DE60107666T2

DE60107666T2 - Ein optischer Wellenleiter und Herstellungsverfahren für eine asymmetrische optische Filtervorrichtung

Info

Publication number: DE60107666T2
Application number: DE60107666T
Authority: DE
Inventors: Isabelle Riant; Carlos De Barros
Original assignee: Oclaro North America Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: EP1267184A1; EP1267184B1; JP2003004957A; DE60107666D1; US20020186944A1; ATE284545T1; US7035515B2

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Wellenleitereinrichtung und ein Verfahren für das Erzeugen einer asymmetrische optischen Filtereinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine optische Wellenleitereinrichtung mit einer speziellen Struktur aus einem Kern und einem inneren und äußeren Mantel, so daß eine asymmetrische Kopplung der Fundamentalmode mit den Mantelmoden der Vorrichtung erhalten werden kann.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren für das Erzeugen einer asymmetrischen optischen Filtervorrichtung durch eine spezielle Kopplung der fundamentalen Mode mit mehreren Mantelmoden unter Verwendung eines speziellen Faserdesigns.
Bragg-Gitter in optischen Fasern sind als äußerst nützliche Merkmale im Gebiet der Telekommunikationen seit einigen Jahren bekannt. Vielseitige Filter und Reflektorsysteme können bequem durch die Verwendung solcher Gitter ausgeführt werden. Eine wichtige Anwendung ist die optische Verstärkungsangleichung entlang Langstreckenfaserleitungen. Um den Verlust entlang langen Strecken zu kompensieren, werden optische Verstärker in diese Leitungen in bestimmten räumlichen Intervallen eingesetzt. Unglücklicherweise ist in Multiplex-Systemen die Verstärkungsantwort des Verstärkers üblicherweise nicht über den gesamten Bereich aller Wellenlängenkanäle glatt. Somit ist eine Verstärkungsangleichung durch örtlich aufeinanderfolgende Filtersysteme notwendig. Die Filtermerkmale, d.h. die „Form" des Filters, müssen gemäß den Merkmalen der Faserleitung, der Verstärkersysteme und des Wellenlängenbereichs optimiert werden.
Schräge Bragg-Gitter SBG werden verwendet, um Licht von bestimmten überverstärkten Wellenlängen in die Mantelmode der Faser einzukoppeln, während andere Wellenlängen unbeeinflußt bleiben. Das SBG ist ein Standardfaser-Bragg-Gitter, das während der Photoeinschreibung mit einem Winkel zwischen Gitterzonen und der Normalen der Faserachse gekippt ist. Dieses SBG koppelt Teile der fasergeführten Mode in Strahlungsmoden oder Mantelmoden in einer sich entgegengesetzt ausbreitenden Richtung. Die Einhüllende der Kopplungen in die unterschiedlichen Mantelmoden führt zur Filterform. Die Einhüllende der Kopplungen wird durch das spezielle Faserdesign festgelegt. Es ist beispielsweise aus der FR-A-9806904 bekannt, einen lichtempfindlichen Mantel bereitzustellen, um die spektrale Breite des Filters zu reduzieren, und eine reduzierte Lichtempfindlichkeit im Kern bereitzustellen, um die Rückreflexion in die Fundamentalmode zu verringern, wobei das Gitter kurz (800 μm) oder gechirpt sein kann, um die Modulation aufgrund der Kopplung in diskreten Moden zu unterdrücken. Durch das Chirpen der Zonenperiode entlang der Gitterlänge oder durch Verkürzen des Gitters wird jedes diskrete Filter entsprechend der Kopplung in die Mantelmode vergrößert, so daß sie sich gegenseitig überlappen können.
