 A7 _________B7 五、發明説明（ί ) 發明領域： 本發明係關於光纖元件修整以及特別是關於一種達成 纖維元件光學路徑長度修整之方法及裝置。 發明背景： 光纖為主裝置廣泛地使用作為光纖通訊之元件，其由 於相當低插入損耗以及低價格。主要光纖组件為光纖Bragg 光柵(FBG)，其通常藉由紫外線波長能量照射製造出。一旦 FBG裝置於基板以及進行退火，其不再為光敏性及無法更進 一步加以調整。即，必需經驗地預測出該會導致顯著誤差 光柵以及無法在規格範圍内光柵之最終頻率。由於連接處 理過程及退火所導致波長偏移之不確定性，包裝光纖Bragg 光栅中央波長通常偏離所需要中央波長之誤差為± 2〇微微 米（picometer)。高達± 50微微米分散回授雷射波長偏移 與高達± 20微微米殘餘溫度偏差之合併波長誤差對50GHz 光纖Bragg光柵設計產生高度嚴格之規範。 經濟部中央標率局員工消费合作社印製 所加入之光纖馬赫倫德爾干涉儀亦為波長選擇性的以 及使用於各種通訊裝置中，例如為光學切換器，濾波器，波 長區分多工器，解多工器，以及加入/耦出濾波器。在馬赫 倫德爾裝置中，光學性能嚴格地決定於在兩條干涉支臂間 之相位差值及/或光學路徑。相位修整已被嘗試使用紫外 線照射光纖，該光纖必需為光敏性以及在紫外線照射後進 行退火，修整過程無法更進一步作控制。除此，使用紫外線 照射進行修整之最大值受限於一些波長，其由於紫外線照 射所導致相當小折射率變化所致。在一些應用中，該修整 本紙張尺度適用中固S家標準（CNS ) Μ現格（21〇χ 297公竣） 448322 A7 B7 五、發明説明（>) 過程足以達成必需光學路徑長度之變化。 具有光學路徑長度之光敏性光纖為主裝置，不但受到 先前技術嚴重限制所調整之範圍，以及調整之精確性。存 在一種需求在相當寬廣波長頻帶内調整光學裝置之系統。 發明大要： 本發明裝置及方法藉由在承受張力情況下精確地對相 鄰於光柵小範圍光纖精確地加熱達成光纖光學裝置之調整 。藉由間歇地提供受控制之熱量供應源，該光栅光學長度 能夠在200微微米調整範圍内精確地控制為1微微米範圍内 之精確度。 在具有摻雜劑擴散之光纖中，光纖長度能夠藉由熱擴散 修整為具有奈米之精確度，其直接地影響光纖之折射率，因 而有效地改變光學路徑長度。 經濟部中央標準两員工消費合作社印製 在任何一個實施例中，即時調整能夠藉由在裝置輸入 處加入寬廣頻帶光能供應源以及在其輸出處耦合至頻譜分 析儀以監測光學裝置之中央頻率，其在使用施加於光纖之 受控制局部能量之光源過程中進行修整。在本發明優先實 施例中，光源.由雷射以及特別是c〇2雷射所構成，其具有狹 窄光束，其相當於所使用裝置中光纖之直徑。由雷射所發 出能量以脈沖導引至光學裝置之小範圍内，其能夠產生精 密控制之修整處理過程。 修整光纖元件之方法係藉由導引光源發出之光線至元 件一個區段上以對該區段加熱，耦合寬廣頻帶訊號光源至 元件輸入端，耦合光學分析儀至元件輸出端，以及在元件之 本紙伕疋度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X 297公釐） Γ 經濟部中央標準局員工消费合作.杜印裝 44832 2 at __ B7 五、發明説明（J) 輸出處監測訊號，同時選擇性地施加光源發出之光線至元 件以達成預先決定之修整效果。 本發明其他特性以及優點將揭示於下列詳細說明中， 熟知此技術者將由該說明而了解或藉由實施下列詳細說明 以及申睛專利範圍以及附圖而明瞭。 人們了解先前一般說明只作為本發明之範例以及在於 提供作為了解申請專利範圍所界定出本發明之原理及特性 。