АМПЛИТУДНАЯ МАСКА И УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ РЕШЕТКИ С БОЛЬШИМ ПЕРИОДОМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ТАКУЮ АМПЛИТУДНУЮ МАСКУ Российский патент 2002 года по МПК G02B5/18 G02B6/34 

Изобретение относится к оптическому пассивному элементу и, более конкретно, к амплитудной маске и устройству и способу изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, использующим такую амплитудную маску.

В связи с последними достижениями в развитии оптической связи привлекает внимание фильтр на основе решетки с большим периодом в качестве оптического пассивного элемента. Фильтр на основе решетки с большим периодом соединяет волну, распространяющуюся по сердцевине оптического волокна, с волной, распространяющейся в оболочке, и изготавливается за счет периодического изменения показателя преломления сердцевины оптического волокна, чувствительного к ультрафиолетовому излучению. Т.е. показатель преломления части, которая подвергается воздействию света, увеличивается, а показатель преломления части, которая не подвергается воздействию света, не изменяется, таким образом осуществляется периодическое изменение показателя преломления. Для того чтобы произошло объединение волны, распространяющейся по сердцевине оптического волокна, с волной, распространяющейся в оболочке, должно удовлетворяться следующее уравнение (1):

где β_co представляет собой постоянную распространения волны по сердцевине оптического волокна, βncl

Когда в уравнении (1) β заменяется выражением 2πn/λ (здесь n - показатель преломления), уравнение (1) принимает вид n_co-n_cl = λ/Λ. Соответственно, должны определяться период Λ и разность показателей преломления (n_со-n_с1) для объединения определенной длины волны с волной, распространяющейся в оболочке. Разность показателей преломления может быть получена за счет подходящего освещения лазером ультрафиолетового диапазона оптического волокна, которое является чувствительным к ультрафиолетовому излучению.

Фиг. 1 представляет собой схему стандартного устройства для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом. Со ссылкой на фиг.1, стандартное устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом содержит оптический источник 100 в виде эксимерного лазера с большой выходной мощностью, зеркало 102, линзу 104, маску 106 из двуокиси кремния и оптическое волокно 108. Оптический источник 100 излучает лазерное излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Зеркало 102 изменяет путь лазерного излучения, излучаемого оптическим источником 100. Линза 104 настраивает фокус лазерного пучка, путь прохождения которого был изменен с помощью зеркала 102. Маска 106 из двуокиси кремния избирательно пропускает лазерное излучение, прошедшее через линзу. Оптический фильтр 108 имеет сердцевину, в которой формируется решетка с большим периодом за счет облучения лазерным излучением, прошедшим через маску 106 из двуокиси кремния к оптическому волокну.

Когда лазерное излучение проходит через линзу 104 и облучает оптическое волокно 108, контактирующее с маской 106 из двуокиси кремния, показатель преломления оптического волокна 108 изменяется с регулярной периодичностью, и на оптическом волокне 108 формируется решетка с большим периодом. Здесь свет пропускается через оптическое волокно 108 при использовании оптического источника 110 и детектируется детектором 112, таким образом, получаются оптические характеристики фильтра на основе решетки с большим периодом.

В устройстве для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, описанном выше, маска 106 из двуокиси кремния составляется из образованных хромом рисунков, полученных путем нанесения покрытия и формирования рисунков из хрома Сr на подложке из двуокиси кремния. Лазерное излучение избирательно проходит через эти рисунки из хрома. Однако рисунок из хрома имеет порог разрушения 100 мДж/см², что может сделать невозможным эффективное использование излучения эксимерного лазера с большой выходной мощностью. Также маска из двуокиси кремния изготавливается за счет формирования рисунков из хрома на подложке из двуокиси кремния и, таким образом, имеет только один период, который определяется первоначально сконструированным рисунком. Следовательно, требуются амплитудные маски, имеющие различные периоды, для получения фильтров на основе решеток с большим периодом, имеющих различные периоды, за счет чего увеличивается стоимость производства.

С учетом решения описанных выше проблем задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить амплитудную маску, которая составляется из двух соединенных масок, каждая из которых имеет регулярный период, и период которой последовательно изменяется путем вращения двух масок в противоположных направлениях на заданную величину, и устройство и способ изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, в которых используется такая амплитудная маска.

