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光學(xué)波導(dǎo)光柵的生產(chǎn)的制作方法

文檔序號(hào):2770275閱讀:164來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:光學(xué)波導(dǎo)光柵的生產(chǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)光學(xué)波導(dǎo)光柵的方法和設(shè)備。
可通過(guò)將光纖芯曝露于限定光柵周期的干涉圖案來(lái)形成諸如光纖光柵之類的光學(xué)波導(dǎo)光柵。通過(guò)沿光纖發(fā)射來(lái)自工作在514nm波長(zhǎng)上的氬離子激光器的激光,可以首先試驗(yàn)性地證實(shí)在光纖的芯中形成光纖光柵,因此,可在光纖的整個(gè)長(zhǎng)度上形成光柵。
最近的工藝方法使用了入射到光纖側(cè)面上的干涉圖案,以便在光纖芯和/或覆層內(nèi)的光敏區(qū)域上施加以光柵結(jié)構(gòu)。
用于產(chǎn)生這種干涉圖案的方法包括棱鏡-干涉儀[見以下稱為“Broer”的引用文獻(xiàn)]、衍射光柵/相位-掩模[Anderson]以及組合的相位-掩模和棱鏡-干涉儀[Armitage]。GB-A-2272075說(shuō)明另一種方法,其中用透鏡將相位掩模成象到光纖芯上。
但是,已有的問(wèn)題是在生產(chǎn)過(guò)程中例如生成長(zhǎng)的(幾厘米或更大的)線性調(diào)頻光柵時(shí)調(diào)諧光柵間距的問(wèn)題,在所說(shuō)的線性調(diào)頻光柵中,間距會(huì)沿光柵的長(zhǎng)度發(fā)生變化。
這對(duì)多光束干涉儀是一項(xiàng)非常困難的任務(wù),因?yàn)閷懭爰す馐南喔砷L(zhǎng)度要使得對(duì)保持所生成的干涉圖案的良好可視性來(lái)說(shuō)起關(guān)鍵作用的不同光路有精細(xì)的匹配。
以前業(yè)已由相位掩模放大技術(shù)[Prohaska]和以與光束直徑有關(guān)的最大調(diào)諧為基礎(chǔ)的調(diào)諧方案[Cole和GB9509874.5]報(bào)導(dǎo)過(guò)相對(duì)均勻的相位掩模來(lái)調(diào)諧光柵的間距。在上述兩種情況中,最大調(diào)諧量可以是(約)10nm(毫微米),并且,后一種系統(tǒng)更靈活。
本發(fā)明提供一種光柵生產(chǎn)設(shè)備,該設(shè)備包括一相位掩模,它用于將入射光束分成多個(gè)衍射光束;以及一聚焦裝置,它用于接收來(lái)自相位掩模的光并將至少兩個(gè)非零級(jí)衍射光束會(huì)聚到一起,以便在這些會(huì)聚的光束之間產(chǎn)生一干涉區(qū),由此可在被置于該干涉區(qū)內(nèi)的光波導(dǎo)上施加以光柵結(jié)構(gòu)。
相位掩模和聚焦裝置的至少一部分可彼此相對(duì)移動(dòng),以便改變會(huì)聚光束的會(huì)聚角。
在本發(fā)明中,用透鏡將相位掩模成象到波導(dǎo)上。但是,除了將相位模掩和透鏡的相對(duì)位置調(diào)諧成間距與透鏡(就系統(tǒng)的最大機(jī)械穩(wěn)定性而言一般要求有透鏡)焦距相等的通常步驟以外,還采用改變相位掩模和透鏡的間距這樣的非直覺步驟,以改變會(huì)聚光束的會(huì)聚角。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)立即認(rèn)識(shí)到,這又會(huì)改變?nèi)肷涞讲▽?dǎo)上的干涉條紋間距。
本發(fā)明的原型實(shí)施例可以證實(shí)27nm的調(diào)諧范圍,即約為迄今為止所提到的最佳調(diào)諧范圍的三倍。
與用于寫入布拉格光纖光柵的其它技術(shù)相比,特別是在與其中光纖在線性調(diào)頻或均勻的相位掩模后面的干涉圖案中移動(dòng)這樣的技術(shù)(例如GB9617688.8提出的“步進(jìn)并重復(fù)”技術(shù))一道使用時(shí),本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能提供光柵與相位掩模之間不接觸或不作緊密接觸,從而避免在移動(dòng)的玻璃表面之間產(chǎn)生靜電。