Speziell in Systemen mit einem breiten Spektralbereich oder in Systemen mit sehr unebener Spektralverteilung ist jedoch ein einzelnes schräges Bragg-Gitter häufig nicht ausreichend, um eine zufriedenstellende Angleichung der Verstärkung des Verstärkers zu erreichen. Somit kann eine Kette von verschiedenen schrägen Bragg-Gittern mit unterschiedlichen Charakteristiken nacheinander verkettet werden, um eine Reihe von spektral aufeinanderfolgenden Filtern zu bilden. Die aufeinanderfolgenden Fasersektionen, die jeweils ein Filter enthalten, sind aneinander gespleißt.
In der US 6,005,999 wird ein optisches Filter beschrieben, das eine Schmalbandsperre aufweist, die eine sich nach vorne ausbreitende Kernmode auskoppelt. Die Konstruktion dieser Vorrichtung erlaubt das Koppeln der Fundamentalmode an eine Mantelmode. Das Koppeln an eine einzelne Mantelmode erlaubt es, die Schmalbandfilter mit beispielsweise einem FWHM (Peak-Halbwertsbreite) von etwa 0,3 nm zu konstruieren. Die Filtercharakteristik ist symmetrisch.
Für ein Filter mit einer breiteren Spektralbreite wird mehr als eine Mantelmode an die Fundamentalmode LP₀₁ gekoppelt. Die französische Anmeldung 98 06 904 beschreibt ein Filter mit einer symmetrischen Form, die durch die Einhüllende der Mantelmoden in der Faser festgelegt wird. Häufig erfordert die Verstärkungsangleichung in Übertragungssystemen asymmetrische Formen von Filtern. Bis jetzt werden Lösungen mit symmetrisch verketteten Filtern verwendet.
Die FR-A-2 779 237 beschreibt ein optisches Filter mit einem Kern, einer Mantelschicht und ein geneigtes Bragg-Gitter innerhalb entweder dem Kern, oder dem Kern und der Mantelschicht.
Die WO 99/27 401 beschreibt ein optisches Faserfilter mit einem Kern, einem inneren Mantel und einem äußeren Mantel. Der Kern und in manchen Ausführungsformen ein lichtempfindlicher Abschnitt des inneren Mantels weisen ein geneigtes Bragg-Gitter auf. Die Lichtempfindlichkeit bzw. Photoempfindlichkeit des inneren Mantels ist hinsichtlich des Kerns angepaßt oder abgesenkt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Lösung bereit zum Erzeugen asymmetrisch geformter Filter in einem einzelnen Bragg-Gitter, das in eine speziell konstruierte Faser eingeschrieben ist. Die Lösung wird durch eine Faser realisiert, die einen Monomodenkern mit einem Brechungsindex von n_co, einer Photoempfindlichkeit von S_co und einem Radius R_co,
und einen inneren Mantel mit einem Brechungsindex von n_cl, einer Lichtempfindlichkeit von S_cl und einem Radius von R_cl,
und einen äußeren Mantel, der den inneren Mantel umgibt, mit einem Brechungsindex, der die Existenz von mehreren Mantelmoden erlaubt,
und ein schräges Bragg-Gitter mit einem effektiven Kippwinkel von ⊖ aufweist, das in den Kern und den inneren Mantel des optischen Wellenleiters eingeschrieben ist und die Fundamentalmode in verschiedene Mantelmoden koppelt
wobei R_cl≤ 2,5 R_co und S_co ≤ S_cl ist und
wobei der innere Mantel einen niedrigeren Brechungsindex als der äußere Mantel und eine höhere Lichtempfindlichkeit als der Kern hat.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ebenso ein Bragg-Gitter auf, wobei der Neigungswinkel ⊖ größer als 2,5° ist. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel zwischen 4 und 5° ausgewählt. Mit diesem Wert wird eine optimale Kopplung zwischen der Fundamentalmode und der Mantelmode erzielt.