DE69906282T2

DE69906282T2 - Kontrollierter phasenunterschied zwischen zwei lichtwellen zum schreiben von bragg-gittern

Info

Publication number: DE69906282T2
Application number: DE69906282T
Authority: DE
Inventors: Dmitrii Stepanov; Mark Sceats
Original assignee: University of Sydney
Current assignee: University of Sydney
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: US7018745B2; CA2332992C; DE69906282D1; US20060147811A1; EP1082627A1; KR20010070949A; WO1999063371A1; CA2332992A1; AUPP381698A0; EP1082627B1; JP2002517768A; US20090121392A1; US20030124438A1; EP1082627A4; KR100758021B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung von Bragg-Gittern oder dergleichen in Wellenleitern, die im UV etc. photosensitiv sind, unter Nutzung von Interferenzmustern im UV oder dergleichen.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf das Schreiben von Gittern oder anderen Strukturen in einem photosensitiven Lichtwellenleiter gerichtet. Die Erzeugung eines Gitters unter Nutzung des Interferenzmusters von zwei sich überlagernden kohärenten UV-Strahlenbündel ist weithin bekannt. Diese Technologie zur Herstellung von Bragg-Gittern ist umfassend im US-Patent 4,725,110 von W. H. Glenn et. al. und im US-Patent Nr. 4,807,905 von W. H. Glenn et. at. beschrieben.
Bragg-Gitterstrukturen sind zunehmend nützlich geworden und die Forderungen nach immer noch längeren Gitterstrukturen mit immer höheren Qualitätseigenschaften hat zu einem allgemeinen Bedarf der Erzeugung von verbesserten Gitterstrukturen geführt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schreiben einer erweiterten Gitterstruktur in einem photosensitiven Wellenleiter geschaffen, welches wenigstens zwei einander überlagernde bzw. überlappende Lichtbündel nutzt, um ein Interferenzmuster zu bilden, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Bewegen des Wellenleiters durch das Interferenzmuster, und gleichzeitiges Steuern einer relativen Phasenverzögerung zwischen den Bündeln unter Nutzung eines Phasenmodulators, und hierdurch Steuern der Positionen der Maximas innerhalb des Interferenzmusters, wobei der Phasenmodulator keine mechanische Einrichtung zur Bewirkung der Phasenmodulation enthält.
Der Modulator kann einen elektro-optischen Phasenmodulator, einen magnetooptischen Phasenmodulator, einen Frequenzschieber, oder eine andere Form eines steuerbaren optischen Verzögerungseinrichtung enthalten.
Die wenigstens zwei überlappenden Bündel können durch das Teilen eines einzelnen kohärenten Lichtbündels gebildet werden.
Der Schritt der Steuerung der relativen Phasenverzögerung kann vor oder nach dem Teilen des einzelnen kohärenten Bündels ausgeführt werden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt der Reflektion des Bündels um einen optischen Kreis enthalten, welcher eine Reihe von Reflektionselementen zum Überlappen der Bündel aufweist, um das Interferenzmuster zu bilden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt der Nutzung einer Rückkopplungsschleife bei der Steuerung der Phasenverzögerung enthalten, um die Störurugseigenschaften der erweiterten Gitterstruktur zu verbessern. Die Rückkopplungsschleife kann eine optoelektronische Rückkopplungsschleife enthalten.
Die Gitterstruktur kann ein gechirptes und/oder ein apodisiertes Gitter enthalten. Das Gitter kann ein vorbestimmtes Stärkeprofil und/oder Zeitintervallprofil und/oder Phasenprofil aufweisen.