通過(guò)使用透鏡,可更精確地將寫入用光束的能量聚焦到光柵基體的光學(xué)波導(dǎo)芯上而不是使其透過(guò)例如光纖的側(cè)面。
在本申請(qǐng)[Ouellette]的優(yōu)先權(quán)日之前兩年,已知用連續(xù)的工藝不可能生產(chǎn)出長(zhǎng)的相位-掩模(>5cm),而必須要使用步進(jìn)-寫入e-束技術(shù)。但是,連接部分之間的重復(fù)精度不足以確保按相位-掩模周期間隔開,從而會(huì)導(dǎo)致沿相位掩模長(zhǎng)度的周期性“接合誤差”。有問(wèn)題的重疊區(qū)會(huì)導(dǎo)致相位移,相移則會(huì)降低用這種相位掩模寫出的光柵的質(zhì)量。甚至沿非接合的相位掩模進(jìn)行掃描也會(huì)將光柵質(zhì)量局限于在相位掩模的凹槽深度圖案方面有均勻性.相位掩模的凹槽深度變化會(huì)導(dǎo)致能量在零級(jí)中波動(dòng),從而導(dǎo)致能量在相位掩模的負(fù)一干涉級(jí)和正一干涉級(jí)中波動(dòng),因此會(huì)導(dǎo)致光柵中的背景(dc)電平增加并降低干涉圖案的可視性。所有這些因素都會(huì)降低所生成的光柵的質(zhì)量。相反,本發(fā)明可避免或消除這種相位掩模光柵質(zhì)量的下降,這僅僅是因?yàn)榭蓪懭胗霉馐谙辔谎谀I系奈恢帽3趾愣ā?br> 盡管可將本發(fā)明實(shí)施為“自由空間”干涉儀(有時(shí)被看作是一種缺點(diǎn)),但是,實(shí)際上可僅用一單透鏡來(lái)捕獲和重組干涉光束從而實(shí)施本發(fā)明。再有,可最佳地簡(jiǎn)化上述調(diào)諧方案,因?yàn)樵摲桨竷H包括透鏡相對(duì)相位掩模的相對(duì)移動(dòng)。如果沿寫入用光束的方向進(jìn)行這種移動(dòng),那么就不會(huì)影響兩個(gè)干涉光束之間的相干性。
本發(fā)明還提供一種光柵生產(chǎn)方法,該方法包括下列步驟將光束照射到相位掩模上,以便將該光束分成多個(gè)衍射光束;用一聚焦裝置將至少兩個(gè)非零級(jí)的衍射光束會(huì)聚到一起,以便在這些會(huì)聚的光束之間產(chǎn)生一干涉區(qū),由此可在被置于該干涉區(qū)內(nèi)的光波導(dǎo)入上施加以光柵結(jié)構(gòu);以及在相位掩模和聚焦裝置的至少一部分之間提供相對(duì)移動(dòng),以便改變這些會(huì)聚光束的會(huì)聚角。
以下僅參照附圖以舉例的方式說(shuō)明本發(fā)明,在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光柵生產(chǎn)設(shè)備的概略圖;圖2是一曲線圖,它表示用于透鏡相對(duì)移動(dòng)的理論調(diào)諧曲線;圖3a說(shuō)明在透鏡位置固定和移動(dòng)相位掩模位置情況下用于f=17.7mm的透鏡的經(jīng)驗(yàn)調(diào)諧曲線;圖3b說(shuō)明在相位掩模位置固定和移動(dòng)透鏡位置情況下用于f=17.7mm的透鏡的經(jīng)驗(yàn)調(diào)諧曲線;圖4a和4b說(shuō)明用圖1的干涉儀寫出的85cm長(zhǎng)的線性的線性調(diào)頻光纖光柵其經(jīng)驗(yàn)的反射和時(shí)間延遲特征。
參照?qǐng)D1,激光光源(例如紫外激光光源)10和準(zhǔn)直透鏡20產(chǎn)生一被準(zhǔn)直的紫外光束30。該光束入射到相位掩模40上,從而給出所謂的零級(jí)、負(fù)一級(jí)和正一級(jí)衍射光束(還可能有其它更高階的光束,它們與說(shuō)明無(wú)關(guān))。零級(jí)光束沿與入射光束相同的方向傳播,而負(fù)一級(jí)和正一級(jí)光束則相對(duì)入射光束有角度偏移,如圖所示。
不透明的障礙物50設(shè)置在零級(jí)光束的光路中,因此只有負(fù)一級(jí)和正一級(jí)的光束會(huì)入射到帶減反涂層的雙凸球面透鏡60上。
入射到透鏡60上的負(fù)一級(jí)和正一級(jí)光束被聚焦于蓋住光纖波導(dǎo)80芯的區(qū)域70(或要施加以光柵的其它區(qū)域)。在這兩個(gè)光束之間會(huì)形成一干涉圖,并且將按干涉條紋的間距寫出光柵結(jié)構(gòu)。
