CN1080887C - 带有波导结构的滤光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有波导结构的滤光器，由一个芯区和一个包层区所构成，芯区内在预定地方形成一个反射预定波长光的光栅，而包层区具有比芯区低的折射率，并覆盖芯区。特别地，此滤光器带有一个光吸收结构，用来吸收由光栅反射的光的从光栅传播到包层区的光分量。此光吸收结构至少配备在从光栅传播到包层区的光到达的区域。

Description

带有波导结构的滤光器
本发明涉及一种带有波导结构的光功能器件，特别是涉及一种滤光器，其中光波导的一部分中提供了具有滤光功能的光栅。
在光线路检测系统中，提供了一个利用光时域反射法的检测仪表(以下简称光时域反射计OTDR)，而反射沿光线路前进的检测光的滤光器通常配备在光线路的预定地方。此滤光器具有截断检测光的阻光功能，以避免检测光传输到用户的房间；也具有反射沿光线路传播的检测光的光反射功能，以便将其送回检测仪表。因而可将其用于检测有缺陷的光线路，也可用于探测光线路的传输特性。
作为用于光线路检测系统的滤光器(光功能器件)，特别更可取的是这样的的滤光器，即一个具有滤光功能的区域(以下称称滤光区)配备在其中的光波导(包括光纤，薄膜波导等等)的芯区。例如，当一个滤光区在用于光线路的通信光纤的预定地方形成时，则可获得一个光纤型的滤光器。这样的滤光器本身能用作光线路。因此，当光纤用作滤光器来构成光线路检测系统时，不象使用绝缘多层膜滤光器情形，这里滤光部分不必插入到光线路之内，从而信号光的损耗被减至最少。同样，在薄膜波导内配备滤光区而形成的滤光器，也因种种原因而变得简便，例如其不仅反射检测光，而且能输出一路通过滤光区传输的信号光。
作为这样的带有波导结构的滤光器的滤光区，按惯例使用了光栅。在此说明书里，“光栅”表示光波导内的一个区域，这里有效的折射率沿光波导的光轴(沿光波导传播的光的传播方向)在最大值和最小值之间周期性地变化。正如日本专利No.62-50052所发表的，当掺锗石英琉璃用紫外线的干涉条纹照射时，可以形成一个光栅，此光栅之所以形成是由于这样一种现象，即此玻璃的折射率随干涉条纹的强度而增加。在光波导的芯区内形成的光栅反射沿光波导传播的光的一个光分量。此光分量具有集中于预定波长(布拉格波长)的狭窄的波长宽度。此波长(以下简称“光栅反射波长”)已经可以根据光栅周期(光栅间距)来测得。
本发明涉及带有波导结构的滤光器，此结构利用芯区和包层区的折射率不同，从而可以传输限制在预定区域内的预定波长的光，其中提供了至少可以在芯区的一个预定区域内仅仅反射特殊波长光的光栅，特别地，本发明的目的就是提供具有一种结构的滤光器，此结构针对从光输出端观察由光栅反射的光具有高的阻光系数。换句话说，此滤光器具有一种结构，阻挡由光栅反射的光的一个光分量的前进，此光分量是从光栅传播到包层区的分量。
为了实现带有这样结构的滤光器，发明人已研究了如下所解析的现有技术。
在带有波导结构的传统型滤光器里，其中上述提到的光栅配备在芯区的预定部分，存在一个不希望有的光分量，此光分量没有在这被反射而通过了光栅，尽管此光分量具有与光栅反射波长一致的波长。因此从光输出端观察，这样的滤光器不能足够显示阻挡预定波长光的滤光功能。
根据本发明的滤光器，例如如图1所示，是一个带有波导结构(即等同于光纤或薄膜波导的结构)的滤光器，其至少由芯区12和包层区14组成，且芯区12具有预定的折射率，其内至少在预定地方配备了反射预定波长光的光栅16，而包层区14具有比芯区12低的折射率且包裹芯区12。特别地，此滤光器10特征上有一个光吸收结构，吸收由光栅16反射的光的从光栅16传播到包层区14的光分量。此光吸收结构至少配备在从光栅16传播到包层区14的光所到达的区域。
