Design and Realization of Fiber. Monitoring Applications

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Florine Bureau
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1 Design and Realization of Fiber Integrated Grating Taps for Performance Monitoring Applications THÈSE N O 3882 (2007) PRÉSENTÉE le 24 août 2007 À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR LABORATOIRE D'OPTIQUE APPLIQUÉE PROGRAMME DOCTORAL EN PHOTONIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Yann Tissot ingénieur en microtechnique diplômé EPF de nationalité suisse et originaire de Valangin (NE), Lausanne (VD) acceptée sur proposition du jury: Prof. O. Martin, président du jury Prof. R. Salathé, Dr H. G. Limberger, directeurs de thèse Prof. E. Brinkmeyer, rapporteur Prof. A. Fiore, rapporteur Prof. R. Kashyap, rapporteur Suisse 2007

SCIENCES PAR Yann Tissot ingénieur en microtechnique diplômé EPF de nationalité suisse et originaire de Valangin (NE), Lausanne (VD) acceptée sur proposition du jury: Prof. O.

2 Abstract Performance monitoring is one of the key features to create self-managed optical networks. Monitoring the characteristics of an optical channel is important for designing robust and reliable optical telecommunication system. This thesis examined the use of highly integrated and low loss in-fiber taps for monitoring the power and the wavelength of an optical signal that propagates in the core of an optical fiber. The taps are tilted fiber Bragg gratings (TFBG) that are induced in the fiber core by UV-laser light. These gratings have the ability to diffract light outside the fiber in a dispersive and very directional manner. The scattered light may be measured and serve as a monitoring signal. Specifically, the grating length can be reduced and the index of modulation increased such that the spectral properties of the scattered light are conserved. Novel power and wavelength monitors have been designed and realized by exploiting this key characteristic. The power monitor uses one single TFBG and can measure the power of a single wavelength signal over a bandwidth that can be adapted by the grating tilt angle. The wavelength monitor uses a pair of TFBG that spectra are shifted in wavelength and overlap. This allows for decoupling the power and the wavelength of the propagating signal. Simulations showed that it is possible to extend the operating wavelength window of this device while keeping a high i

This thesis examined the use of highly integrated and low loss in-fiber taps for monitoring the power and the wavelength of an optical signal that propagates in the core of an optical fiber.

3 wavelength selectivity. The impact of an undesirable variation of the polarization state of the incident light on the device performances has been analyzed and calculated. As a result, it is possible to compensate the polarization dependency of the monitoring signal by adapting either the length or the index modulation of one of the gratings. These devices have been fabricated in standard telecommunication fiber using 500 μm-long tilted fiber Bragg gratings. The power monitor operates over a wavelength range larger that 60 nm. That makes it suitable for fast power monitoring of a tunable laser that operates over a entire communication band. The wavelength monitor has a low insertion loss (<1 db) and exhibits a sub-picometer wavelength resolution over a large wavelength band (>30 nm). Using a scattering model, it has been highlighted that the spatial distribution of the scattered light outside the fiber depends on the wavelength and on the polarization state of the incident light. A new characterization setup was built for measuring the azimuthal scattering distribution for various polarization states. A good agreement was found with the calculations. Keywords: Tilted fiber Bragg gratings, taps, polarization, wavelength monitor, power monitor, PDL, PDS. ii

These devices have been fabricated in standard telecommunication fiber using 500 μm-long tilted fiber Bragg gratings. The power monitor operates over a wavelength range larger that 60 nm.

4 Résumé Une des caractéristiques clé de la conception des réseaux optiques auto-gérés est une surveillance performante de l évolution des propriétés d un canal optique. Cette surveillance est importante tant du point de vue de la robustesse que de la fiabilité des systèmes de télécommunication optique. Cette thèse étudie l utilisation de capteurs fibrés très intégrés et présentant peu de pertes dans le but de contrôler la puissance et la longueur d onde d un signal optique qui se propage dans le coeur d une fibre optique. Les capteurs sont des réseaux de Bragg blazés (TFBG) induits dans le coeur des fibres par une lumière laser dans l ultraviolet. Ces TFBG ont la capacité de diffracter la lumière hors de la fibre d une manière dispersive et très directionnelle. Une fois diffractée, la lumière peut être mesurée et exploitée comme signal de contrôle. Plus exactement, la taille des réseaux peut être réduite et l indice de modulation augmenté de façon à conserver les propriétés spectrales de la lumière diffractée. De nouveaux capteurs de puissance et de longueur d onde optique ont été conçus et réalisés en exploitant cette caractéristique clé. Le capteur de puissance n utilise qu un TFBG et peut mesurer la puissance d un signal optique sur une largeur de bande qui peut être adaptée par l angle de blaze du réseau. Le capteur de longueur d onde utilise une paire de TFBG dont les spectres sont décalés en longueur d onde et iii

Cette thèse étudie l utilisation de capteurs fibrés très intégrés et présentant peu de pertes dans le but de contrôler la puissance et la longueur d onde d un signal optique qui se propage dans le

