DE69736265T2

DE69736265T2 - Gitter zur Modenkopplung im optischem Wellenleiter

Info

Publication number: DE69736265T2
Application number: DE69736265T
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Chatham Strasser
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: EP0829740A3; AU720592B2; EP0829740A2; JPH10104454A; JP3377728B2; AU3745397A; US5740292A; EP0829740B1; DE69736265D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Gitter für optische Wellenleiter, insbesondere Gegenstände und Systeme (gemeinsam „Gegenstände"), die ein modenkoppelndes Wellenleitergitter aufweisen, beispielhaft ein optisches Multiwellenlängen-Kommunikationssystem.
Allgemeiner Stand der Technik
Bei einer Vielzahl optischer Kommunikationssysteme trägt eine optische Faser gleichzeitig elektromagnetische Strahlung einer Vielzahl verschiedener Wellenlängen. Zu diesen Systemen gehören Wellenlängenmultiplex(WDM)-Systeme. In WDM-Systemen ist es zum Beispiel häufig erforderlich, einen Übertragungskanal auf der Faser hinzuzufügen und/oder selektiv einen Kanal von Faser zu entfernen. Beide Funktionen müssen gewöhnlich an mehreren Stellen entlang des Übertragungswegs ausgeführt werden, die gewöhnlich als Zugangspunkte oder Knoten bekannt sind. Kanäle werden zum Übertragen hinzugefügt und am Zielort entfernt.
Wie in der Patentanmeldung Seriennummer 08/712 697 offenbart, ist eine besonders vorteilhafte Hinzufüge/Weglass-Multiplexvorrichtung eine Vorrichtung komplett aus Faser, die einen Modendiskriminationskoppler (MDC) und mindestens ein verbessertes Modenkoppelgitter (MCG) aufweist. MDCs und MCGs sind als solche bekannt . Siehe zum Beispiel US Patent Nr. 4 828 350 ('350) bezüglich MDC und US Patent Nr. 5 104 209 ('209) bezüglich des MCG des früheren Stands der Technik. Siehe auch US Patent 5 216 739, eine Teilfortsetzung des Patents '209.
11 des Patents '350 offenbart gemeinsam mit dem dazu gehörenden Text in den Spalten 13–15 eine Kombination eines MDC (814), „Modensauswähler" bezeichnet und ein MCG (820, „Gitterreflektor" genannt), Letzteres wie in US Patent Nr. 4 986 624 beschrieben. Kurz gesagt weist der Gitterreflektor ein mechanisches Gitter auf, das gegen eine ebene Fläche einer entsprechend vorbereiteten optischen Faser gedrängt wird, so dass das Gitter innerhalb des abklingenden Felds der Faser ist. Ein derartiger Gitterreflektor hat Nachteile. Er legt zum Beispiel unerwünschte Polarisationsabhängigkeit an den Tag, ist typisch schwer herzustellen und hat aufgrund seiner nicht integrierten Struktur im Allgemeinen relativ geringe Zuverlässigkeit. Schließlich unterliegt er typisch unerwünschten Reflexionen des Typs, der unten beschrieben wird.
Gemäß '350, zeigt 11 ein System, das Licht einer bestimmten Wellenlänge, zum Beispiel λ₁, von Licht mit Wellenlängen λ₁, λ₂, λ_N trennt. Die Erfinder waren daher der Ansicht, dass das System fähig ist, die Weglassfunktion in einem WDM-Kommunikationssystem mit optischer Faser auszuführen.
Das '209-Patent offenbart Gitter mit Blaze-Bereichen mit optischer Faser, die als Modenwandler fungieren können, die beispielhaft LP₀₁-Strahlung einer bestimmten Wellenlänge λ_i in LP₁₁-Strahlung der gleichen Wellenlänge umwandeln, wobei sich die zwei Moden in die gleiche Richtung ausbreiten. Das Patent offenbart, dass solche „strahlungsübertragende" LP₀₁/LP₁₁-Modenwandler eine komplizierte Spektralantwort mit vielen Spitzen haben, und dass die Einzelspitzen-Spektralantwort Zwei-Moden-Fasern erfordert, in welchen der Modus höherer Ordnung nur einen Modenbestandteil hat. Das Patent '209 lehrt, dass das mittels einer speziellen Zwei-Moden-Faser verwirklicht werden kann, zum Beispiel einer Faser, die einen elliptischen Kern hat. Alternativ wird gelehrt, dass die strahlungsübertragende LP₀₁/LP₀₂-Modenumwandlung, wobei LP₀₂ ein Einzelmodus ist, Einzelspit zenantwort bereitstellen kann. Die Gitter des Patents '209 werden gebildet durch linienweise Exposition der Faser mit W-Strahlung durch einen Schlitz in einer Maske. Der Schlitz war 12 μm breit und mit einem Winkel θ im Bereich von 2 bis 3° zu der Faserachse abgewinkelt. Die Gitter waren daher (strahlungsübertragende) Langperioden-Gitter mit Blaze-Bereich.