In einer Ausführungsform können die Bündel im wesentlichen orthogonale Polarisationszustände aufweisen, wobei der Modulator die relative Phasenverzögerung zwi schen den Polarisationszuständen moduliert, und die Polarisationszustände vorzugsweise nachfolgend zur Modulation ausgerichtet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ungeachtet anderer Ausführungsformen, welche in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft mit Verweis auf die beigefügten Figuren erläutert, in denen:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine Form der Ansteuerung des elektro-optischen Modulators entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung illustriert;
3 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Beschreibung von bevorzugten und weiteren Ausführungsformen
In 1 ist eine Anordnung 1 einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, welche ähnlich der zuvor angesprochenen Anordnung von Glenn et. al. ist mit der zusätzlichen Einfügung eines optischen Phasenmodulationselements 2. Die Grundfunktion der Anordnung gemäß 1 liegt darin, daß eine UV-Quelle 3 einer Strahlenteilung durch einen Strahlenteiler 4 unterliegt, um zwei kohärente Bündel 5 und 6 zu bilden. Eine in geeigneter Weise im Aufbau plazierte Phasenmaske kann genutzt werden, um das Bündel zu teilen. Jedes Bündel wird durch einen geeignet positionierten Spiegel wie z. B. 7 und 8 derart reflektiert, daß sich die Bündel in der Region 9 überlappen. In dieser Region ist ein photosensitiver Lichtwellenleiter 10 plaziert, auf dem eine erweiterte Gitterstruktur geschrieben werden soll. Das Wesentliche der bevorzugten Ausführungsform liegt darin, den Phasenmodulator 2 zu nutzen, um die relative Phasendifferenz zwischen den beiden Bündeln 5 und 6 am Punkt der Interferenz 9 derart zu modulieren, daß das Interferenzmuster statisch im Referenzrahmen des Lichtwellenleiters 10 verbleibt, wenn der Wellenleiter insgesamt in die Richtung 12 bewegt wird. Der Phasenmodulator 2 kann ein elektro-optischer Modulator einer bekannten Bauart mit einem ADP, KD*P, BB0 Kristalltyp sein, der bei der Wellenlänge der UV-Quelle transparent ist. Geeignete elektro-optische Kristalle sind von vielen Herstellern optischer Komponenten verfügbar, wie von Leysop Limited unter den Modellnummern EM200A und EM 200K. Der Modulator arbeitet so, daß eine gesteuerte Phasenverzögerung des Bündels 5 relativ zum Bündel 6 hergestellt wird. In einem ersten Beispiel wird die Steuerung durch Festlegung des Niveaus eines vorgegebenen Eingangssignals erzielt, wenn die Faser 10 mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird. Das Eingangssignal kann in diesem Falle eine Sägezahnwellenform aufweisen, wie in 2 dargestellt ist, wobei die maximale Sägezahnmagnitude so festgelegt ist, daß sie äquivalent zu einer 2π Phasenverzögerung ist. Die Flanke bzw. Steigung der Sägezahnwellenform ist so festgelegt, daß sie die Geschwindigkeit des sich verändernden Maximas des Interferenzmusters zu der der Faser 10 nahezu trifft.
Folglich können die bekannten herkömmlichen mechanischen Verfahren zur Bewegung jedes Abschnitts der Vorrichtung mit und längs verteilt werden, oder gestochene Interferenzmuster können durch die Nutzung der Phasenmodulationsvorrichtung 2 erzielt werden, um die erforderliche optische Phasendifferenz zwischen die sich überschneidenden UV-Bündel 5 und 6 einzubringen. Da die Phase sich hinsichtlich einer 2π-Veränderung nicht ändert, besteht kein Bedarf zur Einbringung großer Phasendifferenzen, was die erforderlichen Amplituden der Phasenänderung auf 2π begrenzt und es ermöglicht, nahe dem Balancepunkt des Interferometers zu arbeiten. Die elektro-optisch induzierte Phasenveränderung veranlaßt das Interferenzmuster zur Bewegung entlang der Faser, wenn sich die Faser selbst bewegt, und die Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung kann entsprechend den Anforderungen festgelegt werden. Die Sägezahnwellenform erzielt den Effekt von „Lauflichtern".