在此说明书中，“波导”表示一条回路或线路，它们利用芯区和包层区的折射率的不同而把光限制在预定区域，并传播这一受限制的光。本说明书中的波导包括了光纤、由层压薄膜所构成的波导(以下称简“薄膜波导”)，等等。
实现了第一种光吸收结构，例如如图1所示，是通过增加吸光物质，吸收从朝向包层区14的光栅16辐射到包围光栅16的包层区14的至少一部分的光。特别地，掺杂光吸收物质的玻璃区域更好的是包层区14的较外区域140，此位于光传播区域17之外(参见图2)，区域17是由沿芯区12传播的光的模场直径所定义，并同芯区12隔开有一预定距离。
在根据本发明的滤光器中，针对与光栅16反射波长一致的波长的光(由光栅16反射的光)，其一个光分量从光栅16传播到包层区14，并通过包层区14传播到光栅16之前的某位置，从而被加到包层区14内的预定区域140的光吸收物质所吸收，因此具有光栅16反射波长的光被高比例地阻挡。
作为光吸收物质，最好是某种高比例吸收上述提到的反射波长的物质。更进一步，对于这样的尽可能少地吸收通过光栅16传输的光的物质是最佳的。这里，“从光输出端观察时通过光栅16传输的光”是一个与“从光输出端观察时被阻挡的光(将被光栅16反射的光)”相反的概念。例如当根据本发明的滤光器应用到光线路检测系统时，“要阻挡的光”与检测光相对应，而“要传输的光”与用于光通信的信号光相对应。
如上述所提到的，加到包层区14的较外区域140的光吸收物质是这样的一种物质，即通过吸收来消除反射波长光。然而，依照光吸收物质的种类，存在这种可能，即这样的物质也以一定的比例吸收通过光栅16传输的光。然而，当光吸收物质加到滤光器内位于由相对于传输光而言的模场直径所定义的光传输区域17之外的较外区域140时，从而传输光几乎不被吸收而避免衰减。
实现的第二种光吸收结构，例如图9所示，是在用于吸收从光栅26传播到包层区24的光的光吸收层28配备在围绕光栅26的层区24的至少一部分外表面上之时。更好的是，当根据本发明的滤光器具有一个薄膜波导结构时，如图11所示，光吸收层38配备在覆盖芯区32的包层区34的上表面上。
在根据本发明的滤光器中，针对从光栅26传播到包层区24以致于达到包层区24外表面的光(由光栅26反射的光)，其从包层区24发射的光分量被光吸收层28所吸收。更进一步，光栅可以在滤光器的端部形成。因此，即使当该滤光器(光纤型的)安装在一个滤光器中使光栅26位于光连接器的套筒之内时，所要抑制的是这样一种现象，即光从光栅26传播到包层区24，并从包层区24发射出来而被套筒所反射，然后返回进入包层区24而传播到光栅26之前的地方。同样，既然光吸收物质通常具有比空气高的折射率，与空气层存在于包层区24之上的情形相比，光吸收层28配备在包层区24的表面上时，从包层区24发射的光也会具有较高的强度。既然此光被光吸收物质所吸收，则从光栅26传播到包层区24再通过包层区24传播到光栅26之前的地方的光强必定减少。因此，具有与光栅26反射波长一致的波长的光从输出端观察时被高比例地阻挡。
从下面所给的详细说明及附图，可以更为充分地理解本发明，而这些附图仅仅通过图示的方法给出，且这样并不应认为是限制本发明。
从下面所给的详细说明，可以更进一步地显示本发明的应用范围。然而，应该懂得的是，下列详细说明及特殊例子在显示本发明的最佳实施例的同时，仅仅通过图示的方法给出，因为在本发明的精神及范围之内的各种改变及改进对那些熟悉本领域的人将从此详细说明中明显看到。
图1，图示了根据本发明的滤光器的第一实施例的侧面剖面图。
图2，图示了沿图1所示的A-A线取得的图1滤光器的剖面图。
图3，图示了针对图1滤光器应用时的实验设备的示意图。
图4及图5，图示了利用图3的设备探测到的通过包括光栅的滤光区传输的检测光谱线图，显示出d分别设为21mm和550mm情形下的探测结果。
