CN1408071A - 减小模耦合到包层的写入型光栅中的插入损耗 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有纤芯，包层，和光栅的光纤，利用辐照写入光栅和至少耦合一种光模到包层中，因此，该光模在其中耗散。本发明的建议是，平均折射率至少在光栅的端部沿光栅逐渐地变化。平均折射率的逐渐变化或用于写入光栅的折射率调制幅度的逐渐变化的作用是，限制插入损耗在光栅形成的滤波器中。类似地，在写入型光栅中，本发明提供的方法相当于逐渐改变光纤的纤芯尺寸，用于连接具有不同纤芯直径的两个光纤。本发明特别适用于WDM传输系统中的增益均衡滤波器。

Description

减小模耦合到包层的写入型光栅中的插入损耗

技术领域

本发明涉及光滤波器领域，具体涉及光纤中写入光栅构成的光滤波器。通过沿光纤纵轴周期性或基本周期性调制光纤折射率制成这种光栅；术语“间距”用于表示沿光纤的调制周期。通常利用紫外光的辐照和掺杂成光敏的光纤制成这种光栅。

背景技术

在波分复用(WDM)传输系统中，存在一个均衡放大器增益的问题。重要的是，位于系统中正常间隔的放大器具有的增益响应在传输所用的整个波长范围内应当尽可能地均匀。我们知道，使用滤波器是为了改进放大器增益的平坦性和保证放大器增益在整个工作带宽内是均衡的。

FR-A-2 779238，FR-A-2 779239，和FR-A-2 779240描述在光纤中写入光栅得到的光滤波器。这些文件中建议的光栅不仅在光纤的纤芯而且也在包层中具有折射率变化。此外，所述滤波器中写入的光栅相对于光纤的纵轴是倾斜的；因此，光模耦合到受衰减的光纤包层中。在这种情况下，滤波器的特性是由耦合各种光模到光纤包层中的包络所构成。那些滤波器是用作WDM传输系统中的均衡滤波器。

我们还知道其他的写入型光栅和布喇格滤波器。L.R.Chen和P.W.E.Smith在“Fiber布喇格grating transmission filters withnear-ideal filters response”，Electronics Letters，VOL.34，No.21，October 1998，pp.2048-2050中建议具有“线性调频”的莫尔滤波器，即，间距沿滤波器方向变化。还提出切趾滤波器的建议，即，改变光纤调制指数作为其长度的函数。例如，T.A.Strasser等人在“UV-induced fiber grating OADM devices for efficient bandwidthutilization”，OFC′96，PDB-2至PDB-4中建议具有高斯型切趾的滤波器，即，作为光纤调制指数函数的包络是高斯型。这种滤波器不具有线性调频，它的调制间距是恒定的。这种切趾的目的是保证平均折射率维持恒定以避免称之为“自线性调频”的效应。自线性调频是平均折射率沿光栅变化，导致滤波器的频谱响应变成非对称。

发明内容

本发明涉及在传输系统中安装倾斜写入型光栅形成的这种滤波器时出现插入损耗的新问题。这个问题对于本申请者的上述专利申请中描述的滤波器是特别重要，以下给以说明。

一般地说，连接两段具有不同外形的光纤可以引起插入损耗。解决这种具有不同纤芯直径光纤问题的常规方法是，利用机械方法拉伸有较大纤芯直径的光纤，从而逐渐减小所述纤芯的直径。于是，就可以连接具有较小纤芯直径的光纤和按照这种方法使纤芯直径减小的光纤。利用可靠和可重复方式实施的常规解决方法是很复杂的。