附圖主要提供更進一步了解本發明以及在此加入構成本 發明說明書之一部份。附圖顯示出本發明各種特性及實施 例，以及隨同說明作為解釋本發明之原理及操作。 附圖簡單說明： 第一圖（圖1)為光纖Bragg光柵之放大示意圊，其顯示 出本發明之部份包裝。 第二圓（圖2)為顯示於圖i中光纖Bragg光栅以及實施 本發明方法所使用結構之相關光柵上視圖。 第三圖（圖3)為波前圖，其顯示出使用圖2所顯示裝置 及方法之光纖Bragg光柵修整。 第四圖（圖4)為馬赫倫德爾干涉儀示意圖，其使用作為 加入耦出光纖，其能夠依據本發明另外一個實施例進行修

整D 附圖元件數字符號說明： 光柵組件10,光纖12;光柵14;基板16;玻璃塊18, 20;輸出21;端部區域22, 24;光源30;頻譜分析儀32;雷 射40;光束42;遮罩43;光束分裂器44;可見光45;聚焦 本紙張尺度通财關家鮮（CNS ) A规格（21GX297公4 > #------1T------線 {請先W讀背面之注^I*.項再填寫本頁) ' 4483 22 Α7 Β7 經濟部中央標準局男工消費合作社印¾ 五、發明説明（卬） 透鏡46;雷射48;顯微鏡50;光學裝置60;輸入端埠61; 光纖62, 64;耦合器63;耦合器65;光栅66, 68;輸出端埠 67;輸入端埠69;輸出端埠70。 詳細說明： 參考圖1，該圖顯示出一般Bragg光栅組件10,其包含光 纖12,在其在跨越大約30公分寬度之中央區域14中加以劃 記，光柵需要加以調整為1559. 25ηηι。光纖藉由一對相隔離 玻璃塊18及20支撐於負值熱膨脹性基板例如為/3鋰霞石16 上。在玻璃塊18及20間，存在端部區域22及24橫跨過光栅 14以及每一端部區域長度約為1〇公分使得玻璃塊18及20間 之整個距離約為50公分。 光纖12在承受lOkpsi張力情況下裝置於基板16,大約 為1559. 2nm波長之光栅14使用圖案化傳統紫外線以改變光 纖12心蕊折射率。其他頻率光纖Bragg組件10能夠利用本 發明方法進行修整。光栅組件10再加以退火，其消除光纖 12之光靈敏性，以避免任何更進一步調整。因而，裝置於基 板16上確實頻率會產生顯著的變化。如圖1所示之光柵最 終包裝，其能夠精確地加以修整，其使用圖2所顯示以及目 前所說明之方法及裝置調整為精確的頻率。 在圖2中，顯示出光栅組件10之上視圊。光柵藉由對圖 2光柵端部區段22中所圈出範圍A隔離區域加熱進行修整， 假如需要情況下能夠對端部22或24任何一端進行修整。已 發現對相鄰光柵14光纖12區域加熱以改變其黏滞性，其為 投射雷射光束寬度w之函數以及間接地與區段22拉伸速 ----------iT-----IT------.^ {請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4坑格（2ΐ〇χ297公後） 7 448322 A7 _______ B7 五、發明説明（夕） 度成比例，在加熱後其依據下列公式進行拉伸^ (γ，z)= σιν/(3 v )，其中T為加熱溫度以及2為雷射光束位置。 在加熱t時間後，局部光纖拉伸△(促使光柵間距縮短) 為：Δ=σν1:/[3 ?? (Τ，z)] 因而人們發現藉由利用適當之熱量源以及照射時間控制局 部黏滯性，能夠達成約為奈米少量之拉伸。在說明所達成 特定範例結果之前，圖2裝置及方法簡單說明如下。 經濟部中夬祿隼局負工消費合作社印製 在圖2中，光柵14即時調整能夠藉由提供寬廣頻帶光源 30至光柵組件10輸入端部達成，同時光學頻譜分析儀32耦 合至光柵組件10之輸出21。因而，在調整前，光柵波長能夠 藉由觀察分析儀32發出輸出顯示決定出。