Wie von den Erfindern des Patents '209 beobachtet wurde, hatte der strahlungsübertragende LP₀₁/LP₁₁-Modenwandler dieses Patents eine komplizierte Wellenlängenspektralantwort. Das wurde verursacht, weil zwei entartete Komponenten des LP₁₁-Modus unterschiedlich koppeln. Eine solche Antwort würde die Nützlichkeit eines Modenwandlers in einem WDM oder anderen Multiwellenlängensystem schwer beeinträchtigen. Die von den Erfindern des Patents '209 vorgeschlagenen Lösungen, insbesondere der Gebrauch von Faser mit elliptischem Kern oder der Gebrauch eines LP₀₁/LP₀₂-Modenwandlers haben Nachteile. Eine solche elliptische Faser ist zum Beispiel nicht allgemein verfügbar und wäre auf jeden Fall teuer, und ein LP₀₁/LP₀₂-MCG ist in einem Multiwellenlängensystem typisch weniger nutzbringend als ein LP₀₁/LP₁₁-MCG, weil die größere Anzahl von Moden typisch zu zusätzlichen Reflexionen an anderen Wellenlängen führt.
Daher besteht in optischen Multiwellenlängen-Wellenleitersystemen ein Bedarf für ein relativ kostengünstiges MCG, das die Nachteile der MCGs des früheren Stands der Technik nicht aufweist. Ein solcher Bauteil hätte in der Tat eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in optischen Wellenleitersystemen. Diese Anmeldung offenbart ein solches MCG.
R. Kashyap et al., Electronics Letters, Band 29(2), Seite 154 (Januar 1993) offenbart einen Erbium-dopierten optischen Faserverstärker, der ein Gitter mit Blaze-Bereichen in Einzelmodenfaser als wellenlängenselektives Dämpfungselement verwendet.
C.-X. Shi et al., Optical Letters, Band 17(23), Seite 1655 (Dezember 1992) gibt theoretische Ergebnisse für ein LP₀₁/LP₀₂-Reflexions-Modenkoppelgitter.
T. Erdogan et al., J. Optical Society of America, Band 13(2), Seite 296 (Februar 1996) stellt eine Übersicht über Gitter mit Blaze-Bereichen in Einzelmodenfaser bereit.
Das US Patent 5 048 913 offenbart ein optisches Wellenleiter-Modendiskrimenationsfilter, das ein Gitter ohne Blaze-Bereiche aufweist.
Glossar und Definitionen
Die Raummodi des elektromagnetischen Felds in einem optischen Wellenleiter werden hier in der herkömmlichen Art bezeichnet. Zum Beispiel werden die Raummodi in einer herkömmlichen (das heißt kreisförmig symmetrischen) optischen. Faser als LP₀₁, LP₁₁, LP₀₂, ... bezeichnet, wobei LP₀₁ der Grundmodus ist, LP₁₁ der erste Modus höherer Ordnung, usw.
Die Modi in Wellenleitern, die keine (kreisförmig symmetrischen) optischen Fasern sind (zum Beispiel ebene Wellenleiter) werden bei Bedarf ebenfalls in herkömmlicher Weise bezeichnet.
Zum Erleichtern der Darlegung wird der LP₀₁-Modus „(0,1)" genannt, der LP₁₁-Modus wird „(1,1)" genannt, und im Allgemeinen wird der LP_m,n-Modus (m ≥ 0, n ≥ 1) „(m,n)" genannt.
Die hier betroffene elektromagnetische Strahlung wird häufig als „Licht" bezeichnet, obwohl die Strahlung typisch Infrarotstrahlung ist. Das gilt bloß zur Erleichterung der Darlegung und bedeutet keine Wellenlängeneinschränkung.
Unter „optischem Koppeln" zwischen zwei Raummodi, zum Beispiel (0,1) und (m,n) bei einer gegebenen Wellenlänge (zum Beispiel λ_i), versteht man hier die maximal mögliche Menge an Koppeln zwischen den Modi für eine gegebene periodische Indexmodulation.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die Erfindung wird in Begriffen beschrieben, die für einen bestimmten Typ optischer Wellenleiter geeignet ist, nämlich herkömmliche optische Faser. Der Fachmann versteht jedoch, dass die Erfindung nicht auf solche optische Faser beschränkt ist, sondern leicht in anderen Leitungsstrukturen umgesetzt werden kann, zum Beispiel in planaren Wellenleitern, die einen im Wesentlichen rechteckigen Kernquerschnitt haben. Solche Wellenleiter haben typisch optische Eigenschaften, die polarisationsabhängig sind (das heißt, die von der Ausrichtung des elektrischen Feldvektors abhängen). Ein solcher Wellenleiter hat einen Grundmodus, der symmetrisch ist (bezeichnet mit TX₀₀, wobei X = E oder M, je nach Polarisation) sowie Modi höherer Ordnung (zum Beispiel TE₀₁ oder TM₀₁). Meine Erfindung gilt direkt für eine solche Wellenleiterstruktur, da die Probleme und Lösungen für die Modenumwandlung in einer solchen Wellenleiterstruktur im Wesentlichen die gleichen sind wie im Fall der optischen Faser, unten detailliert beschrieben.
Ich habe einen signifikanten Nachteil von zumindest herkömmlichen MCGs zum Koppeln eines geradzahligen und ungeradzahligen Raummodus eines optischen Wellenleiters, beispielhaft einer optischen Faser entdeckt. Solche MCGs haben fast notwendigerweise für effizientes Koppeln ein Gitter mit Blaze-Bereichen. Der Nachteil zeigt sich in WDM-Systemen (allgemeiner in MCGs, die während des Betriebs elektromagnetischer Strahlung mit zwei oder mehr relativ nah beabstandeten Wellenlängen ausgesetzt sind), und ist in der Lage, den Gebrauch der ansonsten vorteilhaften MCGs in solchen Multiwellenlängensystemen undurchführbar machen.