本发明提出解决这个新问题的方案。它保证倾斜写入型光栅构成的滤波器具有低插入损耗，但并不要求按照现有技术拉伸光纤以减小直径。

更精确地说，本发明建议一种具有纤芯，包层，和光栅的光纤，利用辐照写入光栅和至少耦合一种光模到包层中，该光纤的特征是，光纤的平均折射率至少在光栅的端部沿光栅变化。

在一个实施例中，光栅写入到光纤的纤芯。或者，光栅可以写入到光纤的包层。

有利的是，该光栅是倾斜型光栅，或长周期光栅。

在一个实施例中，该光栅具有变化的间距。

最好是，平均折射率在光栅的端部逐渐地变化；具体地说，平均折射率在光栅的端部可以是线性地变化。

在一个实施例中，平均折射率的变化使插入损耗小于0.3分贝(dB)。

有利的是，用于写入光栅的折射率调制幅度在光栅的每一端从光栅端部的零值起发生变化。

本发明还建议由这种光纤构成的增益均衡滤波器和传输系统，传输系统至少包括一个由这种光纤构成的增益均衡滤波器。

附图说明

在阅读通过举例给出以下描述的实施例和参照附图之后，本发明的其他特性和优点是显而易见的，其中：

图1和图2表示现有技术光纤的折射率分布和光敏性分布的曲线图；

图3表示写入光栅到这种光纤中引起的折射率变化；

图4表示图1至图3的光纤中写入光栅导致的折射率分布；

图5表示本发明滤波器中折射率变化的曲线图；

图6表示本发明滤波器的传递函数；和

图7表示现有技术滤波器的传递函数的模拟图。

具体实施方式

本发明适用于在光纤中写入的任何光栅，光模耦合到包层中使光模在其中耗散；在上述专利申请中给出这种光栅的一个例子，其中写入操作是倾斜的，和写入操作是在包层中完成的。反射光以多种模式耦合到的包层。这种光栅的另一个例子是利用耦合部分入射光到正向包层模的光栅所构成。这种光栅称之为“长周期”光栅，因为这种光栅的周期比标准布喇格光栅的周期大三个数量级。通常，可以考虑约500微米(μm)的周期，而不是约0.5μm的常规布喇格光栅周期，但是这些数值不是限制值。A.M.Vengsarker等人在“Long periodfiber-grating-based gain equalizers”，Optics Letters，Vol.21，No.5(1996)，pp.336-338中给出这种长周期光栅的一个例子。

为了减小这种光栅在光传输系统中的插入损耗，本发明建议在光栅的端部控制光纤的平均折射率变化，即，在辐照区与非辐照区之间的界面区。更精确地说，本发明的建议是使光纤的平均折射率逐渐地变化，即，使用于写入光栅的折射率调制量在光栅的端部变化。如以下所解释的，折射率在光栅端部的这种逐渐变化在写入型光栅端部获得折射率分布的逐渐变化，和完成相当于利用机械方法拉伸部分光纤而得到折射率分布逐渐变化的功能。

本发明不同于T.A.Strasser等人在上述文章中描述的切趾方法。在利用切趾方法写入的光栅中，如以上文件中所描述的，切趾的目的是改进滤波器的传递函数，具体地说，消除滤波器中心波长两侧上传递函数边缘处出现的“波瓣”。在这种配置中，本发明类型的折射率逐渐变化是不可想象的，因为它至少在传递函数的一个边缘上有消除切趾效果的效应。所以，重要的是平均折射率保持恒定。相反，在本发明的光栅中，光栅端部的平均折射率变化是不受影响。对于角光栅，光栅端部的平均折射率变化具有使耦合到包层中每种模的传递函数成为非对称的效应。这对于滤波器的整体传递函数没有影响。对于长周期光栅，光栅端部的平均折射率变化可以引起传递函数形状的变化，但是这种变化仍然是可接受的。

本发明依靠这样的事实，在写入光栅时，写入光栅的光纤中光敏性变化引起包层与纤芯之间折射率差的变化，或者，更一般地说，它们引起折射率分布的变化。以下，参照上述专利申请中给出的例子给以解释。图1和图2表示现有技术光纤中折射率分布和光敏性分布的曲线图。按照常规的方式，折射率(或者，可能是光敏性)画在纵坐标上，从光纤测得的半径画在横坐标上。图1表示光纤在没有辐照情况下的折射率分布图。这是具有掩埋包层的阶跃折射率分布。换句话说，从中心开始，光纤具有折射率基本恒定的第一区或“纤芯”，其折射率在半径R_core范围内大于外包层的折射率。在纤芯周围，光纤具有折射率基本恒定的环形区或包层，其折射率小于外包层的折射率。这个区域的范围是在半径R_core与半径R_cladding之间。在这个环形区周围是光纤的外包层。

