CN1880985A - 用于抑制放大的自激发射的光纤滤光器 - Google Patents

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Abstract

一种内嵌的分布式光纤滤光器，其包括增大折射率(相对周围的包层材料)的纤芯区域，从而允许所想传输波长的全反射(TIR)。包层区域内形成且配置一个或多个增大折射率特征部分，从而产生包层模式和纤芯模式在确定要被过滤移除的波长处的模式混合。能够独立确定与确定适当的纤芯规格以及包层规格相关的参数，从而通过过滤无用信号和传播所想通信信号来提供增强的性能。

Description

用于抑制放大的自激发射的光纤滤光器
技术领域
本发明涉及全光纤光学滤光器，更具体地涉及一种包括选择配置的纤芯和包层材料的全光纤光学滤光器，用以提供选择性波长过滤，帮助减少放大的自激发射(ASE)。
背景技术
众所周知，光纤系统对于各种不同的“光学噪声”(所想波长之外波长的无关信号)源都很敏感，这导致损害了系统性能。几年来提出了各种类型的过滤配置来解决这个问题。离散过滤元件(包括多个薄膜层)被用来去除所选择的波长使其不沿光纤传播。这种离散滤光器能够减少聚集的噪声能量，但是不能充分的减少其它的系统损害，例如由于噪声放大引起的能量损失。向前追溯，一种分布式、内嵌(in-line)光纤滤光器被认为是比使用离散装置更可取的方案，特别是对于放大器应用，其中噪声放大的接合损失，能量损失等等能影响整个放大器的性能。
传输光纤的纤芯区域内可以形成布拉格光栅，作为一种内嵌光纤滤光器用以“反射”所选择的波长和防止不需要的信号成分进一步传播。参看，例如，1998年2月10日授予A.Robinson的美国专利5,717,799，此专利描述了一种布拉格光栅的使用，其中该光栅特别配置成线性(chirped)和变迹(apodized)以改善滤光器的品质。尽管各种内嵌式配置已经成功的提供了一些过滤功能，但反射光栅用于放大器中的内嵌式过滤是有问题的，因为反射能够导致不需要的噪声波长下的振荡或者光激射。反射光栅能够用为离散滤光器，但是并不能提供对本发明很重要的分布式过滤的优势。2000年10月31日授予R.P.Espindola等人的美国专利6,141,142，讨论了一种应用分布式过滤的光纤放大器的实例。在此例中，通过称作(定向-blazed)光栅，代替反射布拉格光栅，进行过滤。尽管一些分布式滤光器实施例能够提供有效的过滤，但是这种方法需要额外的光纤生产工艺步骤，并且将光纤的搀杂分布图限于那些具有合适感光性的分布图。
因此，现有技术还需要一种配置，提供具有增强的波长选择性的光学过滤，并且较佳的应用一种内嵌、分布式、全光纤的配置，以消除要在光学通信系统中包括离散装置的需要。
发明内容
本发明解决了现有技术存在的需要，其涉及全光纤光学滤光器，更具体地涉及一种全光纤、分布式光学滤光器，包括选择设置的纤芯和包层材料，用以提供选择性波长过滤，帮助减少放大的自激发射(ASE)。
根据本发明，传输光纤的纤芯区域配置成具有一“增大折射率”值(也就是，纤芯区域呈现比临近包层区域更大的折射率)，而周围包层区域内的所选区域配置形成的“特征部分”也呈现一增大的折射率(相对于多数其余包层材料)。增大纤芯的折射率，以在包层和纤芯的折射率间产生差值使得所选(所想)光波仍然限制在纤芯区域内。另外，通过仔细的选择折射率值和增大折射率包层特征部分的物理特性，可以获得选择性波长过滤。不需要的(被过滤的)波长将从纤芯区域中“泄露”出来，然后导入包层，离开传播信号路径。
本发明一方面是，纤芯和包层的参数可以单独调整，以提供所想的波长敏感性(即，由包层参数“去耦-decoupling”纤芯参数)。也就是，可以确定纤芯直径和折射率值得到所想波长最适宜的传播。根据物理设计、位置、通频带值、阻带值等分别确定包层增大折射率特征部分，以提供所想的过滤特性。
包层增大折射率特征部分可以包括任何所想的几何形状，例如一个或多个环，“孔”等，并且应用任何优选的与光纤性能相关的技术而形成包层增大折射率特征部分。在一些情况下，可以使用微结构光纤。或者，可以使用MCVD技术形成一个或多个同心的表现出更高的折射率的包层材料“环”。
