在低聲子能量玻璃介質中永久寫入衍射光柵的系統和方法

2023-04-27 01:57:46 1

專利名稱：在低聲子能量玻璃介質中永久寫入衍射光柵的系統和方法
技術領域：
本發明涉及通過利用幹涉超短且強的雷射脈衝，在包含低聲子能量材 料的光學器件中形成永久性折射率的圖案或衍射光柵的方法。
背景技術：
在矽酸鍺波導中寫入布拉格光柵的常規方法依賴於uv雷射器和幹涉
術技術的應用，在波導中引入周期性折射率變化。利用Glenn等在美國專 利4,807,950中所公開的雙束幹涉技術產生沿波導的折射率變化的空間調 制。用於在矽酸鍺波導中寫入布拉格光柵的一種更方便的方法依賴於相位 掩模(phasemask)技術，如Hill等在美國專利5,367,588中所公開的。在這 種情況下，使用單一的UV光束，通過稱為相位掩模的衍射元件產生幹涉 圖案。不幸的是，如Williams等在J. Lightwave Technol. 15， 1357(1997) 中所報導的，據報導這種方法在氟化物玻璃基波導中引起弱的折射率變 化。
Taiinay等在Opt. Lett. 19， 1269(1994)中首先報導了通過245 nm的UV 曝光的在(^3+-摻雜的氟化物基玻璃中弱的永久性折射率變化。然而，還 沒有報導使用相同方法在未摻雜的氟化物玻璃中引起顯著的折射率變化。 如Moon等在美國專利6,195,483中所公開的，公開了使用雙光束幹涉方 法在硫屬元素化物和硫滷化物(chalcohalide)基紅外線傳輸光纖中寫入布拉 格光柵。在這種現有技術中，約3分鐘的曝光時間是必須的，以使硫屬元 素化物基光纖的折射率變化飽和。
如Askins等在美國專利5,400,422中所公開的，在波導中寫入永久布 拉格光柵的另一種方法基於幹涉高強度UV束的使用，以局部破壞玻璃從 而建立折射率變化圖案。此方法的缺點是折射率變化起因於在光纖的芯-包覆界面處引起的周期性局部破壞。因而此方法緊密依賴於芯和包覆玻璃 的組成。由於折射率變化僅影響要被反射的傳播模式的一部分，所以得到的光柵還表現不良的光譜質量。在未摻雜的氟化物玻璃中產生折射率變化
的第一種嘗試中還使用了 193 nm輻射。Sramek等(J. Non-Cryst. Solids 277, 39 P000))觀察到，氟鋯酸鹽玻璃的感光性是在這種193 nm的曝光下玻璃 膨脹的結果。繼續此工作，Zeller等(J. Lightwave Technol. 23, 624 (2005)) 報導了氟鋯-鋁酸鹽(fluorozirco-aluminate)(FZA)中約2xl0'4的折射率變化， 而在氟鋁酸鹽(FA)和氟鋯酸鹽(FZ)中約2"0'6的折射率變化。然而，折射 率變化強烈依賴於玻璃組成，並且沒有顯示出可以應用於能夠被拉伸成光 學光纖的玻璃組成。實際上，由於其涉及如在矽石玻璃情況下的玻璃膨脹 而不是涉及玻璃收縮，因而氟化物玻璃中折射率變化的機理似乎依賴於不 同的玻璃重排。如Hisakuni等在Opt.Lett. 20, 958，(1995)中所報導的，在 次能帶隙(subbandgap)照明下的硫屬元素化物玻璃中也觀察到了相同的玻 璃膨脹，並且將其用於製備凸面微透鏡。
Davis等在Opt. Lett. 21， 1729， (1996)中報導了感光性的相對新的方 法，其基於飛秒脈衝持續機理(durationregime)中的高強度紅外線輻射的非 線性吸收，以在玻璃中引發波導結構。儘管造成飛秒脈衝引發的折射率變 化的精確物理過程還沒有被完全理解並且似乎依賴於玻璃本身，但是其顯 然依賴於玻璃內局部等離子體的產生。為了達到合適的等離子體密度，寫 入束必須達到取決於各種因素的某些臨界密度值，包括脈衝持續時間和能 量以及聚焦條件。Miura等在美國專利5，978，538中公開了這種對於玻璃感 光性的有前途的方法，並且發現其可用於在本體矽石玻璃和氟化物玻璃中 寫入波導。在此專利中作為實例使用的氟化物玻璃組成是氟鋯酸鹽玻璃 (ZrF4-BaF2-LaFr AlF3-NaF)，這是在光纖製備中使用的普通玻璃組成。 Maznev等在美國專利6,204,926中還將此方法用在關於使用兩個空間相關 束獲得的幹涉飛秒條紋圖案的形成中。Miller等在美國專利6,297,894中進 一步擴展和公開了此方法，在此基於使用衍射元件獲得了周期性折射率變 化。Mihailov等在美國專利6,993,221中還公開了 Miller的技術的備選方 案，其中提出了高階模式(high-ordermode)的布拉格光柵結構。如Mihailov 等在美國專利7,031,571中所公開的，此方法得到進一步擴展，允許抑制 包覆模式損失。這些現有技術方法提供有用的功能，但是全部受困於實際 限制。當然，儘管在這些專利中提到，所述方法可以成功地應用於任何至少部分透射或吸收的材料，但是相應的結果和實例僅限於矽石玻璃。由於 低聲子能量玻璃與矽石基玻璃相比具有明顯不同的物理性質，特別是熱性 質，所以據證明，為了獲得強而永久的折射率變化，不能在沒有明顯改善 的情況下將前述飛秒方法同樣地用於低聲子能量玻璃，如氟化物、硫屬元 素化物和硫滷化物基玻璃。
