專利名稱：長周期光纖光柵濾光器裝置的制作方法
本申請要求1999年9月9日在韓國工業(yè)產(chǎn)權(quán)局申請的給定序號為99-38267的題目為“長周期光纖光柵濾光器”之申請為優(yōu)先權(quán)，在此引用該內(nèi)容作為參考。
本申請一般涉及長周期光纖光柵濾光器裝置，尤其涉及相對于溫度變化沒有耦合漂移特性的溫度補償長周期光纖光柵濾光器裝置。
通常，光纖光柵用作為選擇沿纖芯傳播的特定波長之光信號的濾光器。使用紫外(UV)激光器，通過促使光纖折射率的周期變化，光纖光柵能夠消除或反射特定波長的光。光纖光柵分為短周期光纖光柵和長周期光纖光柵。
短周期光纖光柵僅反射濾波中的特定波長信號的光，而長周期光纖光柵將光信號沿光纖纖芯傳播的纖芯模耦合到在相同傳播方向的包層模。從幾十μm到幾百μm周期范圍的長周期光纖光柵用作為EDFA(摻鉺光纖放大器)中的增益平坦濾光器，這是由于通過將纖芯模的光變換成相同傳播方向的包層模，其具有去掉預(yù)定波長的光的能力。
通過在每個預(yù)定周期改變對UV輻射敏感的光纖纖芯的折射率來加工長周期光纖光柵。折射率在暴露于UV輻射的纖芯部分增加，在未經(jīng)UV曝光的纖芯部分不發(fā)生改變，其導(dǎo)致沿著光纖縱向軸的折射率周期性變化。
長周期光纖光柵對溫度是敏感的，其光特性受到光纖包層的環(huán)境折射率影響。光纖的微彎曲顯著地影響長周期光纖光柵的中心波長和消光比，它們是由纖芯模和包層模之間的耦合確定的。
長周期光纖光柵的使用要求有抗外部環(huán)境影響的顯示出穩(wěn)定光特性的再涂層。外部環(huán)境因素是溫度、濕度、灰塵引入、和光纖的微裂及微彎曲。
當滿足方程1的相位匹配條件時，在長周期光纖光柵濾光器裝置中發(fā)生耦合。βco-βce(m)=2λΛ---(1)]]>這里βco是纖芯模的傳播常數(shù)，β(m)ce是m階包層模的傳播常數(shù)，Λ是光柵周期。如果β=2πnλ]]>(n是折射率，λ是波長)nco-nce(m)=λΛ---(2)]]>通過確定光柵周期Λ和折射率差(nco-n(m)ce)能夠?qū)⒃摬ㄩL的光變換到包層模。
通過用UV光適當?shù)剌椪諏V敏感的光纖可得到該折射率差。即，用具有特定光柵周期A的掩膜來掩膜光纖并將UV光投射到該掩膜上。然后，光纖與UV輻射起作用，其作用方式使得纖芯折射率增加，耦合波長增大到長波長。為了獲得長周期光纖光濾光柵器裝置的預(yù)定光譜(即預(yù)定耦合波長和消光比)，應(yīng)當投射UV光達適當?shù)臅r間，并精確地控制掩膜周期。
以此加工的光纖光柵的耦合波長受溫度的影響。耦合波長相對于溫度變化的漂移由折射率變化和隨溫度變化的縱向熱膨脹決定。這可表示為dλ(m)dT=dλ(m)dndndT+dλ(m)dΛdΛdT---(3)]]>這里T是溫度。
當長周期光纖光柵濾光器裝置由普通通信光纖或分布式漂移光纖加工時，dλ(m)dndndT]]>大于dλ(m)dΛdΛdT]]>幾十倍，因此可忽略dλ(m)dΛdΛdT]]>。例如，康寧F1excor1060的耦合波長每100℃漂移5nm。在典型分布式漂移光纖中，耦合波長相對于縱向膨脹每100℃漂移0.3nm，相對于折射率變化每100℃漂移5nm。對于實際應(yīng)用系統(tǒng)中長周期光纖光柵濾光器應(yīng)用之一的增益平坦濾光器，要求每100℃有大約0.3nm的溫度穩(wěn)定性。
為了補償溫度的變化，設(shè)計光纖中折射率分布或者選擇光纖的光柵周期，使得方程3的dλ(m)dΛ]]>具有現(xiàn)有技術(shù)中的負值。另一方面將B2O3加到光纖以獲得dndT=0]]>。
