用于制造光纖光柵的系統(tǒng)和技術(shù)的制作方法
【專利摘要】電阻性加熱元件用于制造長周期光柵模轉(zhuǎn)換器。電阻性加熱元件產(chǎn)生局部加熱區(qū)域，用于在沿著光纖片段長度的周期性的一系列軸向位置處產(chǎn)生非對稱擾動，其中，該光纖支持對稱模和非對稱模二者的傳播。在進(jìn)一步的技術(shù)中，光柵以高于選擇的最優(yōu)值的折射率反差值寫入。之后，加熱元件用于對光纖片段進(jìn)行退火，以便將光柵的反差值減小到所選擇的最優(yōu)值。
【專利說明】用于制造光纖光柵的系統(tǒng)和技術(shù)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2011年10月6日提交的名為"Modified Method for Making Long-Period Gratings in Optical Fibers using Electrical Resistive Heating，'的美 國臨時專利申請No. 61/543, 973的優(yōu)先權(quán)，其由本申請的受讓人所有，且全文并入此處作 為參考。
[0003] 本發(fā)明的【背景技術(shù)】

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004] 本發(fā)明一般涉及光纖器件和方法，特別涉及制造具有非對稱擾動的光纖光柵的改 進(jìn)的系統(tǒng)和技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0005] 近來，少模光纖中的模分復(fù)用傳輸作為增大單根光纖傳輸容量的手段已經(jīng)吸引了 許多注意。最簡單的少模光纖支持兩種模：UV模和^^模。如果使用這些模的全部退化 (degeneration)，這些光纖將支持6個信道的傳輸。
[0006] 模分復(fù)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是模轉(zhuǎn)換器，即提供波導(dǎo)模之間高效且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換的 器件。模轉(zhuǎn)換器可使用長周期光柵（LPG)實(shí)現(xiàn)，長周期光柵（LPG)是一種在光纖的折射率 分布、幾何形狀或以上二者中包括周期性的一系列擾動的光纖器件。
[0007] 成功的LPG設(shè)計(jì)必須滿足多種標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，LPG必須由給定的輸入高效地產(chǎn)生希 望的模輸出。另外，LPG還必須在延長的一段時間上穩(wěn)定，還應(yīng)該表現(xiàn)出低到可接受的水平 的插入損耗。其他重要因素是成本和易制造性。
[0008] 制造 LPG的較早的技術(shù)典型地在滿足一個以上上述標(biāo)準(zhǔn)方面有所欠缺，特別是在 對稱模（例如UV模）和非對稱與對稱模（例如LPn模）之間提供模轉(zhuǎn)換的方面。因此， 存在對于制造成功的光柵的改進(jìn)方法的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的方面涉及制造長周期光柵的系統(tǒng)和技術(shù)，其提供對稱波導(dǎo)模與非對稱波 導(dǎo)模之間高效且穩(wěn)定的模轉(zhuǎn)換。
[0010] 本發(fā)明的一個方面涉及用于將光學(xué)器件（例如長周期光柵）寫入光纖的技術(shù)。提 供了光纖的片段和加熱單元，加熱單元包括電阻性加熱元件，其特別配置為具有與光學(xué)器 件的所選周期相比較小的厚度，其中，電阻性加熱元件產(chǎn)生寬度與所選器件周期相比較窄 的局部加熱區(qū)域，且其中，施加熱在光纖片段的所選部分中產(chǎn)生局部的、旋轉(zhuǎn)非對稱的擾 動。
[0011] 光纖片段被安裝為使得光纖片段的側(cè)表面與電阻性加熱元件的側(cè)表面鄰近。為光 纖片段和加熱元件中的至少一個提供平移臺，使得光纖片段的側(cè)表面可相對于加熱元件軸 向平移。光纖片段關(guān)于電阻性加熱元件定位，使得光纖片段的所選部分的表面位于電阻性 加熱元件的加熱區(qū)域中。電阻性加熱元件的溫度被選擇為在光纖片段的所選部分中導(dǎo)致旋 轉(zhuǎn)非對稱擾動。
