CN1161629C - 光纤滤波器、带通滤波器、测试信号抑制器和增益平坦装置 - Google Patents

Abstract

一种包括具有工作波长λ₀的一段单模式光纤滤波器。光纤设计还包括凹陷内包层光纤、光敏匹配内包层光纤和光敏凹陷内包层光纤。所述光纤段包括纤芯、内包层、外包层和方位角不对称光栅。纤芯允许存在LP₀₁纤芯模式，其有效折射率是n_eff，01，而且包层允许存在LP_1m包层模式，≥1。纤芯具有折射率n_co和半径A_o内包层具有折射率n_ic、内半径A、外半径AB、厚度W，其中W＝AB-A，而且折射率差Δn_-是n_ic和n_oc之差，而且n_co＞n_oc＞n_ic。内包层可以光敏到半径R_grat，而且具有部分光敏性γ。外包层一般侧向包围内包层，而且具有内半径AB、外半径B和折射率n_oc，其中Δn₊是n_co和n_oc之差。光栅具有有效倾斜角θ和周期(Λ)，其中Λ≤(λ₀cosθ)/(2n_eff，01)，对于包层模式的最大相关耦合系数max(RCC_1m)大于或等于0.2，而且对于包层模式和纤芯模式的峰值反射率之比RR大于或等于1。

Description

光纤滤波器、带通滤波器、测试信号抑制器和增益平坦装置

技术领域

本发明一般涉及窄带带阻滤波器(rejection filter)，包括具有方位角不对称光栅的波导。具体地说，本发明涉及单模式抑制内包层(inner clad)，光敏匹配内包层或光敏抑制内包层光纤设计，它具有在窄波长带上与前向传播LP₀₁纤芯模式(core mode)外耦合而实际抑制后向反射的方位角不对称的光诱导布拉格光栅(Bragg grating)。本发明还涉及此新颖的光纤设计的系统应用。

背景技术

光纤一般包括折射率n_co或n₁的纤芯区域(core region)。在双包层光纤设计中，折射率为n_ic或n_1a的内包层围绕着纤芯区域，而上述内包层又被折射率为n_oc或n₂的外包层区域围绕着。由折射率为n_ext的外介质围绕外包层。光纤区域可以是光敏性的。

将在双包层波导设计中的自由参数定义如下：

MFD       工作模式场直径(operational mode field diameter)

λ₀      工作波长

λ_c      第二模式截止波长

A，r_co   根据纤芯区域的单个有效步骤近似(single effective step

          approximation of the core region)产生的纤芯半径

W         根据内部包层区域的单个有效步骤近似产生的内部包层宽度

B，r_oc   外部包层半径

n_co，n₁ 根据纤芯区域的单个有效步骤近似产生的纤芯折射率

n_ic，n_1a根据内部包层区域的单个步骤近似产生的内部包层折射率

n_oc，n₂ 外部包层折射率

n_ext      外部介质折射率

R_grat     光纤的光敏区域的最大半径

γ                   与纤芯相比的光敏内部包层的部分光敏性

       (photosensitivity)，γ＝(在包层中的光栅强度)/(在纤芯中的光

       栅强度)。(例如，γ＝1意味着在纤芯和内部包层中的等同光敏性。)

“光栅倾斜角”被定义为在光栅矢量(垂直于定义光栅周期性(gratingperiodicity)的平面的方向)和光纤的纵轴之间的角度，其中在光纤中存在光纤平面的物理倾斜。

把“有效光栅倾斜角”定义为一个“光栅倾斜角”的值，该倾斜角值在实验上给出的包层模式损耗相等于波导中所刻光栅呈现的光栅条纹物理倾斜以外的不对称性所给出的包层模式损耗。

将“基础带阻缺口(rejection notch)”定义为在带有最小传输值的波导光栅的传输频谱中的特性或凹陷(dip)。一般，这与其中传输信号减小所需的波长相对应。

“包层模式损耗”是指在含有光栅的波导中观测的传输频谱中的损耗或凹陷，其中上述损耗是由于将波导的前向传播模式耦合到相反传播约束包层模式(在n_ext＜n_oc时)或相反传播辐射模式(在n_ext≥n_oc的情况下)而发生。峰值包层模式损耗(“PCML”)是在具有光栅的波导中的给定传输频谱中的最大“包层模式损耗”。

将来自单模式电信光纤的前向传播LP₀₁纤芯模式的光与在窄波长带上相对可忽略的后向反射耦合的无源元件是对于其中不能承受任何后向反射信号的光波系统的关键滤波元件。

滤波的标准方法是把前向传播LP₀₁模式耦合到相反传播LP₀₁模式。传统的布拉格光栅把滤波信号重新导向光纤内。传统布拉格光栅的滤波能力越高，后向反射越大。然而，在许多系统中，诸如WDM应用中，后向反射可能导致不利影响，诸如使信号发射激光器不稳定。当前，可采用的另一种方法是安装保护敏感设备的隔离器。然而，当前隔离器的成本很高。

可将利用光栅获得窄带带阻滤波器的工作分成两种：在双模式滤波器中耦合到LP_1l模式，和在单模式滤波器中耦合到包层或辐射模式，其中在上述光栅中通过耦合到相反传播LP₀₁纤芯没有任何损耗。

