光學波導光柵的生產和/或光學波導的特徵的製作方法

2023-11-02 06:28:47 2

專利名稱：光學波導光柵的生產和/或光學波導的特徵的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於生產諸如光纖光柵之類的光學波導光柵和/或賦於諸如光纖之類的光學波導特徵的方法和設備。
布拉格光纖光柵是纖維光學系統中研究和開發的最有前途的領域之一。諸如雷射和傳感器之類的許多系統都依靠布拉格光柵的精確的波長選擇性能，並且，有更多的系統可能會在不遠的將來利用高質量的光柵。
可能在通訊系統特別是在色散補償中業已最大限度地使用了布拉格光纖光柵。線性調頻光纖光柵特別適用於色散補償，因為，這種光柵小型化、有低的損耗、高的彌散性並且不受非線性效應的影響，所述非線性效應會使專用的色散偏移和色散補償光纖出問題。業已多次成功地進行了傳輸試驗，這些試驗包括用於色散補償的光纖光柵。通過對彌散輪廓的更精確的控制可以進一步提高色散補償系統中光纖光柵的效率，特別是能降低時間延遲脈動並增加高位速率系統所需的第三階補償。
附圖中的圖7a至7d說明標稱線性的線性調頻光纖光柵中可能出現的問題。圖7a和7c說明光柵的反射和時間延遲特徵，圖7b和7d說明相對預定特徵的偏差。
本發明提供一種檢測光學波導中直徑變化的方法，該方法包括下列步驟在有已知物理間距的光學波導中生產出線性調頻光柵；以及，測量相對線性調頻光柵的預定時間延遲的偏差。
本發明還提供一種在標稱有均勻直徑的波導中生產出光纖波導光柵的方法，該方法包括下列可重複的步驟在已知物理間距的光學波導一部分中生產出光柵部分；測量相對至少是最近寫入的光柵部分的預定響應的偏差；以及，根據測出的至少是對於最近寫入的光柵部分的偏差，改變用於寫入下一個光柵部分的光柵參數。
本發明還提供一種在標稱有均勻直徑的波導中生產光學光柵的方法，該方法包括下列步驟沿光柵在某些位置處按與波導在這些位置處的直徑有基本上相反關係的方式改變光柵的特徵。
本發明還提供一種在標稱有均勻直徑的波導中形成的光學波導光柵，其中，沿光柵在某些位置處按與波導在這些位置處的直徑有基本上相反關係的方式改變光柵的特徵。
本發明是以下列新認識為基礎的即當在通常的即階躍折射率光纖中生產光纖光柵時，反射波長不僅取決於光纖的NA數值孔徑，而且取決於光纖的切割(cut-off)。這是因為反射波長λB是由下式給出的2neff·ΛB其中，neff是對於引導模式的有效光纖折射率，ΛB是光柵線的實際周期。
業已發現，在牽拉光線時，光纖直徑一般會有小的波動。就125μm的標稱光纖直徑來說，已發現在(沿光纖)100-200mm的周期範圍內有多達±1μm的直徑偏差。
階躍折射率光纖具有芯折射率n1和包層折射率n2(其中n1＞n2且NA＝√n12-n22)。有效折射率neff取決於覆蓋芯的引導模式的比例，η可表述為neff＝ηn1+(1-η)n2例如Snyder和Love的文件中說明了用於給定光纖的覆蓋參數。
就NA為0.2、標稱直徑為125μm、切割為1250μm的典型光纖來說，1μm的直徑變化會導致約50pm的光柵波長偏移。由於直徑沿光柵的長度會發生變化，所以，光柵的響應會顯著地偏離預定的響應。
在線性的線性調頻光纖光柵的情況下，直徑波動的結果是使得時間延遲成為波長特徵的函數，從而偏離線性特徵。
在本發明的所有廣意方面中，本文提出了若干優選工藝技術，以在非均勻光纖中生產所需要的光柵。前三種工藝包括調整被寫入光柵的周期ΛB以減少直徑波動對neff的影響。第四種技術包括對光纖進行VU-前或後處理，以便沿光纖在芯區附近調整n1或n2，以使neff沿光纖變得更均勻。很明顯，可以使用這些方法的任何組合。所有這些方法都可包括在目前的光柵生產工藝中。
以下僅參照附圖以舉例的方式說明本發明，在附圖中

圖1是經驗圖，它標繪出樣品光纖的直徑與沿光纖的位置的關係；圖2至4是經驗圖，它們示出了相對被寫入光纖樣品的三個相應光柵的線性色散特徵的偏差情況；圖5a和5b是概略圖，表示施加給具有可變直徑的光纖的補償；圖6a至6c概略表示光纖的後處理操作；以及圖7a至7d說明相對標稱為線性的線性調頻光柵的預定效率的偏差情況。
參照圖1，標繪出一段光纖的直徑與沿光纖的位置的關係。用具有150nm精度和50nm複測不變性的市售光纖直徑測定裝置來進行測定。
