CN1387627A - 不对称低色散布拉格光栅滤光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光纤系统的光纤(12)中所用的布拉格光栅滤光器(10)。光纤包括纤芯(14)和包层(16)。在光纤的纤芯中形成多个布拉格光栅片段。每个光栅单元由折射率的周期变化定义。折射率的周期变化具有空间不对称的折射率调制,使得可以以增加光栅单元另一端的反射色散为代价,减小光栅单元一端的反射色散。

Description

不对称低色散布拉格光栅滤光器

                          发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及反射滤光器，尤其，涉及不对称低色散布拉格光栅滤光器。

2.技术背景

波分复用(WDM)在光通信系统中已普及。这些光系统中的关键光学部件是执行组合不同波长信道和分裂波长信道功能的部件。

布拉格光栅结构可用作WDM和其它光信号处理应用的滤光器。在这些类型的应用中，布拉格光栅滤光器具有低插入损耗，平顶光谱响应，使串扰最小的陡峭斜率，和线性相位响应，以避免滤光器色散引发信号降级而引起的透射损失。虽然可以将基于布拉格光栅的反射滤光器设计成具有接近理想的光谱响应，但是当接近频带边缘时，相应的相位响应变得越来越非线性(也就是，增加色散)，因此降低了有用的滤光器带宽。虽然这种滤光器的振幅响应已经受到了很多关注，但是在光通信系统中相位响应只是最近才被研究。

基于传统布拉格光栅的反射滤光器通过这种滤光器因果性指明的关系，具有光栅透射光谱所确定的色散特征。结果，具有急剧下降光谱边缘的带通滤光器将遭遇较大的带内色散。通常在频带边缘处的带内色散最差。在这种情况下，滤光器将显示的有效有限色散滤光器带宽小于传统的有限振幅滤光器带宽。然而，对于布拉格光栅滤光器中的固定振幅响应，在定义因果性的色散限制上可以改进滤光器的色散。由于反射滤光器通常只使用来自布拉格光栅一端的反射，所以能够以增加光栅另一端的色散为代价，减小光栅一端的反射色散。布拉格光栅的该独特特征很有意义，因为它给出了能在光通信领域中起重要作用的无色散理想滤光器的制造方法。

                            发明内容

本发明的一方面是用于光纤系统中光纤内的布拉格光栅滤光器，其中光纤包括纤芯和包层。在光纤纤芯和/或至少一部分包层中形成多个布拉格光栅片段。通过折射率的周期性变化定义每个光栅单元。折射率的周期性变化具有空间不对称折射率调制，使得以增加光栅单元另一端的反射色散为代价，减小光栅单元一端的反射色散。

在以下详细描述中将给出本发明的附加特征和优点，通过该描述部分对于本领域熟练的技术人员是显而易见的，或者通过实施以下详细描述、权利要求和附图中所述的发明，而理解本发明的部分。

要知道以上一般描述和以下详细描述都仅仅是本发明的实例，它们试图提供概述或框架用于理解如权利要求所述本发明的特性和特征。所包括的附图用于提供对本发明进一步的理解，并结合成说明书的一部分。附图说明了本发明的各种特征和实施例，它和描述一起用于解释本发明的原理和操作。