因此存在對於在氟化物玻璃中寫入永久性的布拉格光柵等的方法和 系統的需要，所述方法和系統可以提供強的折射率變化並且可以用於各種 氟化物玻璃組成。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種用於在由低聲子能量玻璃介質製成 的波導中永久寫入衍射光柵的系統。
此系統包括光產生裝置和光學組件，所述光產生裝置用於產生超短光 脈衝，所述光學組件用於在波導中同步地疊加這些光脈衝中的兩束光束並 且在其中形成對應於衍射光柵的幹涉圖案。光學組件還聚焦光脈衝，使得
波導內的光強度超過成絲閾值(filamentation threshold)。
所述系統還包括控制裝置，該控制裝置用於在空間上和時間上控制波 導對光脈衝的曝光，以限制由光脈衝在玻璃介質中引起的光柵擦除熱效應 (grating erasing thermal effect)。
根據本發明的另一方面，還提供一種用於在由低聲子能量玻璃介質制
成的波導中永久寫入衍射光柵的系統，所述系統包括
-用於產生超短光脈衝的原光束(primarybeam)的光源； -光學組件，其包括
■相位掩模，其被定位在接近波導的原光束的路徑中，用於在波
導中同步地疊加所述光脈衝中的兩束光束，並且在其中形成對
應於衍射光柵的幹涉圖案；以及
■聚焦元件，其設置在光源和相位掩模之間，所述聚焦元件將光 脈衝聚焦在波導上，使得所述波導中的光強度超過一個值，從 而達到用於實現所述玻璃介質的永久改變的臨界等離子體密
度，對於ZBLAN此值為約10TW/cm2;以及-控制裝置，其用於在空間上和時間上控制波導對光脈衝的曝光，以 限制由這些光脈衝在玻璃介質中引起的光柵擦除熱效應，所述控制 裝置包括
■掃描組件，其用於相對於聚焦元件和波導中的一個並且與光脈
衝路徑橫向地掃描聚焦元件和波導中的另一個； ■調製元件，其設置在光脈衝的路徑中，所述調製元件在時間上
調製光脈衝，以形成光脈衝的至少一個脈衝串(burst); ■中斷機構，其用於中斷波導對光脈衝的曝光；以及
■監控組件，其用於監控波導的光學性質，所述監控組件與中斷 機構通信，以根據光學性質啟動所述中斷機構。 根據本發明的又一方面，還提供一種用於在由低聲子能量玻璃介質制
成的波導中永久寫入衍射光柵的方法。所述方法包括以下步驟
a) 產生超短光脈衝；
b) 在波導中同步地疊加這些光脈衝中的兩束光束，並且在其中形成對
應於衍射光柵的幹涉圖案；
c) 聚焦光脈衝，使得波導中的光強度超過成絲閾值；以及
d) 在空間上和時間上控制波導對光脈衝的曝光，以限制由光脈衝在玻 璃介質中引起的光柵擦除熱效應。
通過參照附圖閱讀其優選實施方案，本發明的其它特徵和優點將被更 好地理解。


為了更好地理解本發明並且顯示怎樣可以實現本發明，現通過參照附 圖的實施例，其中
圖1示意性示出根據本發明的一個優選實施方案的用於寫入布拉格光 柵的系統。
圖2A是顯示在4秒的曝光時間之後，在單模未摻雜ZBLAN光纖中 寫入的99.9。/。反射光纖布拉格光柵(fiber Bmgg gmting)的透射譜圖；圖 2B(現有技術)是顯示在35秒的曝光時間之後，在標準單模矽石無氫SMF28 光纖中寫入的99.9%反射光纖布拉格光柵的透射譜圖的圖。圖3是顯示在標準(SMF28)矽石光纖中寫入的布拉格光柵與在對有害 熱效應應用(方案2)和不應用(方案l)控制的情況下在未摻雜的單模 ZBLAN光纖中寫入的布拉格光柵相比，作為曝光時間的函數的峰值反射 率的進展的曲線圖。
圖4A和4B是分別顯示在2秒的曝光時間之後在單模未摻雜ZBLAN 光纖中寫入的光纖布拉格光柵以及在3秒的曝光時間之後在2000 ppm銩 摻雜的ZBLAN光纖中寫入的光纖布拉格光柵的透射譜圖的圖。
圖5是顯示在加溫退火的過程中在未摻雜的單模ZBLAN光纖中寫入 的光纖布拉格光柵的反射率的進展的曲線圖。
圖6顯示橫穿未摻雜的ZBLAN光纖的橫截面引起的折射率變化的等 高線圖。
具體實施例方式
根據本發明的優選實施方案，提供用於通過利用幹涉的超短且強的激 光脈衝，在由低聲子能量玻璃介質如氟化物玻璃基光纖芯製成的波導中引 起永久的折射率圖案或衍射光柵的方法和系統。 .