假設需要調整光 柵組件14為所需要之頻率，局部加熱施加於區段22令 央，與實施例圈出範圍A所表示位置中玻璃塊18距離5毫米 。由具有一個頻率之C〇2雷射40所提供之能量對释圍A加熱 。在本發明優先實施例中使用功率穩定度土 1%/小時傳統 之COs雷射例如為SYNRAD 48-2W。由C〇2雷射40發出光東42 通過受控制之遮罩43,經由光束分裂器44到達由ZnSe所製 成具有1.5英吋焦距之聚焦透鏡46上，因而位於距離光纖 Bragg光柵上位置A 1.5英吋處。雷射光束42通過光束分裂 器44,其同軸地對準由氦氖雷射48所發出可見光45以產生 可見光之合併光束42及45使得顯微鏡50能夠放置於相鄰位 置A範圍以目視地檢視雷射光束42所導引範圍，以確定並無 灰塵顆粒或其他污染物以及精確地對準C〇2雷射於光纖範 圍A處。使用放大倍數為1〇〇倍顯微鏡以監測加熱區域a。 本紙張尺度適用中國國家標李（CNS ) A4規格（210X297公釐）

S 4483 2 2 Α7 Β7 五、發明説明（4 ) 經濟部中央櫺準局貝工消費合作杜印製 聚焦雷射光束直徑等於光學纖維之直徑，在優先實施 例中約為125微米。藉由將加熱光束42由雷射40側向地投 射，如圖2所示，不對基板16加熱，因而並不干擾光纖Bragg 光栅14之修整β對於具有玻璃塊間距離為5〇麵以及σ等於 lOpsi,雷射寬度"w"為0. 2刪之光纖Bragg光拇10修整範例， 一秒内作1. 5微微米調整需要黏滯係數為13. OdPa. s。此將 產生溫度為1200°C矽石之黏滯性，該矽石使用作為光纖。 為了達成1微微米母秒之調整速度，首先使用具有相同 張力以及連接長度之包裝光柵對雷射功率以及對焦條件進 行標定。光柵裝置於XYZ轉移载台60(顯示於圖2中）上以及 使用氦氖雷射光束45以及顯微鏡50加以定位。假如需要更 精確之對齊，垂直於第一顯微鏡方向之第二顯微鏡能夠使 用作為更加精確地對準。一旦參考光纖Bragg光柵為對準 的，載台60能夠承受其他光柵以移動至相同的最初位置。 每一被修整光柵之最終調整以及檢視能夠使用可見光雷射 光束45,顯微鏡50,以及載台60以相同方式達成。 雷射光束使用受控制電機遮罩43形成脈沖，其產生可 選擇之持續性脈沖以及頻率週期通常為1至30秒。遮罩43 為市場可供應之單元以及為了穩定性，雷射40保持為連續 性地。光柵調整目標波長能夠少量地增加地接近，如圖3所 示波前圖所顯示。因而，例如4微微米調整步驟能夠利用雷 射功率調整至〇. 660瓦以及照射時間為2_ 5秒逹成。圖3顯 示出5個連續性照射，其在光柵調整波長中呈現相當線性偏 移。在暴露於雷射光束42 10秒後波長偏移呈現穩定。照 本紙張尺度適用中酬家料（CNS ) A4^ ( 21QX297公楚） ----------^---------，訂------0 (靖先閲讀背面之注意Ϋ項再填寫本I) 4 4 8 3 2 2 a? B7 五、發明説明（7 ) 射時間為0. 5秒將產生小於1微微米波長偏移，其超過光學 頻譜分析儀32之解析度。波長偏移由下列公式顯示： λ Bragg/ λ STagg—~~/\/ 1 其中1為兩個玻璃塊18及20間之光纖長度。光柵調整以及 Bragg波長調整之大小為 ΔλΒΓίε8=-<7 w Aeragg t/[31 ??(T,z)] 其中△由上述公式1導出。 由上述能夠看出，1.5微微米調整步驟相當於光纖拉伸 50nra，以及能夠使光柵14收縮以及使頻率提高大約200微微 米。能夠使用該系統能夠對Lucent 50GHz光栅產生精確調 整作為中央波長之調整。 