用于制造光纤光栅的系统和技术的制作方法

用于制造光纤光栅的系统和技术的制作方法
【专利摘要】电阻性加热元件用于制造长周期光栅模转换器。电阻性加热元件产生局部加热区域，用于在沿着光纤片段长度的周期性的一系列轴向位置处产生非对称扰动，其中，该光纤支持对称模和非对称模二者的传播。在进一步的技术中，光栅以高于选择的最优值的折射率反差值写入。之后，加热元件用于对光纤片段进行退火，以便将光栅的反差值减小到所选择的最优值。
【专利说明】用于制造光纤光栅的系统和技术
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2011年10月6日提交的名为"Modified Method for Making Long-Period Gratings in Optical Fibers using Electrical Resistive Heating，'的美 国临时专利申请No. 61/543, 973的优先权，其由本申请的受让人所有，且全文并入此处作 为参考。
[0003] 本发明的【背景技术】

【技术领域】
[0004] 本发明一般涉及光纤器件和方法，特别涉及制造具有非对称扰动的光纤光栅的改 进的系统和技术。

【背景技术】
[0005] 近来，少模光纤中的模分复用传输作为增大单根光纤传输容量的手段已经吸引了 许多注意。最简单的少模光纤支持两种模：UV模和^^模。如果使用这些模的全部退化 (degeneration)，这些光纤将支持6个信道的传输。
[0006] 模分复用系统中的关键部件是模转换器，即提供波导模之间高效且稳定的转换的 器件。模转换器可使用长周期光栅（LPG)实现，长周期光栅（LPG)是一种在光纤的折射率 分布、几何形状或以上二者中包括周期性的一系列扰动的光纤器件。
[0007] 成功的LPG设计必须满足多种标准。当然，LPG必须由给定的输入高效地产生希 望的模输出。另外，LPG还必须在延长的一段时间上稳定，还应该表现出低到可接受的水平 的插入损耗。其他重要因素是成本和易制造性。
[0008] 制造 LPG的较早的技术典型地在满足一个以上上述标准方面有所欠缺，特别是在 对称模（例如UV模）和非对称与对称模（例如LPn模）之间提供模转换的方面。因此， 存在对于制造成功的光栅的改进方法的需求。


【发明内容】

[0009] 本发明的方面涉及制造长周期光栅的系统和技术，其提供对称波导模与非对称波 导模之间高效且稳定的模转换。
[0010] 本发明的一个方面涉及用于将光学器件（例如长周期光栅）写入光纤的技术。提 供了光纤的片段和加热单元，加热单元包括电阻性加热元件，其特别配置为具有与光学器 件的所选周期相比较小的厚度，其中，电阻性加热元件产生宽度与所选器件周期相比较窄 的局部加热区域，且其中，施加热在光纤片段的所选部分中产生局部的、旋转非对称的扰 动。
[0011] 光纤片段被安装为使得光纤片段的侧表面与电阻性加热元件的侧表面邻近。为光 纤片段和加热元件中的至少一个提供平移台，使得光纤片段的侧表面可相对于加热元件轴 向平移。光纤片段关于电阻性加热元件定位，使得光纤片段的所选部分的表面位于电阻性 加热元件的加热区域中。电阻性加热元件的温度被选择为在光纤片段的所选部分中导致旋 转非对称扰动。
[0012] 另一方面涉及在制造 LPG中提供更大控制的技术。上述技术用于写入具有与所选 最优值相比更高的折射率反差值的光栅。加热元件之后用于对光纤片段的扰动与非扰动区 域二者进行退火，从而减小光栅与所选最优值的反差值。
[0013] 本发明进一步的方面涉及执行上面的技术的系统。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1A和图1B示出了示例性多模光纤中的基本UV模和高阶^^模的简化的标量 图，且图1C和图1D不出了对于两种模的相应的电场强度分布的曲线图。
[0015] 图2示出了长周期光栅的简化图。
[0016] 图3和图4是用于制造长周期光栅的机械光栅的图。
[0017] 图5为一简化图，其示出了根据本发明一方面的用于在光纤片段中产生局部非对 称折射率扰动的设置。
[0018] 图6为图5所示光纤片段的部分和加热元件的并非按比例绘制的特写侧视图。 [0019] 图7为图5的光纤片段的部分的进一步的侧视图，示出了到光纤片段的被加热部 分的变化。
[0020] 图8-图11示出了根据本发明的进一步的方面的用于电阻性加热元件的多种不同 的配置。
[0021] 图12示出了根据本发明的进一步的方面的组件的图，该组件用于控制光纤片段 相对于加热兀件的轴向移动，以便在光纤片段中制造一系列的非对称扰动。
[0022] 图13A示出了完整模转换器的图。
[0023] 图13B和图14示出了用于对根据本发明的方面制造的LPG的性能进行量化的两 种测试设置的图。
[0024] 图15和图16A-图16E示出了使用图13B所示测试设置获得的透射光谱，其显示 出根据本发明制造的LPG相比于使用机械光栅制造的LPG的改进的稳定性。
[0025] 图17为一曲线图，其示出了如由使用图14所示的测试设置进行的S2测量计算的 作为群延迟的函数的模拍幅度。
[0026] 图18为一曲线图，其示出了在计算得到的多路径干扰和根据本发明的方面制造 的LPG的透射光谱之间的一致性。
[0027] 图19为一曲线图，其示出了在根据本发明的方面制造的LPG中的扰动状态和加热 时间之间的关系。
[0028] 图20为一曲线图，其示出了根据本发明进一步的方面将退火技术应用到长周期 光纤得出的扰动反差的减小。
[0029] 图21A-图21F示出了对于受到一系列五次退火处理的长周期光栅的UV到LPQ1 的一系列透射光谱。
[0030] 图22和图23为根据本发明的方面的大致技术的流程图。