本发明其他和进一步的特征，优点和实施例，在以下的讨论过程及通过参考附图会变得更清楚。
附图说明
现参考附图：
图1包含根据本发明形成的不同光纤滤光器的截面图，其中图1(a)-1(d)示出了一组四个具体实施例；
图2是波长以有效折射率为函数的曲线图，标绘出了纤芯模式和包层模式，并示出了光学过滤发生处的折射率匹配条件；
图3是本发明另一实施例的截面图，其使用了多个增大折射率包层特征部分来提供所想的光学过滤；
图4包括图3所示光纤的折射率示意分布图，其以表示在纤芯和包层区域内传导的光的模式有效折射率的虚水平线、示出了各模式保持分离(对于传输波长)的条件，且示出了区域匹配模式(对于被过滤的波长)的条件；
图5是与图1(a)所示光纤相关的图表，其示出了以半径为函数的折射率的测量值；
图6是与图5相关的光纤滤光器的波长为函数的损耗图表，示出了在预知折射率匹配点附近的高损耗，提供了本发明的光学过滤操作；
图7示出了图5所示光纤滤光器的模拟损耗和光强图。
具体实施方式
如上所述，有多种不同的光学系统，可以通过应用对沿着系统光纤传播的信号进行选择性波长过滤以改善性能。具体的，“光噪声”能通过选择性地去除特定波长的信号使其不沿光纤传播而减少。根据本发明，全光纤光学滤光器已经改进为在目标通频带中呈现独立的包层模式和纤芯模式，但是在阻带中只呈现混合的纤芯-包层模式。模式混合通过信号耦合入包层区域导致的纤芯区域内增益降低和/或损耗增加带来整体传输的减少。根据本发明形成的全光纤滤光器基于以下设计原理：(1)增大折射率纤芯区域主要通过全反射(TIR)传导光(在所想波长下传播)，(2)包层中包含增大折射率特征部分，其具体配置成“导引-guide”选择包层模式。在包层模式充分与纤芯模式折射率匹配时的波长下，模式发生混合并且光会“溢出”进入包层，而不是完全包含在纤芯。一旦进入包层，这些光可能通过辐射、吸收、或者其他过程，从系统中进一步损失。这些光波长因而限定为滤光器设计中的阻带，并能通过巧妙处理增大折射率包层特征部分的各个特性来控制，例如(但不限于)选择的折射率值，所包含的特征部分的数量，各个特征部分的尺寸，特征部分的位置等。
本发明的分布式、全光纤滤光器特别适于光纤放大器应用。传统的光纤放大器中，已发现噪声放大的接合损失和能量损失能影响放大器的性能。通过具备选择性过滤(减少增益/增加损耗)在已知“噪声”波长下传播的信号的能力，放大器整体性能将改进，表现为较低的总噪声功率，改进的噪声系数，或者泵功率转换为所想信号功率中更好的功率效率。良好滤光器性能的一种测量标准为高消光比-噪声波长下的损耗与所想信号波长下的损耗之比。实际上，能够提供一种在一噪声波长下的损耗，使其至少比所想信号波长下的损耗大5倍(噪声和信号波长之间的差值小于20％)。对于折射率交叉点附近的波长，纤芯传导模式可以通过适当的光纤设计控制散射而经历大的正增益，或负散射。
图1(a)-1(d)包含四个提供本发明的选择性波长过滤的示例性配置的截面视图，其中为了本发明讨论的目的关于图1(a)的配置示出了一个折射率曲线的曲线图。参照这些实施例，图1(a)的配置示出了一个示例性的光纤10，包括一被内包层区域14包围的增大折射率的纤芯区域12区域。增大折射率包层特征部分(在此例中，为一环)16示出为包围内包层区域14，且外包层区域18分布在包层环16周围。如图1(a)中折射率曲线具体示出的，相对于周围包层的额定的折射率(表示为nclad)，纤芯区域12表现出“增大的”折射率值，表示为ncore。另外，包层环16形成为具有相对高的折射率值(在图1(a)的折射率曲线中表示为nhi)的增大折射率特征部分。在本发明该实施例的一个示例性配置中，ncore-nclad≈0.0016，nhi-nclad≈0.026。