亦能夠使用圖2裝置以調整光學裝置，其並不在承受張 力情況下襞置，因而光纖長度並不會受到光纖釋出改變而是 受到光纖摻雜劑擴散改變。此將改變折射率以及改變光學 長度以精轉地調整如圖4所示之馬赫倫德爾干涉儀。 經濟部中央標準局貝工消资合作杜印裝 參考圖4,其顯示出馬赫倫德爾光學裝置，其構造為加 入耦出濾波器60,其能夠精確地使用本發明另外一個實施 例之方法精確地修整。馬赫倫德爾加入辆出渡波器⑽包含 第一及第二光織62及64,其融合於第一耦合器63中，以及分 別地具有形成其中光柵66及68之支線，其能夠加以調整以 與波長λ 1相匹配，其更詳細地說明於底下^光纖連續到達 第二融合麵合器65以及終止於光纖62之輸入69處以及光纖 64之輸出70疼。光纖62具有輸入端埠61,其接收利用訊號 資訊調變之8個分離波長；[1- λ 8。加入_出光纖在輸出 ( CNS ) ( 210X297^ ) (Ο Δ 4 8^2 2 A7 B7 五、發明説明（《） 經濟部t夹梯率总員工消费合作社印製 端蜂67處耦出頻率；U，錢人端埠69處加人λ丨，至輸出端 埠70之訊號λ2-λ8。 馬赫倫德爾裝置6 0以傳統方式製造出以及必需加以修 整以調整光柵66及68 ^通常馬赫倫德爾裝置例如為裝置6〇 使用如先前所說明傳統紫外線加以修整，一旦裝置進行退 火處理該照射將不發生作用，以及該退火處理影響光學路 &長度因而改變可能發生之任何修整。額外地，紫外線照 射對改變折射率以及光學裝置之光學路徑長度並不會產生 作用。因而在路徑中，通常隔離器放置於加入端埠69之前 以減小多反射之干涉。藉由使用顯示於圖2中修整裝置以 及在精確位置處以及在控制情況下施加熱量，馬赫倫德爾 裴置60之光栅66以及68能夠精確地產生相位相匹配β耦合 器63及65亦能夠加以修整以改變有效耦合長度以產生5〇/ 50之輕合器。 藉由類似於先前對圓2所說明類似方式經由雷射光束 42施加精確數量能量至相鄰於例如圖4中箭頭Β所示干涉光 柵66及68之光纖，心蕊摻雜劑朝著包層擴散,降低折射率以 及減短干涉支臂66, 68之光學路徑。施加光能於光柵66或 68之t心，其決定於需要產生光學縮短之支線以使兩個干 涉光栅相位相匹配。修整能夠即時地達成，其藉由在輸入 端埠61處提供寬廣頻帶訊號以及對耦出波長;11遽波器在 端埠70處監測之輸出以決定出並不存在能量之波長λΐ。 光能大小些微地大於先前對Gc摻雜光纖第一實施例所說明 情況，其需要由雷射40發出些微較大10至30秒之脈沖以提 --------- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ，¥

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本纸浪尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4说格< 2丨OX297公釐> II d4b A7 B7 ,0 五、發明説明（？ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印¾ 高在目標範圍B處光纖之溫度至1600°c。對於摻雜ρ·及B光 纖，約為1400°C較低溫度對光纖折射率11產生所需要之變化 以達成修整'即時修整藉由持續性地施加雷射光束42同時 觀察力析儀32輸出所需要λ 1頻率最大反射值而達成。可 加以變化，輸出67能夠在端埠67處對反射;U頻率最大值進 行監測。 除了相位相匹配干涉光柵66及68,耦合器63以及解耦 合器65能夠藉由施加雷射光能至一條或另外一條支線產生 相等分裂光能，如箭頭C及D所示，再次地促使心蕊摻雜劑材 料擴散，以降低折射率η。 