貫穿本說明書，應當將措辭"布拉格光柵"或"衍射光柵"理解為是 指在目標介質中永久引起的任何周期性或非周期性折射率圖案。本領域的 技術人員應當理解衍射光柵可以是單道或多道的，並且可以是啁啾的、傾 斜的、採樣的，或涉及一種以上這些特徵的。
優選地，低聲子能量玻璃介質是氟化物、硫屬元素化物或硫滷化物玻 璃，但是其也可以是具有類似物理性質的任何低聲子能量玻璃。樣品可以 是光纖，但是其還可以是通過可以利用布拉格光柵的平面波導或任何其它 玻璃結構實現的。本發明的有利方面是，低聲子能量玻璃介質可以含有各 種組成，例如但不限於摻雜或未摻雜的氟化物玻璃，比如ZBLA、ZBLAN、 ZBLALi，硫屬元素化物玻璃，比如As2S3或As2Se3，或硫滷化物玻璃。
低聲子能量玻璃典型地具有與熔凝矽石的物理性質明顯不同的物理 性質，包括但不限於高得多的熱膨脹係數、低得多的玻璃化轉變溫度和更 低的熱傳導率。它們特別的粘度-溫度關係還使得它們易於在等離子體-誘 導條件如雷射-誘導成絲下不同地反應。這些特徵導致熱效應，如果不採取特別的措施以控制這些有害效應，貝懷像在熔凝矽石中所看到的那樣，該 熱效應阻礙折射率調製規則地增加到大的值。本發明描述這些措施，並且 顯示可以如何應用它們以在氟化物光纖中引起強而永久的折射率調製。
參照圖1，顯示根據本發明的一個實施方案，用於在低聲子能量玻璃 的波導22中寫入衍射光柵的系統20。
系統20首先包括用於產生超短光脈衝的光產生裝置。光學組件24在 波導22中同步地疊加這些光脈衝中的兩束光束，以這樣的方式在波導中 形成對應於要引起的衍射光柵的幹涉圖案。光學組件24還聚焦光脈衝， 使得波導22內的光強度超過成絲閾值，這將在下面進一步說明。
措辭"超短且強的雷射脈衝"可以指具有約為500 fs量級或以下的持 續長度和足夠高強度的雷射脈衝，以通過多聲子吸收在玻璃介質中誘導等 離子體，從而可以發生雷射誘導成絲。例如，利用本發明，使用在光纖處 約110 fs的脈衝在氟化物玻璃中寫入布拉格光柵。幹涉光束之間的角度可 以是0至180度之間的任何角度。
優選地，光產生裝置包括產生原光束28的單光源26，然後所述原光 束28被光學組件24分成兩個雷射束30 。所述光源可以是例如固態雷射器、 光纖雷射器、半導體雷射器、染料雷射器、氣體雷射器、放大系統、光學 參數放大系統或這些雷射器和放大系統中之一的組合。光學組件24可以 包括相位掩模31，以將原光束28分成兩個幹涉束30，並且形成幹涉圖案， 小心地將波導22平行於相位掩模31排列在±1衍射級的幹涉區中。作為選 擇，可以出於相同的目的使用幹涉儀組件。在另一個備選方案中，可以使 用兩個不同的光源來產生光脈衝的相干光束，相干光束可以通過適當的幹 涉儀組件在波導內疊加。
如本領域的技術人員易於理解的，如系統20的特性可能要求的，光 學組件可以包括用於導向、聚焦、放大或另外作用於由光脈衝形成的一個 或多個光束的任何適當的部件。在示出的實施方案中，原光束28例如被 由兩個透鏡29形成的圓柱形望遠鏡放大。光學組件24還優選包括聚焦元 件34，所述聚焦元件34在此通過圓柱形透鏡實現，被安置在原光束28 的路徑中，介於光源26和相位掩模31之間，並且將光脈衝聚焦在波導22 上。在本發明的優選實施方案中，由疊加的光束30形成的幹涉圖案具有
對應于波導中所需的反射器的基頻布拉格諧振(fundamental Bragg resonance)的周期，其使用如下布拉格關係式計算-
4 =2'Asg '"e# ，
其中m=7對應於基頻布拉格諧振，As為布拉格波長，A^為布拉格光柵 的周期，而"^為波導中的傳播模式在布拉格波長處的有效折射率。在使 用適當的幹涉儀光學組件產生幹涉圖案的情況下，兩個疊加的光束之間的
幹涉角e如下這樣計算-
P = 2 ■ arcsin
.2. A5G 乂 ，
其中;i/對應於用於產生幹涉圖案的雷射的波長。使用稱為相位掩模的衍射 元件，通常將士i衍射級的幹涉用於產生幹涉圖案。為了在波導中得到基頻
布拉格諧振，如下這樣計算相位掩模周期
A—附A
% ，
其中^=1對應于波導中的基頻布拉格諧振。
將幹涉雷射束聚焦在玻璃介質上，並且調節兩光束之間的延遲，使得 其脈衝在玻璃介質處同步。可以指出，通過使用相位掩模，如果將相位掩 模和波導彼此平行地設置，則脈衝被自動地同步。將兩個相干雷射光束在
玻璃介質處幹涉的強度設定為略高於10TW/cr^量級的成絲閾值，因而產 生引起玻璃介質中折射率的永久變化的機理。
當將強度高於某些閾值的高強度的雷射束聚焦在透明材料中時，由於 由克爾非線性(Kerr nonlinearity)導致的聚焦效應與相抗衡的等離子體離焦
