DE69816662T2

DE69816662T2 - Schmalband-sperrfilter im lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE69816662T2
Application number: DE69816662T
Authority: DE
Inventors: Harmeet Singh; W. Charles HAGGANS; F. Wayne VARNER
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: JP2001524689A; EP1042694B1; AU742443B2; KR20010032313A; DE69816662D1; EP1042694A1; US6005999A; WO1999027401A1; AU6053198A; CN1161629C; CN1279770A; TW408238B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Schmalbandsperrfilter mit einem Wellenleiter, der ein azimutal asymmetrisches Gitter aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft eine photosensitiv abgestimmte oder photosensitiv abgesenkte optische Innenmantelfaser mit einem azimutal asymmetrisch photoinduzierten Bragg-Gitter, das aus einem sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus über ein Schmalband auskoppelt, während Rückreflexionen praktisch unterdrückt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Systemanwendungen des neuartigen Filterdesigns.
Eine optische Faser weist üblicherweise einen Kernbereich mit einem Brechungsindex n_co oder n₁ auf. Bei einer Doppelmantelausbildung ist der Kernbereich von einem inneren Mantel mit einem Brechungsindex n_ic oder n_1a umgeben, der seinerseits von einem äußeren Mantelbereich mit einem Brechungsindex n_oc oder n₂ umgeben ist. Der äußere Mantel ist von einem externen Medium mit einem Brechungsindex n_ext umgeben. Ein Bereich der Faser ist photosensitiv.
Die freien Parameter bei Doppelmantelwellenleiterdesigns sind wie folgt definiert:
MFD Betriebsmodusfelddurchmesser
λ₀ Betriebswellenlänge
λ_c zweite Modusgrenzwellenlänge
A, r_co Kernradius, erzeugt aus einer einschrittigen Annäherung an den Kernbereich
W Innenmantelbreite, erzeugt aus einer einschrittigen Annäherung an den Innenmantelbereich
B, r_oc Außenmantelradius
n_co, n₁ Brechungsindex des Kerns, erzeugt aus einer einschrittigen Annäherung an den Kernbereich
n_ic, n_1a Brechungsindex des inneren Mantels, erzeugt aus einer einschrittigen Annäherung an den Bereich des inneren Mantels
n_oc, n₂ Brechungsindex des äußeren Mantels
n_ext Brechungsindex des externen Mediums
R_grat maximaler Radius des photosensitiven Bereichs der Faser
γ anteilige Photosensitivität des photosensitiven inneren Mantels im Vergleich mit dem Kern, γ = (Gitterstärke im Mantel)/(Gitterstärke im Kern). (Beispielsweise bedeutet γ = 1 gleiche Photosensitivität im Kern und im inneren Mantel).
Der "Gitterneigungswinkel" ist als der Winkel zwischen dem Gittervektor (der zu den Ebenen, welche die Gitterperiodizität definieren, senkrecht verlaufenden Richtung) und der Längsachse der Faser definiert, wobei eine physische Neigung der Gitterebenen in der Faser existiert.
Der "effektive Gitterneigungswinkel" ist als der Wert des "Gitterneigungswinkels" definiert, der experimentell einen Mantelmodusverlust ergeben hat, der gleich dem Mantelmodusverlust ist, der auftritt, wenn eine von der physischen Neigung der Gitterränder verschiedene azimutale Asymmetrie in einem im Wellenleiter eingeschriebenen Gitter vorliegt.
Die "Grundsperrkerbe" ist als die Struktur oder die Delle in dem Transmissionsspektrum des Wellenleitergitters mit dem kleinsten Transmissionswert definiert. Dies entspricht allgemein der Wellenlänge, für die eine Verringerung des übertragenen Signals gewünscht ist.
"Mantelmodusverluste" bezeichnen Verluste oder Dellen im beobachteten Transmissionsspektrum für einen Wellenleiter mit einem Gitter, welche aufgrund des Koppelns der sich vorwärts ausbreitenden Modi des Wellenleiters mit sich rückwärts ausbreitenden angrenzenden Mantelmodi (bei n_ext < n_oc) oder sich rückwärts ausbreitenden Strahlungsmodi (bei n_ext ≥ n_oc) auftreten.
Der Spitzenmantelmodusverlust ("PCML") ist der maximale "Mantelmodusverlust" in einem bestimmten Transmissionsspektrum für einen Wellenleiter mit einem Gitter.
Eine passive Komponente, die Licht aus dem sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus einer monomadalen Telekommunikationsfaser mit relativ vernachlässigbarer Rückreflexion über ein schmales Wellenlängenband koppelt, ist ein wesentliches Filterelement für Lichtwellensysteme, in denen kein zurückreflektiertes Signal toleriert werden kann.
Der Standardansatz bezüglich des Filterns ist das Koppeln des sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Modus in einen sich rückwärts ausbreitenden LP₀₁ Modus. Herkömmliche Bragg-Gitter leiten das gefilterte Signal zurück in die Faser. Je größer die Filterleistung eines herkömmlichen Bragg-Gitters ist, desto größer ist die Rückreflexion. Bei zahlreichen Systemen, beispielsweise bei WDM Anwendungen, kann die Rückreflexion jedoch nachteilige Effekte zeitigen, wie beispielsweise das Destabilisieren des Signalausgabelasers. Gegenwärtig stellt das Vorsehen von Isolatoren eine mögliche Alternative dar, welche empfindliche Vorrichtungen schützen. Jedoch sind die gegenwärtigen Kosten von Isolatoren hoch.
Die Bemühungen zum Erhalten eines Schmalbandsperrfilters, das ein Gitter verwendet, bei dem der Verlust nicht durch das Koppeln mit dem sich rückwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus erreicht wird, können in zwei Kategorien unterteilt werden: Koppeln in den LP₁₁ Modus bei einer Faser mit zwei Modi und Koppeln in Mantel- oder Strahlungsmodi in einer monomodalen Faser.
Das Unterdrücken des sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus über ein schmales Wellenlängenband wurde bei einer Zwei-Modi-Faser aufgezeigt. Das rückreflektierte Signal mit der Spitzensperrwellenlänge aufgrund des Koppelns mit dem sich rückwärts ausbreitenden LP₁₁ Kernmodus wurde mit – 15 dB gemessen, einem Wert, der geringer als die allgemein erwünschte Isolierung für Wellenlängenteilungsmultiplexieranwendungen ist. Ferner können Zwei-Modi-Faserfilter aufgrund einer nicht perfekten Modus-Feld-Abstimmung höhere Einleitverluste haben als Filter in monomodalen Fasern. Normalerweise handelt es sich bei Standard-Telekommunikationsfasern üblicherweise um monomodale Fasern.
Versuche, den Kernmodus unter Verwendung monomodaler Fasern zu unterdrücken, haben erörtert, wie bei einem starken geneigten Gitter eine bedeutende Kopplung mit der LP_1m Modusgruppe auftreten kann. Darüber hinaus wurde versucht, Licht aus einer monomodalen Faser unter Verwendung eines in Querrichtung asymmetrisch geformten Bragg-Gitters auszukoppeln.