如果在普通長周期光纖光柵濾波器中的Λ＜100μm，在通過將dλ(m)dΛ]]>設(shè)置為負值控制濾波器折射率的傳統(tǒng)方法中，dλ(m)dΛ]]>為負值。當Λ=40μm時，F(xiàn)lexcor1060光纖中波長對溫度的相關(guān)性為0.15-0.45nm/100℃，但λ(m)模是在1.1μm區(qū)域，因此偏離了通信區(qū)域。
本申請人申請的題目為“溫度補償長周期光纖光柵濾光器”的韓國申請No.99-8332詳細地公開了溫度補償長周期光纖光柵濾光器裝置。
盡管上述申請中長周期光纖光柵濾光器的再涂層是用其折射率隨溫度增加的材料形成的，但由于溫度增加時的熱膨脹導(dǎo)致普通再涂層尤其是聚合物再涂層的折射率下降。因此，當再涂由普通光纖形成的長周期光纖光柵濾光器時，再涂層的長波長漂移效應(yīng)與長光纖光柵濾光器的長波長漂移特性相加，因此應(yīng)當使用減小折射率的特殊再涂材料。該再涂材料至今仍在開發(fā)。
因此，本發(fā)明目的是提供溫度補償長周期光纖光柵濾光器裝置，其相對于溫度變化沒有耦合漂移特性。
本發(fā)明的另一目的是提供溫度補償長周期光纖光柵濾光器裝置，其耐潮濕和軟得足以防止微彎曲。
為了實現(xiàn)上述目的，提供有長周期光纖光柵濾光器裝置。長周期光纖光柵濾光器裝置包括具有每隔預(yù)定周期在其中形成的長周期光纖光柵的纖芯、包圍纖芯的包層、覆蓋沒有長周期光纖光柵之包層部分的涂層、覆蓋具有長周期光纖光柵之包層部分的再涂層、根據(jù)加到纖芯之摻雜劑總量的其中耦合波長具有相對于溫度變化的負波長漂移范圍的纖芯/包層折射率變化部分、以及其中折射率在溫度增加時下降并且耦合波長具有正波長漂移范圍的包層/再涂層折射率變化部分。因此，通過在折射率于溫度增加時下降的再涂層材料中之正耦合波長漂移的總量，該纖芯展示了負的耦合波長漂移。
從下面結(jié)合附圖所做的詳細說明可更清楚本發(fā)明上述和其它目的、特點和優(yōu)點。
圖1A是封裝的長周期光纖光柵濾光器裝置的視圖；圖1B是具有去掉再涂層的長周期光纖光柵濾光器裝置的視圖1C是具有去掉再涂層的長周期光纖光柵濾光器裝置的剖面圖；圖2A到2D是表示耦合波長漂移對包層的環(huán)境折射率的曲線；圖3是表示耦合波長漂移對包層的環(huán)境折射率的曲線；圖4是表示當其小于包層的折射率時相對于包層的環(huán)境折射率之耦合波長漂移的曲線。
圖5A是表示當由普通聚合物材料制成時再涂層溫度與折射率變化的曲線；圖5B是表示折射率變化對由硅樹脂制成的再涂層溫度的曲線；圖6是表示耦合波長漂移對再涂層材料溫度變化的曲線；圖7是表示折射率變化在光纖纖芯不同摻雜劑濃度下與溫度的曲線；圖8是表示在光纖纖芯不同摻雜劑濃度下波長對溫度的相關(guān)性曲線；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的長周期光纖光柵濾光器裝置之溫度補償效應(yīng)的曲線；圖10A是表示具有去掉再涂層之普通長周期光纖光柵裝置的溫度相關(guān)性曲線；圖10B是表示具有再涂層之普通長周期光纖光柵濾光器裝置的溫度相關(guān)性曲線；圖11是表示根據(jù)本發(fā)明長周期光纖光柵濾光器裝置的溫度相關(guān)性曲線；圖12是根據(jù)本發(fā)明長周期光纖光柵濾光器裝置的剖面圖。
下面參考


本發(fā)明優(yōu)選實施例。在下面的說明中，公知的功能或結(jié)構(gòu)將不作詳細說明，因為在不必要的贅述中它們有可能使本發(fā)明難以理解。
以預(yù)定長度去掉光纖涂層來形成光纖中的長周期光纖光柵。然后，使用UV激光和振幅掩膜在暴露部分上形成長周期光纖光柵。未涂的長周期光纖光柵受包括溫度、濕度、灰塵、微裂及微彎曲的外部環(huán)境的影響，因此需要保護之以防止光特性的變化。