圖1說明了光纖直徑基本上為周期性的變化，其峰值至峰值的範圍約1000nm。
圖1中還標註出用於光柵生產的一段光纖(如下所述)。
為了確定所述直徑變化對於(假定是)線性的線性調頻光柵性能的可能影響，實際上將一系列線性的線性調頻光柵彼此疊置到圖1所示的這段單個光纖內。這樣，可通過使用不同的光纖長度來消除任何的測定贗象或隨機結果。
按同樣的線性調頻方向但有6nm偏移量寫入兩個光柵，圖2和3示出了所測出的相對這兩個光柵的時間延遲偏差特徵。圖4說明了用於相對另兩個光柵具有相反的線性調頻方向並有3nm偏離量的第三個光柵(即位於這兩個光柵中間點的那個光柵)的相應結果。所述光柵的的長度為85cm，並將色散設計成能補償標準光纖中傳輸150km。
可將光纖結構缺陷所導致的相對線性時間延遲的偏差看作是按相同線性調頻方向寫入的兩個光柵在延時特徵方面基本上相同的波動(圖2和圖3)。就按相反的線性調頻即主動線性調頻方向寫入的第三個光柵而言，時間延遲的波動(圖4)實際上並不與圖2和3中所看到的時間延遲偏差相等。前提是，直徑的波動「方向」在色散斜率變化中起重要的作用。
應該注意，圖4中的軸是顛倒的，以便以與圖2和3相似的方式表示色散的「形狀」。
從圖2和3中可以看出，業已能看到偏差效應，這種效應基本上獨立於光柵的中心波長並且與光纖直徑的物理測量結果相關。因此，用於檢測物理直徑(而不是其絕對直徑)偏差的技術如下所述(a)將感興趣的波長頻帶之外的弱測試光柵寫入要加以評定的光纖內；(b)對於該測試光柵賦予時間延遲特徵。
所述測試光柵應該是弱的，以便不使其折射率飽和。在賦予特徵之後，評價光柵的強度會限制要被寫到頂部的「實際」光柵的強度。
某些防範措施可改進對光纖直徑波動的預評價的過程。這些措施包括根據時間延遲特徵減少噪音，通過增加網絡分析儀上的頻率以便更平均化，可以部分地滿足這一條件。對於技術熟練人員來說，將所獲得的與光纖中波長位置誤差有關的信息加入光柵寫入過程的方法是簡單的，因此本文不予詳細地說明。
直徑波動的原因肯定是未知的。當在牽拉過程中產生直徑缺陷時，一種情況是，隨著對光纖的牽拉，直徑會準線性地增加。牽拉所導致的某些共振會產生直徑的這種增加/減少。基於某種數據的直徑控制裝置會導致急劇地變回/校正回光纖的校正直徑，所述數據來自高精度幹涉光纖直徑控制器(例如嵌在牽拉塔中的有0.15μm精度的Anritsu測定裝置)。所述校正位置是反饋時間的函數。
為了校正直徑變化所導致的色散特徵誤差，儘管在某些實施例中可在物理上測出直徑的絕對變化，但不一定要知道這些變化，甚至不必知道相對變化，因為可以根據相對測試光柵的預定性能的偏差來推斷這些相對變化。所必需的是知道某種波長的位置誤差。通過畫出作為位置L函數的波長λB(L)圖而不是作為波長函數的時間延遲τ(λB)圖，可以從線性的線性調頻光柵的時間延遲特性中獲得所說的信息。光柵中的時間延遲由下式給出=2neffLc---(1)]]>其中，c是光在真空中的速度。使時間延遲值對於光柵中相對位置值重新配置(re-arrangement)以及軸的變化會揭示出λB(L)而不是τ(λB)。曲線的斜率是線性調頻率ξ，它是由下式給出的=L=2neffcD---(2)]]>其中，Δλ是線性調頻脈衝，D是光柵的色散。通過畫出λB(L)的圖並且知道ξ的值，可以確定線性調頻光柵中的用於特定波長的位置誤差的值ε，因為相對線性調頻率的位置偏差是ε。為了校正這種結果，可獲得對於給定位置的波長誤差，並且，由於光纖直徑的變化具有較低的頻率，故對光柵色散特徵的改進是相當明顯的。
具體地說，使用上述賦予光纖特徵的技術或通過測定光纖物理直徑所收集到的數據的某些技術是1、通過修改被寫入的光柵輪廓以考慮直徑的波動，可以生產所需要的光柵，以致於所得到的光柵要比在對直徑波動不作調整情況下接收到的光柵更為理想。具體地說，用按與測定的頻帶外光柵的偏差特徵有相反關係的方式調整的間距變化來寫所需要的光柵。已知有多種這樣的技術，它們按可沿光柵長度進行微調的間距來寫入光柵，例如見GB9617688.8。
2、沿光纖順序地寫入某些光柵。可有效地使剛寫入的部分具有特徵，以確定其反射波長。與目標波長的比較可給出沿光柵長度該位置直徑誤差。由於業已發現直徑波動有在10-20cm區域內的周期，故，假定測量位置靠近寫入位置例如距該位置1cm，則可確定直徑誤差並對其「飛在空中」即在寫入各光柵部分時進行校正。