Elektro-optische Modulatoren wie die zuvor genannten können mit sehr geringen Ansprechzeiten und extrem hohen Grenzfrequenzen arbeiten. Folglich kann die Sägezahnflanke praktisch unsichtbar abfallen und ein nahezu perfekter Stich kann erzielt werden. Bei einer Abtastgeschwindigkeit von 6 mm pro Minute kann die Modulationsfrequenz ungefähr 200 Hz betragen.
Durch Aufbringung einer Differenzgeschwindigkeit zwischen der Faser und dem Muster oder durch geeignete Steuerung der Phasenverzögerung kann ferner eine Wellenlängenverschiebung im Vergleich zum statischen Fall erzielt werden. Eine Beschleunigung oder geeignete Steuerung der Phasenverzögerung kann genutzt werden, um ein Chirp etc. herzustellen. Uberdies kann auch eine Apodisation durch geeignete zusätzliche Modulation des elektro-optischen Modulators hergestellt werden.
Die beschriebene Ausführungsform weist den Vorteil auf, daß alle optischen Elemente statisch vorliegen mit Ausnahme der sich bewegenden Faser. Daher ermöglicht sie die Fokussierung der sich überschneidenden Bündel dicht auf der Faser und erzielt eine räumliche Auflösung, die fundamentalen Grenzen erreicht (in der Größenordnung der Schreibwellenlänge im UV ist die praktische Grenze der Faserkerndurchmesser). Die statische Interferometeranordnung selbst führt zu einem verringerten Phasen- und Amplitudenrauschen des Interferenzmusters. Zudem schafft die Möglichkeit der Steuerung der Phase und Amplitude des Musters unter Nutzung einer Rückkopplungsschleife ein Mittel zur Verbesserung der Störungs- oder Rauscheigenschaften des Interferometers in wesentlicher Weise.
Einige weitere Verfeinerungen sind möglich. Um die Geschwindigkeit der Faser 10 und die Frequenz des elektro-optischen Modulators genau treffend zueinander zu gestalten; kann beispielsweise ein einfacher abtastinterferometischer Sensor gemäß Fabry-Perot verwendet werden, um die Relativlagen der Faser und des Interferenzmusters 9 zu messen. Ein hochfeiner Resonator (F) kann verwendet werden, um die Genauigkeit der Distanzmessung in wesentlich besserer Weise zu erzielen, als die Wellen länge der Quelle mit einer schmalen Linienbreite, welche im Sensor eingebaut sein kann.
Durch Abtastung des Fabry-Perot mit einer konstanten Rate oder durch Wobbelung der Laserfrequenz kann die Position präzise (1/2 F) bestimmt werden. Um die Auflösung weiter zu verbessern, kann eine Umwandlung des Interferometers in einen Laser im Grenzwert erforderlich sein. In diesem Fall ist die Feinheit F des Hohlraums nahe dem Unendlichen und die Auflösung verbessert sich. Andere Arten von interferometischen Sensoren wie ein Michelson-Interferometer können verwendet werden, um die Faserposition gegenüber dem Interferenzmuster genau zu bestimmen.
Natürlich sind andere Anordnungen möglich, die dieses Prinzip nutzen. Beispielsweise lehrt die PCT-Anmeldung Nr. PCT/AU96/00782 von Ouellette et. al. eine verbesserte niedrig-rauschempfindliche interferometrische Anordnung, welche auf einer Anordnung eines „Sagnac-Schleifen-" Typs arbeitet. In 3 ist eine abgewandelte Form der Ouellette-Anordnung dargestellt, welche die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung enthält. In dieser abgewandelten Ausführungsform wird ein anfängliches Eingangs-UV-Bündel 20 durch eine Phasenmaske 21 so gebeugt, daß zwei Ausgangsbündel 22 und 23 hergestellt werden. Das Bündel 23 wird durch Spiegel 24 und 25 so reflektiert, daß es auf die Faser 26 im Bereich 27 fällt. Gleichermaßen wird das Bündel 22 durch den Spiegel 25 und den Spiegel 24 reflektiert, bevor es durch einen. elektro-optischen Modulator 28 hindurch läuft, welches die Phase des Bündels relativ zum Bündel 23 modifiziert. Die beiden Bündel überschneiden sich im Bereich 27. Die Phase des Interferenzmusters kann durch den Modulator 28 in der gleichen Weise wie zuvor erläutert gesteuert werden. Auf diese Weise können die Vorteile der vorher genannten Oullette-Anordnung in einer stabilen mechanischen Anordnung dahingehend genutzt werden, daß es nicht erforderlich ist, das Bündel über die Phasenmaske 21 zu wobbeln oder eine andere Bewegung über jene der elektrischen Modulation des Modulatorelements 28 hinaus auszuführen, während eine erweiterte Gitterstruktur gebildet wird. Überdies kann der Interferometer eingestellt werden, um nahe seinem Balance punkt zu arbeiten und eine UV-Quelle mit niedriger Kohärenzlänge kann in dieser Anordnung genutzt werden.