Ich habe beobachtet, dass die Gegenwart von Strahlung mehrerer Wellenlängen (zum Beispiel λ₁, λ₂, ... λ_N, N ≥ 2 ) in einem relativ knappen Wellenlängenbereich Δλ (beispielhaft ≤ λ₁/100) in einem MCG zu zusätzlichem und unerwünschtem Modenkoppeln führen kann. Ein Gitter mit Blaze-Bereichen mit einem bestimmten Grundmaß Λ und Blaze-Winkel θ kann das gewünschte Koppeln zwischen den Modi (0,1) und (1,1) bei einer vorausbestimmten Wellenlänge λ_i erleichtern, aber auch unerwünschtes Koppeln zwischen Vorwärts- und Rückwärtsausbreitmodi (0,1) (das heißt Reflexion) bei λ_j (i nicht gleich j, sowohl i als auch j in 1, 2, ...N). Eine solche Situation wäre typisch zum Beispiel in einem WDM-Kommunikationssystem nicht akzeptabel.
Ich habe nicht nur ein anscheinend früher nicht erkanntes Problem erkannt, sondern auch eine Methode gefunden, um das Problem zu überwinden, wie detailliert unten beschrieben.
In einem allgemeinen Aspekt ist die Erfindung in einem neuartigem MCG mit Blaze-Bereichen umgesetzt, das beim Exponieren mit dem erforderlichen Licht nicht nur effizientes Reflexionskoppeln des (0,1) Raummodus und Raummodus (m,n) höherer Ordnung, vorteilhaft (1,1) bei λ_i veranlasst, aber auch relativ niedrige (im Wesentlichen wünschenswert keine) Reflexion von (0,1) bei jeder Wellenlänge λ_j innerhalb des Spektralbereichs Δλ, der λ_i enthält.
Genauer genommen wird die Erfindung in einem Gegenstand umgesetzt, der einen optischen Wellenleiter hat, der Licht mit mindestens zwei Wellenlängen (λ_i und λ_j) in einem Spektralbereich mit Spektralbreite Δλ leiten kann. Der optische Wellenleiter umfasst eine Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter (beispielhaft Doppelmodus). Der Multimoden-Wellenleiter umfasst ein Gitter mit Blaze-Brechzahl und Grundmaß Λsowie Blaze-Winkel θ, wobei Λ und θ so gewählt sind, dass das Gitter das Koppeln zwischen dem Modus (0,1) und Modus (m,n) veranlasst, beispielhaft (1,1) bei λ_i.
Signifikant ist das Gitter mit Blaze-Bereichen ein Gitter mit Brechzahl kurzer Periode, wobei Λ < 1 μm, θ größer θ_o, wobei θ_o der Blaze-Winkel ist, der das optimale Koppeln zwischen dem Modus (0,1) und Modus (m, n) für Licht der Wellenlänge λ_i bereitstellt, und θ ferner so gewählt wird, dass das Gitter im Wesentlichen (zum Beispiel bei zumindest 50%) weniger, vorzugsweise keine (zum Beispiel mindestens 90% weniger) Reflexion des Grundmoduslichts der Wellenlänge λj verursacht als von einem ansonsten identischen Vergleichsgitter mit θ = θ_o verursacht wird. Es ist klar, dass erfindungsgemäße Gitter reziproke Elemente sind, das heißt, dass sie sowohl (0,1) mit (1,1) als auch (1,1) mit (0,1) koppeln können.
Der Spektralbereich der Breite Δλ ist der Spektralbereich, in dem unerwünschte Reflexionen von Bedeutung sind. In den meisten Fällen Δλ ≤ λ_i/100 (λ_i ist eine beliebige der Wellenlängen in Δλ). In einer Doppelmoden-Faser mit einer Zusammensetzung, die mit der der herkömmlichen Kommunikationsfaser vergleichbar ist, kann Δλ etwa 2 nm betragen, aber in Spezialfiltern kann es so groß sein wie 10 nm bei 1550 oder 1300 nm.