图1(b)示出了不同的几何形状，其中多个填充“孔”20形成在光纤24的包层区域22中，该光纤24包括一中心纤芯区域26。与图1(a)的实施例一起，光纤24的“孔”20填充有相对高的折射率材料，相对于纤芯区域26调整尺寸和分布以获得所想的过滤性能。如将在以下详细讨论的，填充材料的具体折射率，孔的直径，它们的位置等将决定通过本发明的过滤而去除的波长。图1(c)示出了一个稍微不同的实施例，其中一个单独的“孔”28形成在光纤32的包层区域30内，该光纤32包括光学纤芯34。在此实施例中，孔28作为第二“纤芯”，具有基本上不同于(主)中心纤芯区域34的折射率，尺寸和/或形状。在此例中，各种选定的波长会被渐散的耦合入该“第二纤芯”，提供所想的沿光学纤芯区域34的过滤性。
图1(d)示出了不同的实施例，其中一对纵向延伸的包层特征部分36形成在光纤40的包层区域38内，该光纤40包括纤芯区域42。在该具体实施例中，也提供了极化选择性，其中特征部分36提供了光学模式的双折射。应当理解图1(a)-1(d)示出的示例性配置只作为本发明过滤概念的示例描述，包层特征部分各种其他配置，以及特征尺寸，位置，折射率等都可以根据本发明变化，以提供所想的波长敏感性。
因此，根据本发明，通过包层特征部分几何形状、折射率值、位置等的仔细设计和选择，通过过滤去除的波长能够“精细调谐”到最佳设定值。实际上，能够形成一种“缺口-notch”滤光器，设定“噪音”波长的两侧的波长能够沿着光纤纤芯传播。当纤芯模式的有效折射率接近包层模式的折射率时，就会产生折射率匹配模式混合，光会溢出进入包层，而不是限于纤芯内。图2包含描述了该模式混合的曲线，其中有效折射率(neff)为波长的函数。标记为“A”的包层模式曲线是波长的函数。纤芯模式曲线标记为“B”，两个曲线在折射率匹配点交叉，即图2中的点C。因此，设定为λfilter且和该折射率匹配相关的波长就是信号从纤芯到包层耦合的波长，其使得该信号从沿着纤芯传播的所想信号中过滤出来。
需要理解，通过使用公知技术例如(但不限于)宏弯形式的机械变形(宏弯、、微弯、扭曲光纤、在光纤中引入光栅以及在光纤中包含可吸收或散射材料)，能够被一步提高和本发明中光纤的包层中有选择地包括的高折射率材料相关的过滤特性。
图3包含了本发明另一全光纤光学滤光器50的截面图。在该实施例中，光学滤光器50包括由相对低折射率包层区域54包围的增大折射率纤芯区域52。纤芯52(ncore)和周围包层54(nclad)的折射率差Δ使得所想波长通过全反射(TIR)保留在纤芯区域52内。根据本发明，多个增大折射率包层特征部分56部署在整个包层区域54，其中各个增大折射率包层特征部分56的参数被选择用于提供所想选择性波长过滤。尤其是，和体积、数量和位置相关的这些特征部分的折射率值，将定义通过从纤芯区域溢出耦合入包层而移除(过滤)的波长。即，包层特征部分56的折射率nhi和直径dhi定义包层模式和纤芯模式之间的交叉/相交。纤芯区域52和最邻近包层特征部分56之间的距离D大致决定了纤芯一包层连接(kcore-clad)，其决定了为了纤芯和包层模式模式实质混合、两种模式的有效折射率应匹配为何种接近程度。滤光器的带宽和滤光器频谱的特征尺寸涉及所想信号和能够被过滤出的最近噪声成分之间的波长差异。该特征部分的尺寸通常和耦合长度LC成反比变化，并且随着距离D增大会减小。本发明的优选实施例会实现足够小的特征部分尺寸，从而能够区分噪声和所想信号，还能够保持耦合长度LC足够小以得到所想滤光器特性。已经提出：为了最大化耦合入包层的过滤信号的功率，必须在纤芯一包层耦合(kcore-clad)和包层一包层耦合(kclad-clad)之间存在匹配，图3中描述了这两个值。当这两个值差异很大时，就会发生反射和耦合回纤芯，从而干扰滤光器特性。
图4包括滤光器50的设计和实验折射率曲线图，示出了特定于1060nm和1170nm两个不同波长的配置的特性。在示例的光纤放大器实施例中，通常需要在1060nm波长处提供放大和信号传输而在1170nm波长处抑制噪声信号。图4还显示了纤芯52和一对包层特征部分56-1和56-2，其中折射率曲线图和该特定特征部分的配置相关。在这种情况下，用于1060nm波长传输的纤芯一导引模式和包层模式之间几乎不存在模式匹配。因此，实质上整个信号都会保留在纤芯区域52，几乎或者压根没有向包层区域的“泄漏”。相反，对于1170nm波长来说，需要移除该信号成分，使之不能沿着纤芯区域52传播。在这种情况下，模式就成为纤芯区域52和包层特征部分56-1和56-2之间的匹配。因此，就会发生模式混合并且1170nm处的信号传输会被耦合到包层特征部分且从纤芯区域52被导引开。