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ebenso eine Konstruktion auf, wo das Verhältnis der Lichtempfindlichkeiten S_co und S_cl zwischen 20 und 90% beträgt. Dies erlaubt es, die Rückreflexion in die Fundamentalmode zu verringern.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ebenso eine Konstruktion bzw. ein Design auf, wo der Kern einen Radius R_c > 3 μm hat. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform hat der Kern einen Radius von 4 μm. Dies ist ein wichtig er Aspekt für das Filter, so daß es leicht gespleißt werden kann mit Standard-Singlemodefasern in Telekommunikationsnetzwerken. Die Anpassung des Kernradius zu dem gemeinhin verwendeten Radius in Singlemodefasern erlaubt es, Verluste im Fall von Spleißverbindungen zu vermeiden.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ebenso ein Design auf, wo die Periode des geneigten Gitters gleichmäßig ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Länge dieses gleichförmigen Gitters kleiner als 1 mm. Das geneigte Gitter mit einer gleichförmigen Periode ist das einfachste geneigte Gitter, das in eine Faser eingeschrieben wird. Mit einem langen Gitter erscheint die diskrete Mantelmodenkupplung klar in der Filterform. Das Einschreiben eines geneigten Gitters mit kurzer Länge erlaubt es, das Spektrum zu glätten. Dies liegt an der Tatsache, daß jedes unitäre Filter das benachbarte unitäre Filter überlappt, was im Ergebnis das Übertragungsspektrum glättet.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ebenso ein Design auf, wo die Periode des schrägen Gitters gechirpt ist. Das Chirping der Gitterperiode glättet die Modenstruktur des Filters. Ohne Chirp tritt die diskrete Mantelmodenkopplung klar in der Filterform auf. Das Einprägen einer gechirpten Periode in das geneigte Gitter erlaubt es, das Spektrum zu glätten. Dies liegt an der Tatsache, daß jedes unitäre Filter das benachbarte unitäre Filter überlappt, was im Ergebnis das Übertragungsspektrum glättet.
Das Verfahren zum Erzeugen eines asymmetrisch geformten optischen Filters basiert auf der Tatsache, daß die Kopplung in die Mantelmoden durch eine Konstruktionsregel beeinflußt werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen und Beispiele werden in den Figuren und in der folgenden Beschreibung erläutert.
1 ist eine graphische Darstellung der radialen Brechungsindexverteilung und der radialen Lichtempfindlichkeit.
2 ist eine zweite Darstellung einer Brechungsindexverteilung.
3 ist eine Simulation der Modenkopplung und der resultierenden Filterformen.
1a stellt die radiale Verteilung der Brechungsindizes für eine erste Ausführungsform der Erfindung dar. Die Brechungsindizes n zeigen in einer schematischen Art und Weise die Situation in einer Faser mit vertieftem inneren Mantel. In dieser Ausführungsform hat der Brechungsindex des Kerns n_co einen höheren Absolutwert als der Brechungsindex des äußeren Mantels. Der Brechungsindex des äußeren Mantels hat einen höheren Wert als der Brechungsindex des inneren Mantels. Dies bildet einen vertieften Schacht und der Gesamtindexschritt wird festgelegt als der Unterschied zwischen n_co und n_cl.
1 b stellt die Funktion der Lichtempfindlichkeit über den Radius R der Faser dar. Die Lichtempfindlichkeit in dem Kern S_co hat einen niedrigeren Wert als die Lichtempfindlichkeit in der inneren Mantelregion.
2 stellt den Brechungsindex eines an den Index angepaßten inneren Mantels dar. Das Profil der Lichtempfindlichkeit bleibt wie in 1b gezeigt.

