CN1162722C - 正弦啁啾结构的光纤光栅 - Google Patents

Abstract

正弦啁啾结构的光纤光栅属于光纤型光波导器件技术领域，其特征在于：它是周期小波动的正弦啁啾结构的光纤光栅，经调制后得到的光纤光栅其芯层折射率n(z)可表示为：

z：光纤光栅的轴向；v：条纹可见度；n₀调制前光栅的芯区折射率；Λ₀折射率纵向波动的设计周期；δn(z)：切趾函数，采用高斯函数，

δn₀：折射率调制深度最大值；φ(z)：啁啾函数，取

其中，b为啁啾量，L为光栅长度。它可用较短的光纤光栅获得近于理想的而且频带很宽的反射谱，其带宽利用率BWU在0.95以上，可作光波导器件用。

Description

正弦啁啾结构的光纤光栅

技术领域

一种正弦啁啾结构的光纤光栅属于光纤型光波导器件技术领域。

背景技术

随着光通信业务的增长，光通信系统的容量不断增大，这要求增加信道数和缩小信道间隔，另一方面也要求更高的单信道字节率。按照国际电信联盟ITU的标准，波分复用系统的信道间隔为100GHz，但为了增加通信容量，其信道间隔正在向50GHz和25GHz迈进。信道间隔变小，不仅导致系统需要有更窄的工作带宽的滤波器来实现信号处理，而且导致串道现象增加。为了解决这个问题，1998.2.10申请，申请号为US5717799A，名为“Optical waveguidefilters”(光波导滤波器)，2000.6.14申请，公开号为2383081、名为“光纤光栅型分波器”等专利中提出了几种滤波器，其谱线更接近理想的滤波器；另一方面，高的单信道字节率使脉冲更短，脉频更宽，就要求有更宽带宽的滤波器。申请日为2000.1.20，申请号为WO0003278AI、名称为“Sharp skirt optical filter system”(具有徒削边缘的光学滤波器)提出了一种有更理想频谱的滤波器。但是它们的带宽利用率BWU(Bardwidth Utilizaton)因子最大也不超过0.95。带宽利用率是衡量滤波器谱线理想度的物理量，它是指反射率分别是R1和R2处(R1处反射率大于R2处反射率)的反射带宽的比值，在给定R1和R2下，带宽利用率越高，滤波器越接近理想滤波器。另一方面，某些周期性结构可使光器件产生滤波性能。在周期性结构中，如果周期出现小的波动，就得到啁啾结构，它可对器件的滤波性能进行更细致的调整。啁啾函数不同，滤波性能就不相同，但目前尚未有形成很宽反射谱且带宽利用率较低而长度较短的啁啾结构的光纤光栅。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有近乎理想的反射谱即带宽利用率高，又能用较短的光纤光栅获得很宽反射谱的正弦啁啾结构的光纤光栅。

本发明的特征在于：它是一种周期小波动的正弦啁啾结构的光纤光栅，经调制后得到的光纤光栅的芯区折射率n(z)可表示为：

其中，n₀：光栅的芯区折射率(调制前)；

z：光纤的轴向；

δn(z)：折射率的调制深度，为高斯函数；

ν：折射率纵向波动的归一化幅值，即条纹可见度；

Λ₀：折射率纵向波动的设计周期；

(z)：折射率纵向波动的相位调制函数，亦即啁啾函数，使

其中，b：啁啾量；L：光纤光栅长度。

使用证明：它可达到预期目的。

附图说明

图1.用紫外光写入技术把本发明所述周期结构写入光纤的装置。

图2.折射率变化Δn(纵轴)与光纤光栅长度L(横轴)的关系曲线。

图3.可用于窄带滤波的正弦啁啾结构光纤光栅的反射谱和时延曲线，R：反射率，τ：时延，λ：波长。

图4.可用于宽带滤波的正弦啁啾结构光纤光栅的反射谱；R：反射率；λ：波长。

具体实施方式

请见图1。用相位掩膜板1作分束器，反射镜M把来自锁模激光器的写入紫外短脉冲UV反射到相位掩膜板1，反射镜M可沿X轴移动，扫描长度为相位掩膜板1的长度，光纤2放在相位掩膜板1的位置但稍高于注入光束UV(即待写入的光纤2在纸面之上)。相位掩模板1把注入光束UV分裂成±1级，两束衍射光被反射镜M1、M2反射。相对于平X-Y，反射镜M1、M2有少量倾角，以使光束会聚于光纤2中形成于涉图象。在反射镜M1、M2之间，有柱透镜4，使光束在纤芯聚束。当紫外光UV在相位掩膜板1的右边注入，干涉发生在光纤1的左端，反之也然，用同一块相位掩膜板1可以写入任意波长的啁啾光纤光栅。改变M1的角度φ1，写入的光纤光栅的布拉格波长也随之改变，角φ1改变4.875×10^-4度，布拉格波长变化0.1nm。在一个42cm长的杠杆上(图1中未示)装有一个微位移器3，它可用50nm的精度控制反射镜M1的转动，其最小旋转角度为7×10^-7度。它可以写入布拉格波长约为800nm～6um的任意光纤光栅。当φ1改变时，干涉图像也会沿X轴平移。可以把设计好的正弦啁啾光纤光栅等效成若干段的均匀光纤光栅的串联。反射镜M每走一段，就按照预先计算的数值改变反射镜M的移动速度即曝光量和角φ1，从而使折射率调制深度和布拉格波长对应于设计好的正弦啁啾光纤光栅在该段中点处的折射率调制深度和布拉路波长。

按上述制作的光纤光栅，除了芯层的折射率不再是均匀的，在紫外光UV照射下会按设计要求变化以外，它也由芯层和包层组成，其物理尺寸不变。其折射率沿光纤光栅长度的变化见图2。其中，折射率变化的解析式为：

其中，ν为条纹可见度，Λ₀为折射率波动的设计周期，由设计决定；折射率变化的振幅调制由式中δn(z)决定，采用高斯函数δn(z)＝(δn₀)exp[-(4z/L²)]；折射率变化的周期调制由式中啁啾函数(z)决定，即折射率的变化周期内引入了一个正弦波动，在光纤2的入射处-L/2其折射率的变化周期较小，波长短的被很快反射；在L/2处折射率的变化周期较大，波长长的较慢被反射，周期波动量的值按正弦变化。这种调制后得到的光纤光栅其芯层折射率n(z)可表达为：

其中，z方向表示光纤2的轴向：δn(z)体现了对光纤光栅的切趾，称切趾函数，其余参数已如上述。

啁啾函数(z)使折射率纵向波动的实际周期由Λ₀变为Λ_eff，它满足

取

则 ${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{eff}}\≈{\mathrm{\Λ}}_0-\frac{{{\mathrm{\Λ}}^2}_0}{2\mathrm{\π}}b\sin \left(\frac{\mathrm{\πz}}{L}\right).$

其中，b代表啁啾量，设计时设定：

L：光纤光栅长度。

因而，把正弦啁啾引入到均匀的光纤光栅物理周期中，故新的光纤光栅称之为正弦啁啾结构的光纤光栅，其光致折射率变化具有稳定性，可保持永久不变。因而利用上述紫外光写入技术，可把特定的周期结构写入光纤光栅中，形成光纤型光波导器件。

以下为本发明所述正弦啁啾结构光纤光栅的两个应用实例。

1.窄带滤波：

选择参数：n₀＝1.45(调制前光纤芯区折射率)，

δn(z)＝0.0001exp[-(4z/L²)]，

ν＝1，Λ₀＝0.537μm，b＝0.0005μm^-1，L＝31.1cm。

其反射谱和时延曲线计算结果如图3所示。

在反射率为-3dB处的带宽为0.232nm，带宽利用率BWU为0.9667，旁瓣低于-40dB，它的色散值为4712.2ps/nm。它可用于实现信道间隔为50GHz的单信道滤波和色散补偿。具有相同参数的线性啁啾光纤光栅在反射率为-3dB处的带宽为0.16nm，带宽利用率为0.8696。

2.宽带滤波：

选择参数：n₀＝1.45，

δn(z)＝0.0035exp[-(4z/L²)]，

ν＝1，Λ₀＝0.537μm，b＝0.25μm^-1，L＝15.55cm。

其反射谱的计算结果如图4所示。

它在反射率为-3dB处的带宽为93.24nm，带宽利用率BWU为0.9991，旁瓣低于-30dB，其色散可以忽略，它可用作飞秒脉冲激光器的反射镜，而具有相同参数的线性啁啾结构的光纤光栅在反射率为-3dB处的带宽仅为49.76nm，带宽利用率BWU为0.8388。

由此可见，它在得到理想反射谱的同时，又可用较短的光纤光栅得到很宽的反射谱。

Claims (1)

1.一种正弦啁啾结构的光纤光栅，含有周期性结构，其特征在于：它是一种周期小波动的正弦啁啾结构的光纤光栅，经调制后得到的光纤光栅的芯区折射率n(z)可表示为：

其中，n₀：光栅的芯区折射率(调制前)；

z：光纤的轴向；

δn(z)：折射率的调制深度，为高斯函数；

ν：折射率纵向波动的归一化幅值，即条纹可见度；

A₀：折射率纵向波动的设计周期；

(z)：折射率纵向波动的相位调制函数，亦即啁啾函数，使 其中，b：啁啾量；L：光纤光栅长度。

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