效應之間的平衡產生細絲。在這些條件下，等離子體達到使得出現永久玻 璃改變(modification)的密度。如Becker等在Appl. Phys. B, 73, 287 (2001) 中論證的，此成絲過程顯示自控的額外益處，因而導致在玻璃中傳播的光 束的峰值強度的箝位(clamping)。這種強度箝位在脈衝能量方面提供方便 的寫入窗，其中可以產生具有最小損失的折射率變化，即，不損壞玻璃。 用於成絲過程的開始的最佳條件取決於脈衝參數、聚焦條件以及材料本 身。然而，更易於在相對寬鬆的聚焦條件下發生，即，典型地對於比30-40mm長的焦距。還伴隨發生(並且可以這樣辨別)沿寫入雷射束的傳播軸 發射的寬帶光(或超連續譜(supercontinuum))的開始。
關於導致玻璃變形的物理過程，應當理解的是，這是必須小於光柵周 期的一半的空間範圍的局部效應。同樣，不應當與由於熱效應而產生的折 射率變化相混淆，所述熱效應與可用於光學波導寫入的在數百kHz範圍以 上的更高重複率的雷射脈衝串有關。
在現有技術中，發現為了避免損傷，應當將幹涉雷射脈衝的強度限制 在已經與非線性自聚焦過程相關的超連續譜產生的閾值以下。本發明通過 支持以下實施例克服了上述的這種限制，在下面的實施例中，在獲得低損 失和高反射率的布拉格光柵所必須的足夠長時間曝光的情況下，觀察到沒 有可測損傷的超連續譜產生。實際上，對實施例1和2中描述的布拉格光 柵測量了與在玻璃介質中出現的這些損傷有關的透射損失，並且發現小於 約0.3dB。在腔內損失是關鍵問題的應用如光纖雷射器中，這樣低的透射 損失並不是一種限制。
根據本發明的優選實施方式，發現為了獲得寫入過程所導致的在波導 中的傳播損失最小的高反射率光柵，在涉及低聲子能量玻璃的光學器件中 使用基頻布拉格諧振是有利的。這些傳播損失是由高能脈衝與低聲子能量 材料的相互作用導致的。低聲子能量玻璃中的幹涉高強度脈衝導致如在背 景技術中詳述的玻璃的熱膨脹。這種玻璃膨脹防止折射率變化被局限在所 形成的周期性結構中，從而導致類似正弦形狀的光柵。如Hongzhi等在 Opt. Comm. 178, 339, (2000)中所解釋的，具有n級的周期性結構的光柵反 射率與代表周期性結構的第n個傅立葉係數的值緊密相關。據此論文中報 道，為了在飽和正弦布拉格光柵的第一和第二衍射級之間獲得相同的約 50%的反射率，與第一階所必需的能量密度(fluence)相比，第二階需要的 能量密度要大50倍。在矽石波導中，發現折射率變化局限在所形成的周 期性結構中，從而導致高度非正弦形狀的光柵。這是由玻璃中強度依賴性 的多聲子吸收導致的，並且確保在高階布拉格諧振處的高反射率。然而， 即使在所得到結構的調和性(harmonicity)導致的大的折射率調製的情況 下，低聲子能量玻璃中高階布拉格光柵的反射率也保持低的。在這種情況 下，為了從基階(fbndamental)和高階布拉格諧振獲得 同的反射率，在高階情況下曝光時間將長得相當多，並且最大反射率將保持是低的。然而， 我們的試驗表明，如果曝光時間大於約30s，則在波導中產生至少高達0.5 dB的傳播損失。因此，在低聲子能量玻璃中，優選光柵為基階而非高階。 通過使用如圖2A和2B中所示的基頻布拉格諧振，在氟化物基和矽石基 光纖中均獲得了反射率大於99.9%的光柵。
為了在短曝光時間後獲得高反射性布拉格光柵，在低聲子能量材料中 使用高強度脈衝和基頻布拉格諧振是重要的。然而，高強度脈衝與低聲子 能量玻璃的相互作用還導致熱效應，如果不採取特別的措施以控制這些有 害效應，則不像在熔凝矽石中所看到的那樣，所述熱效應阻礙了折射率調 制規則地增加到大的值。因此，本發明涉及用於在空間上和時間上控制波 導對這些光脈衝曝光的控制裝置，以限制在玻璃介質中引起的光柵擦除熱 效應。
與在熔凝矽石波導中觀察到的相反，低聲子能量玻璃中的光柵形成過 程顯示為更快且以不規則形式發生。實際上，光柵甚至可以在約0.5至可 能數秒的時間量程上突然被完全擦除。此性質歸因於在低聲子能量玻璃內 部出現的有害熱效應，所述低聲子能量玻璃具有與熔凝矽石明顯不同的物 理性質，主要包括低玻璃化轉變溫度、低熱傳導率、高熱膨脹係數和陡峭 的粘度-溫度關係。必須採取一組措施以限制這些有害熱效應的影響，並且 允許寫入強光柵。這些措施的重要性可以在圖3中清楚地看出。實施例1 中詳述的設置被用於在單模氟化物基和矽石基光纖這兩者中寫入布拉格 光柵。圖3顯示作為爆光時間函數的這種布拉格光柵的反射率的進展。對 於矽石光纖，沒有應用以下描述的對有害效應的控制，但是在約30秒的 曝光時間後，所得到的布拉格光柵的反射率規則地增加至達到約99.9%的 最大反射率。在氟化物基光纖中進行相同的試驗，得到的反射率顯示在圖 3中(方案1)，在該方案中，發現反射率以不規則方式生長，並且在35秒 的曝光時間後達到不大於20%。當應用有害效應的控制時，在圖3的方案 2中所顯示的在氟化物基光纖中寫入的布拉格光柵迅速地生長，在約4秒 的曝光時間後達到99.9%的反射率。此論證清楚地顯示出控制這些有害效 應的重要性，以在短曝光時間後獲得高反射率布拉格光柵。