In Optical and Quantum Electronics, Vol. 28, 1996, 5. 1641 bis 1654, auf dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, ist eine optische Faser offenbart, die ein Stück einer monomodalen Faser mit einer mit der Betriebswellenlänge λ₀ umfaßt, wobei das Faserstück aufweist: einen lichtempfindlichen Kern mit einem Brechungsindex n_co und einem Radius a, wobei der Kern einen LP₀₁-Kernmodus mit einem effektiven Index von n_eff,01 hat, einen den Kern seitlich umschließenden inneren Mantel mit einem Brechungsindex n_ic, einem inneren Radius A und einem äußeren Radius AB, und einen äußeren Mantel, der den inneren Mantel seitlich umschließt, wobei der äußere Mantel einen inneren Radius AB, einen äußeren Radius B und einen Brechungsindex n_oc aufweist, wobei Δn₊ die Differenz zwischen n_co und n_oc ist, und ein azimutal asymmetrisches Gitter mit einem effektiven Neigungswinkel θ und einer Periode Λ, wobei 1° < θ < 10°, und wobei Λ ≤ (λ₀ cosθ)/(2n_eff,01), und wobei der maximale relative Kopplungskoeffizient (max(RCC_1m)) größer oder gleich 0,2 ist und bei dem das Verhältnis der Spitzenreflektivitäten (RR) des Mantelmodus LP_1m und des Kernmodus LP₀₁ größer oder gleich 1 ist.
Es bleibt der Bedarf nach einem Filterdesign, das ein Auskoppeln aus dem LP₀₁ Kernmodus mit beinahe vollständiger, wenn nicht vollständiger Unterdrückung der Kopplung mit dem sich rückwärts ausbreitenden fundamentalen Modus.
Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Schmalbandsperrfilter, das aus einem sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus mit vernachlässigbarer Rückreflexion auskoppelt. Das Filter weist einen monomodalen Wellenleiter, beispielsweise ein Stück einer monomodalen Faser, mit einer Betriebswellenlänge λ₀ auf. Die Faser weist einen Kern mit einem Brechungsindex n_co und einem Radius A auf, wobei der Kern einen LP₀₁ Kernmodus mit einem effektiven Index von n_eff,01 aufweist. Das Faserdesign umfaßt ein photosensitives abgestimmtes Innenmanteldesign oder ein photosensitives abgesenktes Innenmanteldesign.
Bei dem Ausführungsbeispiel mit photosensitiv abgestimmtem Innenmantel (PMIC) ist Δn null und ein photosensitiver Mantelbereich erstreckt sich mit einem Radius R_grat. Der photosensitive Mantelbereich kann sich sowohl in den Innenmantel, als auch in den Außenmantel erstrecken. Die Photosensitivität des photosensitiven Mantelbereichs ist ein Bruchteil γ der Photosensitivität des Kernbereichs.
Bei dem Ausführungsbeispiel mit photosensitiv abgesenktem Innenmantel (PDIC) ist Δn. nicht null und ein photosensitiver Mantelbereich erstreckt sich mit einem Radius R_grat. Die Photosensitivität des photosensitiven Mantelbereichs ist ein Bruchteil γ der Photosensitivität des Kernbereichs. R_grat kann größer als AB sein, woraus sich Photosensitivität in dem Sperrbereich und im Außenmantelbereich ergibt, d.h. der photosensitive Mantelbereich kann so wohl den Innenmantel, als auch wenigstens einen Teil des Außenmantels umfassen.
Ein azimutal asymmetrisches Gitter mit einem effektiven Neigungswinkel θ und einer Periode Λ, wobei Λ kleiner oder gleich ungefähr (λ₀ cosθ)/2_neff,01) ist (um ein Koppeln nur mit sich rückwärts ausbreitenden begrenzten oder verlustträchtigen Mantelmodi und sich rückwärts ausbreitenden Kernmodi zu bewirken), ist in den photosensitiven Bereich der Faser eingeschrieben.
Genauer gesagt gilt Λ ≤ (λ₀ cosθ)/(2_neff,01'), wobei n_eff,01' der effektive Index des Kernmodus im Gitterbereich ist, einschließlich des Effekts einer beliebigen gleichmäßigen unmodulierten Indexveränderung, die während des Gittereinschreibvorgangs eingebracht wird, wodurch n_eff,01' von n_eff,01 abweichen kann. In sämtlichen folgenden Gleichungen ist der Wert von n_eff,01 derart definiert, daß neff,01 = n_eff,01'
Der maximale relative Kopplungskoeffeizient für den Mantelmodus max(RCC_1m), bei 1 ≤ m ≤ 30, ist größer oder gleich 0,2 und das Verhältnis der Spitzenreflektivitäten für den Mantelmodus und den Kernmodus, RR, ist größer oder gleich 1. Vorzugsweise ist RR > 3. Infolgedessen ist die Spitzenreflektivität des Kernmodus kleiner oder gleich einem Drittel der Spitzenreflektivität des Mantelmodus.
Bei einem Ausführungsbeispiel mit abgesenktem Innenmantel (DIC) nach dem Stand der Technik ist der Kern seitlich von einem abgesenkten Innenmantel mit einem Brechungsindex n_ic, einem Innenradius A, einem Außenradius AB und einer Breite des abgesenkten Innenmantels W, wobei W = AB – A. der Innenmantel ist seinerseits seitlich von einem Außenmantel mit einem Innenradius AB, einem Außenradius B und einem Brechungsindex n_oc. Δn₊ ist die Differenz zwischen n_co und n_oc. Δn_– ist die Differenz zwischen n_ic und n_oc und n_co > n_co > n_ic. Die Werte von Δn₊, Δn_– und W ermöglichen das Vorhandensein eines LP_1m Mantelmodus, m ≥ 1.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen gilt 1° < θ < 10° und das Gitter kann ein "Chirped Grating" umfassen.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt 1250 nm < λ₀ < 1600 nm, B ≈ 62,5 μm, Δn_– = 0, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 4 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 2 μm < A < 8 μm. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt 800 nm < λ₀ < 1000 nm, B ≈ 62,5 μm, Δn_– = 0, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 2 μm < MFD < 30 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 1 μm < A < 8 μm.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt 1250 nm < λ₀ < 1600 nm, B ≈ 62,5 μm, W > 0,6 A, Δn_– = 0,003, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 4 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 2 μm < A < 8 μm. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt 800 nm < λ₀ < 1000 nm, B 62,5 μm, W > 0,6 A, Δn_– = 0,003, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 2 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 1 μm < A < 8 μm.
Das zuvor beschriebene Filter kann zur Herstellung eines Bandpassfilters, eines Testsignalunterdrückers oder einer Verstärkungsabflachungsvorrichtung verwendet werden. Darüber hinaus kann das zuvor beschriebene Filter entweder hinsichtlich der Stärke, der mittleren Sperrwellenlänge oder anderer optischer Eigenschaften durch optische, mechanische, thermische, elektrische oder andere Einrichtungen abgestimmt werden, um abstimmbare, rekonfigurierbare oder schaltbare Filter zu bilden.
1(a)-(b) zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen Faser zur genauen Darstellung des Koordinatensystems der Fa ser-Bragg-Gittergeometrie und der Gitterneigungswinkeldefinition.