在双模式光纤中，显示了对窄波长带中前向传播的LP₀₁纤芯模式的抑制。由于耦合到相反传播LP_1l纤芯模式导致的峰值带阻波长处的后向反射信号测定为-15dB，该值小于对于波分多路复用应用的一般理想隔离(isolation)。此外，由于模式-场的不完全匹配，导致双模式光纤滤波器可能具有高于单模式光纤中的介入损耗。标准电信光纤一般是单模式光纤。

运用单模式光纤抑制纤芯模式的尝试中已讨论了如何在强、倾斜光栅中会发生与LP_1m模式组的显著耦合。此外，已尝试利用横向不对称定型的布拉格光栅，外耦合(outcouple)来自单模式光纤的光。然而，这些尝试不能耦合来自基本模式的大部分功率。

仍然需要设计一种用于外耦合(couple out of)LP₀₁纤芯模式，而近似(如果不完全的话)抑制后向传播基本模式的耦合的滤波器。

发明内容

本发明提供一种外耦合其后向反射可忽略的前向传播LP₀₁纤芯模式的窄带带阻滤波器。该滤波器包括单模式波导，诸如一段单模式光纤，其工作波长为λ₀。该光纤包括折射率为n_co和半径为A的纤芯，该纤芯具有有效折射率(effective index)为n_eff，01的LP₀₁纤芯模式。光纤设计可包括凹陷内包层设计，光敏匹配内包层设计或光敏凹陷内包层设计。

在凹陷内包层(DIC)实施例中，由折射率为n_ic、内半径为A、外半径为AB和内凹陷包层宽度为W的凹陷内包层侧向围绕纤芯，其中W＝AB-A。再由内半径为AB、外半径为B和折射率为n_oc的外包层侧向围绕内包层。Δn₊是n_co和n_oc之差，Δn_-是n_ic和n_oc之差，而且n_co＞n_oc＞n_ic。Δn₊、Δn_-和W的值允许存在LP_1m包层模式，m≥1。

在另一个光敏匹配内包层(PMIC)实施例中，Δn_-是零，而光敏包层区域延伸到半径为R_grat。光敏区域可延伸到内包层和外包层。光敏包层区域的光敏性与纤芯区域的光敏性的比率是γ。

在另一个光敏凹陷内包层(PDIC)实施例中，Δn_-是非零和光敏包层区域延伸至半径为R_grat。光敏包层区域的光敏性与纤芯区域的光敏性的比率是γ。R_grat可超过AB，给出了在阻挡层(barrier)区域和外包层区域中的光敏性，即，光敏包层区域可包括内包层和至少一部分外包层。

将有效倾斜角为θ和周期(Λ)的方位角不对称光栅写入光纤的光敏区域中，其中Λ小于或等于近似(λ₀cosθ)/(2n_eff，01)(只影响相反传播约束或损耗包层模式和相反传播纤芯模式的耦合)。

更精确地说，Λ≤(λ₀cosθ)/(2n_eff，01’)，其中n_eff，01’是在光栅区域中的纤芯模式的有效折射率，包括在光栅写入处理期间引入的任何恒定的未调制折射率变化(uniform unmodulated index change)的影响，此影响可导致n_eff，01’与n_eff，01不同。在下列所有等式中，定义n_eff，01的值，从而n_eff，01≈n_eff，01’。

对于包层模式的最大相关耦合系数，max(RCC_1m)(其中1≤m≤30)，是大于或等于0.2，而且对于包层模式和纤芯模式的峰值反射率之比RR大于或等于1。最好的是，RR＞3。结果，纤芯模式的峰值反射率小于或等于包层模式的三分之一峰值反射率。

在另一个实施例中，1°＜θ＜10°和光栅可包括线性调频脉冲光栅(chirpedgrating)。在较佳实施例中，1250nm＜λ₀＜1600nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，4μm＜MFD＜13μm，0.003＜Δn₊＜0.012，和2μm＜A＜8μm。在另一个较佳实施例中，800nm＜λ₀＜1000nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，2μm＜MFD＜30μm，0.003＜Δn₊＜0.012，和1μm＜A＜8μm。

在另一个较佳实施例中，1250nm＜λ₀＜1600nm，B≈62.5μm，Δn_-＝0，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，4μm＜MFD＜13μm，0.003＜Δn₊＜0.012，和2μm＜A＜8μm。在另一个较佳实施例中，800nm＜λ₀＜1000nm，B≈62.5μm，Δn_-＝0，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，2μm＜MFD＜30μm，0.003＜Δn₊＜0.012，和1μm＜A＜8μm。

在另一个较佳实施例中，1250nm＜λ₀＜1600nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，4μm＜MFD＜13μm，0.003＜Δn₊＜0.012，和2μm＜A＜8μm。在另一个较佳实施例中，800nm＜λ₀＜1000nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，2μm＜MFD＜30μm，0.003＜Δn₊＜0.012，和1μm＜A＜8μm。

如上所述的滤波器可用于制造带通滤波器，测试信号抑制器或增益平坦装置(gain flattening device)。此外，可调谐上述滤波器的强度、中心带阻波长或其他光学性能，通过光学、机械、热、电或其他装置来形成可调谐、可重新构成或可变换滤波器。