Von erfindungsgemäßen MCGs wird erwartet, dass sie in vielen Fällen nutzbringend sein werden, die Exposition eines MCG mit Licht mit zwei oder mehreren Wellenlängen bedingen, die natürlich aber auch in Einzelwellenlängensystemen verwendet werden können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Phasenabstimmbedingung für einen strahlungsübertragenden Modenwandler des früheren Stands der Technik,
2–3 zeigen Phasenabstimmbedingungen für erfindungsgemäße Reflexions-MCGs,
4a–h zeigen Daten genormter Übertragung durch nominal identische (mit Ausnahme von θ) Reflexions-MCGs als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Werte von θ,
5 präsentiert beispielhafte Daten zu der integrierten Reflexions-Kopplungskonstante (ICC_R) und integrierten Modenumwandlungs-Kopplungskonstante (ICC_MC) als Funktion des Blaze-Winkels,
6 zeigt die Daten der 5 als ICC_MC/ICC_R vs. θ,
7 veranschaulicht schematisch Aspekte eines MCG,
8 bildet schematisch einen relevanten Abschnitt eines Kommunikationssystems mit optischer Faser ab, das ein erfindungsgemäßes MCG enthält,
9 und 10 zeigen schematisch jeweils beispielhafte optische Wellenleitersysteme, die ein erfindungsgemäßes MCG aufweisen, und
11 zeigt schematisch ein beispielhaftes komplexes Übertragungsspektrum eines wellenlängenabhängigen Dämpfungselements für erfindungsgemäßes MCG.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht das Funktionskonzept des strahlungsübertragenden MCG des früheren Stands der Technik des Patents '209. Wie gut bekannt, ist die Ausbreitungskonstante β_mn eines Modus (m,n) gleich 2πn_eff/λ, wobei n_eff der effektive Brechungsindex des Modus (m,n) ist und λ die Wellenlänge. Die Menge 2π/Λ der 1 entspricht β₀₁–β₁₁- Das bestimmt das Grundmaß des Gitters, das Strahlungsübertragungs-Umwandlung (0,1)/(1,1) bereitstellt. Der effektive Brechungsindex eines gegebenen Raummodus bei einer gegebenen Frequenz kann leicht mittels eines bekannten Algorithmus umgewandelt werden. Siehe zum Beispiel T. Lenahan, Bell System Technical Journal, Band 62, Seite 2663 (1983).
2 veranschaulicht das Konzept des erfindungsgemäßen MCG. Das Grundmaß des Gitters wird so gewählt, dass (2π/Λ) = β₀₁ + β₁₁, wobei die Ausbreitungskonstanten wie oben bestimmt werden. In beiden Fällen wird eine vorausbestimmte Wellenlänge angenommen. Positives β gilt für Lichtausbreitung in eine Richtung, und negatives β für Lichtausbreitung in die entgegengesetzte Richtung.
3 veranschaulicht das Konzept des erfindungsgemäßen Reflexions-MCG in dem Fall der Exposition des Gitters mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ_i und λj innerhalb von Δλ. Parameter ohne Strichindex beziehen sich auf λ_i, Parameter mit Strichindex auf λ_j. In 3 wird angenommen, dass β₀₁ + β₁₁ = 2β'₀₁. Daher ist 2π/Λ = 2π/Λ', und das Gitter mit dem Grundmaß Λ veranlasst nicht nur Reflexions-Intermodenkoppeln zwischen β₀₁ und -β₁₁ bei λ_i, sondern auch Reflexionskoppeln bei λ_j zwischen β'₀₁ und -β'₀₁. Wie der Fachmann versteht, wird die Bedingung β₀₁ + β₁₁= 2β'₀₁ typisch für herkömmliche Wellenleiter erfüllt, wenn sowohl λ_i als auch λ_j in dem Wellenlängenbereich Δλ sind. Daher kann man erwarten, dass die beschriebene, unerwünschte und unbeabsichtigte Reflexion bei einer unterschiedlichen Wellenlänge in den meisten, wenn nicht allen Multiwellenlängensystemen auftritt und eventuell herkömmliche MCGs in vielen WDM und anderen optischen Multiwellenlängensystemen inakzeptabel macht.
Glücklicherweise und überraschend habe ich festgestellt, dass für ein Gitter mit einem Grundmaß Λ in einer gegebenen Multimoden-Faser im Wesentlichen immer ein Blaze-Winkel θ existiert, der nicht nur effiziente (obwohl allgemein nicht optimale)(0,1)/(m,n)-Kopplung bei λ_i ergibt, sondern auch niedrige (möglicherweise und vorzugsweise im Wesentlichen gleich Null)(0,1)-Reflexion bei λ_j ergibt. Der Blaze-Winkel θ ist im Allgemeinen größer als θ_o, der Blaze-Winkel eines ansonsten identischen Vergleichsgitters, das bei λ_i ohne Berücksichtigen des Koppelns bei λ_j optimales Koppeln ergibt.
Das erfindungsgemäße Reflexions-MCG leidet nicht wesentlich an der komplizierten Spektralantwort des Übertragungsmodenwandlers des früheren Stands der Technik. Bei Letzterem ergeben kleine Variationen der Ausbreitungskonstante β_mn (wie sie aus der Modusentartung hervorgehen, wie von (1,1) gezeigt), eine relativ große Änderung in der Phasenabstimmbedingung (das heißt in Λ = 2π/(β₀₁ – ß_mn)), während kleine Variationen von β_mn in einem erfindungsgemäßen Reflexions-MCG zu relativ kleinen Änderungen in der Phasenabstimmbedingung führen (das heißt in Λ = 2π(β₀₁ + β_mn)). Spezifisch sind in einem erfindungsgemäßen Reflexions-(0,1)/(1,1)-MCG die Schwankungen aufgrund von (1,1)-Modusentartung typisch so klein, dass sie fast nicht erkennbar sind.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemäßen Reflexions-MCGs ist ihre relativ starke Wellenlängenabhängigkeit, die eine scharfe Spektralantwort bieten kann, die das Unterscheiden zwischen knapp beabstandeten (~1 nm) Kanälen erleichtern kann, wie zum Beispiel in WDM-Kommunikationssystemen. Die starke Wellenlängenabhängigkeit ist eine Folge der Abhängigkeit der Phasenabstimmbedingung von der Summe der zwei relevanten Ausbreitungskonstanten. Andererseits hängt die Phasenabstimmbedingung des (strahlungsübertragenden) Modenwandlers des früheren Stands der Technik von dem Unterschied zwischen den zwei relevanten Ausbreitungskonstanten ab und ist typisch relativ schwach wellenlängenabhängig.