2(a)-(c) sind graphische Darstellungen der radialen Verteilung des Brechungsindex für verschiedene Ausführungsbeispiele der Fasern.
3 zeigt Konturverläufe von (a) max(η_1m), (b) max(m), gegenüber Δn- und W bei einer Faser mit abgesenktem Innenmantel mit λ₀ = 1550 nm, A = 5.86 μm, B = 62.5 μm, Δn₊ = 0,0038 und n₂ = 1,4446.
4 zeigt Konturverläufe von (a) RR, (b) max(RCC_1m) und (c) max(m') gegenüber Δn- und W für die Faser mit abgesenktem Mantel von 3, wobei θ = 1° und m = 1 bis 30.
5 zeigt Konturverläufe von (a) RR, (b) max(RCC_1m) und (c) max(m') gegenüber Δn- und W für die Faser mit abgesenktem Mantel von 3, wobei θ = 3° und m = 1 bis 30.
6 zeigt Konturverläufe von (a) RR, (b) max(RCC_1m) und (c) max(m') gegenüber Δn- und W für die Faser mit abgesenktem Mantel von 3, wobei θ = 5° und m = 1 bis 30.
7 zeigt Kurvenverläufe der Transmissionsspektren gegenüber der Wellenlänge bei verschiedenen Gitterneigungswinkeln für (a) eine herkömmliche telekommunikationstaugliche monomodale Faser mit abgestimmtem Mantel, (b) eine Faser mit abgesenktem Innenmantel (DIC) und (c) eine Faser mit photosensitiv abgestimmtem Innenmantel (PMIC). Einzelne Spektren sind von ihren nächsten Nachbarn um +/- 10 dB zur besseren Verdeutlichung beabstandet.
8 zeigt Kurvenverläufe mit verschiedenen axialen Grenzen des Transmissionsspektrums gegenüber der Wellenlänge für DIC-Fasern bei einer Randneigung in der Faser von θ ~ 4,0°.
9 ist eine Kurvendarstellung des Reflexionsspektrums gegenüber der Wellenlänge für das Gitter nach 8a.
10(a) ist eine Kurvendarstellung des Transmissionsspektrums der DIC-Faser für die Randneigung in der Faser von θ 4,0° mit einer Gittergeometrie und Belichtungsbedingungen ähnlich denjenigen des Gitters in 7b. 10(b) ist eine Kurvendarstellung der Transmission, wenn das Gitter der 10(a) mit dem Gitter der 7(b) kaskadiert ist.
11 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bandpassfilters.
12 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Testsignalunterdrückers.
13 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spektralenergieabflacheinrichtung.
Eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Filters 10 findet sich in 1. Die vorliegende Erfindung weist ein Schmalbandsperrfilter auf, das aus einem sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus mit vernachlässigbarer Rückreflexion auskoppelt. Das Filter 10 weist einen monomodalen Wellenleiter mit einer Betriebswellenlänge λ₀ auf, der in 1 als Stück einer monomodalen Faser 12 dargestellt ist.
Die optische Faser 12 umfaßt einen photosensitiven Kern 14 mit einer ersten Querabmessung oder einem Durchmesser 2A und einem Radius A (oder r_co), wobei er aus einem Material mit einem Brechungsindex n_co oder n₁ besteht. Der Kern 14 hat einen LP₀₁ Kernmodus mit einem effektiven Index n_eff,01. Der Kern 14 ist seitlich von einem Innenmantel oder Sperrardius AB (oder r_ic) umgeben. Das Filter 12 kann vom bekannten abgesenkten Innenmanteldesign, einem photosensitiven abgestimmten Innenmanteldesign oder einem photosensitiven abgesenkten Innenmanteldesign sein. Der Innenmantel 16 hat einen Brechungsindex n_ic oder n_1a. Bei photosensitiven Ausbildungen weist der Innenmantel 16 und möglicherweise auch der Außenmantel einen photosensitiven Bereich auf (siehe 2b und 2c), der sich mit einem Radius R_grat erstreckt, wobei die Photosensitivität des Photesenstivitätsbereich des Mantels ein Bruchteil γ der Photosensitivität des Kerns 14 ist.
Ein Außenmantel 18 mit einem Brechungsindex n_oc oder n₂ und einem Radius B (oder r_oc) umgibt den Innenmantel 16 seitlich. Der Außenmantel 18 ist gleichfalls von einem externen Medium mit einem Brechungsindex n_ext umgeben.
Die 1a und 1b zeigen ebenfalls die Definitionen des Koordinatensystems der Bragg-Gittergeometrie. Eine optische Längsachse z ist durch die Mittelachse der Faser 10 definiert. Die optische Faser 12 ist eine monomodale unbeschichtete Faser mit zylindrischem Querschnitt. Es sei darauf hingewiesen, daß andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Fasern mit Beschichtungen und Fasern mit anderen Querschnittsgeometrien umfassen können, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
1b zeigt ein azimutal asymmetrisches Bragg-Gitter 20 mit einem effektiven Neigungswinkel θ und einer Periode Λ, wobei Λ kleiner oder gleich ungefähr (λ₀ cosθ)/2n_eff,01) ist (um ein Koppeln nur mit sich rückwärts ausbreitenden begrenzten oder verlustträchtigen Mantelmodi und sich rückwärts ausbreitenden Kernmodi zu bewirken), das in den photosensitiven Bereich der Faser 12 eingeschrieben ist. Die Faser 12 kann einer Wasserstoffbeschickung oder anderen bekannten Vorgängen unterzogen werden, um das Schreiben des Gitters zu erleichtern. Aufgrund des Gitterherstellungsvorgangs weist das Gitter 12 eine azimutale Asymmetrie durch die Gitterbearbeitung auf.
Genauer gesagt gilt Λ ≤ (λ₀ cosθ)/(2n_eff,01'), wobei n_eff,01' der effektive Index des Kernmodus im Gitterbereich ist, einschließlich des Effekts einer beliebigen gleichmäßigen unmodulierten Indexveränderung, die während des Gittereinschreibvorgangs eingebracht wird, wodurch n_eff,01' von n_eff,01 abweichen kann. In sämtlichen folgenden Gleichungen ist der Wert von n_eff,01 derart definiert, daß n_eff,01 ≌ n_eff,01'.
2 zeigt die radiale Verteilung von Brechungsindizes für drei Ausführungsbeispiele einer Faser. Die n Wertgrenzen in 2 sind als einzelne und momentane "effektive Schritt-Index-" Annäherungen vereinfacht. In 2 n_ext < n_oc (oder n₂). Jedoch soll 2 nicht die Werte von n_ext begrenzen, da bei funktionalen Filtern n_ext größer als n_oc sein kann.
2a zeigt das Radial-Reflektivitätsprofil einer Faser mit abgesenktem Innenmantel (DIC) nach dem Stand der Technik. Bei der DIC Faser hat der Brechungsindex n_co einen größeren Absolutwert als der Brechungsindex des Außenmantels n_co. Der Brechungsindex des Außenmantels hat seinerseits einen höheren Absolutwert als der Brechungsindex des Innenmantels n_ic. Daher gilt n_co > n_oc > n_ic.