【具体实施方式】
[0031] 本发明的方面涉及用于配置和制造长周期光栅（LPG)以提供对称输入模和非对 称输出模之间的模转换的系统和技术。本发明在少模光纤（FMF)中提供对称LPm模和非对 称^^模之间的模转换的背景下介绍。将会明了，这些技术也可适用于其他背景，以便为其 他类型的光纤提供其他输入与输出模对之间的模转换。
[0032] 根据本发明一方面，电阻性加热兀件用于在光纤片段中产生一系列的非对称扰 动。如下面所讨论的，这些扰动可以在折射率中、在光纤几何形状中或在以上二者中。本发 明进一步的方面涉及后写入退火技术，其提供圆形非对称折射率扰动的更为精确的控制。 [0033] 使用所介绍的系统和技术，已经可以相比于传统的、机械制造的长周期光栅展示 出好的稳定性，以及高的耦合效率和低的插入损耗。
[0034] 如这里所使用的，形容词"对称"和"非对称"指圆形对称，除非另有说明。因此， 如这里所使用的，术语"对称模"指具有在横切面表现出圆形（或轴向）对称性（即绕横切 面中的点的不依赖于旋转角度的对称性）的电场分布的波导模。对称模将在绕中心点（即 原点）的所有旋转角度上具有同样的外观。如这里进一步使用的，术语"非对称模"指无论 可能存在的任何其他类型的对称性如何，不显示出圆形对称性的波导模。
[0035] 典型的光纤支持光以一个以上的线性偏振模LPlm的传播，其中，1和m为整数，分 别表示模的横切面强度分布中的方位角节点数和径向节点数。
[0036] -般而言，如果模具有零个方位角节点和一个以上的径向节点，S卩如果1 = 0且 m彡1，LPlm模是对称的。因此，基本UV模和高阶ΙΛ2以及ΙΛ3模全部是对称模的实例。如 果具有一个以上的方位角节点，即如果1彡1，LP模是非圆形对称的。因此，高阶LP n、LP21 和LP31模全部是非对称模的实例。
[0037] 特定的光纤应用需要将对称模输入转换为非对称模输出。例如，一种近来开发的 模分复用（MDM)系统需要将对称UV模输入转换为非对称^^模输出。
[0038] 图1A和图1B分别示出了示例性多模光纤10中的截面的简化图，其中存在基本 UV模和高阶LPn模的相应强度的简化标量图示11、12。图1C和图1D示出了对于跨光纤 直径D的UV和LP n模的相应的电场分布15、17的曲线图14、16。
[0039] 在图1C中将会看到，UV电场分布17具有大体上的高斯形状。在图1D中，另一 方面，将会看到，LPn电场分布具有非高斯形状，包括与图1B中的瓣12a、12b对应的两个相 反符号的峰17a、17b。（瓣12b有交叉阴影线，以指示其负值。）
[0040] 由图1A和图1C将会明了，UV模的电场分布是圆形对称的，因为UV模呈现跨所 有直径的同样的电场分布，无论角方位如何（例如，跨直径D'）。由图1B和1C将会进一步 明了，LP n模的电场分布不是圆形对称的，因为LPn模表现跨具有不同角方位的直径（例如 跨直径D'）的不同的电场分布。
[0041] 提供模转换常用的一种器件是长周期光栅（LPG)。图2示出了并非按比例绘制的 示例性LPG20的简化图，其被配置为提供所选输入模和所选输出模之间的模转换。LPG20包 括具有纤芯22和包层23的光纤片段21，光纤片段21被配置为支持输入模和输出模二者 的传播。LPG进一步包括一系列折射率扰动24,其具有定义光栅周期的中心到中心的间距 25〇
[0042] 一般而言，LP模是正交的，且因此，在没有扰动的情况下，不会彼此干扰。LPG24中 的周期性扰动被配置为产生输入模的散射。至少某些散射光与所选输出模相位匹配，导致 输出模的激励。
[0043] LPG的转换效率由下式给出：