Erfindungsgemäße Reflexions-MCGs sind auch wesentlich frei von den oben genannten Nachteilen der Reflexionsgitter von '624. Zum Beispiel ist das erfindungsgemäße MCG im Wesentlichen polarisationsunabhängig und ist eine leicht herzustellende, robuste integrierte Struktur, die hohe Zuverlässigkeit bereitstellen kann. Schließlich sind die erfindungsgemäßen MCGs definitionsgemäß im Wesentlichen frei von unerwünschten Reflexionen, die ein Merkmal der Vorrichtungen des früheren Stands der Technik sind.
Obwohl es zumindest prinzipiell möglich ist, den geeigneten Wert des Blaze-Winkels θ durch Berechnung zu bestimmen (beispielhaft durch Gebrauch der Lenahan-Methode, op.cit.), findet man den geeigneten Blaze-Winkel derzeit typisch vorteilhafterweise durch ein Verfahren aufeinander folgender Approximationen, veranschaulicht durch die 4a bis h. Der Hauptgrund dafür, dass sukzessive Approximation von θ zum Bestimmen von θ durch Berechnung vorgezogen wird, besteht in den im Wesentlichen unvermeidlichen Herstellungsmängeln, zum Beispiel Gittermängeln (zum Beispiel kleine Variationen im Brechungsindexunterschied Δn über den Kern), die sich relativ stark auf θ auswirken können, die bestenfalls jedoch schwierig quantitativ zu bestimmen und in der Berechnung von θ zu berücksichtigen wären. Ein derzeit bevorzugter praktischer Ansatz umfasst das Berechnen (oder Schätzen) eines Ausgangs-Blaze-Winkels (zum Beispiel von θ_o), gefolgt vom experimentalen Bestimmen (zum Beispiel durch Herstellen einer Reihe von Gittern mit steigendem Blaze-Winkel und Messen der Spektraleigenschaften der Gitter) des entsprechenden θ.
Die 4a–h veranschaulichen die Entwicklung des genormten Übertragungsspektrums beispielhafter Gitter in Doppelmoden-Faser als Funktion des Blaze-Winkels. Die Faser war eine Doppelmoden-Germano-Silikatfaser mit Δn = 0,51 und Grenzwellenlänge 1750 nm. Die Gitter waren nominal identisch mit der Ausnahme des Blaze-Winkels, mit im Wesentlichen identischer Gitterlänge und Gesamt-UV-Exposition für alle Gitter. Die Kurzwellen-Breitbanddämpfung ist die bekannte Strahlungsmodendämpfung, die in allen UV-induzierten Bragg-Gittern vorliegt. Der Langwellenlängen-Einbruch in den Spektren entspricht der Reflexions-Modenumwandlung (0,1)/(0,1), und der Einbruch bei Zwischenwellenlängen entspricht der Reflexionsumwandlung (0,1)/(1,1). Die feine Struktur, die man auf der Kurzwellenlängenseite jeder der Reflexionen erkennt, sind Fabry-Perot-Resonanzen, die, wie der Fachmann weiß, durch entsprechende Apodisation des Gitters über seine Länge verringert oder eliminiert werden können. 4a–h zeigen klar, das θ_o für das beispielhafte Gitter etwa 3,5° beträgt, und dass θ = 6,5° im Wesentlichen komplettes Eliminieren der Reflexionsumwandlung (0,1)/(0,1) bereitstellt.
5 zeigt beispielhafte Daten zu Kopplungsstärken als eine Funktion des Blaze-Winkels für eine Vielzahl von Gittern in der Faser unter Gebrauch der Expositionsbedingungen der 4. Die integrierte Reflexions-Kopplungskonstante (ICC_R) (Kurve 50) betrifft die (0,1)/(0,1)-Kopplungsstärke, und die integrierte Modenumwandlungs-Kopplungskonstante (ICC_MC) (Kurve 51) betrifft die (0,1)/(1,1)-Kopplungsstärke. Wie leicht zu erkennen ist, tritt maximale (ICC_MC) bei einem Wert von θ kleiner als der Wert auf, der die minimale ICC_R bereitstellt. Die Kopplungskonstanten werden herkömmlich mittels der Gleichung ICC = tan^–1(R^1/2) bestimmt, wobei R das maximale Reflexionsvermögen eines Gitters ist.
6 zeigt die Daten der 5 in Form des Verhältnisses ICC_MC/ICC_R gegenüber θ. Die Figur veranschaulicht die Tatsache, dass die Diskrimination gegen (0,1)/(0,1)-Reflexion stark vom Blaze-Winkel abhängt, wobei sich ein bloßer 0,1°-Wechsel in dem Blaze-Winkel signifikant auf die Stärke der Kopplung (0,1)/(0,1) auswirkt. Wie der Fachmann erkennt, hängt die genaue Form der Kurve 51 und insbesondere der Kurve 50 von dem Faserdesign und der Wellenlänge ab. Es wird jedoch erwartet, dass die ungefähre Form der Kurve der 6 weitgehend für optische Fasern anwendbar ist. Ähnliche Kurven findet man für andere optische Wellenleiter.