3 zeigt die Ergebnisse einer Simulation mit allen relevanten Parametern der optischen Faser, um eine asymmetrische Filterform zu erhalten.

Die verwendete Faser hat:	einen Kernradius von 4 μm,
	einen Indexschritt von 6,5 10³
	einen vertieften Mantel D_n 10^–3
	ein Lichtempfindlichkeitsverhältnis zwischen Kern und Mantel von 50%

Für das Gitter:	eine photoinduzierte Modulation von 10^–3
	die Periode des Gitters ist mit 2 nm/cm gechirpt Länge des Gitters 10 mm

Die Simulation mit den oben erwähnten Parametern zeigt die Überlappintegrale zwischen der Fundamentalmode und den Mantelmoden und das resultierende Transmissionsspektrum.
3a beginnt mit einem Radius des Mantels von 20 μm. Das resultierende Transmissionsspektrum 3b ist symmetrisch. Reduzieren des Mantelradius in 3c auf einen Wert von 10 μm führt dazu, daß die Kopplung asymmetrisch wird und die Transmissionskurve sich zu einer asymmetrischen Funktion verschiebt. Mit einem Mantelradius von nur 6 μm ist das Ergebnis klar asymmetrisch in 3f.
Dieses Beispiel ist mit einem Winkel ⊝ von 5° berechnet. Falls dieser Winkel verringert wird, wird die Form des Filters asymmetrischer sein.
Ein Satz von optimalen Parametern für das Design eines asymmetrischen Filters erlaubt es, die Abhängigkeit zu erzeugen, so daß die Fundamentalmode unterschiedlich in die symmetrische Mantelmode LP_0m und die asymmetrischen Mantelmoden LP_1m–1 für m = 2, 3, 4 koppelt. Daher ist die Symmetrie der Kopplung gebrochen.
Das optische asymmetrische Filter wird in Transmissionssystemen als passive Komponente für das Ausgleichen von Signalstärken über einen Wellenlängenbereich verwendet. Die Filter werden speziell verwendet für optische Faserverstärkungssysteme, um ein flaches Verstärkungsspektrum für einen Wellenlängenkamm zu erzielen.

Claims

Optische Wellenleitereinrichtung, die aufweist einen Abschnitt einer Faser, einschließlich eines Monomodenkerns mit einem Brechungsindex von n_co, einer Lichtempfindlichkeit von S_co und einem Radius R_co, und einer inneren Hülle mit einem Brechungsindex von n_cl, einer Lichtempfindlichkeit von S_cl und einem Radius von R_cl, und einer äußeren Hülle, die die innere Hülle umgibt, mit einem Brechungsindex, der die Existenz von mehreren Hüllenmoden erlaubt, und ein schräges Bragg-Gitter mit einem effektiven Kippwinkel von θ, das in den Kern und die innere Hülle des optischen Wellenleiters einbeschrieben ist, das die Fundamentalmode in verschiedene Hüllenmodi koppelt, wobei R_cl ≤ 2,5 R_co und S_co ≤ S_cl, und wobei die innere Hülle einen niedrigeren Brechungsindex als die äußere Hülle und eine höhere Lichtempfindlichkeit als der Kern hat.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei der schräge Winkel größer als 2,5° ist.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei der lichtempfindliche Dotierstoff Germanium ist.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Lichtempfindlichkeiten S_co und S_cl zwischen 20 und 90 % liegt.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei der Kern einen Radius R_c > 3 μm hat.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die Periode des gekippten Gitters gleichförmig ist.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die Periode des schrägen Gitters gechirpt ist.
Verfahren zum Erzeugen einer optischen Filtereinrichtung mit einem Faserstück, das einen Kern, eine innere und eine äußere Hülle aufweist, wobei die Brechungsindizes in einer Art und Weise angepaßt sind, daß die Fundamentalmode LP₀₁ mit verschiedenen Stärken an die symmetrischen Hüllenmodi LP_0m und die asymmetrischen Hüllenmodi LP_1m–1 gekoppelt ist, wobei m = 2,3,4,... ist, und wobei die innere Hülle einen niedrigeren Brechungsindex als die äußere Hülle und eine höhere Lichtempfindlichkeit als der Kern hat.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Kupplungsstärke in die Hüllenmodi LP_0m sich von der Kupplungsstärke in die Hüllenmodi LP_1m–1 unterscheidet.
Übertragungssystem, das zumindest eine optische Vorrichtung nach Anspruch 1 verwendet.