附图说明

图1(a)-(b)分别是根据本发明的光纤的透视和侧视图，其中详细示出了光纤布拉格光栅几何坐标系统和光栅倾斜角定义。

图2(a)-(c)是对于本发明的不同实施例的折射率的径向分布的图解表示。

图3是对于λ₀＝1550nm，A＝5.86μm，B＝62.5μm，Δn₊＝0.0038和n₂＝1.4446的抑制内包层光纤的(a)max(η_1m)，(b)max(m)对Δn_-和W的等值线图。

图4是对于图3对象的凹陷包层光纤的(a)RR、(b)max(RCC_1m)和(c)max(m’)对Δn_-和W的等值线图，其中θ＝1°和m＝1至30。

图5是对于图3对象的凹陷包层光纤的(a)RR、(b)max(RCC_1m)和(c)max(m’)对Δn_-和W的等值线图，其中θ＝3°和m＝1至30。

图6是对于图3对象的凹陷包层光纤的(a)RR、(b)max(RCC_1m)和(c)max(m’)对Δn_-和W的等值线图，其中θ＝5°和m＝1至30。

图7是对于(a)传统电信等级单模式匹配包层光纤、(b)凹陷内包层(DIC)光纤和(c)光敏匹配内包层(PMIC)光纤的以不同光栅倾斜角的传输频谱对波长的曲线图。各频谱与最邻近频谱相隔+/-10dB，以便于观看方便。

图8是对于DIC光纤具有不同轴向极限的传输频谱对波长的图，其中光纤条纹倾斜θ～4.0°。

图9是对于图8a对象的光栅的反射频谱对波长的图。

图10(a)是对于光纤条纹倾斜θ~4.0°的DIC光纤的传输频谱的图，其中光栅几何和暴露条件与图7b的光栅相类似。图10(b)是当用图7(b)的光栅级联图10(a)的光栅时的传输图。

图11是根据本发明的带通滤波器的示意图。

图12是根据本发明的测试信号抑制器的示意图。

图13是根据本发明的频谱功率平坦器(spectral power flattener)的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的滤波器10的简要示图。本发明包括外耦合其后向反射可忽略的前向传播LP₀₁纤芯模式的窄带带阻滤波器。滤波器10包括单模式波导，如图1所示的一段单模式光纤12，其工作波长为λ₀。

光纤12包括第一横向大小或直径为2A、半径A(或r_co)且包括折射率为n_co或n₁的材料的光敏纤芯14。纤芯14具有有效折射率为n_eff，01的LP₀₁纤芯模式。横向围绕纤芯14的是内包层或阻挡层半径为AB(或r_ic)的内包层16。光纤12可以是凹陷内包层设计、光敏匹配内包层设计或光敏凹陷内包层设计。内包层16具有折射率为n_ic或n_1a对于光敏设计，内包层16和甚至可能外包层，包括光敏区域(见图2b和2c)，它延伸到半径R_grat，其中包层光敏性区域的光敏性与纤芯14的光敏性的比率是γ。

折射率为n_oc或n₂而半径为B(或r_oc)的外包层18横向围绕内包层16。同样由折射率为n_ext的外介质围绕外包层18。

图1a和1b还示出布拉格光栅几何坐标系统定义。由光纤10的中心轴定义纵向光轴z。光纤12是具有圆柱横截面的单模式无覆盖光纤。应理解，本发明的其他实施例可包括其涂层和光纤具有不同于现有技术的横截面。

图1b示出写入光纤12的光敏区域中有效倾斜角为θ和周期(Λ)的方位角不对称布拉格光栅20，其中Λ小于或等于近似(λ₀cosθ)/(2n_eff，01)(只影响相反传播约束或由损耗包层模式和相反传播纤芯模式的耦合)。光纤12可经受氢加载(hydrogen loading)或现有技术中已知的其他处理，以有助于写入光栅。由于光栅制造工艺，使得光纤12包括光栅处理方位角不对称。

更精确地说，Λ≤(λ₀cosθ)/(2n_eff，01’)，其中n_eff，01’是在光栅区域中的纤芯模式的有效折射率，包括光栅写入处理期间引入的任何恒定未调制折射率变化(uniform unmodulated index change)的影响，该影响可导致n_eff，01’与n_eff，01不同。在本说明中，n_eff，01的值考虑了这些未调制折射率变化效果。

图2示出对于根据本发明的光纤的三个实施例的折射率的径向分布。把图2中的n值边界简化为离散的瞬时的“有效阶跃折射率”近似。在图2中，n_ext＜n_oc(或n₂)。然而，图2不意味着限制n_ext的值，如在功能滤波器中，n_ext可以超出n_oc。

图2a示出凹陷内包层(DIC)光纤的径向折射率分布。在DIC光纤中，纤芯的折射率绝对值大于外包层折射率n_oc的绝对值。反过来，外包层的折射率绝对值大于内包层折射率n_ic的绝对值。因此，

n_co＞n_oc＞n_ic

n_co和n_ic之差产生宽度为W的折射率分布凹阱(depressed well)，其中W＝AB-A，而且深度为Δn_-，其中Δn_-＝n_oc-n_ic。n_co和n_oc之差定义为Δn₊。纤芯折射率分布的总高度Δn等于n_co-n_ic＝Δn_-+Δn₊。

图2b示出光敏匹配内包层(PMIC)光纤的分布图。在PMIC实施例中，Δn_-等于零，光敏包层延伸至半径R_grat，其光敏包层区域的光敏性与纤芯区域的光敏性的比率是γ。在该实施例中，可将布拉格光栅形式20写在纤芯和内部包层的光敏部分上。