Die Differenz zwischen n_co und n_ic erzeugt eine abgesenkte Brechungsindexprofilsenke mit der Breite W, wobei W = AB – A und mit der Tiefe Δn-, wobei Δn- = n_oc – n_ic. Die Differenz zwischen n_co und n_oc ist als Δn₊ definiert. Die Gesamthöhe des Kernbrechungsindexprofils Δn ist gleich n_co – n_ic = Δn_– + Δn₊.
2b zeigt das Profil einer photosensitiv abgestimmten Innenmantelfaser (PMIC). Bei dem PMIC Ausführungsbeispiel ist Δn_– null und der photosensitive Mantelbereich erstreckt sich mit einem Radius R_grat, wobei die Photosensitivität des photosensitiven Mantelbereichs ein Bruchteil γ der Photosensitivität des Kernbereichs ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Bragg-Gitterstruktur 20 sowohl in den Kern-, als auch in den photosensitiven Bereich des Innenmantels eingeschrieben werden.
2c zeigt das Profil einer Faser mit photosensitiv abgesenktem Innenmantel (PDIC). Das PDIC Ausführungsbeispiel kombiniert die abgesenkte Senke des DIC Designs und den photosensitiven Bereich des PMIC Designs. Δn_– ist von null verschieden und der photosensitive Mantelbereich erstreckt sich mit einem Radius R_grat, wobei die wobei die Photosensitivität des photosensitiven Mantelbereichs ein Bruchteil γ der Photosensitivität des Kernbereichs ist. Der abgesenkte Innenmantel hat die Breite W, wobei W = AB – A und R_grat AB übersteigen kann.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine effektive Unterdrückung der Kopplung in sich rückwärts ausbreitende Fundamentalmodi, während sie eine Schmalbandsperrfilterung bei der Transmission bietet. Verluste in Bragg-Gittern stark reflektierender Fasern aufgrund des Koppelns in Mantelgrenzmodi oder verlustreiche Strahlungsmodi wurden ausgiebig untersucht und sind bei einem Fundamentalsperrband unerwünscht, da zum Filtern eine Kopplung des sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Modus in den sich rückwärts ausbreitenden LP₀₁ Modus verwendet wird.
Das Faserdesign 10 weist ein azimutal asymmetrisches photoinduziertes Gitter im Kern (und möglicherweise den Mantel für die Mantelphotosensitivität) einer Faser mit einem stark abgesenkten Innenmantel auf, um den sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Modus über das Koppeln mit einem bestimmten Leim Mantelmodus zu unterdrücken. Alternativ kann das Faserdesign 10 ein azimutal asymmetrisches photoinduziertes Gitter im Kern und Mantel einer abgestimmten ummantelten Faser aufweisen. Durch die Verwendung eines Gitters mit einer effektiven Neigung im gewählten Faserdesign erreicht die vorliegende Erfindung ein vollständiges oder nahezu vollständiges Koppeln direkt in einen der LP₁₁ Hybrid-Leck-Kernmodi.
Das Koppeln in den Hbrid-LP_1m Mantelmodus (allgemein als "Ghost"-Modus bezeichnet) wurde bei einer flach abgesenkten Innenmantelfaser beobachtet. Eine Analyse der festgestellten Kurzwellenverluste bei einem geneigten Gitter durch das Vergleichen gemessener Spektren mit den berechneten normalisierten Kopplungskoeffizienten und Resonanzstellen für die LP_0m und LP_1m Modi bestätigt den Ursprung der scharfen Verlustspitze ("Ghost-Modus") auf der Kurzwellenseite der Fundamentalsperrkerbe in dem Koppeln in einen LP_1m Modus. Die starken Kopplungseigenschaften dieses Modus sind in dessen Hybridnatur begründet. Der Modus hat eine Feldform ähnlich der Form, welche der LP₁₁ Modus in der Faser hätte, wenn dieser ein zulässiger Modus wäre.
Der Mechanismus für das starke Koppeln in einen oder einige LP_1m Modi für das PMIC Faserdesign ist die Erweiterung des Gitters in den Mantelbereich. Da sich das Gitter in den Mantel erstreckt, verstärkt sich die Überlappung zwischen dem LP₀₁ und dem LP_1m Modus im Vergleich zur äquivalenten abgestimmten Mantelfaser ohne Mantelphotosensitivität.
Das Koppeln zwischen den LP₀₁ und LP_1m Modi wird durch eine physische Neigung der Gitterränder oder eine andere azimutale asymmetrische Gitterstärke über den Kern erreicht, welche eine Komponente der azimutalen Symmetrie aufweist, die proportional zu cosφ ist. Das Koppeln kann durch Verwenden eines Relativkopplungskoeffizienten (RCC) quantifiziert werden, der die Stärke der Kopplung zwischen dem sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus und den sich rückwärts ausbreitenden LP_1m Mantelmodi beschreibt:
wobei f(r,φ, θ) die Abhängigkeit des Gitters von den azimutalen Koordinaten (φ) und dem Gitterneigungswinkel (θ). In dieser Beziehung sind ψ₀₁(r, φ) und Y_1m,(r, φ) die normalisierten LP (linear polarisierten) Lösungen für die Querfeldverteilung in einer schwach leitenden Faser für den betreffenden Kern- bzw. Mantelmodus. Der Modusfelddurchmesser für den LP₀₁ Modus ist u8nter Verwendung der Petermann-Definition definiert:
Die zweite Modusgrenzwellenlänge λ₀ für eine bestimmte Faser ist als die Betriebswellenlänge definiert, unter der eine Ausbreitung des LP₁₁ oder LP₀₂ Kernmodus möglich ist.
Zwei übliche azimutale Asymmetrien (f(r,φ, θ)), die üblicherweise in Bragg-Gittern von Fasern auftreten, sind diejenigen, für die Gitterneigung
und die Gitterasymmetrie aufgrund der Absorption beim Seitenschreibvorgang
wobei angenommen ist, daß die lineare Absorption und der lineare Index mit den geometrischen Parametern der 1 und 2 übereinstimmen. Es ist erkennbar, daß die Auswirkung auf die RCC_1,m Werte qualitativ ähnlich für die azimutalen Asymmetrien der Gleichungen (5) und (6) ist. Zur Vereinfachung ist daher in Fällen, in denen eine azimutale Asymmetrie wie die aufgrund der Seitenschreibabsorption im Gitter vorliegt, die effektive Gitterneigung derart definiert, daß θ = θeff, wobei θ_eff den Wert von θ wiedergibt, der einen Mantelmodusverlust ergibt, der gleich dem Mantelmodusverlust bei der Absorptionsasymmetrie ist.
Somit reduziert sich die Gleichung (2) auf
Ein anderer Parameter, der zur Bestimmung, welcher LP_1m Mantelmodus LP₁₁ Hybridmoduseigenschaften zeigt, nützlich ist, ist der Bruch, der im Kern für den LP_Lm Modus η_Lm enthalten und wie folgt definiert ist:
Somit reicht η_Lm von 0 bis 1, wobei 1 angibt, daß die gesamte Energie des Modus auf den Kern der Faser beschränkt ist.