Соответственно, для решения упомянутой выше задачи создается амплитудная маска для периодического пропускания лазерного излучения к оптическому волокну, когда решетка с большим периодом изготавливается путем избирательного пропускания лазерного излучения к оптическому волокну, содержащая две маски, имеющие периодически чередующиеся области пропускания для прохождения лазерного излучения и области, не пропускающие излучение, для предотвращения прохождения лазерного излучения, где две маски непрерывно вращаются в противоположных направлениях, и период области пропускания, таким образом, непрерывно изменяется.

Для решения упомянутой выше задачи создается устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, содержащее лазерный оптический источник для создания лазерного излучения; часть с амплитудной маской, период которой регулируется за счет перекрытия двух масок, каждая из которых имеет заданный период, и поворота двух перекрываемых масок на заданный угол, и которая избирательно пропускает лазерное излучение к оптическому волокну, в котором должна формироваться решетка с большим периодом в соответствии с регулируемым периодом; и вращающее устройство для поворота двух масок на заданный угол в противоположных направлениях.

Для решения упомянутой выше задачи создается устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, содержащее оптический источник лазерного излучения, зеркало для изменения пути лазерного излучения, создаваемого лазерным оптическим источником; линзу для настройки фокуса лазерного пучка, путь которого был изменен; часть с амплитудной маской, период которой регулируется за счет перекрытия двух масок, каждая из которых имеет заданный период, и поворота каждой из двух двух перекрываемых масок на заданный угол, и которая избирательно пропускает лазерное излучение, прошедшее через линзу, к оптическому волокну, в котором должна быть сформирована решетка с большим периодом в соответствии с регулируемым периодом; детектор для определения максимального коэффициента затухания излучения в оптическом волокне, в котором сформирована решетка с большим периодом, и регулятор для регулировки вращающего устройства для получения требуемой длины волны излучения, на которой достигается максимальный коэффициент затухания излучения.

Для решения упомянутой выше задачи разрабатывается способ изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, содержащий стадии: перекрытие двух масок, в каждой из которых области, которые пропускают лазерное излучение, чередуются с областями, которые не пропускают лазерное излучение, и поворот двух масок в противоположных направлениях; облучение лазерным излучением оптического волокна через области, пропускающие излучение, сформированные с заданными периодами на двух повернутых масках, и формирование решетки с большим периодом на оптическом волокне; и измерение максимального коэффициента затухания излучения, определяемого решеткой с большим периодом, за счет прохождения света через оптическое волокно, на котором сформирована решетка с большим периодом, и регулировка угла поворота, на который поворачиваются каждая из двух масок для получения требуемой длины волны излучения, на которой достигается максимальный коэффициент затухания излучения.

Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую стандартное устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом;
фиг. 2 иллюстрирует структуру маски для осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 иллюстрирует результат поворота двух масок фиг.2 на заданный угол в различных направлениях для получения требуемого периода;
фиг. 4 показывает определение периода амплитудной маски в соответствии с углом поворота фиг.3;
фиг.5 показывает две маски, повернутые на больший угол, чем на фиг.3;
фиг. 6 представляет собой график, показывающий изменение периода амплитудной маски в зависимости от угла поворота (α), когда используется маска, имеющая период Λ₀ 100 мкм; и
фиг. 7 представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, использующее часть с амплитудной маской, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 показывает структуру маски для осуществления настоящего изобретения. Фиг.3 показывает результат поворота двух масок фиг.2 на заданный угол в противоположных направлениях для получения требуемого периода. Маска на фиг. 2 содержит области 202, пропускающие излучение для прохождения света с периодами (Λ₀ = 2d) сотен мкм, и области 204, не пропускающие излучение, на тонкой металлической подложке 200 толщиной приблизительно 0,2 мм, например нержавеющей подложке. Пропускающая излучение область 202 формируется с помощью лазерной литографии при использовании лазера на диоксиде углерода или с помощью химического травления. Металлическая подложка 200 устраняет ограничения, связанные с порогом разрушения, позволяя использовать в качестве оптического источника лазер ультрафиолетового диапазона с высокой мощностью излучения. Лазерное излучение проходит через область 202, пропускающую излучение, таким образом увеличивая показатель преломления оптического волновода. Область 204, не пропускающая излучение, является металлической частью и блокирует излучение лазера ультрафиолетового диапазона.