[0012] 另一方面涉及在制造 LPG中提供更大控制的技術(shù)。上述技術(shù)用于寫入具有與所選 最優(yōu)值相比更高的折射率反差值的光柵。加熱元件之后用于對光纖片段的擾動與非擾動區(qū) 域二者進(jìn)行退火，從而減小光柵與所選最優(yōu)值的反差值。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步的方面涉及執(zhí)行上面的技術(shù)的系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1A和圖1B示出了示例性多模光纖中的基本UV模和高階^^模的簡化的標(biāo)量 圖，且圖1C和圖1D不出了對于兩種模的相應(yīng)的電場強(qiáng)度分布的曲線圖。
[0015] 圖2示出了長周期光柵的簡化圖。
[0016] 圖3和圖4是用于制造長周期光柵的機(jī)械光柵的圖。
[0017] 圖5為一簡化圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明一方面的用于在光纖片段中產(chǎn)生局部非對 稱折射率擾動的設(shè)置。
[0018] 圖6為圖5所示光纖片段的部分和加熱元件的并非按比例繪制的特寫側(cè)視圖。 [0019] 圖7為圖5的光纖片段的部分的進(jìn)一步的側(cè)視圖，示出了到光纖片段的被加熱部 分的變化。
[0020] 圖8-圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的方面的用于電阻性加熱元件的多種不同 的配置。
[0021] 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的方面的組件的圖，該組件用于控制光纖片段 相對于加熱兀件的軸向移動，以便在光纖片段中制造一系列的非對稱擾動。
[0022] 圖13A示出了完整模轉(zhuǎn)換器的圖。
[0023] 圖13B和圖14示出了用于對根據(jù)本發(fā)明的方面制造的LPG的性能進(jìn)行量化的兩 種測試設(shè)置的圖。
[0024] 圖15和圖16A-圖16E示出了使用圖13B所示測試設(shè)置獲得的透射光譜，其顯示 出根據(jù)本發(fā)明制造的LPG相比于使用機(jī)械光柵制造的LPG的改進(jìn)的穩(wěn)定性。
[0025] 圖17為一曲線圖，其示出了如由使用圖14所示的測試設(shè)置進(jìn)行的S2測量計(jì)算的 作為群延遲的函數(shù)的模拍幅度。
[0026] 圖18為一曲線圖，其示出了在計(jì)算得到的多路徑干擾和根據(jù)本發(fā)明的方面制造 的LPG的透射光譜之間的一致性。
[0027] 圖19為一曲線圖，其示出了在根據(jù)本發(fā)明的方面制造的LPG中的擾動狀態(tài)和加熱 時間之間的關(guān)系。
[0028] 圖20為一曲線圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方面將退火技術(shù)應(yīng)用到長周期 光纖得出的擾動反差的減小。
[0029] 圖21A-圖21F示出了對于受到一系列五次退火處理的長周期光柵的UV到LPQ1 的一系列透射光譜。
[0030] 圖22和圖23為根據(jù)本發(fā)明的方面的大致技術(shù)的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 本發(fā)明的方面涉及用于配置和制造長周期光柵（LPG)以提供對稱輸入模和非對 稱輸出模之間的模轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和技術(shù)。本發(fā)明在少模光纖（FMF)中提供對稱LPm模和非對 稱^^模之間的模轉(zhuǎn)換的背景下介紹。將會明了，這些技術(shù)也可適用于其他背景，以便為其 他類型的光纖提供其他輸入與輸出模對之間的模轉(zhuǎn)換。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明一方面，電阻性加熱兀件用于在光纖片段中產(chǎn)生一系列的非對稱擾 動。如下面所討論的，這些擾動可以在折射率中、在光纖幾何形狀中或在以上二者中。本發(fā) 明進(jìn)一步的方面涉及后寫入退火技術(shù)，其提供圓形非對稱折射率擾動的更為精確的控制。 [0033] 使用所介紹的系統(tǒng)和技術(shù)，已經(jīng)可以相比于傳統(tǒng)的、機(jī)械制造的長周期光柵展示 出好的穩(wěn)定性，以及高的耦合效率和低的插入損耗。