Ferner könnte ein Phasenmodulator basierend auf einem magneto-optischen Effekt anstelle eines elektro-optischen Modulators verwendet werden. In der Sagnac-Interferometeranordnung kann er derart plaziert sein, daß beide sich überschneidende Bündel die Faraday-Zelle in entgegengesetzten Richtungen derart durchlaufen, daß eine nicht umkehrbar gesteuerte relative Phasenverzögerung zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Bündeln eingebracht wird.
In 4 ist eine alternative Anordnung zur Einbringung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dieser Anordnung wird die Ausgabe eines UV-Lasers 30 anfänglich linear polarisiert 31, bevor sie durch einen elektro-optischen Modulator 32 hindurchläuft, welche den Polarisationszustand des Bündels modifiziert. Die Polarisationsebene des UV-Bündels hinsichtlich der birefrigenten Achsen des elektrooptischen Modulators 32 ist derart, daß sich zwei orthogonale Polarisations-Eigenzustände mit gleichen Intensitäten im Modulator ausbreiten, wobei einer der Eigenzustände phasenmoduliert ist, während dies der andere nicht ist. Die Anordnung nutzt einen Polarisationsstrahlenteiler 33, um die Polarisationszustände zu separieren, und eine Halbwellenplatte 34 wird verwendet, um die Polarisation von einem der sich ergebenden Bündel um 90° zu drehen, um so das Auftreten der Interferenz zwischen den Bündeln zu ermöglichen. Die Bündel werden durch Spiegel 36 und 37 weiter reflektiert, so daß sie im Bereich 39 auf die Faser 38 fallen, um ein Interferenzmuster in Verbindung mit der Bewegung der Faser 38 herzustellen. Die Phase des Interferenzmusters kann durch den Modulator 32 in der gleichen Weise wie zuvor erläutert gesteuert werden, um eine erweiterte Gitterstruktur herzustellen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann ein akusto-optischer (AO) Wanderwellenmodulator als ein Modulationselement 2 verwendet werden, der bei der Wellenlänge der UV-Quelle 3 transparent ist, um eine Frequenzverschiebung des gebeugten Lichts herzustellen. Die Interferenz zwischen den beiden Bündeln mit unter schiedlichen Frequenzen im Bereich 9 resultiert in einem Interferenzmuster, welches sich mit einer Geschwindigkeit V = –∆ν·Λ/2 bewegt. Bei einer Frequerzverschiebung von ∆ν = 200 Hz und einem Interferenzmusterintervall von A = 1 μm ist die Geschwindigkeit des Musters v = 6mm/min, und der Lichtwellenleiter 10 sollte mit dieser Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegt werden. In diesem Fall müssen keine speziell modulierten Wellenformen aufgebracht werden, wobei der Steuerparameter die Frequenzverschiebung ist. Da die meisten kommerziellen akusto-optischen Modulatoren in einem MHz-Bereich arbeiten, kann eine Frequenzverschiebung des zweiten Interferenzbündels erforderlich werden, um eine unterschiedliche Frequenzverschiebung im Hz bis kHz-Bereich zu erzielen. Ferner kann auch ein Bedarf für eine geringere Einstellung im Vergleich zur elektro-optischen Modulationsanordnung gemäß 1 gegeben sein, da der Bragg-Winkel mit der Frequenz variiert, welche auf das AO-Modulationssignal aufgebracht ist, das in einem Versatz des gebeugten Bündels resultiert. Der Effekt dieses Versatzes kann jedoch dadurch reduziert werden, daß der Aufbau kompakt gemacht wird. Ferner kann auch eine weitere Justierung vorgenommen werden, da AO-Modulatoren Resonanzen äußern.