而且，沿光纖長度方向以預(yù)定周期形成的多個長周期光纖光柵起濾光器作用，用于將纖芯模耦合到包層模。因此，應(yīng)該考慮再涂層材料的折射率。
正如圖1A、1B、和1C所示，封裝的長周期光纖光柵濾光器裝置100包括具有在其上每隔預(yù)定周期形成的長周期光纖光柵的纖芯10、包圍纖芯10的包層12、包圍包層12的涂層14、以及涂在長周期光纖光柵16上的再涂層18。再涂層涂在從中去掉了涂層14的部分上以保護長周期光纖光柵16。
圖1C中，表示波長傳播方向的箭頭表示在長周期光纖光柵濾光器裝置中從纖芯模到包層模的耦合。箭頭的粗細表示該波長光的強度。
在折射率變化的部分，即在長周期光纖光柵16中，纖芯10中以基本傳播模傳輸?shù)闹行牟ㄩL的光信號是散射的。隨著散射光耦合到包層12，滿足相位匹配條件的該波長的光是相干增強的。該光傳到包層12的外面，并且長周期光纖光柵濾光器裝置100起波長相關(guān)衰減器的作用。
以基本傳播模傳輸?shù)墓鈴姸仍诖┻^長周期光纖光柵16的同時是衰減的，正如箭頭粗細中變細所示，并且，耦合到包層12之波長光的強度是增加的，正如箭頭粗細中變粗所示。
包層12之外部狀態(tài)即空氣具有1的折射率。如果在長周期光纖光柵16形成之后用折射率為n的材料再涂包層12，則耦合狀態(tài)改變，因而耦合波長移到長或短波長。
圖2A到2D是表示耦合波長相對于包層環(huán)境折射率而漂移的曲線。
圖2A是表示當圍繞長周期光纖光柵之包層的環(huán)境折射率(空氣的折射率)是1時光傳輸特性的曲線。
圖2B是表示當包層環(huán)境折射率是1.400時光傳輸特性的曲線。注意，與圖2A曲線相比，光傳輸是增加的且耦合波長向短波長移動大約48nm。
圖2C是表示當包層環(huán)境折射率是1.448時光傳輸特性的曲線。與圖2A相比，耦合波長向短波長漂移約16.5nm。
圖2D是表示當包層環(huán)境折射率是1.484時光傳輸特性的曲線。與圖2A相比，耦合波長移到長波長。
如果包層環(huán)境折射率從1增加但小于包層的折射率，則耦合波長移到短波長，如圖2B和2C所示。另一方面，如果包層環(huán)境折射率超過包層折射率，則耦合波長移到長波長，如圖2D所示。如果包層環(huán)境折射率等于包層折射率，則全反射條件破壞，耦合峰消失。
圖3是表示相對于包層環(huán)境折射率變化之耦合波長漂移的曲線。隨著環(huán)境折射率從1.0增加，耦合波長移到短波長；當環(huán)境折射率等于包層的折射率時耦合峰消失；當環(huán)境折射率超過包層折射率時耦合波長移到長波長。
圖4是表示當環(huán)境折射率小于包層折射率時耦合波長漂移對包層環(huán)境折射率變化的曲線。參考圖4，隨著環(huán)境折射率下降，耦合波長漂移到長波長，唯一的條件是環(huán)境折射率小于包層折射率。
圖2A到4所示結(jié)果在本發(fā)明人的論文“Displacement of theResonant Peaks of a Long Period Fiber Grating Induced by aChange of Ambient Refractive Index”1997 OpticsLetters,December 1,1997/Vol.22,No.23中進行了詳細說明。
圖5A是表示普通再涂材料的折射率變化對溫度變化的曲線，圖5B是表示硅樹脂用作普通再涂材料時的折射率變化對溫度變化的曲線。
參考圖5A，普通再涂材料即聚合物在增加溫度時經(jīng)歷熱膨脹并具有降低的折射率。參考圖5B，硅樹脂在增加溫度時也經(jīng)歷熱膨脹并具有降低的折射率。隨硅樹脂溫度之折射率變化量為-2.4×10-2/100℃。