图6，图示了滤光器内从在芯区形成的光栅传播到包层区的光的路径。
图7，图示了图1所示的滤光器的第一种改进型例子。
图8，图示了图1所示的滤光器的第二种改进型例子。
图9，图示了根据本发明的滤光器的第二实施例的部分剖面图。
图10，图示了沿图9所示的B-B线取得的图9滤光器剖面图。
图11，是根据本发明的带有薄膜波导结构的滤光器的总体透视图。
以下，将参照图1到图11来阐明根据本发明的滤光器。这里，在图的注释中，相互等同的组成部分将不使用重复交错的说明而用相互等同的记号来表示，而图中尺寸比例也不总是与所说明的一致。
图1是一张侧面剖面图，显示了根据本发明的滤光器10(光纤型的)的第一实施例的结构。
图2是沿图1所示的A-A线取得的滤光器10的剖面图。此滤光器10是一由芯区12和包层区14构成的单模滤光器，其中具有滤光功能的光栅16在芯区12内的预定区域形成。
波光器10能够用于使用光时域反射计OTDR的光通信网的检测系统。在构成光通信网的光线路上，在用于光通信的信号光从一个站传输到用户终端的同时，检测光从光时域反射计OTDR传输以便检测光线路的状态。作为检测光，使用了与信号光不同波长的光。为避免检测光进入用户终端，一个滤光器需要配备在光线路的终端位置(光输出端附近)。在满足此需要的滤光器10中，反射检测光的光栅16配备在作为光线路的芯区12内，以便从用户终端边观察时阻挡检测光。
滤光器10是一种主要由石英玻璃(SiO2)组成的光纤。包层区14基本上是由纯净的石本英玻璃构成的玻璃区域，而芯区12则是掺杂一种用于增加折射率的物质GeO2的玻璃区域。因此，在滤光器10内，芯区12和包层区14之间的相对折射率设为约0.35％。
光栅16是芯区12内的一个区域，其有效折射率沿光轴(即信号光或检测光前进的方向)在最小折射率和最大折射率之间周期性地变化。换句话说，光栅16是一个具有折射率分布的区域，其有效折射率沿光轴在最小折射率和最大折射率之间重复改变。此光栅16反射集中于一个波长(Bragg波长)的相对于狭窄波长范围的光，此滤长取决于折射率的变化周期，例如光栅周期(也称为“光栅间距”)。光栅16的这个反射波长与上述提到的检测光波长一致。
光栅16能根据这样一个现象形成，即当锗石英玻璃用紫外线照射时，其照射区域的重新分布的折射率随反应紫外线强度的值而增加。换句话说，当紫外线沿两个方向从包层区14的表面照射掺锗的芯区12，以使在芯区12所在的区域形成相干条纹时，一个与相干条纹的光强度分布相应的折射率分布在芯区12内形成。一个具有这样形成的折射率的区域即为光栅16。在此情形下，形成光栅16的区域的最小折射率基本上与芯区12的原始有效折射率(在紫外线照射之前的折射率)一致。
图1和图2中的数字15表示覆盖包层区14表面的树脂涂层，其功能在于保护芯区12和包层区14。在滤光器10(光纤)的末端消除涂层15以便能从两个方向用紫外线照射芯区12而如同以上所提到的形成光栅16。同样地，数字17表示由滤光器内相对于用于光通信的信号光而言的模物直径所定义的光传播区域。
如图1和2所示，滤光器10里的位于信号光的光传播区域之外的包层区14较外区域140掺杂着一种光吸收物质。此光吸收物质是一种能有效吸收由光栅16所反射的光的物质。作为光吸收物质，根据光栅16的反射波长能够使用各种物质。例如镨，一种地球上含量稀少的元素，在反射波长在1.3μm波带时能够使用；而铒，也是一种地球上含量稀少的元素，在反射波长在1.55μm时能够使用。
利用加到一部分包层区14(较外区域140)的光吸收物质，滤光器10特性上吸收由光栅16反射的光的从光栅16传播到包层区14的光分量。