图2表示光纤光敏性变化的对应曲线。如在上述专利申请中所解释的，光纤在纤芯中有减小的光敏性，为的是在写入光栅时获得掩埋包层中较大的折射率增加。因此，光纤在第一区中的光敏性低于其周围的环形区中的光敏性。

图3表示写入光栅到这种光纤中引起的折射率变化。对于给定光强的辐照，纤芯中的折射率变化小于包层中的折射率变化，因为纤芯中的光敏性低于包层中的光敏性。图3表示纤芯和包层中折射率变化强度上叠加的光敏性分布。由于包层中的光敏性大于纤芯中的光敏性，所以，包层中的折射率变化，图3中的Δn_mod，大于纤芯中的折射率变化。因此，写入操作引起的平均折射率变化，图3中的Δn_mean，大于纤芯区中的平均折射率变化。

图4表示写入操作导致的折射率分布。连续线表示写入操作之前的折射率分布，虚线表示写入操作之后的平均折射率分布。细线表示写入操作如何调制折射率。如在参考图3时已解释的，纤芯中折射率的增加小于包层中折射率的增加。所以，辐照之前纤芯与包层之间的折射率差，图中标记为step_i，大于辐照之后包层与纤芯之间的折射率差，图中标记为step_F。本发明的依据是观察到这样的情况，这个折射率差是滤波器的传输光栅中插入损耗的原因，该滤波器是由写入型光栅形成的。

对于包层中光敏性大于纤芯中光敏性的特定光纤，参照图1至图4详细描述写入操作对折射率分布的影响。这种影响也发生在仅仅纤芯中有光敏性的光纤。在这种情况下，辐照光纤增大了纤芯中的平均折射率，因此，增大了包层与纤芯之间的折射率差。

在所有的情况下，辐照具有不同光敏性区域的光纤引起平均折射率分布的变化。平均折射率分布中的这种变化可以引起损耗。这些损耗首先出现在从非写入区进入到光栅区，其次出现在从光栅区进入到非写入区。

本发明提出解决这个新问题的方案。该方案建议控制折射率变化以限制损耗。为此目的，一种解决方案是使折射率调制幅度至少在光栅端部逐渐地变化。写入到光栅中折射率调制幅度的逐渐变化引起光栅端部折射率分布的逐渐变化。这种逐渐变化的性质限制进入和离开光栅的损耗。

图5表示本发明滤波器中折射率变化的曲线图。沿光纤的距离画在横坐标上，而光栅写入到光纤中导致的折射率差画在纵坐标上。从图中可以看出，光栅端部的折射率差为零或很小，然后逐渐地增大。在图5的例子中，光栅基本上是由两部分构成的，第一部分中折射率增大，而第二部分中折射率减小。可以明白，在这两部分之间还可以存在第三部分，其中调制幅度是不同的，例如，调制幅度是恒定的。

光栅中每一端的变化可以按照如下确定。调制幅度的变化可以是线性方式，指数方式，二次方式，高斯方式，或任何其他的方式。在所有上述的情况下，调制幅度可以连续的或非连续的。它可以是单调的或非单调的。利用本领域技术中连接具有不同纤芯直径光纤的已知规则，可以定性地得到平均折射率变化的变化长度或斜率。Snyder andLove在Optical Waveguide Theory，Chapman & Hall，section 19-3，p.411中提出以下的定性准则： $\frac{4\mathrm{\&pi;}{r}_{\mathrm{core}}}{\sqrt{2\mathrm{\&Delta;}\left(z\right)}}\frac{V\left(Z\right)}{W^2\left(z\right)}\frac{1}{n^2\left(z\right)}\left|\frac{\&PartialD;n^2\left(z\right)}{\&PartialD;\left(z\right)}\right|<<1$