【权利要求】
1. 一种将光学器件写入光纤的方法，该方法包括： (a) 提供光纤的片段； (b) 提供电阻性加热元件，该电阻性加热元件具有小于选择的器件周期的厚度，其中， 电阻性加热元件将被用于产生具有短于选择的器件周期的轴向长度的局部加热区域； (c) 定位光纤片段，使得光纤片段的侧表面邻近电阻性加热元件的侧表面； (d) 关于电阻性加热元件定位光纤片段，使得光纤片段的选择的部分位于电阻性加热 元件的局部加热区域中；以及 (e) 升高电阻性加热元件的温度，以便在光纤片段的选择的部分中产生旋转非对称扰 动。
2. 权利要求1的方法，进一步包括： 对于光纤片段的连续的选择的部分，重复电阻性加热元件的定位和升温，以便将光栅 写入光纤片段。
3. 权利要求1的方法，其中，光纤片段跨电阻性加热元件的表面平移。
4. 权利要求1的方法，其中，电阻性加热元件跨光纤片段的表面平移。
5. 权利要求1的方法，进一步包括： 将受控张力施加到光纤。
6. 权利要求1的方法，进一步包括： 在光纤片段的选择的部分中产生几何扰动。
7. 权利要求1的方法，进一步包括： 在光纤片段的选择的部分中产生局部折射率调制。
8. 权利要求7的方法，进一步包括： 提供具有牵引引发的折射率分布和松弛折射率分布的光纤片段，将热施加到光纤片段 的选择的部分导致从牵引引发的折射率分布到松弛折射率分布的局部改变。
9. 权利要求8的方法，其中，光纤具有对于使用电阻性加热元件的折射率调制最优化 的折射率分布。
10. 权利要求9的方法，进一步包括： 通过在光纤被牵引时施加的张力量，对第一折射率分布的值△!!〇)进行调谐。
11. 权利要求1的方法，进一步包括： 将电阻性加热元件的形状设置为沿着光栅的长度实现最优热分布和调制形状。
12. 权利要求1的方法，其中，电阻性加热元件包括线。
13. 权利要求12的方法，进一步包括以下步骤：使用弯曲线，该弯曲线被弯曲，以便相 对于加热元件引导光纤片段的移动。
14. 权利要求12的方法，进一步包括以下步骤：使用以W形状配置的线，以便容纳线温 度升高时的线热膨胀。
15. 权利要求1的方法，其中，电阻性加热元件包括丝。
16. 权利要求15的方法，进一步包括以下步骤：在丝中产生用于引导光纤片段的槽口。
17. 权利要求1的方法，进一步包括以下步骤： (f) 对于光纤片段的连续的选择的部分，重复电阻性加热元件的定位和升温，以便将光 栅写入该光纤片段，同时，控制电阻性加热元件的加热，使得光栅以高于选择的最优值的折 射率反差值写入；以及 (g)使用加热元件来对光纤片段的扰动和非扰动区域二者进行退火，以便将光栅的反 差值减小到选择的最优值。
18. 权利要求17的方法，其中，重复进行退火，直到光栅的反差值减小到选择的最优 值。
19. 一种用于将光学器件写入光纤的系统，该系统包括： 电阻性加热组件，包括底座和安装到底座的一对电极块，电阻性加热组件进一步包括 安装在电极块之间的电阻性加热元件，其中，电阻性加热元件产生局部加热区域，该局部加 热区域具有短于选择的器件周期的轴向长度并在光纤片段的选择的部分中产生局部旋转 非对称扰动； 安装组件，用于安装光纤片段，使得光纤片段的侧表面邻近电阻性加热元件的侧表 面； 平移组件，包括用于光纤片段和加热元件中的至少一者的平移台，使得光纤片段的侧 表面可相对于加热元件轴向平移； 引导元件，用于引导光纤。
20. 权利要求19的系统，进一步包括： 可附着到光纤的重物，用于以恒定的力将光纤的表面按压到加热元件的表面上。
【文档编号】G02B6/14GK104220911SQ201280056982
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2011年10月6日
【发明者】L·格兰纳-尼尔森, J·O·奥尔森 申请人:Ofs菲特尔有限责任公司