首先，以下将解释光从芯区12内形成的光栅16传播到包层区14的现象。通过使用图3所示的设备进行实验，发明人已证实了此现象的存在。此实验设备用于调查研究这样的一个事实，即光栅116反射波长的光从光纤100的纤芯内形成的光栅116传播到包层。这里，其内已形成光栅116的光纤100等同于根据本发明的带有波导结构的滤光器10。光纤100是一种基于石英玻璃的单模光纤，其纤芯掺杂锗。光栅116有100mm长的预定的光栅间距，及约1,554nm的反射波长。光纤100的包层除了其两端外都涂有一层树脂物质。其一端清除了树脂涂层通过光纤适配器210连接到半导体激光二极管(SLD)200。SLD200是一半导体发光器件，输出包括光栅116反射波长的预定波长范围内的光。其清除了树脂涂层的另一端通过光纤适配器310连接到波谱分析仪300。光栅116在与波谱分析仪300相对的端面相距为d的位置处形成，此处是在光纤100没有树脂涂层的区域里。
发明人使得SLD200发光以便使检测光入射在光纤100之上，并利用波谱分析仪300探测通过带有光栅116的位置而传播的光的波谱，此处是α分别为21mm(图4)和500mm(图5)情形下的位置。图4和图5显示了它们相应的探测结果。因光栅116反射光而使得传输光强度降低的峰400和410分别在图4、图5出现，而在α＝21mm情形下的降低峰400明显小于α＝500mm情形下的降低峰410。换句话说，在α＝21mm情形下，具有被光栅116组挡的波长的光在传输中的减弱量小于α＝500mm的情形。既然不管d＝21mm还是d＝500mm配备在光纤100内的光栅116具有相同的结构，则在传输中的减弱量的不同不是由于光栅116的反射产生，而是由于光栅116到波谱分析仪300的距离不同而产生的。
由这个事实看来，上述提到的在传输中减弱量的不同考虑如下。既然光栅116包含了一个其折射率局部增加的地方，则在此光栅形成的地方和其它地方之间产生了模物直径的不一致。当光栅反射波长光到达此光栅，其一部分在此被反射而通过光栅前进。这里，由于上述提到的模物直径的不一致，产生了从光栅的各个方向传播到包层的光。
图6图示解释在光纤100内光从光栅116传播到到包层的路径。在此图中，数字112表示光纤100的纤芯，而数字114表示包层。另外，数字120表示从光栅116传播到包层114的光。如图6所示，此光的一部分传播到包层114之外。同样，从光栅116传播而来的光的一部分也通过由包层114和纤芯112组成的区域前进以达到光栅116之前的地方(图中的右边)。在此情形下，既然由包层114和纤芯112组成的玻璃区域的限光效果与纤芯112单独作用时相比减弱了，则上述提到的光当其通过此玻璃区域前进时强度减弱到相对大的值。因此，如同上述提到的实验结果情形，由波谱分析仪300探测到的上述提到的反射波长光减少，且从光栅116到波谱分析仪300的距离越大，传输光强度的降低峰就越大。
这样，当由光栅116所阻挡的光经由包层114通过光栅116时，光栅116的阻光效果不足。由这个事实来看，提供了根据本发明的滤光器。在上文所阐述的实施例中，针对具有与光栅16反射波长一致的波长的光，其从光栅16传播到包层14的光分量被加到包层14的光吸收物质所吸收，从而通过光栅16的光的强度降低。因此，根据本发明的滤光器10具有比常规滤光器高的阻光比例。
另外，在根据本发明的滤光器10内，因为光吸收物质加到一部分包层区14(较外区域140)，而此位于由用于光通信的信号光模场直径所定义的光传播区域17之外，则此光吸收物质并不减弱信号光。因此，此滤光器10能很适合用于将其安装成一光线路检测系统的组成部分的情形。
在此第一实施例中，光吸收物质是加到光传播区域17之外的区域包层区14，而且是几乎沿滤光器光轴方向的所有地方。这可简单地归于制造方式。如图6所示，从光栅116传播到包层114的光在包层114内从光栅116的各个地方前进到其斜向前的地方。因此，同样在根据本发明的滤光器情形下，当光吸收物质加到光栅斜向前的地方，阻光比例也会足够增加，即使在其它地方没有加光吸收物质。