其中 $\mathrm{\&Delta;}\left(z\right)=\frac{n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{cladding}}^2}{2n_{\mathrm{core}}^2},$ n_core是纤芯折射率，n_cladding是包层折射率，U，V，和W是光纤的导向参数。 $V=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}{r}_{\mathrm{core}}\&CenterDot;\sqrt{n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{cladding}}^2}$ $U=\sqrt{V^2-{(1.1428V-0.996)}^2}$ $W=\sqrt{V^2-U^2}$

这个公式适用于阶跃折射率光纤。本发明还适用于更复杂分布的光纤。在这种情况下，通过测量光栅中的损耗，利用实验方法可以确定光栅端部的调制变化。在任何的情况下，本发明建议限制平均折射率的变化，因而限制对应的损耗。这些损耗最好小于0.3dB。

图6和图7表示本发明的结果。图6表示本发明滤波器的传递函数，在纵坐标轴上画出传输率，而在横坐标轴上画出波长。使用的光纤是本申请人名义的上述专利申请中描述的一种光纤，纤芯与包层之间的光敏性比例为50％，折射率差Δne为4×10^-3。写入型滤波器是布喇格滤波器，其533.5纳米(nm)的均匀间距写入到5毫米(mm)的长度上。光栅相对于光纤轴的倾斜角为3°。在滤波器的每一端，调制幅度是线性变化，在2.5mm长度上从零值变化到为接近10^-3的最大值。该图中画出的滤波器插入损耗为0.05dB数量级。换句话说，滤波器引入的损耗在滤波器衰减波段之外是很低的。

图7表示相同滤波器的传递函数，不同的是，滤波器每一端的调制幅度或平均折射率没有变化。该滤波器的插入损耗约为0.45dB。

可以利用辐照光敏光纤写入光栅的常规设备实现本发明。相位掩模用在光纤与紫外光源之间的这种设备中。可以利用改变光栅上的曝光时间或在相位掩模与光纤之间插入幅度掩模实现本发明。于是，折射率调制幅度向光栅的端部减小，从而得到本发明的光纤。

本发明特别适用于减小本申请者的上述专利申请中滤波器的插入损耗，这种滤波器可用作均衡滤波器。

当然，本发明不限制于以上描述和展示的例子和实施例，本领域专业人员可以利用多种方法进行变化。它适用于上述例子描述的光栅之外的各种写入型光栅。

Claims (12)

1.一种具有纤芯，包层，和光栅的光纤，利用辐照写入光栅和至少耦合一种光模到包层中，该光纤的特征是，光纤的平均折射率至少在光栅端部沿光栅变化。

2.按照权利要求1的光纤，其特征是，光栅写入到光纤的纤芯。

3.按照权利要求1或2的光纤，其特征是，光栅写入到光纤的包层。

4.按照权利要求1，2，或3的光纤，其特征是，光栅是倾斜光栅。

5.按照权利要求1，2，或3的光纤，其特征是，光栅是长周期光栅。

6.按照权利要求1至5中任一个的光纤，其特征是，光栅具有变化的间距。

7.按照权利要求1至6中任一个的光纤，其特征是，平均折射率在光栅端部逐渐地变化。

8.按照权利要求7的光纤，其特征是，平均折射率在光栅端部线性地变化。

9.按照权利要求7或8的光纤，其特征是，平均折射率的变化使插入损耗小于0.3dB。

10.按照权利要求1至9中任一个的光纤，其特征是，用于写入光栅的折射率调制幅度在光栅的每一端发生变化，光栅端部的调制幅度值为零。

11.一种利用按照以上任一个权利要求中光纤制成的增益均衡滤波器。

12.一种传输系统，至少包括一个按照权利要求11制成的增益均衡滤波器。

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