Die Lösung der gekoppelten Differentialgleichungen, welche die Energieübertragung von einem sich vorwärts ausbreitenden Wellenleitermodus in einen sich rückwärts ausbreitenden Wellenleitermodus aufgrund einer sinusförmigen Störung des Wellenleiters für die teilweise reflektierte Energie bei Resonanz beschreibt, weist bekanntermaßen die folgende Form auf (für ein nichtapodisiertes Nicht-Chirped-Gitter):
In dieser Beziehung
wobei die zweite angenäherte Gleichheit nur bei R_max = A exakt ist, die Menge Δn_moduliert die Amplitude der sinusförmigen Gitterindexmodulation und L die Gitterlänge ist. Somit ist das Verhältnis der Spitzenreflektivitäten bei LP₀₁– LP₀₁ Kopplung und LP₀₁–LP_1m Kopplung
Um eine ausreichende Kopplung zu erreichen, ist der maximale Relativkopplungskoeffizient max(RCC_1m) des Mantelmodus für 1 ≤ m ≤ 30 erfindungsgemäß größer oder gleich 0,2 und das Verhältnis RR der Spitzenreflektivitäten für den Kernmodus und den Mantelmodus größer oder gleich 1. Vorzugsweise ist RR > 3. Infolgedessen ist die Spitzenreflektivität des Kernmodus geringer oder gleich einem Drittel der Spitzenreflektivität des Mantelmodus.
Der Faserausbildungsvorgang für das erfindungsgemäße Bragg-Gitter-Filter mit abgesenktem Innenmantel mit Innenmantelphotosensitivität umfaßt zwei Schritte: (1) Ausbilden einer Faser mit wenigstens einem LP_1m Modus mit einem bedeutenden Wert von η_1m und (2) bestimmen der optimalen Gitterneigung für das jeweilige Faserdesign.
Üblicherweise sind zu Beginn des Designvorgangs für eine monomodale PDIC Faser die gewünschte Betriebswellenlänge des Filters (λ₀), der Mantelradius (B) und der Zielmodusfelddurchmesser (MFD) bekannt. Darüber hinaus ist es allgemein erwünscht, daß die zweite Modusgrenzwellenlänge (λ_c) nahe, jedoch unter der Betriebswellenlänge liegt. Bei optischen Fasern gilt n₂ n_silica bei der Designwellenlänge. Diese Begrenzungen des Faserdesigns beschränken die zulässigen Werte von A und n₁. Die beiden Faserparameter, die durch den Faserdesignvorgang bestimmt werden müssen, sind Δn_–(n_1a) und W(AB).
Da das DIC Filter durch Koppeln mit einem stark begrenzten, jedoch verlustträchtigen LP_1m Mantelmodus arbeitet, ist der Wert von n_ext für den Betrieb der Faser und die Gitterkombination nicht entscheidend. Bei dem Faserdesignvorgang wird jedoch n_ext um einen Betrag kleiner als n₂ angenommen, der ausreicht, die Existenz von LP_1m Mantelmodi größer als 30 zu ermöglichen. Zum Vergleich mit Messungen an der Luft vor dem Neubeschichten wird üblicherweise n_ext = 1,0 gewählt.
Für beliebige zwei Werte für Δn_– und W können unter Verwendung der zuvor genannten Gleichungen die Werte RCC_1m und η_1,m für m = 1 bis 30 berechnet werden. Diese Werte von RCC_1m und η_1,m können zur Bestimmung der Radialmantelmoduszahlen max(m) und max(m'), welche jeweils den höchsten η_1,m (max(η_1,m)) und RCC_1m (max(RCC_1m)) sortiert werden. Die 3a und 3b sind Verlaufsdarstellungen von max(η_1,m) und max(m) als Funktion von Δn_– und W für ein bestimmtes Faserdesignbeispiel. Bei diesem Beispiel betrug bei der Betriebswellenlänge von 1550 nm das MFD Ziel ~10,5 nm und das Sperrwellenlängenziel 1500 nm. Bei Δn_– = 0, B = 62,5 μm und n₂ = 1,4446, wurde A mit 5,86 μm und Δn₊ (n₁) mit 0,0038)(1,4484) gewählt. A und n₁ sind derart gewählt, daß sie einen geringfügig größeren MFD und eine geringfügig größere Grenzwellenlänge ergeben als bei Δn_– = 0 erwünscht, wobei bekannt ist, daß das Hinzufügen eines abgesenkten Innenmantels diese Mengen verringert. Es sei darauf hingewiesen, daß bei jedem Verlauf in 3b eine abrupte Veränderung in max(m) zu dem im Verlauf angegebenen Wert auftritt. Beispielsweise verändert sich an dem Punkt in
3b, an dem W = 4 und Δn_– = 0,007 die Größenordnung für maximum η_1,m von 5 für W < 4 zu 6 für W > 4.
3a zeigt, daß mit dem Anstieg von W und Δn_– im allgemeinen der maximale Kernbegrenzungsfaktor (max(η_1,m)) zunimmt. Das nicht-monotone Verhalten von max(η_1,m) gegenüber W bei einem gegebenen Δn_– in diesem Verlauf durch mit den Verlust von max(RCC_1m) zwischen den unterschiedlichen radialen Größenordnungen begründet. Dieser Verlust ist durch einen Vergleich mit 3b offensichtlicher. Mit der gleichzeitigen Zunahme von W und Δn_– vom Ursprung in 3b aus, nimmt die Größenordung mit η_1,m = max(η_1,m) die starke Kernbeschränkungseigenschaft des LP₁₁ Hybridmodus an. Wenn max(η_1,m) 0,2 übersteigt, gilt der m-te L = 1 asymmetrische Mantelmodus als ausreichend auf den Kern begrenzt, um LP₁₁ Hybrid-Ghost-Moduseigenschaften aufzuweisen.
Die zweite Phase des Filterdesignvorgangs ist das Bestimmen des Bereichs der effektiven Neigungswinkel, die eine ausreichende LP_0m–LP_1m Kopplung ergeben. Wie zuvor definiert wird eine "ausreichende Kopplung" erreicht, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind.

1. RR > 1 bei C₁= 1
2. max(RCC_1m) > 0,2

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt RR > 3 und max(RCC_1m) > 0,25. Die erste Grenze gewährleistet, daß der Neigungswinkel groß genug ist, so daß im Transmissionsspektrum für dieses Gitter die Tiefe der Sperrkerbe aufgrund des LP₀₁–LP_1m Koppelns größer als die Tiefe der Sperrkerbe aufgrund des LP₀₁–LP₀₁ Koppelns ist. Die zweite Grenze gewährleistet, daß der Neigungswinkel nicht so groß ist, daß die Sperrkerbentiefe für das LP₀₁– LP_1m Koppeln zu gering ist, um brauchbar zu sein.
RR kann aus Versuchsmessungen bestimmt werden.
Beispielsweise ergibt sich aus dem 3,6° Verlauf der 7b ein minimaler Transmissionswert für das LP₀₁–LP_1m Koppeln von T_1m ~ –20 dB und ein minimaler Transmissionswert für das LP₀₁–LP₀₁ Koppeln von T₀₁ ~ –2,5 dB, woraus sich RR~2.26 ergibt.