图5描述了图1(a)所示类型的光纤滤光器50的光纤折射率曲线图，在这种情况下示出了实际光纤滤光器的折射率的测量值。如图所示，测量值和仿真值匹配得非常好，只和设计的值有稍许的偏移。图6包含根据本发明设计的光纤滤光器的实际结果图。通过设计该特定的配置，计算出折射率匹配发生在600nm和1100nm附近。参考损耗图，两个区域附近频谱都有明显的损耗峰值，都至少为3dB。为了比较，图中包括理论估计。从而通过将增大折射率特征部分包含进光纤的包层部分可以获得明显程度的光学过滤。在该特定例中，光纤被弯曲以获得所想损耗频谱。如上所述，通过在光纤中引入弯曲、扭曲、光栅、附加物质等，滤光器光纤的损耗特征可被改善(或改变)。
图7包含作为波长的函数的信号损耗图，其是基于和图5相关的示例光纤滤光器配置。图7中不同的小图示出了沿着这些曲线在不同位置的密度图。实际上，对应于点X，Y和Z处低损耗波长(即，“所想”波长)的三个强度图示出了限制在纤芯区域内的光强。相反，对应于高损耗波长(点I和点II)的光强图描述了纤芯和包层区域间充分的光混合。从而，根据本发明，对于与点I和点II相关的波长，会产生光学过滤。
需要理解上述实施例只是能够代表本发明原理的应用的多个可能实施例中的几个。本领域技术人员在不偏离本发明精神和范围的前提下，能够设计出许多和不同的其它安排。

Claims (10)

1.一种光纤滤光器，用于从光纤纤芯移除至少一预定噪声波长的光，该光纤滤光器包括：
一段光纤，其包括纤芯区域，该纤芯区域具有以ncore表示的第一折射率值；
包围纤芯区域的包层区域，该包层区域具有以nclad表示的第二折射率值，其中nclad＜ncore；和
至少一高折射率包层特征部分，该特征部分位于具有以nhi表示的第三折射率值的包层区域中，其中nhi＞nclad，不同的折射率值、大小和位置确定从光纤纤芯过滤的至少一预定噪声波长，其中当纤芯模式的有效折射率与包层模式的有效折射率充分匹配时发生纤芯模式和包层模式之间的模式混合。
2.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中至少一个高折射率包层特征部分包括至少一个配置为包围纤芯区域的高折射率环。
3.如权利要求2所述的光纤滤光器，其中至少一个高折射率环包括多个配置为包括纤芯区域的同心环。
4.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中至少一个高折射率特征部分包括多个相对纤芯区域的预定位置处配置的多个高折射率特征部分。
5.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中纤芯区域和最邻近高折射率包层特征部分之间的耦合长度、以及相邻高折射率包层特征部分之间的耦合长度基本相同。
6.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中至少一个高折射率包层特征部分相对纤芯区域形成且配置，从而产生双折射并提供对传播光信号的极化控制。
7.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中该段光纤包括一微构造的光纤，该微构造的光纤包括多个沿着包层区域配置的圆柱型开口。
8.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中通过向光纤中引入机械变形而改变滤光器特性。
9.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中滤光器进一步包括包层区域中的可吸收/散射材料，用于改变滤光器特性。
10.如权利要求1所述的光纤滤光器，其中确定滤光器特性，从而在允许保留小于或大于噪声波长的所想信号波长的情况下，移除预定噪声波长。
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