圖6是表示再涂材料的耦合波長漂移對溫度變化的曲線。從圖中可注意到，隨著再涂材料的折射率隨溫度增加而降低，耦合波長移到長波長。耦合波長向長波長的漂移意味著其具有正的波長漂移范圍。
圖7是表示在加到光纖纖芯的不同濃度摻雜劑下耦合波長漂移對溫度變化的曲線。在題目為“Optical Waveguide Grating andProduetion Method There of”的EP 0 800 098 A2中詳細公開了B2O3和GeO2作為摻雜劑加到纖芯時的溫度補償。正如圖7所示，隨著B2O3多于GeO2，長周期光纖光柵在溫度增加時具有負波長漂移范圍。即，折射率變化量對溫度具有負值。本發(fā)明中，溫度變化是通過將耦合波長的波長漂移范圍在長周期光纖光柵中設(shè)置為負值以及在再涂材料中設(shè)置為正值來補償?shù)摹?br> 例如，如果20mol％的GeO2和15mol％的B2O3加入纖芯，形成在纖芯上的長周期光纖光柵的折射率變化對溫度變化具有負值，因此耦合波長具有波長漂移范圍。這示于圖8中。
圖8是表示當纖芯中B2O3總量大于GeO2總量且沒有再涂長周期光纖光柵時耦合波長在溫度增加時向短波長漂移的曲線。圖8中，當溫度增加時，耦合波長移到短波長。這意味著長周期光纖光柵濾光器裝置中耦合波長具有負的波長漂移范圍。
圖9是表示長周期光纖光柵濾光器裝置中增加溫度時類似硅樹脂之再涂材料的長波長漂移效應(yīng)及因使用B2O3多于GeO2產(chǎn)生的短波長漂效應(yīng)導(dǎo)致的溫度補償之曲線。標號91表示由于按照溫度變化包層/再涂層之折射率變化部分導(dǎo)致的耦合波長向長波長的漂移，標號93表示由于按照溫度變化纖芯/包層之折射率變化部分導(dǎo)致的耦合波長向短波長的漂移。
耦合波長的長波長漂移和短波長漂移同時發(fā)生在長周期光纖光柵濾光器裝置中，由此實現(xiàn)了本發(fā)明的溫度補償，如標號92所示。
圖10A和10B是表示在纖芯中沒有短波長漂移效應(yīng)的普通長周期光纖光柵濾光器裝置分別沒有再涂層和有用硅樹脂作再涂層的情況下波長漂移對溫度變化的曲線。
圖8是表示當本發(fā)明長周期光纖光柵濾光器裝置沒有再涂層但同時借助于使用B2O3多于GeO2具有負的波長漂移范圍時波長漂移對溫度變化的曲線。圖11是表示當本發(fā)明長周期光纖光柵濾光器裝置有用硅樹脂作再涂層同時借助于使用B2O3多于GeO2具有的波長漂移范圍時波長漂移對溫度變化的曲線。
下面通過將表示傳統(tǒng)技術(shù)的圖10A和10B與根據(jù)本發(fā)明的圖8和9比較來說明本發(fā)明的溫度補償。
正如圖10A所示，當普通長周期光纖光柵濾光器裝置沒有再涂層時，隨著溫度增加，耦合濃長移到長波長，波長的溫度相關(guān)性約為5.08nm/100℃。
圖10B中，當普通長周期光纖光柵濾光器裝置用硅樹脂再涂時，隨著增加的溫度，耦合波長移到長波長，波長的溫度相關(guān)性約為10nm/100℃。
從圖10A和10B能注意到，用硅樹脂再涂普通長周期光纖光柵導(dǎo)致在光纖纖芯的長波長漂移效應(yīng)和硅樹脂的長波長漂移效應(yīng)之間的協(xié)合作用，由此增強了長波長漂移效應(yīng)。即溫度相關(guān)性進一步增加。
圖8中，當本發(fā)明中的光纖纖芯包括B2O3多于GeO2且長周期光纖光柵濾光器裝置沒有再涂時，在增加的溫度下耦合波長移到短波長，波長的溫度相關(guān)性約為-4.7nm/100℃。
圖11中，當本發(fā)明中的光纖纖芯包括B2O3多于GeO2且長周期光纖光柵濾光器裝置用硅樹脂再涂時，纖芯的短波長效應(yīng)和再涂材料的長波長漂移效應(yīng)同時發(fā)生，由此補償溫度變化。結(jié)果，耦合波長相對于溫度變化沒有變化。這里，波長的溫度相關(guān)性約為0.07nm/100℃。