已確認了通過在空間上和時間上控制波導對光脈衝的曝光來控制有害熱效應的不同方式，並且下面對它們進行解釋。本領域的技術人員應當 理解，取決於本發明的特定應用的參數，這些特徵中的一些可以作為選擇 或組合地使用。
必須仔細選擇脈衝能量和持續時間，尤其是脈衝串的重複率，使得在 不過分加熱波導的情況下，達到用於寫入的強度閾值。再次參照圖1，控 制裝置優選包括安置在光脈衝的路徑中的調製元件32。調製元件32可以 用於將原光束或兩個幹涉束時間調製成光脈衝串。在以下詳述的實施例1
中，從雷射器直接控制脈衝持續時間和能量，同時通過調製元件32控制 佔空比，所述調製元件32可以通過機械斷路器(mechanicalchopper)、聲光 調製器或任何其它等同的方式實現。
發現必須非常精確地控制波導周圍的曝光區域。實際上，觀察到橫向 束自壓縮產生折射率變化的窄道。1微米量級寬的這種窄道或所謂的絲明 顯小於例如光纖芯的典型尺寸。為了補償此效應以及橫跨波導均勻地分布 折射率變化，優選將聚焦透鏡34安裝在壓電臺36上，從而沿波導22掃 描光束。據觀察，在某些情況下即使掃描的振幅和頻率略微偏離最佳寫入 條件，也將阻礙光柵的形成或甚至將其消除。因此，這些參數對於寫入過 程可能是重要的。應當指出，儘管在此描述的方法基於對透鏡掃描，但是 任何其它等同方法都是有效的，比如相對於雷射束移動波導，因此本發明 的系統的控制裝置可以包括任何掃描組件，所述任何掃描組件易於相對於 聚焦元件或波導中的一個並且與光脈衝橫向地掃描聚焦元件或波導中的 另一個。
由於光柵形成非常迅速地發生，使用一旦所需光柵形成就停止曝光的 快速計算機控制設置可能是有利的。因此圖1的系統20的控制裝置包括 用於中斷光脈衝對波導的曝光的中斷機構，和與這種機構通信的監控組 件，以監控波導的光學性質，並且當這些性質顯示光柵形成時啟動所述中 斷機構。在圖1的系統中，監控組件包括寬帶光源38和快速光電檢測器 40，所述快速光電檢測器40測量透射的光從而實時地監控光柵強度。窄 帶通濾光器42用於去除帶外光，從而允許光電檢測器40提供光柵強度的 精確值。將光電檢測器信號發送到只要獲得所需光柵強度就關閉電機械的 快門46的計算機(未顯示)。在此實施方案中，快門46因而起到中斷機構的作用。當出現不能被有效控制的熱效應在快門關閉後部分擦除光柵的情 況時，所述設置優選以反饋迴路操作，以保持快門46再次打開，直至達 到所需光柵強度。應當理解，在不離開本發明的範圍的情況下，還可以使 用具有相同目的的任何類似設置。
由於高熱膨脹係數，發現在波導為光纖的情況下，如果固定不夠緊， 則此光纖可能在寫入過程中移動。為了避免此情況，可以設置光纖固定器
44以在光束焦點的兩側固定光纖，所述光纖固定器44允許向光纖施加張
力。作為選擇，可以使用某些特別固定裝置將光纖固定在適當位置上。光 纖的暴露區域被空氣包圍以允許其有效地冷卻。張力必須足夠高，從而在 玻璃的熱膨脹將其拉伸的時候，保持光纖直且相對於雷射束靜止。另一方 面，過高的張力將使光纖在其被雷射束加熱的時候斷裂。可以使用補償玻 璃熱膨脹的任何其它備選方案。
根據本發明的另一方面，還提供用於在由低聲子能量玻璃介質製成的 波導中永久寫入衍射光柵的一種方法。此方法包括以下步驟。應當理解， 這些步驟並非要以依次順序進行，並且所列舉操作以任何合理順序的任何 實施都被理解為是在本發明的範圍內。
所述方法首先包括步驟a)產生超短光脈衝，和步驟b)在波導中同步疊 加這些光脈衝中的兩束，從而在波導內部形成對應於所需衍射光柵的幹涉 圖案。這些步驟優選通過產生光脈衝的原光束，和在接近波導的原光束的 路徑中設置相位掩模而完成。相位掩模優選具有選定的有利於所述衍射光 柵的基頻布拉格諧振的節距(pitch)。
如上所述，所述方法還包括步驟c)，即，聚焦光脈衝，使得波導內的 光強度超過成絲閾值。出於此目的，可以在光源和相位掩模之間設置聚焦 元件，該聚焦元件將光脈衝聚焦在波導上。
所述方法還包括步驟d)， g卩，在空間上和時間上控制光脈衝對波導的 曝光，以限制這些光脈衝在玻璃介質中引起的光柵擦除熱效應。此控制可 以通過以下子步驟中的一個或數個完成。
步驟d)的控制可以首先包括相對於聚焦元件和波導中的一個並且與