图2c示出光敏凹陷内包层(PDIC)光纤的分布图。PDIC实施例结合了DIC设计的凹阱，和PMIC设计的光敏区域。Δn_-非零，而光敏包层区域延伸至半径为R_grat，其中光敏包层区域的光敏性与纤芯区域的光敏性的比率是γ。内凹陷包层的宽度为W，其中W＝AB-A和R_grat可超出AB。

本发明允许有效抑制后向传播基础模式的耦合，同时显示在传输中的窄带带阻滤波。已广泛地研究了由于束缚包层模式或有损耗的辐射模式的耦合所导致的在高度有效滤波器布拉格光栅中的损耗，而且当将由前向传播LP₀₁到相反传播LP₀₁耦合所导致的基本阻带用于滤波时，上述损耗是不希望的。

然而，本发明的滤波器设计10包括在光纤的纤芯中(和潜在的，对于包层光敏性的包层)方位角不对称光诱导光栅，它具有强凹陷内包层来通过耦合特定LP_1m包层模式来抑制前向传播LP₀₁。另一方面，光纤设计10可包括在匹配包层光纤的纤芯和包层中的方位角不对称光诱导光栅。利用在所选光纤设计中具有有效倾斜的光栅，本发明获得完全或近似完全直接耦合LP_1l混合漏泄纤芯模式。

在浅凹槽内包层光纤中已观测到混合LP_1m模式(通常称为“幽灵”模式)的耦合。通过将测得的光谱和LP_0m和LP_1m模式的谐振位置及归一化藉合系数相比较，对倾斜光栅的观测到的短波长损耗的分析确定了在基础带阻凹口的短波长侧上的尖锐损耗峰值(“幽灵模式”)的起源是由于LP_1m包层模式的耦合。该模式的强耦合性能是由于它的混合本质。该模式具有类似于LP_1l纤芯模式在光纤中的形状如果该光纤具有所允许的模式的话。

用于PMIC光纤设计的强耦合一个或少量LP_1m模式的机制是将光栅延伸至包层区域内。由于光栅延伸至光栅中，所以与没有包层光敏性的等同匹配包层光纤相比较，某些LP₀₁和LP_1m模式的重叠增加了。

在LP₀₁和LP_1m之间的耦合能够通过光栅条纹的物理倾斜或者其他跨越纤芯的方位角不称照光栅强度具有正比于cos的方位角对称分量而实现。通过运用相对耦合系数(RCC)，可以量化耦合，该相对籍合系数描述了在前向传播LP₀₁纤芯模式和相反传播LP_1m包层模式之间的耦合强度：

${\mathrm{RCC}}_{\mathrm{Lm}}={\mathrm{RCC}}_{01.\mathrm{Lm}}=\frac{\left|I_{01.\mathrm{Lm}}\right|}{\left|I_{01.01}\right|}------\left(1\right)$

其中

和

其中，f(r，，θ)包括光栅对方位角()和半径(r)坐标以及光栅倾斜角(θ)的依赖性。式中，ψ₀₁(r，)和ψ_Lm(r，)分别是所兴趣的纤芯和包层模式的弱导向光纤中的对于横向场分布的归一化LP(线性极化)解。运用皮特曼(Petermann)定义将对于LP₀₁模式的模式场(mode field)直径定义为：

$\mathrm{MFD}=2\sqrt{2}{\left[\frac{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_{01}\right|}^2\mathrm{rdr}}{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{\left(\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{01}}{\mathrm{dr}}\right)}^2\mathrm{rdr}}\right]}^{\frac{1}{2}}------\left(4\right)$

将对于特定光纤的第二模式截止波长λ_c定义为工作波长，在该工作波长下启动LP_1l和LP₀₂纤芯模式的传播。

在光纤布拉格光栅中通常遇到的两个普通方位角不对称(f(r，，θ))是对于光栅倾斜的那些，

和由于在侧写(sidewriting)处理中吸收导致的光栅不对称，

假设线性吸收和线性折射率映射由图1和2定义的几何参数所设定。可以见到，对RCC_1，m值的影响在性质上类似于方位角光栅不对称，如等式(5)和(6)所定义的那样。于是，为了简便起见，在光栅中诸如由于侧写吸收所导致的方位角不对称的情况下，定义有效光栅倾斜，从而θ＝θ_eff，其中θ_eff表示θ的值，它给出等同于在吸收不对称中观测到的包层模式损耗的包层模式损耗。

于是，等式(2)化为

在确定哪些LP_1m包层模式显示LP_1l混合包层性能中十分有用的另一个参数是包含在用于LP_Lm模式的纤芯中的部分功率，η_Lm，定义为：

其中

于是，η_Lm的范围从0至1，其中1表示在模式中的所有功率被限定在光纤的纤芯中。

最后，已知表示由于部分反射功率谐振时的波导的正弦扰动，使得功率从前向传播波导模式传递到相反传播波导模式的耦合微分方程式的解采取下列(对于非衍射控像(unapodized)、非线性调频脉冲光栅)

R_Lm＝tanh²(k_LmL)＝tanh²(C_LmRCC_Lm)    (10)

式中，

$K_{\mathrm{Lm}}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{mod}\mathrm{ulated}}\frac{\left|I_{01.\mathrm{Lm}}\right|}{I_{\mathrm{norm}}}-------\left(11\right)$