                          附图说明

图1是根据本发明其中形成的布拉格光栅的光纤的透视图；

图2是说明本发明布拉格光栅的反射特征的曲线图；

图3是说明传统布拉格光栅结构的折射率的曲线图；

图4是说明传统布拉格光栅结构中空间对称分布的折射率调制的曲线图；

图5是说明根据本发明的布拉格光栅的空间不对称分布的折射率调制的曲线图；

图6是显示根据本发明的不同布拉格光栅结构的透射和反射光谱的图表；

图7说明了根据本发明折射率调制的形状是如何被改变的；

图8、9、10和11说明了根据本发明折射率调制的形状变化如何引起由布拉格光栅结构所示出的延迟变化；

图12是显示根据本发明的不同布拉格光栅结构的透射和反射光谱的图表；

图13说明了根据本发明折射率调制峰值如何远离光栅中心移动；和

图14、15、16和17说明了根据本发明折射率调制的峰值变化如何引起由布拉格光栅结构所示出的延迟变化。

                      较佳实施例的详细描述

现在将详细引用本发明的较佳实施例，在附图中说明了它的实例。附图中尽可能地用相同的标号指出相同或类似的部分。

图1显示了本发明布拉格光栅10的典型实施例。为了讨论的目的，布拉格光栅10在光纤12中形成。光纤12包括纤芯14和包围光纤12中纤芯14的包层16。光纤的纤芯14和/或至少一部分包层由当暴露于特定频率的辐射时显示折射率变化的材料所组成。因此，通过产生纤芯14的周期性折射率变化，在光纤12的纤芯14中形成布拉格光栅10。对本领域熟练的技术人员显而易见的是，已知各种方法用于在光纤12的纤芯14中形成布拉格光栅。还应该注意到可以在其它光学媒介或部件中形成布拉格光栅。

如图2中反射光对典型布拉格光栅波长的示范性曲线图所示，反射型布拉格光栅反射特定波长，而透射其它波长。如上所指出的，用折射率的周期性变化(或干扰图形)定义布拉格光栅。图3说明了传统布拉格光栅折射率的示范性变化。众所周知，可以用两个参数基本上能描述任何类型的光栅：(1)折射光栅的振幅和(2)折射光栅的周期。振幅22表示折射率局部变化了多少，而周期24表示振幅峰值彼此之间相隔多远。图4说明了布拉格光栅相应的折射率调制。折射率调制也可以是光栅的代表。值得注意的是传统布拉格光栅基本上显示空间对称分布。

使用多个布拉格光栅单元可以构造反射光谱滤光器，其中每个光栅单元具有不同的折射率周期性变化。每个布拉格光栅单元反射不同的波长，因此形成滤光器。基于具有对称结构传统布拉格光栅单元的反射滤光器通过这种滤光器因果性所指明的关系，具有光栅透射光谱所确定的色散特征。结果，具有急剧下降光谱边缘的带通滤光器将遭遇较大的带内色散。在理想的带通滤光器中，急剧下降边缘和带内低色散都是所期望的。

在传统反射布拉格光栅滤光器中，通常在频带边缘处的带内色散最差。在这种情况下，滤光器显示的有效有限色散滤光器带宽小于传统有限振幅滤光器的带宽。然而，根据本发明，对于固定振幅响应，在由因果性定义的色散限制上可以改进滤光器的色散。由于大部分反射滤光器只使用来自布拉格光栅一端的反射，所以能够以增加光栅另一端的色散为代价，减小光栅一端的反射色散。

在典型的布拉格光栅中，透射延迟D_T(ω)通过希耳伯特变换与透射T(ω)相关，如下所示： $D_T\left(\mathrm{\ω}\right)-D_0=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{\∂\log \sqrt{T\left(\mathrm{\ω}\right)}}{\∂\mathrm{\ω}}\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{\ω}-\mathrm{\ω}},$

其中ω是光频，D₀表示常数偏移。透射延迟D_T(ω)基本上通过以下等式分别与同一光栅两端的反射延迟D_f(ω)和D_b(ω)相关： $\frac{D_f\left(\mathrm{\ω}\right)+D_b\left(\mathrm{\ω}\right)}{2}=D_T\left(\mathrm{\ω}\right)$

当光栅的折射率调制空间对称时，光栅的任一端反射光线都没有差别，也就是D_f(ω)＝D_b(ω)＝D_T(ω)。在这种情况下，布拉格光栅滤光器的色散特征完全由透射T(ω)确定。为了完整，布拉格光栅两端反射的振幅R_f(ω)和R_b(ω)总是相等，不管光栅结构，它们的关系为：

R_f(ω)＝R_b(ω)＝1-T(ω)。

然而，如果打破了光栅折射率的空间对称，那么D_f(ω)≠D_b(ω)。尤其，以增加光栅另一端的延迟为代价，可以减小光栅一端的反射延迟。由于大部分反射滤光器是单侧的(也就是只使用一个反射)，所以这在装置应用中不产生问题。本领域熟练的技术人员能够容易地理解空间不对称光栅(没有线性调频脉冲)仍然具有对称的反射和透射光谱。