除了用于沿光纖掃描寫入光束(反之亦然,見GB9617688.8)的任何移動(dòng)平臺(tái)(未表示)以外,相位掩模40和/或透鏡60安裝在移動(dòng)平臺(tái)90上(為清楚起見,用示意的點(diǎn)劃線來(lái)表示),移動(dòng)平臺(tái)90在控制電路100的控制下設(shè)置成能改變相位掩模40和透鏡60的相對(duì)間距。以下詳細(xì)說(shuō)明這種間距的作用以及用這種技術(shù)獲得的某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
就以下的說(shuō)明而言,用d1來(lái)表示從相位掩模P1上的干涉點(diǎn)到透鏡的距離,用d2來(lái)表示從透鏡到象點(diǎn)P2的距離。相位掩模的周期稱為λpm,透鏡的焦距為f。從文獻(xiàn)中已知,通過(guò)相位掩模的衍射級(jí)之間的角度由下式給出θpm=sin-1(λiλpm)(1)]]>其中,λi是垂直入射到相位掩模上的光的波長(zhǎng)。所以-1和+1干涉級(jí)之間的角度為2θ pm。干涉的周期是Λ=λi2·sin(θpm)(2)]]>焦距f、d1與d2之間的關(guān)系由下列成象公式給出1f=1d1+1d2(3)]]>所以,就P1和P2的1∶1成象而言,d1=d2=2f。
為了說(shuō)明示例性數(shù)字與上述公式的關(guān)系,使用了1060nm的相位掩模周期以及波長(zhǎng)為244nm的紫外光。從式(1)中給出衍射級(jí)之間的分開角度為13.31°,從而給出-1與+1級(jí)之間為26.62°角。根據(jù)式(2)可給出干涉圖案530nm的周期。如果選定了直徑為25.4m m(1英寸)的標(biāo)準(zhǔn)透鏡,則透鏡的凈直徑Dcl一般為所述直徑的居中的85%。所以Dcl為21.6mm。從相位掩模到透鏡的最大距離是dmaxtan(θpm)=12·Dcldmax(4)]]>所以 依照(3),1英寸透鏡的最大焦距具有fmax=22.8mm。
通過(guò)改變距離d1可以調(diào)諧干涉光束的周期并調(diào)諧布拉格波長(zhǎng)。依照成象公式(3),用于固定焦距f的d2與可變d1的關(guān)系是d2(d1)=f1-fd1,d1∈[f;dmax](6)]]>如果如在薄透鏡近似法的情況下那樣,假定光束在距透鏡的中心軸線射出透鏡與其射入透鏡以相同的距離,則θ pm與θim之間的關(guān)系為tan(θim)·d2=tan(θpm)·d1-θim=tan-1(d1d2·tan(θpm))(7)]]>見圖1。
這樣,就獲得了作為d1函數(shù)的用于成象平面中干涉光束之間角度的表達(dá)式,可以獲得用于布拉格波長(zhǎng)調(diào)諧的表達(dá)式,它是相對(duì)1∶1成象情況進(jìn)行解調(diào)的函數(shù)。所述表達(dá)式為ΔλB=λave·λi·(1sin(θim)-1sin(θpm))(8)]]>其中,nave是光柵中的平均折射率。
圖2示出了就f的不同值和nave=1.46而言公式(8)的曲線圖。從圖2中可以看出,使用較短焦距的透鏡會(huì)給出每單位長(zhǎng)度變化有較高的波長(zhǎng)位移,從而,需要在調(diào)諧d1時(shí)有較高的精度。
可用d1=dmax來(lái)獲得對(duì)較短的波長(zhǎng)最大限度地解調(diào),從而給出成象平面內(nèi)的干涉光束之間的最大角。從理論上說(shuō),通過(guò)將d1調(diào)諧至f,可以獲得任何大于由相位掩模所限定的波長(zhǎng)的布拉格波長(zhǎng)。
這種調(diào)諧相位掩模間距的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,干涉光束的寬度不再限于相位掩模前面約30μm直徑的光束。需要上述直徑,以便將光纖芯曝露于紫外干涉,它來(lái)自相位掩模各干涉級(jí)的分裂角,見(1)上述方法能使干涉光束聚焦到光纖芯上而不是光纖的側(cè)面上,從而在有關(guān)的區(qū)域內(nèi)有較高的能量密度。另一點(diǎn)是能通過(guò)在寫入過(guò)程中掃描透鏡來(lái)生產(chǎn)出有很寬帶寬的線性調(diào)頻光柵。此外,這種技術(shù)能最佳地寫出超結(jié)構(gòu)的光柵,這種光柵通常需要使光柵的細(xì)部長(zhǎng)度降至約20μm。