波光器10具有与光纤(由纤芯12和包层区14组成)相同结构的同时，它也可代之以具有等同于如图11所示的薄膜波导的结构(组成)，在此情形下，就象光纤型波导(看图1)，光吸收物质也加到包层区34以构成一个滤光器。同样，根据本发明的滤光器也可由许多的光栅组成。例如在如图7所示的滤光器10(光纤型的)的芯区12里，可以配备反射波长λ1的光的第一个光栅16a和反射波长λ2的光的第二个光栅16b。在此情形下，作为加到包层区14的较外区域140的光吸收物质，选择一种能对波长λ1和λ2的光两者都一定程度吸收的物质。
此外，如图8所示，具有反射不同波长光的光栅的光纤型滤光器可以插入到光线路上的许多地方。这里，在此图中，数字110和120代表构成光线路的通信光纤(分别具有纤芯111和121及包层112和122)，当每个滤光器逐个插入在通信光纤之间时，均各自构成光线路的一部分以便作为光线路的一部分起作用。
以下，将阐述根据本发明的滤光器的第二实施例。
图9是一侧面剖面图，显示了根据本发明的滤光器20的第二实施例的结构。图10是沿图9所示的B-B线取得的滤光器20的剖面图。如同第一实施例情形，由芯区22和包层区24组成的此滤光器20具有与单模光纤相同的结构。同样，滤光器20也能用于使用光时域反射计OTDR的光通信网的检测系统。在滤光器20里，如同第一实施例，光栅26是在芯区24内形成。尽管芯区22和包层区24具有与第一实施例基本相同的组成部分，但不象第一实施例，这里没有光吸收物质加到包层区24。取而代之的是包层区24的外表面涂有一层光吸收层28，此光吸收层28根据与光栅26反射波长一致的波长的光而由各种物质形成。例如，当反射波长处于1.55μm的波带时，包层区24的表面涂上有机物质聚酰亚胺。在光吸收层28的大部分外表面用树脂涂层25覆盖以作为加固部分的同时，为了形成光栅26从滤光器20的末端清除涂层25。
在滤光器20中，光从光栅26传播到包层区24以致于达到包层区24的外表面，其传播到包层24之外的光分量被光吸收层28所吸收。因此，即使当此滤光器20安装在光连接器之内，它包括光栅26的地方被光连接器的套圈所覆盖之时，所抑制的是这样的一种现象，即从光栅26传播到包层区24的光从包层区24发射出来以致于被套圈反射然后返回进入滤光器。同样，既然光吸收物质通常具有比空气高的折射率，与空气层存在于包层区24表面之上的情形相比，从光栅26传播到包层区24的光从后者发射的比例增加。因此，既然从包层区24发射的光为吸收层28所吸收，则从光栅26传播到包层区24的光强度必定降低，既然光栅26反射的光(例如光时域发射计OTDR所使用的检测光)的通过光栅26传播到包层区24的光分量强度如同上述所解释的那样降低，则与常规获得的滤光器相比，第二实施例的滤光器20能以较高的比例阻挡由光栅26所反射的光，且即使安装在光连接器里边也能充分显示其滤光功能。
光吸收层28配备在包层区24的外表面上，并且是几乎沿光轴方向(沿信号光等的前进方向)的所有地方，这可归于制造方式。如同图6的情形，从光栅26传播到包层24的光在包层区24内从光栅26的各个地方传播到其斜向前的地方而到达包层区24的外表面，然后其一部分从包层区24发射出来。因此，同样在第二实施例的滤光器情形下，也是在光吸收层28配备在光栅26的斜向前地方时，通过包层区24前进的不必要的光的阻光比例会增加，即使在其它地方没有配备任何光吸收层。