光脈衝路徑橫向地掃描聚焦元件和波導中的另一個。步驟d)的控制還可以 包括在時間上調製光脈衝以形成至少一個脈衝串。其還可以包括監控波導的光學性質，並且根據這些光學性質中斷光脈衝對波導的曝光。步驟d) 的控制還可以包括將波導固定在固定的位置上並且任選地在其上施加張 力。
實施例
以下和附圖中顯示使用上述方法和圖1的示例性系統製備的衍射光柵 的實例。
在用於這些實施例的設備中，飛秒雷射源26是發射波長800 nm和重 復率1 kHz的飛秒(fs)脈衝的Ti-藍寶石再生放大器系統(Spectra-Physics)。 在雷射輸出處產生45 fs的傅立葉變換受限脈衝，但是當到達光纖時被加 寬到115 fs。在此實施方案中，在放大器系統的輸出處使用1.2 mJ的脈 衝能量。計算機控制的電機械快門46被用於控制曝光時間。由兩個透鏡 29形成的圓柱形望遠鏡被用於提供 5 mm x7.5 mm(強度1/e處的直徑) 的放大光束。為了避免阻礙光柵形成過程的加熱效應，在950Hz使用50% 佔空比的機械斷路器32，以降低光束的平均光功率，提供脈衝串。將焦 距112mm的圓柱形透鏡34用於通過第一階矽石相位掩模31將光束聚焦 在光纖芯23上。假設高斯束光學裝置(optics)，光纖上的焦線(focal line) 的寬度為2w~ 12 |im。因此細長的焦斑的尺寸為12 pmx7500 pm。具有 0.1 nm解析度的壓電轉換臺(piezo translation stage)36被用於以恆定速率 和8 Hz的頻率在10 jxm範圍掃描圓柱形透鏡34。仍在此優選實施方案中， 使用由丄e J^reF/More'提供的包覆直徑125 pm、芯直徑分別為6.8 pm和 5.0 iam以及數值孔徑分別為0.16和0.12的未摻雜和2000 ppm銩摻雜 ZBLAN光纖，但是可以使用任何類似光纖。在曝光之前將光纖的聚合物 外殼去除，並且將光纖精確地平行於光束焦點排列。使用允許向光纖施 加張力的光纖固定器44將光纖固定在光束焦點任一側的兩點上。在寫入 過程中向光纖施加的張力為約12MPa。使用兩種在不同的UV級熔凝矽 石基底上的相位掩模31，它們具有1070 nm和992 nm的均一節距，對應 的基頻布拉格諧振分別在約1.6 ,和1.48 )Lim波長處。由於相位掩模節 距接近於寫入波長(X 0.8 pm)，零級不能被抑制並且透射入射功率的 25%，從而對於每個±1級剩餘35%的衍射效率。將光纖定位在距掩模320 pm處，這離光束焦點足夠遠，從而避免相位掩模中的損傷和由於與
零級光束幹涉所產生的任何有害效應。監控設置由基於超連續譜的寬帶
光源38和分光器裝置39構成，所述分光器裝置39將透射光在光譜分析 儀41和快速光電檢測器40之間分開，以實時監控光柵形成。窄帶通濾 光器42被用於去除帶外光，使得光電檢測器40可以提供光柵強度的精 確值。將光電檢測器信號被發送到只要獲得所需光柵強度就關閉電機械 快門46的計算機。
實施例1
將上述設置用於在未摻雜單模ZBLAN光纖中寫入布拉格光柵，並且 為了對比，在無氫標準單模矽石光纖(SMF28)中寫入布拉格光柵。對矽石 光纖在圖2A中，對氟化物光纖在圖2B中，顯示根據所描述的方法的優 選實施方案所寫入的布拉格光柵的透射光譜。對於矽石光纖，沒有應用前 述對有害熱效應的控制，但是如圖3(矽石光纖)中所示，所得到的布拉格 光柵的反射率顯示為規則生長，在約30秒的曝光時間後達到約99.9%的最 大反射率。在未摻雜的氟化物基光纖中進行相同的試驗，並且在圖3(方案 l)中顯示所得到的峰值反射率的時間進展，在這種情況下，發現峰值反射 率以不規則的方式生長，並且在35秒的曝光時間後達到不大於20%。當 根據所描述的方法和系統的優選實施方案應用對有害效應的控制時，圖 3(方案2)中顯示的在未慘雜的氟化物基光纖中寫入的布拉格光柵的峰值反 射率迅速地生長，在約4秒的曝光時間後達到約99.9%。
實施例2
還將上述設置用於在未摻雜的單模ZBLAN光纖和2000 ppm銩摻雜 單模ZBLAN光纖中寫入布拉格光柵。將未摻雜光纖的曝光時間設定為約 2秒，並且均一的相位掩模節距為1070 nm。根據所描述的方法的優選實 施方案得到的布拉格光柵的透射光譜顯示在圖6(a)中。對應光柵參數的數 值模擬表明，1598.5 nm處-17 dB的透射傾斜對應於折射率調製(index modulation)AnAC為3.2xl0'4、反射率為95%的4.5 mm長的均一光柵。通過 截斷法(cutbackmethod)測量帶外介入損失為小於0.3 dB。將銩摻雜的光纖的曝光時間設定為約3秒，並且均一相位掩模節距為992 nm。根據所描述 的方法的優選實施方案得到的布拉格光柵的透射光譜顯示在圖4B中。 1479.3 nm處-20 dB的透射傾斜對應於99。/。的光柵峰值反射率。因此，光 纖芯中活性離子的存在似乎並未明顯幹擾感光過程。