7 stellt schematisch ein beispielhaftes erfindungsgemäßes MDC dar, wobei das Bezugszeichen 70 eine optische Doppelmoden-Faser bezeichnet, die beispielhaft einen Ge-dopierten Siliziumdioxidkern umgeben von Siliziumdioxidmantel hat, und das Bezugszeichen 71 das Gitter mit Blaze-Brechzahl bezeichnet. Das Gitter ist herkömmlich durch einen Satz grundlegender Querlinien angezeigt. Das bedeutet nicht, dass Brechungsindexvariationen in dem Fasermantel existieren. 7 zeigt auch die Gitterwiederholungsentfernung Λ und den Blaze(oder Neigungs-) Winkel θ an.
8 stellt schematisch einen relevanten Abschnitt eines beispielhaften optischen Wellenleitersystems dar, das ein erfindungsgemäßes MCG aufweist, wobei das MCG als wellenlängenabhängiges Dämpfungselement dient. (0,1)-Licht mit den Wellenlängen λ₁, λ₂, ... λ_N breitet sich durch eine Einzelmoden-Faser 81 zur Doppelmoden-Faser 83 aus, wobei ein Bruchteil x von (0,1)λ₁-Licht von dem Gitter 84 mit Blaze-Bereichen als (1,1)λ₁ reflektiert wird. Das reflektierte Licht befindet sich daher in einem ungeradzahligen Raummodus mit Null Netzüberlappen mit dem geradzahligen Raummodus der Einzelmoden-Faser 81, und hat daher im Wesentlichen kein Koppeln mit dieser Faser und geht aus der Faser innerhalb einer Entfernung von Zentimetern verloren. Die Einzelmoden-Faser 82 wird zu der Doppelmoden-Faser gespleißt und empfängt im Wesentlichen ungedämpftes (0,1)-Licht der Wellenlängen λ₂ ... λ_N sowie den übrig bleibenden Bruchteil (1-x) von (0,1) λ₁. Der Bruchteil x an reflektiertem Licht lässt sich leicht durch die Auswahl der Gitterstärke steuern.
9 zeigt schematisch ein beispielhaftes optisches Wellenleitersystem, das ein erfindungsgemäßes MCG aufweist.
Kommunikationssysteme mit optischer Faser mit co- und gegengepumptem optischen Faserverstärker sind bekannt, darunter Systeme, die getrennte Laserdioden für Co- und Gegenpumpen verwenden. Das ist im Prinzip eine sehr wünschenswerte Anordnung, insbesondere für Verstärker mit optischer Faser mit hoher Ausgangsleistung. Die Anordnung unterliegt jedoch Mode-Schwebungs-Instabilitäten in der Wellenlänge und Intensität der Pumplaser und daher des Verstärkerausgangs aufgrund von Pump-Nebensprech-Problemen aufgrund nicht absorbierter Pumpstrahlung von einem Pumplaser in Wechselwirkung mit dem anderen Pumplaser. Die herkömmliche Lösung für dieses Problem ist das Bereitstellen optischer Isolatoren, typisch zwischen Pumplasern und den jeweiligen Faserkopplern. Optische Isolatoren haben jedoch signifikante Einfügungsdämpfung und sind relativ kostspielig. Eine vorteilhaftere Lösung wird mittels MCGs bereitgestellt, wie schematisch in 9 gezeigt, wobei sich das Bezugszeichen 90 auf ein WDM-Kommunikationssystem mit optischer Faser (Wellenlängen λ1, λ2 ... λ_N) mit co- und gegengepumpten Optikfaserverstärker bezieht. Die Bezugzeichen 91–94 beziehen sich jeweils auf einen Multiwellenlängensender, Multiwellenlängenempfänger, herkömmliche optische Einzelmoden-Übertragungsfaser und Verstärkerfaser (zum Beispiel Er-dopierte Faser). Das Bezugszeichen 95 bezieht sich auf herkömmliche Faserkoppler (häufig „WDMs" genannt), 96 und 97 auf Diodenpumplaser (jeweils Wellenlängen λ_p1 und λ_p2), und 98 und 99 beziehen sich auf erfindungsgemäße MCGs. Die Pumpwellenlängen λ_p1 und λ_p2 sind knapp beabstandet (zum Beispiel ~1 nm) aber unterschiedlich. MCG 98 gibt λ_p1-Strahlung zu der Verstärkerfaser mit minimaler Dämpfung, bietet aber hohe Strahlungsübertragungs-Dämpfung für λ_p2-Strahlung, die sich zu dem Laser 96 ausbreitet, und MCG 99 funktioniert analog. Die MCGs vermeiden daher Wechselwirkung zwischen Lasern.