4a–c sind Beispiele für Verläufe von RR, max(RCC_1m) und max(m') gegenüber W und Δn_– für θ = 1°. 5 zeigt Verläufe von (a) RR, (b) max(RCC_1m) und (c) max(m') gegenüber Δn_– und W für die abgesenkte Mantelfaser der 3, wobei θ = 3° und m = 1 bis 30. 6 zeigt Verläufe von (a) RR, (b) max(RCC_1m) und (c)max(m') gegenüber Δn_– und W für die abgesenkte Mantelfaser der 3, wobei θ = 5° und m = 1 bis 30.
Aus diesen Verläufen ist ersichtlich, daß die Bedingungen RR > 3,0 und max(RCC_1m) > 0,2 gleichzeitig im Falle von θ = 3° und θ = 5° erfüllt sind ( 5a und 6a-b). diese Verläufe zeigen, daß der Bereich des W/Δn_–-Raums, in dem RR die Spitze erreicht, relativ unempfindlich für θ ist, wobei dieser Bereich durch das Setzen einer Grenze für den Kernbeschränkungsfaktor max(η_1m), der nicht von θ abhängt, relativ gut gekennzeichnet ist.
Unter Verwendung der Verläufe und der ausreichenden Kopplungskriterien, werden die Werte von W und Δn_– für eine bestimmte Gruppe von Betriebsbedingungen und Faserdesignkonventionen gewählt. Für eine herkömmliche Telekommunikationsfaser für einen Betrieb bei 1550 nm ergeben sich bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des Filters bei W > 0,6 A und Δn_– > 0,003 Kernbeschränkungsfaktoren (max(η_1m)) > 0,2 und 1° < θ < 10° für das Erfüllen der RR- und max(RCC_1m)-Anforderungen.
Bei anderen Ausführungsbeispielen ist 1° < θ < 10° und das Gitter kann ein "Chirped"-Gittter sein.
Der Faserdesignvorgang für eine erfindungsgemäße PMIC Faser ist dem DIC Faserdesignvorgang ähnlich. Wie zuvor sind die gewünschte Betriebswellenlänge des Filters (λ₀), der Mantelradius (B) und der Zielmodusfelddurchmesser (MFD) bekannt oder werden nach den Anforderungen des Systems, mit dem das Filter verbunden wird, bestimmt. Es ist generell erwünscht, daß die zweite Modusgrenzwellenlänge (λ_c) nahe, jedoch unter der Betriebswellenlänge liegt. Bei optischen Fasern gilt n₂ ≈ n_silica bei der Designwellenlänge. Diese Begrenzungen des Faserdesigns beschränken die zulässigen Werte von A und n₁. Die beiden Faserparameter für PMIC und PDIC Fasern, die durch den Faserdesignvorgang bestimmt werden müssen, sind R_grat und γ.
Das erfindungsgemäße PMIC Filter arbeitet durch Koppeln mit einem stark begrenzten, jedoch verlustträchtigen LP_1m Mantelmodus, so daß der Wert von n_ext für den Betrieb der Faser und die Gitterkombination nicht entscheidend ist. Bei dem Faserdesignvorgang wird jedoch n_ext um einen Betrag kleiner als n₂ angenommen, der ausreicht, die Existenz von LP_1m Mantelmodi größer als 30 zu ermöglichen. Zum Vergleich mit Messungen an der Luft vor dem Neubeschichten wird üblicherweise n_ext = 1,0 gewählt.
Für beliebige zwei Werte für R_grat und γ können unter Verwendung der zuvor genannten Gleichungen die Werte RCC_1m und η_1,m für m = 1 bis 30 berechnet werden. Diese Werte von RCC_1m und η_1,m können zur Bestimmung der Radialmantelmoduszahlen max(m) und max(m'), welche jeweils den höchsten η_1,m (max(η_1,m)) und RCC_1m (max(RCC_1m)) sortiert werden. Diese Werte können sodann gegenüber dem effektiven Gitterneigungswinkel ähnlich wie bei den Verläufen der 4-6 aufgetragen werden. Begrenzungen von R_grat und γ werden in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch RR > 3 und max(RCC_1m) > 0,2 erreicht.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist eine PMIC Faser mit 1250 nm < λ₀ < 1600 nm, B ≈ 62,5 μm, Δn_– = 0, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 4 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 2 μm < A < 8 μm. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gelten die folgenden Werte 800 nm < λ₀ < 1000 nm, B ≈ 62,5 μm, Δn_– = 0, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 2 μm < MFD < 30 μm. Ein weiteres Ausführungsbeispiel weist ferner auf: 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 1 μm < A < 8 μm.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gilt 1250 nm < λ₀ < 1600 nm, B ≈ 62,5 μm, W > 0,6 A, Δn_– = 0,003, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 4 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 2 μm < A < 8 μm. Bei einem anderen PDIC Faser-Ausführungsbeispiel gilt 800 nm < λ₀ < 1000 nm, B 62,5 μm, W > 0,6 A, Δn_– = 0,003, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 2 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 1 μm < A < 8 μm.
Beispiele
Für das DIC Design (Δn_– > 0,003 und W > 0,6 A) und das PMIC Design (R_grat > 1,5 A und γ > 0,5) wurden Gitter in Abhängigkeit vom Neigungswinkel in drei Fasern mit λ₀ = 1550 nm, n_clad = 1,446, n_ext = 1,0 und B = 62,5 μm geschrieben. Die drei Fasern umfassten: 1) eine herkömmliche Telekommunikationsfaser mit abgestimmtem Mantel (beispielsweise SMF-28 von Corning Inc., Corning, NY) mit A ~ 4,15 μm, MFD ~ 10,5 μm, Δn₊ = 0,0046, 2) eine breite Faser mit mäßig tief abgesenktem Mantel (DTC) mit A ~ 5,86 μm, W = 3,85 μm (AB = 9,71 μm), Δn₊ = 0,0038, Δn_– = 0,0064 und MFD = 9,5 μm, und 3) eine Faser mit photosensitiv abgestimmtem Mantel (PMIC) mit A = 4,7 μm, Δn₊ = 0,0052, R_grat = 9,4 μm, γ ~ 1,0 und MFD = 10,1 μm. Die geschriebenen Gitter hatten eine Länge von 15 mm, waren unapodisiert, und die Spektren wurden nach dem Neubeschichten (n_ext ~ n₂). Die Gitter wurden in die Fasern unter Verwendung eines Seitenschreib-Phasenmasken-Belichtungsverfahrens eingeschrieben. Die Gitter wurden mit einem Excimerlaser mit 248 nm mit einer Gesamtdosis geschrieben, die ausreichte, um – 20 dB Verluste bei der Transmission des ersten Sperrbands, das diesen Sperrwert erreichte, zu erzielen.
Ein variabler Neigungswinkel wurde erreicht, indem die Phasenmasken unter einem Winkel von 90° + θ/n₂ von der Faserachse angeordnet wurden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Faktor 1/n₂ als eine Korrektur erster Ordnung der Krümmung der Ränder im Faserkern enthalten ist, welche durch die zylindrische Symmetrie der Faser in der Annäherung mit kleinem Winkel und kleinem Kern (θ < 10°, A < < B) gegeben ist.