和

$C_{\mathrm{Lm}}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{mod}\mathrm{ulated}}\frac{\left|I_{01.01}\right|}{I_{\mathrm{norm}}}\≅\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{mod}\mathrm{ulated}}{\mathrm{\η}}_{01}L------\left(12\right)$

其中，第二近似等式只对于R_max＝A时成为等式，量Δn_modulated是正弦光栅指数调制的幅度，而且L是光栅长度。于是，对于LP₀₁-LP₀₁和LP₀₁-LP_1m耦合的峰值反射率之比是

$\mathrm{RR}=\frac{{\tanh }^2\left(C_1\max \left({\mathrm{RCC}}_{1m}\right)\right)}{{\tanh }^2\left(C_1\mathrm{RC}{C}_{01}\right)},1\≤m\≤30-----\left(13\right)$

为了获得充分耦合，在本发明中，对于包层模式的最大相对耦合系数max(RCC_1m)(其中，1≤m≤30)大于或等于0.2，以及对于纤芯模式和包层模式的峰值反射率之比RR大于或等于1。较佳的是，RR＞3。结果，纤芯模式的峰值反射率小于或等于包层模式的峰值反射率的三分之一。

对于本发明的具有或没有内包层光敏性的凹陷内包层光纤布拉格光栅滤波器的光纤设计过程包括两步骤：(1)设计至少具有一个LP_1m模式的光纤，它具有有效值η_1m，和(2)确定对于特定光纤设计的最佳光栅倾斜。

一般，在开始单模式DIC光纤设计过程时，已知光纤的所需工作波长(λ₀)、包层半径(B)和目标模式场直径(MFD)。此外，一般希望第二截止波长(λ_c)接近但小于工作波长。在光纤中，在设计波长处，n₂≈n_sillica。在光纤设计中这些约束限制了A和n₁的允许值。于是，必须通过光纤设计处理确定的两个光纤参数是Δn-(n_1a)和W(AB)。

由于本发明的DIC光纤通过耦合到强束缚但漏泄LP_1m包层模式进行工作，所以n_ext的值对于光纤和光栅组成的工作不是关键的。然而，在光纤设计过程中，我们使n_ext小于n₂达足以允许多于30个LP_1m包层模式的存在的量。出于与在重新涂覆之前空中进行的测量相比较的目的，我们一般选择n_ext＝1.0。

对于Δn_-和W的任何两个值，可以运用上述等式计算RCC_1m和η_1，m值(其中m＝1至30)。于是，将这些RCC_1m和η_1m值分类来确定分别具有最大η_1m(max(η_1m))和RCC_1m(max(RCC_1m))值的径向包层模式数，max(m)和max(m’)。图3a和3b是对于特定光纤设计例子的作为Δn_-和W函数的max(η_1m)和max(m)的等值线图。在该例子中，在1550nm的工作波长，MFD目标是~10.5nm，和截止波长目标是1500nm。于是，当Δn_-＝0、B＝62.5μm和n₂＝1.4446时，将A选为5.86μm，和Δn₊(n₁)选为0.0038(1.4484)。在知道添加凹陷内包层将减小这些量的情况下，选择A和n₁以给出比所需稍大的MFD和截止波长，其中Δn_-＝0。注意，在图3b中的每个等值线中，在等值线图中发生max(m)值的突然变化。例如，在图3b中W＝4和Δn_-＝0.007点处，对于最大η_1m的阶从5(W＜4)变到6(W＞4)。

图3a示出当W和Δn_-增加时，最大纤芯限制因子(max(η_1n))增加。图中对于给定Δn_-的max(η_1m)对W的非单调性是由于在不同径向阶(radial order)之间的最大(RCC_1m))的折中。通过与图3b相比较，这种折中更加明显了。当W和Δn_-同时从图3b中的原点开始增加时，其中η_1m＝max(η_1m)的阶假定LP_1l混合模式的强纤芯限制性能。一般，当max(η_1m)超出0.2时，我们考虑到第m个L＝1不对称包层模式被充分限制在纤芯内，以获得LP_1l混合幽灵模式性能。

滤波器设计过程的第二阶段是确定给出充分LP₀₁-LP_1m耦合的有效倾斜角的范围。如上定义，当满足两个条件时，获得“充分耦合”：

1.RR＞1，其中C₁＝1

2.max(RCC_1m)＞0.2

在较佳实施例中，RR＞3和max(RCC_1m)＞0.25。这些限制的第一限制保证倾斜角足够大以至于在对于该光栅的传输频谱中，由于LP₀₁-LP_1m耦合导致的带阻凹口的深度大于由于LP₀₁-LP₀₁耦合导致的带阻凹口的深度。这些限制的第二限制是倾斜角不太大，不至于使对于LP₀₁-LP_1m耦合的带阻凹口深度太小而不能用。

可根据试验测量结果确定RR

$\mathrm{RR}=\frac{R_{1m}}{R_{01}}=\frac{(1-10^{\left(\frac{T_{1m}}{10}\right)})}{(1-{10}^{\left(\frac{T_{01}}{10}\right)})}$

例如，根据图7b的3.6°示图，对于LP₀₁-LP_1m耦合的最小传输值，T_1m是～20dB，而且对于LP₀₁-LP₀₁耦合的最小传输值，T₀₁是～2.5dB，假定RR~2.26。