В настоящем изобретении амплитудная маска составляется из двух масок фиг. 2, которые фиксируются, перекрываются на поворотном зажимном устройстве (не показано), и затем каждая из них точно поворачивается. Фиг.3 показывает две маски 300, повернутые каждая на угол α^°. Здесь цифровое обозначение 302 относится к направлению оптического волокна или оптического волновода, цифровые обозначения 304 и 306 представляют первую и вторую подложки, каждая из которых повернута на угол α^°, цифровое обозначение 308 представляет область для прохождения лазерного излучения и Λ представляет период амплитудной маски в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.4, период амплитудной маски Λ определяется по отношению к углу вращения (α) следующим образом:
xcosα = a₁ = a₂
xsin2α = d

2d = Λ₀

где Λ₀ представляет собой период маски.

Фиг. 5 показывает две маски 500, повернутые каждая на угол β^°, который больше угла поворота (α^°) фиг.3. Здесь цифровое обозначение 502 относится к направлению оптического волокна или оптического волновода. Можно видеть, что период амплитудной маски становится меньше по мере того, как угол поворота становится больше, чем на фиг.3. Фиг.6 представляет собой график, показывающий изменение периода амплитудной маски в зависимости от угла поворота (α), когда используется маска, имеющая период Λ₀ 100 мкм. Со ссылкой на фиг. 6, период решетки амплитудной маски может непрерывно регулироваться от 140 мкм, через 600 мкм при угле поворота 10^o, до свыше 600 мкм (когда α составляет 0^o, период является бесконечным).

Фиг. 7 представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, использующее часть с амплитудной маской, в соответствии с настоящим изобретением. Со ссылкой на фиг.7, устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом включает оптический источник 700 в виде эксимерного лазера, зеркало 702, линзу 704, часть 706 с амплитудной маской, оптическое волокно 708, оптический источник 710, детектор 712 и регулятор 714. Зеркало 702 изменяет путь лазерного излучения, создаваемого оптическим источником 700 в виде эксимерного лазера. Линза 704 регулирует фокус лазерного пучка, путь которого изменяется с помощью зеркала 702. Часть 706 с амплитудной маской избирательно пропускает лазерное излучение, прошедшее через линзу и состоит из двух масок фиг. 2, которые зафиксированы, перекрыты на поворотном зажимном устройстве (не показано) и затем точно поворачиваются. Оптическое волокно 708 имеет сердцевину, в которой формируется решетка с большим периодом за счет облучения лазерным излучением, прошедшим через амплитудную маску 706. Детектор 712 определяет оптические характеристики при прохождении через оптическое волокно 708, при которых была сформирована решетка с большим периодом. Регулятор 714 регулирует период части 706 с амплитудной маской в соответствии с максимальным коэффициентом затухания излучения, который определяется детектором 712.

Коэффициент затухания излучения становится максимальным, когда в решетке с большим периодом волна с каждой длиной волны, распространяющаяся по сердцевине оптического волокна, соединяется с волной, распространяющейся в оболочке.

Теперь будет описано изготовление фильтра на основе решетки с большим периодом, использующее устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом. Во-первых, лазерное излучение, генерируемое оптическим источником 700 в виде эксимерного лазера попадает на оптическое волокно 708, контактирующее с частью 706 с амплитудной маской через зеркало 702 и линзу 704. Показатель преломления части оптического волокна, освещаемой лазерным излучением, прошедшим через часть 706 с амплитудной маской изменяется таким образом, чтобы формировалась решетка с большим периодом. В то же время оптическое волокно 708, в котором была сформирована решетка с большим периодом, пропускает излучение, генерированное оптическим источником 710, и детектор 712 определяет интенсивность и длину волны света, прошедшего через оптическое волокно 708. Регулятор 714 регулирует период амплитудной маски для получения требуемой длины волны излучения, на которой достигается максимальный коэффициент затухания излучения.

В амплитудной маске в соответствии с настоящим изобретением две маски, каждая из которых имеет регулярный период, поворачиваются в противоположных направлениях таким образом, что они имеют период, зависящий от угла поворота. Таким образом, период амплитудной маски может непрерывно изменяться. Также при изготовлении фильтра на основе решетки с большим периодом принимается амплитудная маска, период которой можно регулировать, вместо маски из двуокиси кремния, имеющей только один период, таким образом может быть получена длина волны излучения, на которой достигается максимальный коэффициент затухания излучения и которая является чувствительной к периоду.