Transmissionsspektren für in diese drei Fasern geschriebene Gitter als Funktion der Neigung θ der Gitterränder in bezug auf die Fasernormale sind in 7a (MC Faser), 7b (DIC Faser) und 7c (PMIC Faser) dargestellt. Die Spektren für verschiedene Winkel sind zur besseren Darstellung um – 10 dB auf der vertikalen Achse in bezug auf den nächstliegenden Winkel verschoben. Wie durch die Legende der Darstellungen angegeben, sind die θ = 0°, 1,5°, 2,9°, 3,6°, 4,0° und 4,3° entsprechenden Spektren in den Verläufen absteigend dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Fehlen an Photosensitivität die Stärke der Transmissionskerben begrenzte, die in der MC Faser für θ ≥ 4° erreicht werden konnten.
Die Entwicklung der Sperrkerben als Funktion des zunehmenden Neigungswinkels ist für die DIC und die PMIC Fasern im Vergleich zu den MC Fasern deutlich verschieden. Zwar zeigen alle drei Faserarten ähnliche Fundamentalsperrkerben bei θ = 0° und sie zeigen eine Verschiebung der Fundamentalkerbe zu höheren Wellenlängen und eine Abschwächung mit zunehmender Gitterneigung, wobei die Mantelmodusstruktur der MC Faser (7a) erheblich weniger Spitzen aufweist als die Struktur der DIC Faser (7b). Insbesondere sei, bei der Neigungszunahme in 7b, auf das Auftreten einer starken lokalen Sperrkerbe aufgrund des starken Koppelns des sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus mit dem sich rückwärts ausbreitenden LP₁₁ Hybrid-Mantelmodus (LP_1m Mantelmodus mit max(RCC_1m)) hingewiesen. Bei Neigungswinkeln über ~2° in dieser Figur übersteigt die Stärke der LP₁₁ Hybrid-Sperrkerbe diejenige der Fundamentalsperrkerbe aufgrund des Koppelns des sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus mit dem sich rückwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus und eine nahezu vollständige Unterdrückung der Fundamentalkerbe tritt bei θ ~ 4° auf. Die Entwicklung der Transmissionsspektren gegen θ ist für das PMIC Faserdesign der 7c ähnlich.
Zur Darstellung der Eigenschaften eines Faserdesigns für das DIC Filter wurde ein Wert von θ = 4° gewählt, um eine nahezu vollständige Unterdrückung der Kopplung des sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus mit dem sich rückwärts ausbreitenden LP₀₁ Kernmodus in der zuvor beschriebenen Faser mit abgesenktem Mantel zu erreichen.
8a ist ein Transmissionsspektrum für dieses Gitter über einen großen Wellenlängenbereich. Das Transmissionsminimum aufgrund der LP₀₁–LP₀₁ Kopplung ist in dieser Figur nicht sichtbar, jedoch ist ein Transmissionsminimum bei λ ~ 1552,2 nm aufgrund der LP₀₁–LP₀₁ Hybrid-Modus-Kopplung erkennbar. Die sorgfältige Auswahl des Neigungswinkels (4°) ergibt eine nahezu vollständige Unterdrückung der LP₀₁–LP₀₁ Kopplung in dieser Faser. 8b ist eine ähnliche Darstellung, jedoch mit einem erweiterten vertikalen Maßstab. In dieser Darstellung ist das Transmissionsminimum aufgrund der LP₀₁-LP₀₁ Kopplung bei einer Wellenlänge von knapp mehr als 1554 nm nicht sichtbar. Zwar ist ein erhebliches Koppeln in andere Mantelmodi höherer Ordnung in den 8a und 8b für λ < 1550 nm zu beobachten, jedoch ermöglicht das Passband (~2 nm bei diesem Beispiel) die Anwendung dieser Vorrichtung in einigen Bandpassfilteranwendungen. Dieses Passband ist bei einem Faserdesign mit abgestimmtem Mantel nicht gegeben, und, wenngleich vorhanden, ist das Passband bei dem PMIC Faserdesign nicht so groß.
8c zeigt die gleichen Informationen wie 8a, jedoch weist sie einen vergrößerten horizontalen Maßstab auf. 0 zeigt das entsprechende Reflexionsspektrum. Dieses Spektrum wurde unter Verwendung des Signals kalibriert, das von einer gespaltenen Endfläche (Fresnel-Reflexion) als Referenz reflektiert wurde. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Reflexion der LP₀₁–LP₀₁ Kopplungsresonanz um wenigstens –20 dB unterdrückt wird. Der Sperrmodus (aufgrund der LP₀₁–LP₁₁ Hybrid-Moduskopplung) weist jedoch eine Unterdrückung von –32 dB auf, was eine erhebliche Leistungsverbesserung darstellt. Dies ermöglicht effektiv eine vollständige Unterdrückung der Reflexion im Sperrband.
Aus 7c ist ersichtlich, daß ein PMIC Faserdesign eine ähnliche Sperrleistung fü einen entsprechend abgestimmten Winkel erreichen kann, jedoch bei einem kleineren Passband für kürzere Wellenlängen. Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, daß, obwohl die Spektren der 8 und 9 von einem nicht-gechirpten Gitter erhalten wurden, die Breite der Sperrkerbe durch ein Chirpen des Gitters erhöht werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann in einer Vielzahl verschiedener Lichtwellensysteme vorgesehen sein. Drei exemplarische Anwendungen sind:

1. Bandpassfilterung
2. Testsignalunterdrücker (Absenken)
3. Verstärkungsabflachung

Ein erfindungsgemäßes Bandpassfilter 100 ist in 11 dargestellt. Das Bandpassfilter weist zwei kaskadierende Filter 110 und 120 mit Spektren auf, die denen der 8 ähnlich sind, jedoch unterschiedliche Spitzensperrwellenlängen haben. Jedes Filter weist ein zuvor beschriebenes Gitter auf. Ein die Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ aufweisendes Signal ist im Bandpassfilter vorgesehen, wobei λ₁ < λ₂ < λ₃. λ₂ liegt im Passband zwischen den Sperrkerben für λ₁ und λ₃. Die Filter 110 und 120 sind zum Fallenlassen von λ₁ und λ₃ ausgebildet, um nur das gefilterte Signal mit der Wellenlänge λ₂ durchzulassen.
Die nutzbare Bandweite des Bandpasses ist durch den flachen Bereich zwischen der max(LP_1m) Peak und den zusätzlichen Mantelmoduspeaks auf die kürzere Wellenlängenseite. Beispielsweise beträgt bei dem Filter 8b die nutzbare Bandweite bei kurzen Wellenlängen ungefähr 2 nm. Die 8a und 10a zeigen Transmissionsspektren für einzelne Gitter, die unter geeigneter Spannung kombiniert werden können, um ein Bandpassfilter zur Verwendung in einem System mit einem Kanalabstand von ungefähr 100 GHz (0,8 nm) zu erhalten. 10b zeigt das Transmissionsspektrum für die Zwei-Gitter-Kaskade, welche eine gewünschte Bandpassstruktur aufweist.