例如，图4a-c是对于θ＝1°的RR、max(RCC_1m)和max(m’)对W和Δn_-的示图。图5是在θ＝3°和m＝1至30的情况下，对于图3对象的凹陷包层光纤的(a)RR、(b)max(RCC_1m)和(c)max(m’)对Δn_-和W的等值线图。图6是在θ＝5°和m＝1至30的情况下，对于图3对象的凹陷包层光纤的(a)RR、(b)max(RCC_1m)和(c)max(m’)对Δn_-和W的等值线图。

对于这些示图，我们可以看到RR＞3.0和max(RCC_1m)＞0.2的条件在θ＝3°和θ＝5°的情况下(图5a和6a-d)同时满足。这些示图示出当RR峰值对θ相对不敏感时的W/Δn_-空间区域，该区域相对较好地体现其特征在于对不依赖于θ的纤芯限制因子max(η_1m)设定限制。

运用该示图和充份的耦合判据，选择值W和Δn_-用于特定工作条件组和光纤设计传统。对于在1550nm情况下工作的传统电信光纤，根据本发明的光纤的实施例是在W＞0.6A和Δn_-＞0.003的情况下给出纤芯限制因子(max(η_1m))＞0.2，和1°＜θ＜10°来满足RR和max(RCC_1m)要求。

本发明的实施例包括DIC光纤，它具有1250nm＜λ₀＜1600nm，B～62.5μm，1200nm＜λ_c＜1600nm，4μm＜MFD＜13μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003。在特定实施例中，还显示下列值：0.003＜Δn_-＜0.012和2μm＜A＜8μm。另一个实施例中包括DIC光纤，它具有800nm＜λ₀＜1000nm，B~62.5μm，800nm＜λ_c＜1600nm，2μm＜MFD＜30μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003。另一个实施例还具有0.003＜Δn₊＜0.012和1μm＜A＜8μm。

在另一个实施例中，1°＜θ＜10°，而且光栅还包括线性调频脉冲光栅。

对于根据本发明的PMIC光纤的光纤设计过程与DIC光纤设计过程相类似。如前，已知或者根据滤波器将耦合的系统的要求确定光纤的所需工作波长(λ₀)、包层半径(B)和目标模式场直径(MFD)。一般，理想的是使第二模式截止波长(λ_c)接近于或小于工作波长。在光纤中，在设计波长处n₂≈n_sillica。对于光纤设计的这些约束限制了A和n₁的允许值。于是，通过光纤设计处理确定的PMIC和PDIC光纤的两个光纤参数是R_grat和γ。

本发明的PMIC光纤通过耦合强束缚但漏泄LP_1m包层模式进行工作。因此，n_ext的值对于光纤和光栅组合的工作不是关键的。然而，在光纤设计过程中，选择n_ext小于n₂达足以允许多于30个LP_1m包层模式的存在的量。出于与在光纤重新涂覆之前空中进行的测量相比较的目的，选择值n_ext＝1.0。

对于R_grat和γ的任何两个值，可以运用上述等式计算RCC_1m和η_1，m值(其中m＝1至30)。于是，将RCC_1m和η_1m值分类来确定分别具有最大η_1m(max(η_1m))和RCC_1m(max(RCC_1m))值的径向包层模式数，max(m)和max(m’)。可以与图4-6的示图相类似的方法绘制这些值对有效光栅倾斜角。在较佳实施例中获得对R_grat和γ的限制，通过强制RR＞3和max(RCC_1m)＞0.2。

本发明的一个实施例包括PMIC光纤，它具有1250nm＜λ₀＜1600nm，B~62.5μm，1200nm＜λ_c＜1600nm，4μm＜MFD＜13μm，Δn_-＝0，R_grat＞1.5A和γ＞0.5。特定实施例还示出下列值：0.003＜Δn₊＜0.012和2μm＜A＜8μm。另一个实施例包括PMIC光纤，它具有800nm＜λ₀＜1000nm，B~62.5μm，800nm＜λ_c＜1600nm，2μm＜MFD＜30μm，Δn_-＝0，R_grat＞1.5A和γ＞0.5。又一个实施例还具有0.003＜Δn₊＜0.012和1μm＜A＜8μm。

最后，本发明的另一个实施例包括PDIC光纤，它具有1250nm＜λ₀＜1600nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，4μm＜MFD＜13μm，0.003＜Δn₊＜0.012和2μm＜A＜8μm。在另一个PDIC光纤实施例中，800nm＜λ₀＜1000nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，2μm＜MFD＜30μm，0.003＜Δn₊＜0.012和1μm＜A＜8μm。

例子

对于DIC设计(Δn_-＞0.003和W＞0.6A)和PMIC设计(R_grat＞1.5A，γ＞0.5)，将光栅作为倾斜角的函数写在三个光纤中，其中上述三种光纤具有λ₀＝1500nm，n_cldd＝1.4446，n_ext＝1.0和B＝62.5μm。这三种光纤包括：1)传统匹配包层(MC)电信等级光纤(诸如SMF-28来自康宁公司(Corning，Inc.，)，康宁，纽约)，它具有A~4.15μm，MFD~0.5μm，Δn₊~0.0046，2)宽的适当深度的凹陷包层(DIC)光纤，它具有A＝5.86μm，W＝3.85μm(AB＝9.71μm)，Δn₊＝0.0038，Δn_-＝0.0064和MFD＝9.5μm，和3)光敏匹配内包层(PMIC)光纤，它具有A＝4.7μm，Δn₊＝0.052，R_grat＝9.4μm，γ~1.0和MFD＝10.1um。写入的光栅长15mm，是非衍射控像的而且在重新涂覆之后测量频谱(n_ext~n₂)。运用侧写相位掩膜暴露技术(sidewritingphase mask exposure technique)，把光栅写入光纤中。运用248nm的激发物激光器写光栅，其中总剂量(dose)足以给出传输中的-20dB损耗以使第一阻带达到该带阻值(value of rejection)。