3、第三種方法提供僅在刻劃光柵之前測量光纖的物理直徑的波動。因此，可通過按與所測定的直徑波動相反的關係調節間距而修改寫入周期，以減少直徑波動的影響。儘管較小的解析度也能提供某些有用的結果，但一般應按優於0.1μm的解析度來確定所述直徑。
圖5a和5b是概略圖，其說明對於可變直徑的光纖的施加補償情況。具體地說，圖5a概略表示沿理想線性的線性調頻光柵的光柵間距變化，圖5b表示利用上述工藝之一沿光纖長度修改間距的方式。在區域100內直徑較大，故間距較小，在區域110內直徑較少，故間距較大。
4、在第四種工藝中，刻劃出所需要的光柵，以便在標稱上有某種一般是均勻的光纖特徵。然後賦於光柵特徵，以沿光纖確定neff的波動。使用對光纖的後處理即一般通過將核芯區域曝露在不同的紫外能量密度下使得neff比在其它情況下更均勻。
圖6a至6c概略地說明了上述第四種方法。圖6a概略地說明了在有直徑波動的光纖波導上掃描光柵生產工藝。將後處理紫外束照射到直徑波動的區域上，以改變該區域處的平均折射率，從而使得有效折射率(neff)更加均勻。所述後處理紫外束是均勻的紫外束或者例如是光柵寫入紫外束。
權利要求
1.一種檢測光學波導中直徑變化的方法，該方法包括下列步驟(i)在有已知物理間距的光學波導中生產出線性調頻光柵；以及(ii)測量相對線性調頻光柵的預定時間延遲的偏差。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於該方法包括下列步驟在所述光學波導中生產出另一個光柵，沿光柵在某些位置處按與光導管在這些位置處的直徑有基本上相反關係的方式來改變該光柵的光柵特徵。
3.根據權利要求2的方法，其特徵在於，所說的第一個光柵和另一個光柵工作在不同的波長區域。
4.根據權利要求2或權利要求3的方法，其特徵在於，所述第一個光柵要比前述另一個光柵弱。
5.根據前述任一權利要求的方法，其特徵在於所述波導的至少一部分是光敏的；以及通過使該波導曝露於寫入光束而生產出前述第一個光柵。
6.根據從屬於權利要求1的權利要求5的方法，其特徵在於該方法包括下列步驟沿光柵在某些位置處按與光纖在這些位置處的直徑有關係的方式改變對上述寫入光束的曝光。
7.根據從屬於權利要求1的權利要求5的方法，其特徵在於該方法包括下列步驟沿光柵在某些位置處按與光纖在這些位置處的直徑有關係的方式有選擇地對另一寫入光束曝光。
8.一種在標稱有均勻直徑的波導中生產光纖波導光柵的方法，該方法包括下列可重複的步驟在已知物理間距的光學波導一部分中生產出光柵部分；測量相對至少是最近寫入的光柵部分的預定響應的偏差；以及根據測出的至少是對於最近寫入的光柵部分的偏差，改變用於寫入下一個光柵部分的光柵參數。
9.一種在標稱有預定直徑輪廓的波導中生產光學光柵的方法，該方法包括下列步驟沿光柵在某些位置處按與波導在這些位置處的直徑和所述預定直徑輪廓的偏差有基本上相反關係的方式改變光柵的特徵。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於，所述波導具有標稱為均勻的直徑輪廓。
11.根據權利要求9或權利要求10的方法，其特徵在於，所述光柵特徵是光柵間距。
12.根據權利要求1至11中任何一個的方法，其特徵在於，所述波導是光纖。
13.一種在標稱有預定直徑輪廓的波導中形成的光學波導光柵，其中，沿光柵在某些位置處按與波導在這些位置處直徑和所述預定直徑輪廓的偏差有基本上相反關係的方式改變光柵的特徵。
14.根據權利要求13的光柵，其特徵在於，所述波導具有標稱為均勻的直徑輪廓。
15.根據權利要求14或權利要求15的光柵，其特徵在於，所述光柵特徵是光柵間距。
16.根據權利要求13至15中任何一個的光柵，其特徵在於，所述波導是光纖。
17.根據權利要求13至16中任何一個的光柵，其特徵在於，所述光柵是基本上為線性的線性調頻光柵。
全文摘要
一種光學波導光柵，形成在具有標稱為均勻直徑的波導中。沿光柵在某些位置處按與波導在這些位置處的直徑有基本上相反關係的方式來改變光柵的特徵。
文檔編號G01B11/08GK1404570SQ9881170
公開日2003年3月19日 申請日期1998年10月23日 優先權日1997年10月24日
發明者理察·艾恩·拉明, 麥可·凱文·杜爾金, 莫藤·伊布森 申請人:皮雷利·卡維系統有限公司