Die MCGs werden vorteilhafterweise wie oben angegeben aufgrund ihrer Fähigkeit benutzt, eine hohe Strahlungsübertragungs-Dämpfung (zum Beispiel T < –20 dB) mit minimaler Rückreflexion (zum Beispiel R < –20 dB) bei einer Wellenlänge (zum Beispiel λ_p1) mit minimalem Einfügungsdämpfen (zum Beispiel < 0,2 dB) bei knapp beabstandeten (zum Beispiel ~1 nm) unterschiedlichen Wellenlängen (zum Beispiel λ_p2) zu bieten. Daher können sich λ_p1 und λ_p2 innerhalb von etwa 1 nm der Wellenlänge befinden, die optimale Verstärkerleistung ergibt. Das kann für zumindest einige Optikfaserverstärker ein signifikanter Vorteil sein, zum Beispiel für Verstärker mit starker Spektralabhängigkeit von der Absorption. Es ist klar, dass das System 90 nicht unbedingt ein WDM-System ist, und dass die MCGs vorteilhaft auch in einem Einzelkanalsystem verwendet werden können.
10 stellt schematisch ein beispielhaftes Optikfaserkommunikationssystem 100 mit Doppelstufenoptikverstärker mit wellenlängenabhängigen MCG-Dämpfungselement 103, das zum Verstärkungsabflachen bereitgestellt ist, dar. Gleiche Bezugszeichen in 9 und 10 beziehen sich auf gleiche Merkmale. Die Bezugszeichen 101 und 102 beziehen sich auf erste und zweite Optikverstärkerstufen. Nach Wunsch könnten MCGs, die den Elementen 98 und 99 der 9 entsprechen, jeweils in Fasern 104 und 105 eingefügt werden. Typisch ist es wünschenswert, einen optischen Isolator zwischen Stufen des Verstärkers bereitzustellen, um ASE-Verstärkung zu vermeiden. Beispielhaft ist ein Isolator (nicht gezeigt) zwischen die Elemente 101 und 103 in 10 eingefügt.
Wie gut bekannt, haben optische Faserverstärker (zum Beispiel Er-dopierte Faserverstärker) typisch keine flache Verstärkung über den betreffenden Spektralbereich, und Verstärkungsabflachungselemente wie zum Beispiel geneigte Bragg-Gitter, Langperioden-Gitter oder Dünnfilmfilter werden häufig bereitgestellt.
Ich habe festgestellt, dass eines oder mehrere erfindungsgemäße MCGs vorteilhaft zum Abflachen der Verstärkung eines (Einzel- oder Multistufen)-Optikfaserverstärkers verwendet werden können. Wenn das Verstärkungsspektrum eines Verstärkers scharfe Spektralmerkmale hat, kann ein wie oben beschriebenes MCG-Dämpfungselement vorteilhaft verwendet werden, da ein solches Dämpfungselement eine schärfere (zum Beispiel ~1 nm) Spektralantwort geben kann, die typisch mit den Verstärkungsabflachungselementen des früheren Stands der Technik erreichbar ist. Andererseits kann ein Chirp-MCG (das heißt ein MCG, das axial variierende Gitterbeabstandung Λ(z) hat, wobei z die axiale Koordinate ist) mit oder ohne axial modulierte Stärke der Gitterelemente (das heißt periodische Spitzen-zu-Talpunkt Brechungsindexwechsel Δn = Δn(z)) ein komplexes Übertragungsspektrum mit Variationen über einen relativ breiten Spektralbereich haben (zum Beispiel mehrere Zehner nm). Durch die entsprechende Auswahl der Gitterparameter, darunter Λ(z) und Δn(z) ist es möglich, ein wellenlängenabhängiges Dämpfungselement MCG mit einem Übertragungsspektrum bereitzustellen, das im Wesentlichen das Umgekehrte des Verstärkerverstärkungsspektrums ist, so dass der Verstärkerausgang eine breitere Spektralregion gleichförmiger Verstärkung hat.
11 stellt schematisch ein beispielhaftes Verstärkerverstärkungsspektrum 110 und ein beispielhaftes Übertragungsspektrum 111 eines indexmodulierten MCG mit entsprechendem Chirp dar.
Beispiel
Eine Doppelmoden-Germano-Alimin-Silikat-Faser mit Δn = 0,044 und Grenzwellenlänge 1750 nm wurde durch Laden der Faser mit 2,8 mol % molekularem Deuterium in herkömmlicher Art photoempfindlich gemacht. Die Faser wurde durch eine Phasenmaske während 142 Sekunden mit einem 3 mm × 0,6 mm FWHM Gauß'schen Strahl von einem frequenzverdoppelten Excimer-Pump-Farbstofflaser exponiert. Der Laserausgang betrug 30 Hz mit 242 nm mit einer Fluenz von 25 mJ/Impuls/cm², mit dem 3 mm-Strahlmaß gefluchtet mit der Achse der Faser. Die Null-Ordnungs-nullierte Phasenmaske hatte eine Periode von Λ_o von 0,903 μm mit einem Neigungswinkel θ der Gitterlinien, der in aufeinander folgenden Schritten von senkrecht zu der Faserachse bis 8° zu der Faserachse variiert wurde. Die Übertragungsspektren der jeweiligen Gitter wurden herkömmlich bestimmt und ergaben die in 4a–h gezeigten Ergebnisse. Anhand aufeinander folgender Messungen wird erstellt, dass der optimale Gitter-Blaze-Winkel für die jeweilige Faser und den Wellenlängenbereich etwa 6°15' betrug. Innerhalb der Reproduzierbarkeit der Faserpositionierung variierte die periodische Indexvariation, die entlang der Länge der Faser geschaffen wurde, mit dem Maskenneigewinkel θ gemäß Λ = Λo/cosθ. Das Gitter erbringt die erwartete Leistung, darunter (0,1)/(1,1)-Koppeln.