通过将相位掩膜划线定向在与光纤轴呈90°+θ/n₂角可得到不同的倾角。注意，包括因子1/n₂作为对由于在小角度和小纤芯近似(θ＜10°，A＜＜B)中的光纤的圆柱形对称导致的在纤芯中的条纹弯曲的第一阶校正(first ordercorrection)。

图7a(MC光纤)、图7b(DIC光纤)和图7c(PMIC光纤)示出对于写入这两个光纤中的光栅的传输频谱，作为光栅条纹相对于光纤法线(normal)的倾斜(θ)函数。相对于下一个最近角度，用在垂直轴上的-10dB代替对于不同角度的频谱，以便于观看。如图例所示，在示图中以向下次序显示与θ＝0°、1.5°、2.9°、3.6°、4.0°和4.3°相对应的频谱。注意，缺乏光敏性限制了可在MC光纤(θ≥4°)中获得的传输凹口的强度。

与MC光纤类型相比，带阻凹口作为增加的倾斜角的函数的演变与对于DIC和PMIC光纤类型截然不同。虽然所有三种光纤在θ＝0°的情况下都显示类似基本带阻凹口，而且显示基本凹口移到更高波长并当光栅倾斜增加时削弱，但是对于MC光栅明显包层模式结构(图7a)的峰值没有对于DIC光纤的结构(图7b)那么高。特别是，当在图7b中倾斜度增加时，注意出现由于前向传播LP₀₁纤芯模式强耦合到相反传播LP_1l混合包层模式(具有max(RCC_1m)的LP_1m包层模式)所导致的强局部带阻凹口。当在该附图中倾斜角超过~2°时，由于将前向传播LP₀₁纤芯模式耦合到相反传播LP₀₁纤芯模式使得LP_1l混合带阻凹口的强度超出基本带阻凹口的强度，而且在θ＝4°的情况下，几乎完全抑制基本凹口。传输频谱对θ的演变对于图7c的PMIC光纤的相类似。

为了示出对于DIC光纤滤波器的较佳光纤设计的性能，选择θ＝4°的值以在上述凹陷包层光纤中，近似完全抑制前向传播LP₀₁纤芯模式与相反传播LP₀₁纤芯模式的耦合。

图8a是在大波长范围内对于该光栅的传输频谱。在该图中看不见由于LP₀₁-LP₀₁耦合所导致的传输最小值，但是在λ~1552.2nm处观测到由于LP₀₁-LP_1l混合模式耦合所导致的强传输最小值。仔细选择倾斜角(4°)可几乎完全抑制LP₀₁-LP₀₁耦合该光纤。图8b是类似示图，但是具有加宽的垂直刻度。在该示图上，在刚大于1554nm的波长处由于LP₀₁-LP₀₁耦合所导致的传输最小值不明显。虽然在图8a和8b中观测到在λ＜1550nm的情况下明显地耦合到其他更高阶包层模式，但是在更高阶和LP₀₁-LP_1m损耗凹口之间的通带(在该例子中为~2nm)允许将这种装置用于一些带通滤波器应用。对于匹配包层滤波器设计，不存在这种通带，而且就算存在，通带也不如对于PMIC滤波器设计那么大。

图8c示出如图8a相同的信息，但是具有放大的水平轴。图9示出相应反射频谱。运用从劈开的端面(菲涅耳反射)反射的信号作为参考，校准该频谱。从该图中可见，将LP₀₁-LP₀₁耦合谐振的反射抑制至少-20dB。然而，反射模式(由于LP₀₁-LP_1l混合模式耦合所导致)抑制至少-32dB，显著性能改进。因此，本发明提供有效的完全抑制在阻带中的反射。

从图7c中可见，PMIC光纤设计可以获得对于适当调谐角的类似带阻性能，但是对更短波长具有更小通带。因此，应注意虽然根据非线性调频脉冲光栅可获得图8和9的频谱，但是可通过线性调频光栅，可以增加带阻凹口的宽度。

本发明可包括在多种不同光波系统中。三种典型的应用是：

1.带通滤波

2.测试信号抑制器(丢失(dropping))

3.增益平坦

图11示出根据本发明的带通滤波器100。带通滤波器包括两个级联滤波器，110和120，其频谱类似于图8的，但是不同峰值带阻波长。每个滤波器具有如上所述的光栅。包括波长λ₁，λ₂和λ₃的信号被引入带通滤波器，其中λ₁＜λ₂＜λ₃。λ₂位于对于λ₁和λ₃的带阻凹口之间的通带内。分别设计滤波器110和112以去除λ₁和λ₃只允许滤波器信号具有波长λ₂。