尽管图9的滤光器具有与光纤相同的结构，但其也可代之以与薄膜波导相同的结构。图11是总体透视图，显示了根据本发明的滤光器30的结构，其中光吸收层38配备在薄膜波导的包层34的表面上。在此图中，数字32，34及38分别表示芯区，包层及光吸收层。光栅36形成在一部分芯区32的预定地方。按照与上述提到的滤光器20相同的效果，此滤光器30能以高比例阻挡由光栅36反射的光的传播到包层34的光分量。
发明人通过使用多种光吸收物质进行实验，证实了根据本发明的波导型滤光器的效果。
首先，具有图1所示结构的滤光器10的样品做成用来进行第一个实验。换句话说，在制成一基于石英玻璃的其纤芯掺杂锗的光纤预坯的步骤中，针对1.55μm波带的光吸收物质铒从其表面注入到包层，从而制成其包层较外区域掺铒的光纤预坯。然后，在此光纤预坯拉成之时所获得的光纤纤芯里，形成一个具有1.55μm波带反射波长的光栅。这样，获得了图1的波光器10。当用上述提到的实验相同的方法测量此滤光器中1.55μm波带的光在传输中的减弱量时，获得了-40dB的良好结果。
另一方面，作为比较例子的测量中，在其包层较外区域没有掺铒的滤光器中(在其芯区有光栅)1.55μm波带光在传输中的减弱量是-35dB，这比在图1滤光器10中所获得的结果要差。
其次，具有图1所示结构的滤光器10的样品制成用来进行第二个实验。换句话说，在制成一基于石英玻璃的其纤芯掺锗的光纤预坯的步骤中，针对1.3μm波带的光吸收物质镨从其表面注入到包层，从而制成其包层较外区域掺杂镨的光纤预坯。然后在此光纤预坯拉成之时所获得的光纤纤芯里，形成一个具有1.3μm波带反射波长的光栅。这样，获得了图1的滤光器10。当用上述提到的实验相同的方法测量此滤光器中1.3μm波带光在传输中的减弱量时，获得了-40dB的良好结果。
此后，具有图2所示结构的滤光器20的样品制成用来进行第三个实验。换句话说，在一基于石英玻璃的其纤芯掺锗的光纤预坯制成之后，针对1.55μm波带的光吸收物质聚脂亚胺涂在包层表面上。然后在此光纤预坯拉成之时所获得的光纤纤芯里，形成一个具有1.55μm波带的反射波长的光栅。这样获得了图9的滤光器。当用与上述提到的实验相同的方法测量此滤光器中1.55μm波带光在传输中的减弱量时，获得了-40dB的良好结果。
如同上文所详细解释的，从光输出端观察时，根据本发明的滤光器的第一实施例(具有第一种光吸收物质)能够实现高比例的阻光，因为光3吸收物质加到包层区的较外区域，而从光栅传播而来的光到达此处从而光吸收物质吸收此传播光。
同样，从光输出端观察时，根据本发明的滤光器的第二实施例(具有第二种光吸收物质)也能够实现高比例的阻光，因为光吸收层配备在包层区表面上，而从光栅发射而来的光到达此处从而光吸收层吸收从光栅传播到包层然后又从包层发射的光。
从这样描述的发明看来，很明显本发明可以以多种方式加以改变。这样的变化并非认为是与本发明的精神及范围相脱离，所有这样的改进，对技术上熟练的人是明显的，即用来将其包括在以下的权利要求的范围之内。

Claims (1)

1.一种带有波导结构的滤光器，由一个具有预定折射率的芯区和一个具有比所述芯区低的折射率且覆盖所述芯区的包层区所构成，所述滤光器包括：
一个光栅，用于反射预定波长的光，所述光栅配备在所述芯区内的预定部分；和
一个光吸收结构，用于吸收由所述光栅反射的光的从所述光栅传播到所述包层区的光分量，所述光吸收结构至少配备在从所述光栅传播到所述包层区的光分量到达的区域，并且所述光吸收结构包括一个玻璃区域，其至少由一部分所述包层区组成，所述玻璃区域掺杂了光吸收物质，用以吸收从所述光栅传播到所述包层区的光分量，其特征在于，
掺杂了所述光吸收物质的玻璃区域是所述包层区的较外区域，所述较外区域位于由所述滤光器里的模场直径定义的光传播区域之外并与所述芯区相隔一预定距离。
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