Claims

Gegenstand mit einem optischen Wellenleiter zum Leiten elektromagnetischer Strahlung mit mindestens zwei Wellenlängen λ_i und λ_j in einem Spektralbereich mit Spektralbreite Δλ, wobei der optische Wellenleiter eine Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter (83) umfaßt, wobei die Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter ein Gitter (84) mit Blaze-Brechzahl mit Grundmaß λ und Blaze-Winkel θ umfaßt, wobei Λ und θ so gewählt sind, daß das Gitter Kopplung zwischen einem symmetrischen Grundraummodus elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlänge λ_i und einen Raummodus höherer Ordnung der elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlänge λ_i veranlaßt; dadurch gekennzeichnet, daß a) das Gitter mit Blaze-Brechzahl ein Gitter mit Brechzahl kurzer Periode ist, wobei λ < 1μm; b) der Blaze-Winkel θ > θ_o ist, wobei θ_o ein Blaze-Winkel ist, der im wesentlichen optimale Kopplung zwischen dem symmetrischen Grundraummodus und dem Raummodus höherer Ordnung für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlänge λ_i bereitstellt; c) die Raummodi Modi im Wellenleiter sind; und d) θ so gewählt wird, daß das Gitter wesentlich weniger Reflexion der symmetrischen Grundmodusstrahlung mit Wellenlänge λ_j verursacht, als durch ein ansonsten identisches Vergleichsgitter θ = θ_o verursacht wird.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei so gewählt wird, daß das Gitter mindestens 90% weniger Reflexion der symmetrischen Grundmodusstrahlung mit Wellenlänge λ_j verursacht.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der optische Multimoden-Wellenleiter eine optische Multimoden- Faser ist und der Raummodus höherer Ordnung ein Modus LP₁₁ ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter eine Länge von optischem Doppelmoden-Wellenleiter ist, der zwischen dem ersten und zweiten optischen Einzelmoden-Wellenleiter angeordnet und daran anstoßend verbunden ist, und wobei das Gitter mit Blaze-Brechzahl kurzer Periode so ausgewählt ist, daß es einen vorbestimmten Bruchteil der symmetrischen elektromagnetischen Grundraummodusstrahlung mit Wellenlänge λ_i reflektiert, die sich vom ersten optischen Einzelmoden-Wellenleiter in den optischen Doppelmoden-Wellenleiter im Raummodus höherer Ordnung ausbreitet, wobei sich die übrigbleibende symmetrische elektromagnetische Grundraummodusstrahlung mit Wellenlänge λ_i aus der Länge von optischem Doppelmoden-Wellenleiter in den zweiten optischen Einzelmoden-Wellenleiter ausbreitet und sich die reflektierte Strahlung im Raummodus höherer Ordnung aus der Länge von optischem Doppelmodus-Wellenleiter in den ersten optischen Einzelmoden-Wellenleiter ausbreitet und aus dem ersten optischen Einzelmoden-Wellenleiter verlorengeht, wobei die Länge von optischem Doppelmoden-Wellenleiter ein wellenlängenabhängiges Dämpfungselement ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand ein optisches Wellenleitersystem mit einer Quelle der elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlänge λ_i und λ_j ist, weiterhin mit Nutzungsmitteln für die elektromagnetische Strahlung mit Wellenlänge λ_i und λ_j, und wobei der optische Wellenleiter die Quelle und das Nutzungsmittel strahlungsübertragend verbindet.
Gegenstand nach Anspruch 5, wobei die Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter zwischen einer ersten und einer zweiten Länge von optischem Einzelmoden-Wellenleiter angeordnet ist, wobei die Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter eine vorbestimmte Dämpfung für elektromagnetische Strahlung einer der Wellenlängen λ_i und λ_j bereitstellt und im wesentlichen keine Dämpfung für elektromagnetische Strahlung der anderen der Wellenlängen λ_i und λ_j bereitstellt, wobei die Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter als wellenlängenabhängiges Dämpfungselement zu bezeichnen ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der optische Wellenleiter optische Faser ist, der symmetrische Grundraummodus der Raummodus LP₀₁ ist, der Raummodus höherer Ordnung der Raummodus LP₁₁ ist, λ_i im Spektralbereich 900–1650 nm liegt und Δλ weniger als rund 10 nm beträgt.
Gegenstand nach Anspruch 4, wobei λ = Λ(z) ist, wobei z die axiale Koordinate der Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter ist und Λ(z) über die Länge des Gitters mit Brechzahl nicht konstant ist, wobei Λ(z) so ausgewählt wird, daß das wellenlängenabhängige Dämpfungselement wesentliche Dämpfung über einen größeren Wellenlängenbereich als rund 1 nm aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 4, wobei eine Stärke Δn des Gitters mit Brechzahl n(z) beträgt, wobei z die axiale Koordinate der Länge von optischem Multimoden-Wellenleiter ist und Δn(z) über die Länge des Gitters mit Brechzahl nicht konstant ist, wobei Δn(z) so ausgewählt wird, daß das wellenlängenabhängige Dämpfungselement eine wellenlängenabhängige wesentliche Dämpfung über einen größeren Wellenlängenbereich als rund 1 nm aufweist.