理想的是,控制透鏡相對(duì)相位掩模位置移動(dòng)的平臺(tái)90,需要有約1μm的精度并應(yīng)有數(shù)百微米的最大位移,以便使用所述方法的所有潛能。但是,當(dāng)然也可以使用較低精度的移動(dòng)平臺(tái)和/或有較小位移的移動(dòng)平臺(tái)。
相位掩模上優(yōu)選有準(zhǔn)直光束,從而能避免來(lái)自發(fā)散光束的任何畸變。后一點(diǎn)可通過(guò)在相位掩模之前適當(dāng)位置處設(shè)置準(zhǔn)直透鏡20或準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡來(lái)加以解決。
下表Ⅰ中概括了上述某些問(wèn)題。表Ⅰ 表Ⅰ中的數(shù)字基于以下內(nèi)容λpm=1060nmλi=244nmnave=1.46透鏡直徑為25.4mm圖3a、3b、4a和4b說(shuō)明用圖1的原型裝置獲得的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。
圖3a和3b說(shuō)明對(duì)于焦距f=17.7且λpm=1057.1nm的透鏡獲得的兩條調(diào)諧曲線。圖3a示出了通過(guò)使相位掩模移動(dòng)且將透鏡保持在固定位置而獲得的從1535.5nm至1550nm的調(diào)諧范圍以及0.94nm/10μm的斜率。圖3b示出了通過(guò)使透鏡移動(dòng)且使相位掩模有固定位置而獲得的從1522nm至1549nm的調(diào)諧范圍以及0.92nm/10μm的斜率。
圖4a和4b說(shuō)明用圖1的干涉儀寫出的線性的線性調(diào)頻光纖光柵的經(jīng)驗(yàn)的反射和時(shí)間延遲特征。光柵為85cm長(zhǎng)、有3nm的帶寬并且是用100mW的來(lái)自倍頻氬離子激光器的連續(xù)波紫外光寫出的。在帶有D2的高NA(0.2)光纖上寫出所說(shuō)的光柵。
用雙凸面透鏡去捕獲并重組來(lái)自相位掩模的衍射級(jí)的優(yōu)點(diǎn)在于,就1∶1的成象而言,它周知是“最佳形式”。這是因?yàn)?,它不?huì)引進(jìn)任何象差。此外,所說(shuō)的實(shí)施例是簡(jiǎn)單的并且是耐用的,它僅在此干涉儀中使用了一個(gè)透鏡元件。而且,通過(guò)屏蔽來(lái)自相位掩模的0級(jí)光束,可在干涉-1和+1級(jí)之間的干涉圖內(nèi)獲得更好的可視性。
可考慮某些防范措施來(lái)進(jìn)一步提高圖1的干涉儀的性能。這些措施之一是在成象平面內(nèi)的干涉點(diǎn)是由平面波構(gòu)成時(shí)預(yù)期獲得最佳結(jié)果。這一點(diǎn)可通過(guò)下述方法獲得即用透鏡將被準(zhǔn)直的寫入光束聚焦到相位掩模上,所述透鏡的焦距精確地兩倍于干涉儀透鏡自身的焦距。
圖1的設(shè)備業(yè)已被用于生產(chǎn)85cm長(zhǎng)的線性調(diào)頻光纖光柵,這種光柵是用帶有1英寸直徑透鏡的干涉儀寫入的,從而就小型化(原型裝置的長(zhǎng)度只有約7cm)而言顯示出了這種裝置的實(shí)用性,但是,本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)然會(huì)注意到,對(duì)某些特定的目的而言,帶有較大透鏡的干涉儀可能會(huì)更實(shí)用,其中與相對(duì)較大的透鏡調(diào)諧布拉格波長(zhǎng)有關(guān)的降低容限被看作是優(yōu)點(diǎn)。
上述設(shè)備可供諸如GB9617688.8所述的系統(tǒng)使用,也就是說(shuō),涉及生產(chǎn)出有不同折射率的多條光柵線的光學(xué)波導(dǎo)光柵的技術(shù)包括下列步驟(ⅰ)以重復(fù)的方式將具有空間周期的寫入光圖案曝光于光敏的光學(xué)波導(dǎo)上;以及(ⅱ)在寫入光圖案的連續(xù)曝光之間移動(dòng)寫入光圖案和/或波導(dǎo),由此可通過(guò)至少兩次曝光于寫入光圖案的相應(yīng)不同區(qū)域而產(chǎn)生每條至少是大多數(shù)的光柵線。
按照這種技術(shù),前述設(shè)備和方法可用于提供具有可變光柵間距的寫入光束??捎靡粋€(gè)或多個(gè)移動(dòng)平臺(tái)或者可以通過(guò)使透鏡60傾斜而獲得寫入光束與波導(dǎo)之間的運(yùn)動(dòng)。