[0034] 如這里所使用的，形容詞"對稱"和"非對稱"指圓形對稱，除非另有說明。因此， 如這里所使用的，術(shù)語"對稱模"指具有在橫切面表現(xiàn)出圓形（或軸向）對稱性（即繞橫切 面中的點(diǎn)的不依賴于旋轉(zhuǎn)角度的對稱性）的電場分布的波導(dǎo)模。對稱模將在繞中心點(diǎn)（即 原點(diǎn)）的所有旋轉(zhuǎn)角度上具有同樣的外觀。如這里進(jìn)一步使用的，術(shù)語"非對稱模"指無論 可能存在的任何其他類型的對稱性如何，不顯示出圓形對稱性的波導(dǎo)模。
[0035] 典型的光纖支持光以一個以上的線性偏振模LPlm的傳播，其中，1和m為整數(shù)，分 別表示模的橫切面強(qiáng)度分布中的方位角節(jié)點(diǎn)數(shù)和徑向節(jié)點(diǎn)數(shù)。
[0036] -般而言，如果模具有零個方位角節(jié)點(diǎn)和一個以上的徑向節(jié)點(diǎn)，S卩如果1 = 0且 m彡1，LPlm模是對稱的。因此，基本UV模和高階ΙΛ2以及ΙΛ3模全部是對稱模的實(shí)例。如 果具有一個以上的方位角節(jié)點(diǎn)，即如果1彡1，LP模是非圓形對稱的。因此，高階LP n、LP21 和LP31模全部是非對稱模的實(shí)例。
[0037] 特定的光纖應(yīng)用需要將對稱模輸入轉(zhuǎn)換為非對稱模輸出。例如，一種近來開發(fā)的 模分復(fù)用（MDM)系統(tǒng)需要將對稱UV模輸入轉(zhuǎn)換為非對稱^^模輸出。
[0038] 圖1A和圖1B分別示出了示例性多模光纖10中的截面的簡化圖，其中存在基本 UV模和高階LPn模的相應(yīng)強(qiáng)度的簡化標(biāo)量圖示11、12。圖1C和圖1D示出了對于跨光纖 直徑D的UV和LP n模的相應(yīng)的電場分布15、17的曲線圖14、16。
[0039] 在圖1C中將會看到，UV電場分布17具有大體上的高斯形狀。在圖1D中，另一 方面，將會看到，LPn電場分布具有非高斯形狀，包括與圖1B中的瓣12a、12b對應(yīng)的兩個相 反符號的峰17a、17b。（瓣12b有交叉陰影線，以指示其負(fù)值。）
[0040] 由圖1A和圖1C將會明了，UV模的電場分布是圓形對稱的，因?yàn)閁V模呈現(xiàn)跨所 有直徑的同樣的電場分布，無論角方位如何（例如，跨直徑D'）。由圖1B和1C將會進(jìn)一步 明了，LP n模的電場分布不是圓形對稱的，因?yàn)長Pn模表現(xiàn)跨具有不同角方位的直徑（例如 跨直徑D'）的不同的電場分布。
[0041] 提供模轉(zhuǎn)換常用的一種器件是長周期光柵（LPG)。圖2示出了并非按比例繪制的 示例性LPG20的簡化圖，其被配置為提供所選輸入模和所選輸出模之間的模轉(zhuǎn)換。LPG20包 括具有纖芯22和包層23的光纖片段21，光纖片段21被配置為支持輸入模和輸出模二者 的傳播。LPG進(jìn)一步包括一系列折射率擾動24,其具有定義光柵周期的中心到中心的間距 25〇
[0042] 一般而言，LP模是正交的，且因此，在沒有擾動的情況下，不會彼此干擾。LPG24中 的周期性擾動被配置為產(chǎn)生輸入模的散射。至少某些散射光與所選輸出模相位匹配，導(dǎo)致 輸出模的激勵。
[0043] LPG的轉(zhuǎn)換效率由下式給出：

【權(quán)利要求】
1. 一種將光學(xué)器件寫入光纖的方法，該方法包括： (a) 提供光纖的片段； (b) 提供電阻性加熱元件，該電阻性加熱元件具有小于選擇的器件周期的厚度，其中， 電阻性加熱元件將被用于產(chǎn)生具有短于選擇的器件周期的軸向長度的局部加熱區(qū)域； (c) 定位光纖片段，使得光纖片段的側(cè)表面鄰近電阻性加熱元件的側(cè)表面； (d) 關(guān)于電阻性加熱元件定位光纖片段，使得光纖片段的選擇的部分位于電阻性加熱 元件的局部加熱區(qū)域中；以及 (e) 升高電阻性加熱元件的溫度，以便在光纖片段的選擇的部分中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)非對稱擾 動。
2. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括： 對于光纖片段的連續(xù)的選擇的部分，重復(fù)電阻性加熱元件的定位和升溫，以便將光柵 寫入光纖片段。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中，光纖片段跨電阻性加熱元件的表面平移。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中，電阻性加熱元件跨光纖片段的表面平移。
5. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括： 將受控張力施加到光纖。
6. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括： 在光纖片段的選擇的部分中產(chǎn)生幾何擾動。
7. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括： 在光纖片段的選擇的部分中產(chǎn)生局部折射率調(diào)制。
8. 權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括： 提供具有牽引引發(fā)的折射率分布和松弛折射率分布的光纖片段，將熱施加到光纖片段 的選擇的部分導(dǎo)致從牽引引發(fā)的折射率分布到松弛折射率分布的局部改變。
9. 權(quán)利要求8的方法，其中，光纖具有對于使用電阻性加熱元件的折射率調(diào)制最優(yōu)化 的折射率分布。
10. 權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括： 通過在光纖被牽引時施加的張力量，對第一折射率分布的值△!!〇)進(jìn)行調(diào)諧。
11. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括： 將電阻性加熱元件的形狀設(shè)置為沿著光柵的長度實(shí)現(xiàn)最優(yōu)熱分布和調(diào)制形狀。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中，電阻性加熱元件包括線。
13. 權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括以下步驟：使用彎曲線，該彎曲線被彎曲，以便相 對于加熱元件引導(dǎo)光纖片段的移動。
14. 權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括以下步驟：使用以W形狀配置的線，以便容納線溫 度升高時的線熱膨脹。
15. 權(quán)利要求1的方法，其中，電阻性加熱元件包括絲。
16. 權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括以下步驟：在絲中產(chǎn)生用于引導(dǎo)光纖片段的槽口。
17. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括以下步驟： (f) 對于光纖片段的連續(xù)的選擇的部分，重復(fù)電阻性加熱元件的定位和升溫，以便將光 柵寫入該光纖片段，同時，控制電阻性加熱元件的加熱，使得光柵以高于選擇的最優(yōu)值的折 射率反差值寫入；以及 (g)使用加熱元件來對光纖片段的擾動和非擾動區(qū)域二者進(jìn)行退火，以便將光柵的反 差值減小到選擇的最優(yōu)值。
18. 權(quán)利要求17的方法，其中，重復(fù)進(jìn)行退火，直到光柵的反差值減小到選擇的最優(yōu) 值。
19. 一種用于將光學(xué)器件寫入光纖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括： 電阻性加熱組件，包括底座和安裝到底座的一對電極塊，電阻性加熱組件進(jìn)一步包括 安裝在電極塊之間的電阻性加熱元件，其中，電阻性加熱元件產(chǎn)生局部加熱區(qū)域，該局部加 熱區(qū)域具有短于選擇的器件周期的軸向長度并在光纖片段的選擇的部分中產(chǎn)生局部旋轉(zhuǎn) 非對稱擾動； 安裝組件，用于安裝光纖片段，使得光纖片段的側(cè)表面鄰近電阻性加熱元件的側(cè)表 面； 平移組件，包括用于光纖片段和加熱元件中的至少一者的平移臺，使得光纖片段的側(cè) 表面可相對于加熱元件軸向平移； 引導(dǎo)元件，用于引導(dǎo)光纖。
20. 權(quán)利要求19的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括： 可附著到光纖的重物，用于以恒定的力將光纖的表面按壓到加熱元件的表面上。
【文檔編號】G02B6/14GK104220911SQ201280056982
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月6日
【發(fā)明者】L·格蘭納-尼爾森, J·O·奧爾森 申請人:Ofs菲特爾有限責(zé)任公司