本發(fā)明如此加工的長周期光纖光柵濾光器裝置示于圖12中。標號120表示具有B2O3多于GeO2的纖芯，標號122表示包圍纖芯120的包層，標號126表示沿纖芯120長度方向形成的多個長周期光纖光柵。標號128表示覆蓋長周期光纖光柵126的硅樹脂再涂層。
總之，如果通過在光纖纖芯中使用B2O3多于GeO2，在增加的溫度下，耦合波長在正波長漂移范圍內(nèi)漂移，并且折射率隨溫度增加而下降以及耦合波長在再涂層中于正的范圍內(nèi)漂移的話，則溫度變化能夠被補償為幾乎沒有耦合波長漂移。
正如上述，根據(jù)本發(fā)明的長周期光纖光柵濾光器裝置包括根據(jù)所加摻雜劑總量在增加的溫度下耦合波長于負范圍之內(nèi)漂移的纖芯，以及折射率隨溫度增加而下降且耦合波長在正范圍之內(nèi)漂移的再涂層。因此，起因于溫度變化的長周期光纖光柵之耦合波長漂移能夠補償，并且其溫度補償極為方便。
盡管參考某些優(yōu)選實施例已經(jīng)展示和說明了本發(fā)明，但應(yīng)當理解，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離由所附權(quán)利要求限定之本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在其中可對形式和細節(jié)做各種各樣的改變。
權(quán)利要求
1．一種長周期光纖光柵濾光器裝置，包括具有在其中以每隔預(yù)定周期形成的長周期光纖光柵的纖芯；包圍該纖芯的包層；覆蓋沒有長周期光纖光柵之包層部分的涂層；覆蓋具有長周期光纖光柵之包層部分的再涂層；纖芯/包層折射率變化部分，在這里根據(jù)加到纖芯之摻雜劑的總量，耦合波長具有對溫度變化的負波長漂移范圍；和包層/再涂層折射率變化部分，在這里折射率于增加的溫度時下降，并且耦合波長具有正波長漂移范圍。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的長周期光纖光柵濾光器裝置，其中摻雜劑包括B2O3和GeO2，由根據(jù)GeO2總量而增加的折射率引起的耦合波長漂移和由根據(jù)B2O3總量而降低的折射率引起的耦合波長漂移之和具有負的波長漂移值。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的長周期光纖光柵濾光器裝置，其中再涂層由聚合物材料形成，其折射率隨溫度的增加而下降。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的長周期光纖光柵濾光器裝置，其中聚合物材料是硅樹脂。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的長周期光纖光柵濾光器裝置，其中再涂層折射率小于包層折射率。
全文摘要
提供有一種長周期光纖光柵濾光器裝置。包括:在其中每隔預(yù)定周期形成長周期光纖光柵的纖芯,包圍纖芯的包層,覆蓋沒有長周期光纖光柵之包層部分的涂層,覆蓋具有長周期光纖光柵之包層部分的再涂層,根據(jù)加到纖芯之摻雜劑總量相對于溫度變化其耦合波長具有負波長漂移范圍的纖芯/包層折射率變化部分,以及其折射率在溫度增加時下降并且耦合波長具有正波長漂移范圍的包層/再涂層折射率變化部分。因此,纖芯展示了負的耦合波長漂移。
文檔編號G02B6/02GK1288165SQ9912483
公開日2001年3月21日 申請日期1999年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月9日
發(fā)明者章絑寧, 金善旭, 金世潤, 金玟成 申請人:三星電子株式會社