相同的擴散修整技術能夠藉由調整馬赫倫德爾裝置兩 條支線間光學路徑長度不平衡相位大小達成，以及利用相 位調整以及耦合器調整能夠對串音以及光學切換最佳化以 大於40dB。 在本發明第一實施例中，光栅間隔加以縮短以藉由増 長光柵連接至玻璃塊邊緣之長度提高光柵中央頻率。在第 二實施例中，降低折射率以減小纖維光學組件之光學長度 。對於任何·-個實施例，能夠達成光纖元件之精確調整。 熟知此技術者能夠對在此所說明之本發明優先實施例 作出許多變化及改變，但是其並不會脫離本發明之精神及 範圍。 匕紙張尺度適用中國國家標‘（} A4規格< 210X297公釐） (请先玷讀背面之注意事項再填窝本頁) '裝---- •訂 線 * I -I I n

Claims (1)

114483 2 2 A8 BB CS D8 六、申請專利範圍 Μ濟部中央揉牟易負工消费合作社印5L 1. 一種修整光纖組件之方法，其包含下列步驟： 導引光源發出光線至組件區段上而對區段加熱； 耗合寬廣頻帶光源訊號至組件輸入端； 耦合光學分析器至組件輸出；以及 監測組件輸出處訊號，同時選擇性地施加由光源發出之 光線至組件以達成預先決定之修整效應。 2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中導弓丨步驟包含產生 一東光東，光束寬度等於組件光纖之尺寸。 3. 依據申請專利範圍第2項之方法，其中選擇性施加步驟包 含放置遮罩於光束光學路徑中以及打開以及閉合遮罩以產 生脈沖光束。 4. 依據申請專利範圍第3項之方法，其中導引步驟包含使用 C〇2雷射以產生光束。 5. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中導引步驟包含使用 C〇2雷射以作為光源以及更進一步使用可見光之頻譜雷射， 其光束同轴地對準於co〗雷射光束投射至組件一個區段上。 6. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中導引步驟更進一步 包含定位光纖Bragg光柵組件使得相鄰於光柵一個區段對 準光線以及選擇性施加步驟彈性地使區段變形以改變Bragg 光栅組件之光學路徑以調整光纖Bragg光柵組件。 依據申請專利範圍第1項之方法，其中導5丨步驟包含將馬 赫倫德爾組件一個區段對準於光線以及其中選擇性施加步 驟將擴散區段心蕊中之摻雜劑以改變折射率以及光學路徑 而調整馬赫倫德爾組件。 ---------裝------訂-------線I ~ c請先Η讀背面之注項再填寫本頁) 本紙張尺度通用中國國家榣牵（CNS > A4规格（21〇Χ297公嫠} 448322 Μ Β8 Cg Όί 六、申請專利範圍 8, —種修整光纖光學組件之裝置，其包含： C〇2雷射以導引由其中發出之光束至纖維光學組件之一 個區段; 對雷射光束路徑中耦合作控制以選擇性地產生光束脈沖 以控制光纖光學元件區段之加熱； 寬廣頻帶光源之訊號耦合至光纖光學組件之輸入；以及 感測器耦合至組件輸出以監測輸出處之訊號，同時施加 光柬至組件以預先決定方式對光纖光學組件作修整。 9_依據申請專利範圍第8項之裝置，其中光纖光學組件為光 纖Bragg光柵，該光纖在承受張力情況下裝置至基板以及由 ⑽雷射發出光束對相鄰光柵區段之光纖Bragg光柵一個區 段加熱以改變光柵區段之光學長度以修整光纖Bragg光柵β 10.依據申請專利範圍第8項之裝置，其中光纖光學組件為 馬赫倫德爾組件以及在其中由C〇2雷射發出光束對馬赫倫 德爾干涉儀一條支線至少一個區段加熱使得心蕊播雜劑擴 散以改變支線折射率以修整馬赫倫德爾干涉儀。 