图5说明了显示空间不对称分布的布拉格光栅滤光器的示范性折射率调制。切趾功能一般是指改变光学系统中振幅透射比的技术，以减小或抑制与中心艾里斑相关的衍射环的能量。在这种情况下，通过使用切趾功能，研究折射率调制，切趾功能允许对折射率形状和不对称程度进行某种程度的独立控制(也就是折射率调制峰值偏移光栅中心多少)。折射率调制是沿光栅位置z的函数，等式如下： $q\left(z\right)={\left(\frac{z+L}{L}\right)}^{\mathrm{\α}}K{\left(\frac{{10}^{-7}}{\mathrm{\κ}}\right)}^{{\left(\frac{\left|z\right|}{L}\right)}^{2\mathrm{\β}}},$

其中L是光栅总长度(如L＝5mm)，κ是z＝0时的耦合系数(如κ＝π7×10^-4/1550)。因此，α可用于控制切趾的形状，β可用于控制折射率调制的峰值位置。

图6提供了五种示范性光栅结构的透射和反射光谱(其中β固定在2.5)。光栅结构的不对称没有引起滤光器光谱两侧关于振幅下降形状的显著变化。然而，当折射率调制的形状变化时，每个光栅显示的延迟发生变化。例如，图7给出了α从0变化到2，β固定在2.5时，布拉格光栅的折射率调制分布。如图所示，折射率调制的形状发生变化，而折射率调制的峰值大致固定。具体而言，α越大表示光栅结构越不对称。

图8说明了折射率形状的变化如何引起光栅所示延迟的变化。显示了不对称布拉格光栅的三条延迟曲线(其中α＝2，β＝2.5)。D_f是从右边进入光的反射延迟，D_b是从左边进入光的反射延迟。D是具有相同振幅响应的对称光栅的延迟，其中根据上述等式计算延迟。如图所示，与对称光栅响应的延迟D(ω)相比，D_b(ω)显著减小。在图9、10和11中将常量β保持在2.5，α分别在1.5、1.0和0.5之间变化。当α接近0，光栅更加对称时，相对于D(ω)，D_b(ω)的改进减小。在对称光栅中，三条延迟曲线将合并成一条延迟曲线。

类似地，图12提供了一些附加光栅结构的透射和反射光谱(其中α固定在2.0)。应该注意到只要β保持在小于2.5，反射光谱的形状就大致不变。然而，反射光谱的下降速率由较大的β特征所折衷。图13说明了每个光栅结构的折射率调制(也就是α＝2，β＝1.5，2.5，5和50)。如图所示，随着β的增加，折射率调制峰值向远离光栅中心移动。

因为四个不同光栅结构中每一个的透射都类似，所以每个光栅结构的延迟可以和其它三个光栅结构的延迟比较。例如，图14、15、16和17分别提供了每种光栅类型的三条延迟曲线，也就是，分别为α＝2.0，β＝50，5.0，2.5和1.5。此外，这里可以看出D_b(ω)相对于D(ω)的显著改进，当光栅更对称时改进的程度减小。

从上文中可以理解本发明提供了超越因果性限制的改进延迟响应，这可以通过将不对称性引入光栅结构中，但不使光栅的振幅响应降级而实现。这种不对称光栅开辟了新的，允许光栅结构具有下降振幅和较低带内色散的参数空间。理想情况下，本发明能够导致无色散滤光器。通过与光栅中对称的线性调频脉冲组合(不对称的线性调频脉冲将导致滤光器光谱不对称)，期望有进一步的改进。

还应该注意到虽然不对称折射率调制可用于示范本发明的原理，但是周期变化也可用于获得类似的效果，或者结合不对称折射率调制使用，进一步改进滤光器响应。值得注意的是在一些实例中，要求滤光器的带内色散为某一常数，而非零带内色散，也就是线性相位响应。这可以通过至少沿着一部分光栅线性地改变折射率调制来实现。在这种情况下，这里讨论的效果将引起频带边缘的色散变化。