5 se chevauchent ce qui permet une distinction claire entre la puissance et la longueur d onde du signal optique. Les simulations ont démontré qu il était possible d élargir la fenêtre spectrale d utilisation tout en gardant une grande sélectivité en longueur d onde. L impact d une variation indésirable de l état de polarisation de la lumière incidente sur les performances des capteurs a été analysé et calculé. Il en résulte qu il est possible de compenser la dépendance en polarisation du signal de contrôle en adaptant la longueur d un des réseaux ou son indice de modulation. Ces capteurs ont été fabriqués en utilisant des réseaux de 500 μm. Le capteur de puissance fonctionne sur une largeur de bande qui dépasse les 60 nm. Son utilisation est donc appropriée au contrôle rapide de la puissance d un laser accordable dont la fenêtre spectrale couvre une bande de communication. Le capteur de longueur d onde présente de faibles pertes (< 1 db) et une résolution en longueur d onde sub-picométrique sur une grande plage spectrale (> 30 nm). L utilisation d un modèle de diffraction a permis de souligner le fait que de la distribution spatiale de la lumière diffractée dépend de la longueur d onde et de l état de polarisation de la lumière incidente. Un nouveau banc de caractérisation a été construit afin de mesurer la distribution azimuthale de la lumière diffractée pour plusieurs états de polarisation. Les mesures sont en adéquation avec les calculs. Mots clés: Réseaux de Bragg blazés, polarisation, capteur de longueur d onde, capteur de puissance optique, PDL, PDS. iv

L impact d une variation indésirable de l état de polarisation de la lumière incidente sur les performances des capteurs a été analysé et calculé.

6 Contents 1 Introduction State-of-the-art Motivationofthethesis Thesisoutline... 4 References Fiber Bragg gratings Historicalreview Photosensitivity Mechanisms of Photosensitivity Photosensitivity enhancement techniques FiberBragggrating Braggreflection FiberBragggratingspectra FabricationoffiberBragggratings Side-writtenfabricationtechniques Inscriptionsetup Photosensitivity measurement Summary References vii

.... 15 2.3 FiberBragggrating... 18 2.3.1 Braggreflection... 18 2.3.2 FiberBragggratingspectra... 19 2.4 FabricationoffiberBragggratings... 20 2.4.1 Side-writtenfabricationtechniques.

7 Contents 3 Transmission loss spectra of TFBG Introduction TiltedfiberBragggrating Fabricationtechnique Backreflection Typesofcoupling Charac. of the influence of the tilt angle on the grating spectra Evolution of Backreflection with tilt angle Kinetic of the coupling to clad. modes with UV-dose Influence of tilt on the coupling to cladding modes Influence of grating length on the coupling to clad. modes Conclusion References Scattering characteristics of TFBG Introduction Scattering Model Definition of the grating and wave vectors Fielddefinition Volumecurrentmethod Scattered and transmission loss spectra Scattered spectrum Polarization dependent scattering Transmissionspectrum Polarizationdependentloss Scattering distribution Wavelength dependent scattering distribution Polarization dependent scattering distribution Spectral location of scattering distribution Characterization of the Scattering distribution Characterizationset-up PDSasafunctionofthetiltangle PDSdistribution viii

3.4 Influence of grating length on the coupling to clad. modes... 53 3.4 Conclusion... 54 References... 57 4 Scattering characteristics of TFBG 63 4.1 Introduction... 64 4.2 Scattering Model..... 65 4.

8 Contents 4.6 Conclusion,Summary References Design of integrated fiber tap monitors Grating-based,in-fibermonitoringdevices PowermonitorbasedonasingleTFBG DeviceArrangement Powermonitoring WavelengthmonitorbasedoncascadedTFBG DeviceArrangement Wavelengthmonitoring Pol. sensitivity of the monitoring signal PDS R Conclusion References Realization of integrated power and wavelength monitors PowermonitorbasedonasingleTFBG Prototype description CharacterizationoftheTAPsignal Assessment of the cladding-modes cross-detection Characterization of the polarization dependent scattering PDS (λ) andlosspdl(λ) spectra WavelengthmonitorbasedonapairofTFBG Prototype description Experiment ResultsandDiscussion OptimizationoftheSNR ReductionofthePolarizationdependency Discussion,Conclusion References Conclusion 147 A Characterization of OH- optical losses 149 References ix

. 108 5.4 Conclusion...114 References...117 6 Realization of integrated power and wavelength monitors 121 6.1 PowermonitorbasedonasingleTFBG...122 6.1.1 Prototype description...122 6.1.2 CharacterizationoftheTAPsignal.

9 Contents B Fabrication of Apodized Grating 153 References C AFM measurement 159 References D Temperature sensitivity of various doped fibers 163 D.0.1 Experiment D.0.2 Results References Glossary 176 Acknowledgements 178 Curriculum Vitæ 179 ListofPublications x

..161 D Temperature sensitivity of various doped fibers 163 D.0.

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