In einer abgewandelten Ausführungsform können eine optische Phasenmaske, ein optischer Keil oder eine optische Wellenplatte genutzt werden. Die optische Phasenmaske kann auch eine Funktion als Strahlenteiler haben. Die Ausführungsform, welche die Phasenmaske nutzt, ist für alle bekannten Interferometeranordnungen geeignet, die auf Basis von Phasenmasken arbeiten, wie z. B. die Phasenmasken-Direktschreibtechnolgie, oder eine Sagnac-Interferometerschreibtechnologie (wie jene durch Ouellette, welche in der PCT-Anmeldung PCT/AU96/00782 offenbart ist), oder wenn das zuvor genannte System gemäß Glenn et. al. genutzt wird.
Es ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet erkennbar, daß zahlreiche Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung gemäß der dargelegten Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er umfassend beschrieben wurde. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in allen Aspekten nur darstellend und nicht beschränken zu sehen.

Claims

Verfahren zum Schreiben einer erweiterten Gitterstruktur in einem photosensitiven Wellenleiter, mit den Schritten: – Nutzen von wenigstens zwei überlappenden Lichtbündeln, um ein Interferenzmuster zu bilden; –Bewegen des Wellenleiters durch das Interferenzmuster; und – gleichzeitiges Steuern einer relativen Phasenverzögerung zwischen den Bündeln unter Nutzung eines Phasenmodulators, und hierdurch Steuern der Positionen der Maximas innerhalb des Interferenzmusters, wobei der Phasenmodulator keine mechanische Einrichtung zur Bewirkung der Phasenmodulation enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei überlappenden Bündel durch das Teilen eines einzelnen kohärenten Lichtbündels gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schrritt der Steuerung der relativen Phasenverzögerung vor dem Teilen des einzelnen kohärenten Bündels ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt der Steuerung der relativen Phasenverzögerung nach dem Teilen des einzelnen kohärenten Bündels ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt der Steuerung der relativen Phasenverzögerung beim Teilen des einzelnen kohärenten Bündels ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei der Modulator einen elektrooptischen Phasenmodulator enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Modulator einen magnetooptischen Phasenmodulator enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Modulator ein Frequenzschieber ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Frequenzschieber einen akustooptischen Frequenzschieber enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Modulator ein steuerbares optisches Verzögerungsglied bzw. eine optische Verzögerungsleitung enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren ferner den Schritt der Reflektion des Bündels um einen optischen Kreis enthält, welcher eine Reihe von Reflektionselementen zum Uberlappen der Bündel aufweist, um das Interferenzmuster zu bilden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner mit der Nutzung einer Rückkopplungsschleife bei der Steuerung der Phasenverzögerung, um die Störungseigenschaften der erweiterten Gitterstruktur zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Rückkopplungsschleife eine optoelektronische Rückkopplungsschleife enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur ein gechirptes Gitter enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur ein apodisiertes Gitter enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur ein vorbestimmtes Stärkeprofil aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur ein vorbestimmtes Zeitintervallprofil aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur ein vorbestimmtes Phasenprofil aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bündel im wesentlichen orthogonale Polarisationszustände aufweisen, wobei der Modulator die relative Phasenverzögerung zwischen den Polarisationszuständen moduliert, und wobei das Verfahren ferner den Schritt der Ausrichtung der Polarisationszustände nachfolgend zur Modulation der relativen Phasenverzögerung enthält.