Предложены амплитудная маска, устройство и способ изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, использующие такую амплитудную маску. Решетка с большим периодом изготавливается за счет избирательного прохождения света к оптическому волокну за счет того, что амплитудная маска периодически пропускает лазерное излучение к оптическому волокну. Амплитудная маска включает две маски, имеющие периодически чередующиеся области пропускания лазерного излучения и области, не пропускающие излучение. Две маски установлены с возможностью вращения в противоположных направлениях, обеспечивая зависимость периода амплитудной маски от угла поворота масок. Угол поворота масок регулируют в зависимости от измеряемого максимального коэффициента затухания излучения. Обеспечивается создание маски с переменным периодом. 4 с. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Амплитудная маска для периодического пропускания лазерного излучения к оптическому волокну, в котором решетка с большим периодом изготавливается за счет избирательного пропускания лазерного излучения к оптическому волокну, содержащая две маски, имеющие периодически чередующиеся области пропускания для прохождения лазерного излучения и области, не пропускающие излучение, для предотвращения прохождения лазерного излучения, в которой две маски непрерывно вращаются в противоположных направлениях, и период области пропускания, таким образом, непрерывно изменяется. 2. Амплитудная маска по п. 1, в которой подложка маски формируется из металла. 3. Амплитудная маска по п. 1, в которой период (Λ) амплитудной маски определяется следующим образом:

где Λ₀ - период маски, и α - угол поворота каждой из двух масок. 4. Устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, содержащее лазерный оптический источник для создания лазерного излучения, часть с амплитудной маской, период которой регулируется за счет перекрытия двух масок, каждая из которых имеет заданный период, и поворота двух перекрываемых масок на заданный угол, и которая избирательно пропускает лазерное излучение к оптическому волокну, в котором должна формироваться решетка с большим периодом в соответствии с регулируемым периодом, и вращающее устройство для поворота двух масок на заданный угол в противоположных направлениях. 5. Устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом по п. 4, дополнительно содержащее второй оптический источник, детектор для определения максимального коэффициента затухания излучения, расположенный с одного конца оптического волокна, в котором сформирована решетка с большим периодом, в оптическом волокне, когда световое излучение, генерированное вторым оптическим источником, попадает на другой конец оптического волокна, и регулятор для регулировки вращающего устройства для получения требуемой длины волны излучения, на которой достигается максимальный коэффициент затухания излучения. 6. Устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом по п. 4, в котором материал подложки маски представляет собой металл. 7. Устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом по п. 5, где период (Λ) амплитудной маски определяется следующим образом:

где Λ₀ - период маски, и α - угол поворота каждой из двух масок. 8. Устройство для изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, содержащее лазерный оптический источник, зеркало для изменения пути лазерного излучения, создаваемого лазерным оптическим источником, линзу для настройки фокуса лазерного излучения, путь которого изменен, часть с амплитудной маской, период которой регулируется за счет перекрытия двух масок, каждая из которых имеет заданный период, и поворота двух перекрываемых масок на заданный угол, и которая избирательно пропускает лазерное излучение, прошедшее через линзу, к оптическому волокну, в котором сформирована решетка с большим периодом в соответствии с регулируемым периодом, детектор для определения максимального коэффициента затухания излучения в оптическом волокне, в котором сформирована решетка с большим периодом, и регулятор для регулировки периода амплитудной маски для получения требуемой длины волны излучения, на которой достигается максимальный коэффициент затухания излучения. 9. Способ изготовления фильтра на основе решетки с большим периодом, включающий этапы перекрытия двух масок, в каждой из которых области, которые пропускают лазерное излучение, чередуются с областями, которые не пропускают лазерное излучение, и поворота двух масок в противоположных направлениях, облучения лазерным излучением оптического волокна через области, пропускающие излучение, сформированные с заданными периодами на двух повернутых масках, и формирования решетки с большим периодом на оптическом волокне, и измерения максимального коэффициента затухания излучения в оптическом волокне, в котором сформирована решетка с большим периодом, при прохождении излучения через оптическое волокно, и регулировки угла поворота каждой из двух масок для получения требуемой длины волны излучения, на которой достигается измеряемый максимальный коэффициент затухания излучения.