從實用考慮，氟化物光纖中光柵的熱穩定性是重要的問題。微型爐 (ASP-500C)被用於將光柵退火和測量指數調製隨溫度的變化。在約3秒的 過程中在相同的光纖中寫入的與上述光柵類似的光柵的退火行為顯示在 圖5中，其中每個點代表在恆溫下退火30分鐘後的Aruc:。注意該光柵在 低溫下被部分擦除。在矽石光纖中寫入的類似光柵在室溫下相對較不易被 擦除。此行為的主要原因是與熔凝矽石的玻璃化轉變溫度(Tg 100(TC)相 比，ZBLAN的玻璃化轉變溫度(Tg 250'C)低。如圖5中所示，所引起 的折射率調製在125"減小約50%。圖中的插圖還顯示，在175。C的恆溫 下，折射率調製相對於退火時間指數級地下降，在 30分鐘後達到漸近值。
為了確定折射率變化是正還是負，將光纖在另一個類似地寫入的光柵 的中心被分開，並且在657 nm處通過折射近場(RNTF)技術測量折射率分 布。發明人使用獲自EXFO的NR-9200HR光纖分析儀，該分析儀的空間 解析度為0.4 |im並且折射率的解析度為5xl(T5。然後將這樣測量的光柵的 橫向折射率分布從對未曝光的光纖部分所測量的分布中減去。所得到的折 射率變化分布顯示在圖6中(注意折射近場設備提供在 500 |im的深度上 的平均&折射率變化)。看起來所引起的折射率變化實際上是由平均Anpc) 為9.5xl0弋在包覆區域和芯區域二者中延伸的.16x10 pm的大致矩形的區 域組成的。在光纖橫截面上橫向掃描光束的效果易於顯現，因為圖(box) 的高度對應光束焦點的10pm掃描範圍。此測量實際上顯示引起的折射率 變化在曝光區域中基本上為負，而在沿對應於曝光邊界的矩形周邊為正。 至於處於沿芯-包覆界面的正指數變化的環，發明人相信這是由該區域中突 然的變化所產生的數學假象，儘管其也可能是產生於曝光之後芯玻璃材料 的輕微膨脹或某些玻璃組分的擴散。這些測量與Smmek等在J. Non-Cryst Solids 277， 39(2000)中所報導的氟鋯酸鹽玻璃中的玻璃膨脹一致，導致負 折射率變化。
如本領域技術人員應當認識到的，本發明提供有效且簡便的方法在可用於許多應用中的低聲子能量玻璃光學波導中寫入布拉格光柵。特別重要
的是，在上變頻(upcorwersion)光纖雷射器中用光纖布拉格光柵代替大體積 的諧振腔反射鏡(bulk cavity mirror),從而提供具有精密線寬的、在所需波 長處更有效率和凹凸不平的(mgged)的雷射器件。可能更重要的是，這允 許構造在熔凝矽石是不透明的且大於2 pm的波長處工作的光纖雷射器。 這還允許設計各種全氟化物光纖部件和系統，它們可以在應用如光纖傳感 器、紅外光譜學、雷射燒蝕和組織的生物醫學治療的用途。由於折射率變 化至少在本文中詳述的方法的說明中顯示為負，所以可以設想在色散補償 和幹涉儀等中有意義的應用。
當然，在不偏離本發明的範圍的情況下，可以對上述實施方案進行許 多變化。
權利要求
1.一種用於在由低聲子能量玻璃介質製成的波導中永久寫入衍射光柵的系統，所述系統包括-光產生裝置，用於產生超短光脈衝；-光學組件，用於在所述波導中同步地疊加所述光脈衝中的兩束光束，並且在所述波導中形成對應於所述衍射光柵的幹涉圖案，所述光學組件聚焦所述光脈衝，使得所述波導內的光強度超過成絲閾值；和-控制裝置，用於在空間上和時間上控制所述光脈衝對所述波導的曝光，以限制由所述光脈衝在所述玻璃介質中引起的光柵擦除熱效應。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述光產生裝置包括產生原光 束的光源，並且所述光學組件包括相位掩模，所述相位掩模被設置在接近 所述波導的所述原光束的路徑中。
3. 根據權利要求2所述的系統，其中所述光學組件還包括設置在所 述光源和所述相位掩模之間的聚焦元件，所述聚焦元件將所述光脈衝聚焦 在所述波導上。
4. 根據權利要求3所述的系統，其中所述控制裝置包括掃描組件， 所述掃描組件用於相對於所述聚焦元件和所述波導中的一個並且與所述 光脈衝路徑橫向地掃描所述聚焦元件和所述波導中的另一個。
5. 根據權利要求2所述的系統，其中所述相位掩模具有選定的有利 於所述衍射光柵的基頻布拉格諧振的節距。
6. 根據權利要求1所述的系統，其中所述控制裝置包括設置在所述 光脈衝的路徑中的調製元件，所述調製元件在時間上調製所述光脈衝以形 成所述光脈衝的至少一個脈衝串。
7. 根據權利要求1所述的系統，其中所述控制裝置包括中斷機構， 所述中斷機構用於中斷所述波導對所述光脈衝的所述曝光。