由在max(LP_1m)峰值和辅助包层模式峰值之间的平坦区域限制带通的可用带宽到更短波长侧。例如，对于图8b的滤波器，对较短波长的可用带宽大约是2nm。图8a和10a示出在适当的拉伸情况下，对于可组合的各光栅的传输频谱，以使在具有大约100GHz(0.8nm)的通道间隔的系统中使用带通滤波器。图10b示出对于两个光栅级联的传输频谱，它示出所需带通结构。

图12示出测试信号抑制器200。抑制器包括如图8所示的那种类型的一个滤波器210。把包括多个波长的信号引入抑制器200。被丢失的波长λ₁是比所通过的波长λ₂更短的波长。λ₂位于由低损耗滤波器发送的频谱区域。作为测试信号的λ₁位于具有高传输损耗的频谱区域内。

运用图8c的频谱作为例子，在滤波器的中心波长(~1552.2nm)处完成具有可忽略后向反射的大带阻，同时对于更高波长发生可忽略衰减。设计这种滤波器，从而在滤波器的中心波长处发生对信号的抑制，以获得所需测试抑制功能。

图13示出根据本发明的增益或频谱功率平坦器300。在通过适当设计的滤波器310传输之后，其中作为波长的函数变化功率的输入信号平坦了。通过根据本发明缩短光栅长度或线性调频滤波器的光栅周期，完成增益平坦。

因此，可以通过光、机械、热、电或其他手段以在强度、中央带阻波长或其他光学性能方面，调谐上述滤波器，以形成可调谐、可重新构成或可变换滤波器。

熟悉本技术领域的人员应理解，根据本发明，可用具有不同几何和参数的其他波导制造滤波器，以及多种光波系统。虽然参照示例较佳实施例，描述本发明，但是可以其他具体形式体现本发明，而不偏离本发明的构思。因此，应理解，上述实施例只用于示例，而不是限制本发明的范围。可根据本发明的构思和范围进行其他变换和修正。

Claims (12)

1.一种使得给定工作波长λ₀的大部分前向传播LP₀₁纤芯模式与一后向传播LP_1m包层模式耦合的光纤滤波器(10)，它包括工作波长为λ₀的一段单模式光纤(12)，其中m≥1，所述光纤段包括：

-光敏纤芯(14)，其折射率是n_co和半径为A，其中所述纤芯(14)具有折射率为n_eff，01的LP₀₁纤芯模式，

-内包层(16)侧向围绕所述纤芯，所述内包层具有折射率n_ic、内半径A和外半径AB，

-外包层(18)侧向围绕所述内包层，所述外包层具有内半径AB、外半径B和折射率n_oc，其中Δn₊是n_co和n_oc之差，整个外包层和内包层通过充分选择所述单模式光纤段(12)的光几何参数，允许存在一个或多个LP_1m包层模式，和

-方位角不对称光栅(20)，在所述单模式光纤段(12)的光敏部分中形成，并具有有效倾斜角θ和周期Λ，其中Λ≤(λ₀cosθ)/(2n_eff，01)；

-其中进一步选择所述单模式光纤段(12)和所述方位角不对称光栅(20)的不同光几何参数，使得存在一给定的LP_1m包层模式，对于该模式，在前向传播LP₀₁模式和后向传播LP_1m包层模式之间的耦合的最大有效耦合系数max(RCC_1m)大于或等于0.2，并且对于该模式，所述包层模式LP_1m和所述纤芯模式LP₀₁的峰值反射率之比RR大于或等于1，

其特征在于，

-所述光纤(12)是光敏凹陷或光敏匹配内包层光纤，其中至少靠近所述纤芯的包层区域也是光敏的，该光敏性包层区域延伸到半径R_grat，其光敏性与所述纤芯区域的光敏性的比率为γ。

2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述光纤是凹陷内包层光纤，所述内包层具有厚度W，其中W＝AB-A，Δn-是n_ic和n_oc之差，n_co＞n_oc＞n_ic，Δn₊、Δn_-和W的值允许LP_1m包层模式的存在，其中m≥1。

3.如权利要求2所述的滤波器，其特征在于，RR≥3。

4.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于，1°＜θ＜10°。

5.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于，所述光栅包括线性调制脉冲光栅。

6.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于所述光纤是光敏匹配内包层光纤，其中1250nm＜λ₀＜1600nm，B≈62.5μm，Δn_-＝0，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，4μm＜MFD＜13μm，0003＜Δn₊＜0.012和2μm＜A＜8μm。

7.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于所述光纤是光敏匹配内包层光纤，其中800nm＜λ₀＜1000nm，B≈62.5μm，Δn_-＝0，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，2μm＜MFD＜30μm，0003＜Δn₊＜0.012和1μm＜A＜8μm。

8.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于所述光纤是光敏凹陷内包层光纤，其中1250nm＜λ₀＜1600nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，4μm＜MFD＜13μm，0003＜Δn₊＜0.012和2μm＜A＜8μm。

9.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于所述光纤是光敏凹陷内包层光纤，其中800nm＜λ₀＜1000nm，B≈62.5μm，W＞0.6A，Δn_-＞0.003，R_grat＞1.5A，γ＞0.5，2μm＜MFD＜30μm，0003＜Δn₊＜0.012和1μm＜A＜8μm。

10.一种带通滤波器(100)，其特征在于，包括如权利要求3所述的滤波器。

11.一种测试信号抑制器(200)，其特征在于，包括如权利要求3所述的滤波器。

12.一种增益平坦装置(300)，其特征在于，包括如权利要求3所述的滤波器。

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