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權(quán)利要求
1.一種光柵生產(chǎn)設(shè)備,該設(shè)備包括一相位掩模,它用將入射光束分成多個(gè)衍射光束;以及一聚焦裝置,它用于接收來(lái)自相位掩模的光并將至少兩個(gè)非零級(jí)衍射光束會(huì)聚到一起,以便在這些會(huì)聚的光束之間產(chǎn)生一干涉區(qū),由此可在被置于該干涉區(qū)內(nèi)的光波導(dǎo)上施加以光柵結(jié)構(gòu);所述相位掩模和聚焦裝置的至少一部分可彼此相對(duì)移動(dòng),以便改變會(huì)聚光束的會(huì)聚角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備,其特征在于,所述聚焦裝置包括一單透鏡;
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備,其特征在于,所述透鏡是一雙凸面球透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一個(gè)的設(shè)備,其特征在于,該設(shè)備包括一準(zhǔn)直裝置,它用于基本上準(zhǔn)直入射到所述相位掩模上的光束。
5.根據(jù)從屬于權(quán)利要求2或權(quán)利要求3的權(quán)利要求4的設(shè)備,其特征在于,所述準(zhǔn)直裝置包括一透鏡,它具有兩倍于前述第一個(gè)透鏡焦距的焦距。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的設(shè)備,其特征在于,該設(shè)備包括一移動(dòng)裝置,它用于為光柵生產(chǎn)設(shè)備與一要在其中生產(chǎn)出光柵的光學(xué)波導(dǎo)提供相對(duì)移動(dòng),由此干涉區(qū)域可被入射到光學(xué)波導(dǎo)的不同部分上。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的設(shè)備,其特征在于,所述波導(dǎo)是一光纖波導(dǎo)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的設(shè)備,其特征在于,該設(shè)備包括以重復(fù)方式將干涉區(qū)域曝光到波導(dǎo)上的裝置;以及在寫入光圖案的連續(xù)曝光之間移動(dòng)干涉區(qū)域和/或波導(dǎo)的裝置,由此可通過(guò)至少兩次曝光于干涉區(qū)域而產(chǎn)生所述波導(dǎo)的每條至少是大多數(shù)的光柵線。
9.一種光柵生產(chǎn)的方法,該方法包括下列步驟將光束照射到相位掩模上,以便將該光束分成多個(gè)衍射光束;用一聚焦裝置將至少兩個(gè)非零級(jí)的衍射光束會(huì)聚到一起,以便在這些會(huì)聚的光束之間產(chǎn)生一干涉區(qū),由此可在被置于該干涉區(qū)內(nèi)的光波導(dǎo)上施加以光柵結(jié)構(gòu);以及在相位掩模和聚焦裝置的至少一部分之間提供相對(duì)移動(dòng),以便改變這些會(huì)聚光束的會(huì)聚角。
全文摘要
光柵生產(chǎn)設(shè)備,包括:一相位掩模(40),它用于將入射光束(30)分成多個(gè)衍射光束;以及一聚焦裝置(60),它用于接收來(lái)自相位掩模的光并將至少兩個(gè)非零級(jí)衍射光束會(huì)聚到一起,以便在這些會(huì)聚的光束之間產(chǎn)生一干涉區(qū),由此可在被置于該干涉區(qū)內(nèi)的光波導(dǎo)(80)上施加以光柵結(jié)構(gòu);所述相位掩模和聚焦裝置的至少一部分可破此相對(duì)移動(dòng),以便改變會(huì)聚光束的會(huì)聚角。
文檔編號(hào)G02B6/02GK1280677SQ9881170
公開日2001年1月17日 申請(qǐng)日期1998年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月24日
發(fā)明者理查德·艾恩·拉明, 莫藤·伊布森 申請(qǐng)人:皮雷利·卡維系統(tǒng)有限公司
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