Ein Testsignalunterdrücker 200 ist in 12 dargestellt. Der Unterdrücker weist ein Filter 210 des in 8 dargestellten Typs auf. Ein mehrere Wellenlängen enthaltendes Signal wird in den Unterdrücker 200 eingeleitet. Die fallenzulassende Wellenlänge λ₁ liegt auf der Kurzwellenseite in Bezug auf die durchzulassenden Wellenlängen λ₂. λ₂ liegt im Spektralbereich, der vom Filter mit geringen Verlusten transmittiert wird. λ₁, das Testsignal, liegt im Spektralbereich mit hohem Transmissionsverlust.
Unter Verwendung des Spektrums von 8c als Beispiel wird eine starke Reflexion mit vernachlässigbarer Rückreflexion bei der Mittelwellenlänge des Filters (~1552,2 nm) erreicht, während eine vernachlässigbare Dämpfung bei höheren Wellenlängen auftritt. Das Filter ist derart ausgebildet, daß das zu unterdrückende Signal bei der Mittelwellenlänge des Filters auftritt, um so die gewünschten Testsignalunterdrückungsfunktionen zu erreichen.
Ein erfindungsgemäßer Verstärkungs- oder Spektralenergieabflacher 300 ist in 13 dargestellt. Ein Eingangssignal mit variierender Energie als Funktion der Wellenlänge wird nach dem Durchlaufen des Filters 310 mit geeignetem Design abgeflcht. Die Verstärkungsabflachung wird durch Verkürzen der Gitterlänge oder Chirpen der Gitterperiode eines erfindungsgemäßen Filters erreicht.
Das zuvor beschriebene Filter kann ferner entweder hinsichtlich der Stärke, der Mittelsperrwellenlänge oder anderen optischen Eigenschaften durch optische, mechanische, thermische, elektrische oder andere Mittel abgestimmt werden, um abstimmbare, rekonfigurierbare oder schaltbare Filter zu bilden.
Dem Fachmann ist ersichtlich, daß andere Wellenleiter mit anderen Geometrien und Parametern zur Herstellung der erfindungsgemäßen Filter und einer Vielzahl von Lichtwellensystemen verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf exemplarische bevorzugte Aus führungsbeispiele beschrieben, jedoch kann die Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt sein. Es sei daher darauf hingewiesen, daß die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele nur exemplarisch sind und nicht als den Umfang der Erfindung eingrenzend zu verstehen sind. Andere Varianten und Modifikationen können entsprechend dem Umfang der vorliegenden Endung vorgenommen werden.

Claims

Optisches Faserfilter zum Ermöglichen des Koppelns des größten Teils des sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁-Kernmodus mit einer bestimmten Betriebswellenlänge λ₀ mit einem bestimmten sich rückwärts ausbreitenden LP_1m-Mantelmodus, mit einem Stück einer monomodalen Faser (12) mit der Betriebswellenlänge λ₀, wobei das Faserstück aufweist: – einen lichtempfindlichen Kern (14) mit einem Brechungsindex n_co und einem Radius A, wobei der Kern (14) einen LP₀₁-Kernmodus mit einem effektiven Index von n_eff,01 hat, – einen den Kern seitlich umschließenden inneren Mantel (18) mit einem Brechungsindex n_ic, einem inneren Radius A und einem äußeren Radius AB, – einen äußeren Mantel (18), der den inneren Mantel seitlich umschließt, wobei der äußere Mantel einen inneren Radius AB, einen äußeren Radius B und einen Brechungsindex n_oc aufweist, wobei Δn₊ die Differenz zwischen n_co und n_oc ist, wobei der gesamte Mantel die Existenz eines oder mehrerer LP_1m-Mantelmodi durch adäquate Auswahl der opto-geometrischen Parameter des Stücks der monomodalen Faser (12) ermöglicht, und – ein azimutal asymmetrisches Gitter (20), das im mittleren photosensitiven Teil des Stücks der monomodalen Faser (12) ausgebildet ist und einen effektiven Neigungswinkel θ und eine Periode Λ aufweist, wobei Λ ≤ (λ₀ cosθ)/(2_neff,01); – wobei die verschiedenen opto-geometrischen Parameter des Stücks der monomodalen Faser (12) und des azimutal asymmetrischen Gitters (20) ferner derart gewählt sind, daß ein bestimmter LP_1m-Mantelmodus existiert, bei dem der maximale relative Kopplungskoeffizient (max(RCC_1m)) der Kopplung zwischen dem sich vorwärts ausbreitenden LP₀₁-Modus und dem sich rückwärts ausbreitenden LP_1m-Mantelmodus größer oder gleich 0,2 ist und bei dem das Verhältnis der Spitzenreflektivitäten (RR) des Mantelmodus Lei_m und des Kernmodus LP₀₁ größer oder gleich 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß – die Faser eine photosensitiv abgesenkte oder photosensitiv abgestimmte Innenmantelfaser ist, wobei wenigstens der Bereich des Mantels nahe dem Kern ebenfalls photosensitiv ist, wobei sich der photosensitive Mantelbereich bis zu einem Radius R_grat erstreckt und eine Lichtempfindlichkeit aufweist, die einen Bruchteil γ der Lichtempfindlichkeit des Kernbereichs beträgt.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die Faser eine abgesenkte Innenmantelfaser ist, wobei der innere Mantel eine Dicke W hat, wobei W = AB – A, und Δn_– die Differenz zwischen n_ic und n_oc ist und n_co > n_oc > n_ic, wobei die Werte von Δn₊, Δn_– und W die Existenz des LP_1m-Mantelmodus ermöglichen, wobei m ≥ 1.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem RR ≥ 3.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem 1° < θ < 10°.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Gitter ein "Chirped Grating" umfaßt.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Faser eine photosensitiv abgestimmte Innenmantelfaser ist und bei dem 1250 nm < λ₀ < 1600 nm, B ≈ 62,5 μm, Δn_– = 0, R_grat > 1,5 A, > 0,5, 4 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 2 μm < A < 8 μm.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Faser eine photosensitiv abgestimmte Innenmantelfaser ist und bei dem 800 nm < λ₀ < 1000 nm, B ≈ 62,5 μm, Δn_– = 0, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 2 μm < MFD < 30 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 1 μm < A < 8 μm.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Faser eine photosensitiv abgesenkte Innenmantelfaser ist und bei dem 1250 nm < λ₀ < 1600 nm, B ≈ 62,5 μm, W > 0,6 A, Δn_– = 0,003, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 4 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 2 μm < A < 8 μm.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Faser eine photosensitiv abgesenkte Innenmantelfaser ist und bei dem 800 nm < λ₀ < 1000 nm, B ≈ 62,5 μm, W > 0,6 A, Δn_– = 0,003, R_grat > 1,5 A, γ > 0,5, 2 μm < MFD < 13 μm, 0,003 < Δn₊ < 0,012 und 1 μm < A < 8 μm.
Bandpassfilter (100) mit dem Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Testsignalunterdrücker (200) mit dem Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verstärkungsabflachungsvorrichtung (300) mit dem Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9.