对于本领域熟练的技术人员来说，不脱离本发明的精神和范围，对本发明作出各种改进和变化是很明显的。因此本发明试图覆盖该发明各种改进和变化，只要它们落在后附权利要求书及其等效技术范围内。

Claims (20)

1.一种在光波导中形成的反射滤光器，该波导被较高折射率的第一区域定义，并被较低折射率的第二区域包围，其特征在于，滤光器包括：

光波导中形成的至少一个布拉格光栅区域，其中布拉格光栅区域被折射率的干扰图形定义，该干扰图形具有空间不对称的折射率调制。

2.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，空间不对称的折射率调制减小了布拉格光栅区域中至少一端的反射延迟。

3.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，干扰图形的周期在布拉格光栅区域中变化。

4.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，干扰图形的周期在布拉格光栅区域中变化，因此减小了布拉格光栅区域中至少一端的反射延迟。

5.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，在至少一部分布拉格光栅区域中，干扰图形的周期是线性变化的，因此提供了滤光器的恒定带内色散。

6.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，光波导是光纤。

7.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，光波导由平面基底构成。

8.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，波导的第一区域被进一步定义为光纤的纤芯，波导的第二区域被进一步定义为所述光纤的包层。

9.如权利要求1所述的反射滤光器，其特征在于，作为沿光栅区域位置的函数，布拉格光栅区域的折射率调制由如下等式提供： $q\left(z\right)={\left(\frac{z+L}{L}\right)}^{\mathrm{\α}}K{\left(\frac{{10}^{-7}}{\mathrm{\κ}}\right)}^{{\left(\frac{\left|z\right|}{L}\right)}^{2\mathrm{\β}}},$

其中L是光栅的总长度，κ是z＝0时的耦合系数。

10.一种用于光纤系统的布拉格光栅滤光器，光纤系统具有至少一个由纤芯和包层定义的光纤片段，其特征在于，布拉格光栅滤光器包括：

在至少一个纤芯和至少一部分包层中形成至少一个布拉格光栅区域，其中布拉格光栅区域具有折射率；

所述布拉格光栅区域包括多个光栅片段，每个光栅片段都具有折射率的周期变化，并被空间不对称的折射率调制定义。

11.如权利要求10所述的布拉格光栅滤光器，其特征在于，空间不对称的折射率调制减小了相应光栅片段中至少一端的反射延迟。

12.如权利要求10所述的布拉格光栅滤光器，其特征在于，折射率的变化周期在一个或多个光栅片段中变化。

13.如权利要求10所述的布拉格光栅滤光器，其特征在于，折射率的变化周期在至少一个光栅片段中变化，因此减小了该光栅片段中至少一端的反射延迟。

14.如权利要求10所述的布拉格光栅滤光器，其特征在于，在一个光栅片段的至少一部分中，折射率的变化周期是线性变化的，因此为滤光器提供了恒定的带内色散。

15.如权利要求10所述的布拉格光栅滤光器，其特征在于，光波导是光纤。

16.如权利要求10所述的布拉格光栅滤光器，其特征在于，光波导由平面基底构成。

17.如权利要求10所述的布拉格光栅滤光器，其特征在于，作为沿光栅区域位置的函数，每个光栅片段的折射率调制由如下等式提供： $q\left(z\right)={\left(\frac{z+L}{L}\right)}^{\mathrm{\α}}K{\left(\frac{{10}^{-7}}{\mathrm{\κ}}\right)}^{{\left(\frac{\left|z\right|}{L}\right)}^{2\mathrm{\β}}},$

其中L是光栅的总长度，κ是z＝0时的耦合系数。

18.一种减小反射滤光器中至少一端反射延迟的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

提供用作反射光纤的光波导，光波导被较高折射率的第一区域和较低折射率的第二区域定义；和

在光波导中形成布拉格光栅区域，布拉格光栅区域被光波导第一区域内的干扰图形定义，使得干扰图形具有空间不对称的折射率调制。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括改变布拉格光栅区域中干扰图形周期的步骤。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括线性改变至少一部分布拉格光栅区域中干扰图形周期的步骤，因此为滤光器提供恒定的带内色散。

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