8. 根據權利要求7所述的系統，其中所述控制裝置還包括用於監控 所述波導的光學性質的監控組件，所述監控組件與所述中斷機構通信，以 根據所述光學性質啟動所述中斷機構。
9. 根據權利要求1所述的系統，其中所述控制裝置包括波導固定器，所述波導固定器用於將所述波導固定在固定的位置上。
10. 根據權利要求9所述的系統，其中所述波導固定器在所述波導上 施加張力。
11. 一種用於在由低聲子能量玻璃介質製成的波導中永久寫入衍射光 柵的系統，所述系統包括-光源，用於產生超短光脈衝的原光束；-光學組件，所述光學組件包括■相位掩模，所述相位掩模被設置在接近所述波導的所述原光束 的路徑中，用於在所述波導中同步地疊加所述光脈衝中的兩束 光束，並且在所述波導中形成對應於所述衍射光柵的幹涉圖 案；以及■聚焦元件，所述聚焦元件被設置在所述光源和所述相位掩模之 間，所述聚焦元件將所述光脈衝聚焦在所述波導上，使得所述 波導中的光強度超過一個值，以使得達到永久改變所述玻璃介 質的臨界等離子體密度；以及-控制裝置，所述控制裝置用於在空間上和時間上控制所述光脈衝對 所述波導的曝光，以限制由所述光脈衝在所述玻璃介質中引起的光柵擦除熱效應；所述控制裝置包括■掃描組件，用於相對於所述聚焦元件和波導中的一個並且與所述光脈衝路徑橫向地掃描所述聚焦元件和波導中的另一個； ■調製元件，所述調製元件被設置在所述光脈衝的路徑中，所述 調製元件在時間上調製所述光脈衝，以形成所述光脈衝的至少 一個脈衝串；■中斷機構，所述中斷機構用於中斷所述光脈衝對所述波導的所 述曝光；以及■監控組件，用於監控所述波導的光學性質，所述監控組件與所 述中斷機構通信，以根據所述光學性質啟動所述中斷機構。
12. 根據權利要求11所述的系統，其中所述控制裝置包括波導固定 器，所述波導固定器將所述波導固定在固定的位置上，所述波導固定器在 所述波導上施加張力。
13. 根據權利要求11所述的系統，其中所述波導中的光強度值為10TW/cm2的量級。
14. 一種用於在由低聲子能量玻璃介質製成的波導中永久寫入衍射光 柵的方法，所述方法包括以下步驟-a) 產生超短光脈衝；b) 在所述波導中同步地疊加所述光脈衝中的兩束光束，並且在所述波 導中形成對應於所述衍射光柵的幹涉圖案；c) 聚焦所述光脈衝，使得所述波導中的光強度超過成絲閾值；以及d) 在空間上和時間上控制所述光脈衝對所述波導的曝光，以限制由所 述光脈衝在所述玻璃介質中引起的光柵擦除熱效應。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中步驟a)所述的產生步驟包括 產生所述光脈衝的原光束，並且步驟b)所述的疊加步驟包括在接近所述波 導的所述原光束的路徑中設置相位掩模。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中步驟c)所述的聚焦步驟包括 在所述光源和所述相位掩模之間設置聚焦元件，所述聚焦元件將所述光脈 衝聚焦在所述波導上。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中步驟d)所述的控制步驟包括 相對於所述聚焦元件和波導中的一個並且與所述光脈衝路徑橫向地掃描 所述聚焦元件和波導中的另一個。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中所述相位掩模具有選定的有 利於所述衍射光柵的基頻布拉格諧振的節距。.
19. 根據權利要求14所述的方法，其中步驟d)所述的控制步驟包括 在時間上調製所述光脈衝以形成所述光脈衝的至少一個脈衝串。
20. 根據權利要求14所述的方法，其中步驟d)所述的控制步驟包括 監控所述波導的光學性質，並且根據所述光學性質中斷所述光脈衝對所述 波導的所述曝光。
21. 根據權利要求14所述的方法，其中步驟d)所述的控制步驟包括 將所述波導固定在固定的位置上。
22. 根據權利要求14所述的方法，其中步驟d)所述的控制步驟包括 在所述波導上施加張力。
全文摘要
本發明顯示了一種用於在低聲子能量玻璃波導中永久寫入衍射光柵的系統和方法。產生超短光脈衝，並且使其在波導中形成同步疊加的兩束光束，從而形成對應於所需光柵的幹涉圖案。將光脈衝聚焦，使得波導內的光強度超過成絲閾值。在時間上和空間上控制波導對這些光脈衝的曝光，以限制由高強度脈衝在波導的玻璃介質中所引起的有害熱效應。
文檔編號G02B5/18GK101622556SQ200780044091
公開日2010年1月6日 申請日期2007年9月28日 優先權日2006年9月28日
發明者多米尼克·福謝, 雷亞爾·瓦利, 馬丁·貝尼耶 申請人:拉瓦勒大學