Μ濟部中夹榇率局員工消費合作社印製 11_依據申請專利範圍第8項之裝置，其中更進一步包含可 見光頻譜雷射以及光學元件將可見光頻譜雷射光束同軸地 對準於(：〇2雷射光束將光纖光學組件區段對準於c〇2雷射光束。 12.依據申請專利範圍第11項之裝置，其中更進一步包含 XYZ載台以承受光纖光學組件以定位組件對準於光束。 13_依據申清專利乾圍第8項之褒置,其中更進一步包含放 置光學顯微鏡以觀察可見光頻譜之雷射光束以利用投射光 纖光學組件區段上光束定位光學組件。 本纸張尺度適用中國國家橾準（CNS >八4規格（2〖0乂297公# ) 經濟郏中央揉窣局員工消費合作社印装 448322 七、申請專利範圍 11 一種光纖Bragg光柵，其包含 基板； 在承受張力情況下裝置光纖於基板上，光纖具有延伸至 光柵另外一侧端部之邊界區域；以及至少—個邊界區域彈 性地變形以調整光纖Bragg光栅至預先決定之頻率。 15. 一種馬赫倫德爾干涉儀，其包含： 一對光纖，其一端融合於第一耦合器處以及另外一端融 合於第二耦合器； 光柵形成於第一及第二耦合器間之每一光纖中；及其令 在相鄰第一及第二耦合器之一個耦合器至少一個光柵間— 個區域中之心蕊摻雜劑被擴散以調整馬赫倫德爾干涉儀。 16. —種修整光纖組件之方法，其包含下列步驟： 提供C〇2雷射之光源； 將C〇2雷射光束聚焦使光束之寬度等於組件光纖之尺寸； 將組件一個區段對準於聚焦光束以對區段加熱； 耦合寬廣頻帶光源之訊號至組件輸入端埠； 將光學分析儀耦合至組件之輸出端埠；以及 在組件輸出端埠處監測訊號，同時選擇性地施加由光源 發出光線至組件以達成預先決定之修整處理效應。 17.依據申請專利範圍第16項之方法，其中導引步驟更進一 步包含共軸地將可見光頻譜雷射光束對準於(：〇2雷射光束 將光纖光學組件區段對準於C〇2雷射光束》 18·依據申請專利範圍第17項之方法，其中導引步驟更進 —步包含放置光學顯微鏡以觀察投射於光纖光學組件區 参纸張尺度埴用中困圏家榡準（CNS ) A4规格（2丨0X297公釐） I 裝 訂.—I----線I 1 (請先W讀背面之注意事項再填寫表頁J 14448 A8 B8 C8 D8 經濟部中央棣準局®C工消费合作杜印裝 '中請專利範圍 段上可見光頻譜雷射光束以利用投射光纖光學組件區段 上光朿精確地定位光學組件。 19- ~種修整光纖組件之方法，其包含下列步驟： 導引C〇2雷射光束至光纖光學組件一個區段上對區段加熱； 受控制之光束施加於區段上以達成預先決定修整效應。 20. 依據申請專利範圍第19項之方法，其中導引步驟包含產 生一束光束，其寬度等於組件光纖之尺寸。 21. 依據申請專利範圍第20項之方法，其中控制步驟包含放 置遮罩於光束之光學路徑中以及以及打開以及閉合遮罩以 產生脈沖光束。 22. 依據申請專利範圍第21項之方法，其中導引步驟更進一 步使用可見光頻譜雷射光束，其共轴地將C〇z雷射光束對準 於組件區段上。 23. 依據申請專利範圍第19項之方法，其中導引步驟更進一 步包含定位光纖Bragg光柵組件使得相鄰於光柵一個區段對 準於光線以及其中控制步驟彈性地使區段變形以改變Bragg 光柵組件之光學路徑以調整光纖Bragg光柵組件。 24. 依據申請專利範圍第19項之方法，其中導引步驟包含將 馬赫倫德爾組件一個區段對準於光束以及其中控制步驟將 使區段心蕊中之摻雜劑擴散以改變折射率以及光學路徑而 調整馬赫倫德爾组件。 衣紙張尺度適用中國國家橾率（CNS )人4規1格（2丨Ο X 2们公釐） 裝------訂-------殊 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁)