CN1175295C - 长周期光纤光栅滤光器装置 - Google Patents

Abstract

提供有一种长周期光纤光栅滤光器装置。包括：在其中每隔预定周期形成长周期光纤光栅的纤芯，包围纤芯的包层，覆盖没有长周期光纤光栅之包层部分的涂层，覆盖具有长周期光纤光栅之包层部分的再涂层，根据加到纤芯之掺杂剂总量相对于温度变化其耦合波长具有负波长漂移范围的纤芯/包层折射率变化部分，以及其折射率在温度增加时下降并且耦合波长具有正波长漂移范围的包层/再涂层折射率变化部分。因此，纤芯展示了负的耦合波长漂移。

Description

长周期光纤光栅滤光器装置

本申请要求1999年9月9日在韩国工业产权局申请的给定序号为99-38267的题目为“长周期光纤光栅滤光器”之申请为优先权，在此引用该内容作为参考。

本申请一般涉及长周期光纤光栅滤光器装置，尤其涉及相对于温度变化没有耦合漂移特性的温度补偿长周期光纤光栅滤光器装置。

通常，光纤光栅用作为选择沿纤芯传播的特定波长之光信号的滤光器。使用紫外(UV)激光器，通过促使光纤折射率的周期变化，光纤光栅能够消除或反射特定波长的光。光纤光栅分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅。

短周期光纤光栅仅反射滤波中的特定波长信号的光，而长周期光纤光栅将光信号沿光纤纤芯传播的纤芯模耦合到在相同传播方向的包层模。从几十μm到几百μm周期范围的长周期光纤光栅用作为EDFA(掺铒光纤放大器)中的增益平坦滤光器，这是由于通过将纤芯模的光变换成相同传播方向的包层模，其具有去掉预定波长的光的能力。

通过在每个预定周期改变对UV辐射敏感的光纤纤芯的折射率来加工长周期光纤光栅。折射率在暴露于UV辐射的纤芯部分增加，在未经UV曝光的纤芯部分不发生改变，其导致沿着光纤纵向轴的折射率周期性变化。

长周期光纤光栅对温度是敏感的，其光特性受到光纤包层的环境折射率影响。光纤的微弯曲显著地影响长周期光纤光栅的中心波长和消光比，它们是由纤芯模和包层模之间的耦合确定的。

长周期光纤光栅的使用要求有抗外部环境影响的显示出稳定光特性的再涂层。外部环境因素是温度、湿度、灰尘引入、和光纤的微裂及微弯曲。

当满足方程1的相位匹配条件时，在长周期光纤光栅滤光器装置中发生耦合。

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{co}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ce}}^{\left(m\right)}=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}-------\left(1\right)$

这里β_co是纤芯模的传播常数，β_ce ^(m)是m阶包层模的传播常数，Λ是光栅周期。

如果 $\mathrm{\β}=2\mathrm{\π}\frac{n}{\mathrm{\λ}}$ (n是折射率，λ是波长)：

$n_{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{ce}}^{\left(m\right)}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}------\left(2\right)$

通过确定光栅周期A和折射率差(n_co-n_ce ^(m))能够将该波长的光变换到包层模。

通过用UV光适当地辐照对UV敏感的光纤可得到该折射率差。即，用具有特定光栅周期A的掩膜来掩膜光纤并将UV光投射到该掩膜上。然后，光纤与UV辐射起作用，其作用方式使得纤芯折射率增加，耦合波长增大到长波长。为了获得长周期光纤光滤光栅器装置的预定光谱(即预定耦合波长和消光比)，应当投射UV光达适当的时间，并精确地控制掩膜周期。

以此加工的光纤光栅的耦合波长受温度的影响。耦合波长相对于温度变化的漂移由折射率变化和随温度变化的纵向热膨胀决定。这可表示为：

$\frac{{\mathrm{d\λ}}^{\left(m\right)}}{\mathrm{dT}}=\frac{{\mathrm{d\λ}}^{\left(m\right)}}{\mathrm{dn}}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+\frac{{\mathrm{d\λ}}^{\left(m\right)}}{\mathrm{d\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}}-------\left(3\right)$

这里T是温度。

当长周期光纤光栅滤光器装置由普通通信光纤或分布式漂移光纤加工时， 大于 几十倍，因此可忽略

例如，康宁Flexcor 1060的耦合波长每100℃漂移5nm。在典型分布式漂移光纤中，耦合波长相对于纵向膨胀每100℃漂移0.3nm，相对于折射率变化每100℃漂移5nm。对于实际应用系统中长周期光纤光栅滤光器应用之一的增益平坦滤光器，要求每100℃有大约0.3nm的温度稳定性。

为了补偿温度的变化，设计光纤中折射率分布或者选择光纤的光栅周期，使得方程3的

具有现有技术中的负值。另一方面将B₂O₃加到光纤以获得 $\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}=0.$

如果在普通长周期光纤光栅滤波器中的A＜100μm，在通过将 设置为负值控制滤波器折射率的传统方法中， 为负值。当A＝40μm时，Flexcor 1060光纤中波长对温度的相关性为0.15-0.45nm/100℃，但λ^(m)模是在1.1μm区域，因此偏离了通信区域。

本申请人申请的题目为“温度补偿长周期光纤光栅滤光器”的韩国申请No.99-8332详细地公开了温度补偿长周期光纤光栅滤光器装置。

尽管上述申请中长周期光纤光栅滤光器的再涂层是用其折射率随温度增加的材料形成的，但由于温度增加时的热膨胀导致普通再涂层尤其是聚合物再涂层的折射率下降。因此，当再涂由普通光纤形成的长周期光纤光栅滤光器时，再涂层的长波长漂移效应与长光纤光栅滤光器的长波长漂移特性相加，因此应当使用减小折射率的特殊再涂材料。该再涂材料至今仍在开发。

因此，本发明目的是提供温度补偿长周期光纤光栅滤光器装置，其相对于温度变化没有耦合漂移特性。

本发明的另一目的是提供温度补偿长周期光纤光栅滤光器装置，其耐潮湿和软得足以防止微弯曲。

为了实现上述目的，提供有长周期光纤光栅滤光器装置。长周期光纤光栅滤光器装置包括具有每隔预定周期在其中形成的长周期光纤光栅的纤芯、包围纤芯的包层、覆盖没有长周期光纤光栅之包层部分的涂层、覆盖具有长周期光纤光栅之包层部分的再涂层、根据加到纤芯之掺杂剂总量的其中耦合波长具有相对于温度变化的负波长漂移范围的纤芯/包层折射率变化部分、以及其中折射率在温度增加时下降并且耦合波长具有正波长漂移范围的包层/再涂层折射率变化部分。因此，通过在折射率于温度增加时下降的再涂层材料中之正耦合波长漂移的总量，该纤芯展示了负的耦合波长漂移。

从下面结合附图所做的详细说明可更清楚本发明上述和其它目的、特点和优点。

图1A是封装的长周期光纤光栅滤光器装置的视图；

图1B是具有去掉再涂层的长周期光纤光栅滤光器装置的视图；

图1C是具有去掉再涂层的长周期光纤光栅滤光器装置的剖面图；

图2A到2D是表示耦合波长漂移对包层的环境折射率的曲线；

图3是表示耦合波长漂移对包层的环境折射率的曲线；

图4是表示当其小于包层的折射率时相对于包层的环境折射率之耦合波长漂移的曲线。

图5A是表示当由普通聚合物材料制成时再涂层温度与折射率变化的曲线；

图5B是表示折射率变化对由硅树脂制成的再涂层温度的曲线；

图6是表示耦合波长漂移对再涂层材料温度变化的曲线；

图7是表示折射率变化在光纤纤芯不同掺杂剂浓度下与温度的曲线；

图8是表示在光纤纤芯不同掺杂剂浓度下波长对温度的相关性曲线；

图9是表示根据本发明的长周期光纤光栅滤光器装置之温度补偿效应的曲线；

图10A是表示具有去掉再涂层之普通长周期光纤光栅装置的温度相关性曲线；

图10B是表示具有再涂层之普通长周期光纤光栅滤光器装置的温度相关性曲线；

图11是表示根据本发明长周期光纤光栅滤光器装置的温度相关性曲线；

图12是根据本发明长周期光纤光栅滤光器装置的剖面图。

下面参考附图说明本发明优选实施例。在下面的说明中，公知的功能或结构将不作详细说明，因为在不必要的赘述中它们有可能使本发明难以理解。

以预定长度去掉光纤涂层来形成光纤中的长周期光纤光栅。然后，使用UV激光和振幅掩膜在暴露部分上形成长周期光纤光栅。未涂的长周期光纤光栅受包括温度、温度、灰尘、微裂及微弯曲的外部环境的影响，因此需要保护之以防止光特性的变化。

而且，沿光纤长度方向以预定周期形成的多个长周期光纤光栅起滤光器作用，用于将纤芯模耦合到包层模。因此，应该考虑再涂层材料的折射率。

正如图1A、1B、和1C所示，封装的长周期光纤光栅滤光器装置100包括具有在其上每隔预定周期形成的长周期光纤光栅的纤芯10、包围纤芯10的包层12、包围包层12的涂层14、以及涂在长周期光纤光栅16上的再涂层18。再涂层涂在从中去掉了涂层14的部分上以保护长周期光纤光栅16。

图1C中，表示波长传播方向的箭头表示在长周期光纤光栅滤光器装置中从纤芯模到包层模的耦合。箭头的粗细表示该波长光的强度。

在折射率变化的部分，即在长周期光纤光栅16中，纤芯10中以基本传播模传输的中心波长的光信号是散射的。随着散射光耦合到包层12，满足相位匹配条件的该波长的光是相干增强的。该光传到包层12的外面，并且长周期光纤光栅滤光器装置100起波长相关衰减器的作用。

以基本传播模传输的光强度在穿过长周期光纤光栅16的同时是衰减的，正如箭头粗细中变细所示，并且，耦合到包层12之波长光的强度是增加的，正如箭头粗细中变粗所示。

包层12之外部状态即空气具有1的折射率。如果在长周期光纤光栅16形成之后用折射率为n的材料再涂包层12，则耦合状态改变，因而耦合波长移到长或短波长。

图2A到2D是表示耦合波长相对于包层环境折射率而漂移的曲线。

图2A是表示当围绕长周期光纤光栅之包层的环境折射率(空气的折射率)是1时光传输特性的曲线。

图2B是表示当包层环境折射率是1.400时光传输特性的曲线。注意，与图2A曲线相比，光传输是增加的且耦合波长向短波长移动大约48nm。

图2C是表示当包层环境折射率是1.448时光传输特性的曲线。与图2A相比，耦合波长向短波长漂移约16.5nm。

图2D是表示当包层环境折射率是1.484时光传输特性的曲线。与图2A相比，耦合波长移到长波长。

如果包层环境折射率从1增加但小于包层的折射率，则耦合波长移到短波长，如图2B和2C所示。另一方面，如果包层环境折射率超过包层折射率，则耦合波长移到长波长，如图2D所示。如果包层环境折射率等于包层折射率，则全反射条件破坏，耦合峰消失。

图3是表示相对于包层环境折射率变化之耦合波长漂移的曲线。随着环境折射率从1.0增加，耦合波长移到短波长；当环境折射率等于包层的折射率时耦合峰消失；当环境折射率超过包层折射率时耦合波长移到长波长。

图4是表示当环境折射率小于包层折射率时耦合波长漂移对包层环境折射率变化的曲线。参考图4，随着环境折射率下降，耦合波长漂移到长波长，唯一的条件是环境折射率小于包层折射率。

图2A到4所示结果在本发明人的论文“Displacement of theResonant Peaks of a Long Period Fiber Grating Induced by aChange of Ambient Refractive Index”1997 OpticsLetters，December 1，1997/Vol.22，No.23中进行了详细说明。

图5A是表示普通再涂材料的折射率变化对温度变化的曲线，图5B是表示硅树脂用作普通再涂材料时的折射率变化对温度变化的曲线。

参考图5A，普通再涂材料即聚合物在增加温度时经历热膨胀并具有降低的折射率。参考图5B，硅树脂在增加温度时也经历热膨胀并具有降低的折射率。随硅树脂温度之折射率变化量为-2.4×10^-2/100℃。

图6是表示再涂材料的耦合波长漂移对温度变化的曲线。从图中可注意到，随着再涂材料的折射率随温度增加而降低，耦合波长移到长波长。耦合波长向长波长的漂移意味着其具有正的波长漂移范围。

图7是表示在加到光纤纤芯的不同浓度掺杂剂下耦合波长漂移对温度变化的曲线。在题目为“Optical Waveguide Grating andProduetion Method There of”的EP 0 800 098 A2中详细公开了B₂O₃和GeO₂作为掺杂剂加到纤芯时的温度补偿。正如图7所示，随着B₂O₃多于GeO₂，长周期光纤光栅在温度增加时具有负波长漂移范围。即，折射率变化量对温度具有负值。本发明中，温度变化是通过将耦合波长的波长漂移范围在长周期光纤光栅中设置为负值以及在再涂材料中设置为正值来补偿的。

例如，如果20mol％的GeO₂和15mol％的B₂O₃加入纤芯，形成在纤芯上的长周期光纤光栅的折射率变化对温度变化具有负值，因此耦合波长具有波长漂移范围。这示于图8中。

图8是表示当纤芯中B₂O₃总量大于GeO₂总量且没有再涂长周期光纤光栅时耦合波长在温度增加时向短波长漂移的曲线。图8中，当温度增加时，耦合波长移到短波长。这意味着长周期光纤光栅滤光器装置中耦合波长具有负的波长漂移范围。

图9是表示长周期光纤光栅滤光器装置中增加温度时类似硅树脂之再涂材料的长波长漂移效应及因使用B₂O₃多于GeO₂产生的短波长漂效应导致的温度补偿之曲线。标号91表示由于按照温度变化包层/再涂层之折射率变化部分导致的耦合波长向长波长的漂移，标号93表示由于按照温度变化纤芯/包层之折射率变化部分导致的耦合波长向短波长的漂移。

耦合波长的长波长漂移和短波长漂移同时发生在长周期光纤光栅滤光器装置中，由此实现了本发明的温度补偿，如标号92所示。

图10A和10B是表示在纤芯中没有短波长漂移效应的普通长周期光纤光栅滤光器装置分别没有再涂层和有用硅树脂作再涂层的情况下波长漂移对温度变化的曲线。

图8是表示当本发明长周期光纤光栅滤光器装置没有再涂层但同时借助于使用B₂O₃多于GeO₂具有负的波长漂移范围时波长漂移对温度变化的曲线。图11是表示当本发明长周期光纤光栅滤光器装置有用硅树脂作再涂层同时借助于使用B₂O₃多于GeO₂具有的波长漂移范围时波长漂移对温度变化的曲线。

下面通过将表示传统技术的图10A和10B与根据本发明的图8和9比较来说明本发明的温度补偿。

正如图10A所示，当普通长周期光纤光栅滤光器装置没有再涂层时，随着温度增加，耦合浓长移到长波长，波长的温度相关性约为5.08nm/100℃。

图10B中，当普通长周期光纤光栅滤光器装置用硅树脂再涂时，随着增加的温度，耦合波长移到长波长，波长的温度相关性约为10nm/100℃。

从图10A和10B能注意到，用硅树脂再涂普通长周期光纤光栅导致在光纤纤芯的长波长漂移效应和硅树脂的长波长漂移效应之间的协合作用，由此增强了长波长漂移效应。即温度相关性进一步增加。

图8中，当本发明中的光纤纤芯包括B₂O₃多于GeO₂且长周期光纤光栅滤光器装置没有再涂时，在增加的温度下耦合波长移到短波长，波长的温度相关性约为-4.7nm/100℃。

图11中，当本发明中的光纤纤芯包括B₂O₃多于GeO₂且长周期光纤光栅滤光器装置用硅树脂再涂时，纤芯的短波长效应和再涂材料的长波长漂移效应同时发生，由此补偿温度变化。结果，耦合波长相对于温度变化没有变化。这里，波长的温度相关性约为0.07nm/100℃。

本发明如此加工的长周期光纤光栅滤光器装置示于图12中。标号120表示具有B₂O₃多于GeO₂的纤芯，标号122表示包围纤芯120的包层，标号126表示沿纤芯120长度方向形成的多个长周期光纤光栅。标号128表示覆盖长周期光纤光栅126的硅树脂再涂层。

总之，如果通过在光纤纤芯中使用B₂O₃多于GeO₂，在增加的温度下，耦合波长在正波长漂移范围内漂移，并且折射率随温度增加而下降以及耦合波长在再涂层中于正的范围内漂移的话，则温度变化能够被补偿为几乎没有耦合波长漂移。

正如上述，根据本发明的长周期光纤光栅滤光器装置包括根据所加掺杂剂总量在增加的温度下耦合波长于负范围之内漂移的纤芯，以及折射率随温度增加而下降且耦合波长在正范围之内漂移的再涂层。因此，起因于温度变化的长周期光纤光栅之耦合波长漂移能够补偿，并且其温度补偿极为方便。

尽管参考某些优选实施例已经展示和说明了本发明，但应当理解，对本领域技术人员来说，在不脱离由所附权利要求限定之本发明的精神和范围的情况下，在其中可对形式和细节做各种各样的改变。

Claims (4)

1.一种长周期光纤光栅滤光器装置，用于根据正/负波长漂移进行温度补偿，所述装置包括：

具有在其中以每隔预定周期形成的长周期光纤光栅的纤芯，所述纤芯还加有耦合波长具有对温度变化的负波长漂移范围的掺杂剂；

包围该纤芯的包层；

覆盖没有长周期光纤光栅之包层部分的涂层；

覆盖具有长周期光纤光栅之包层部分的再涂层，所述再涂层折射率小于包层折射率，并且具有通过在增加温度时使折射率下降而实现的耦合波长的正波长漂移范围。

2.根据权利要求1的长周期光纤光栅滤光器装置，其中掺杂剂包括B₂O₃和GeO₂，由根据GeO₂总量而增加的折射率引起的耦合波长漂移和由根据B₂O₃总量而降低的折射率引起的耦合波长漂移之和具有负的波长漂移值。

3.根据权利要求1的长周期光纤光栅滤光器装置，其中再涂层由聚合物材料形成，其折射率随温度的增加而下降。

4.根据权利要求3的长周期光纤光栅滤光器装置，其中聚合物材料是硅树脂。

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