DE69903269T2

DE69903269T2 - Faseroptischen filter

Info

Publication number: DE69903269T2
Application number: DE69903269T
Authority: DE
Inventors: Liang Dong; Beatriz Ortega Tamarit; David Neil Payne
Original assignee: University of Southampton
Current assignee: University of Southampton
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1999-02-15
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: AU2535199A; JP2002503826A; GB9803275D0; WO1999041628A1; US6718107B1; CA2321038A1; EP1057056A1; DE69903269D1; EP1057056B1; CA2321038C

Description

Die Erfindung betrifft faseroptische Filter.
Es gibt viele Anwendungen für faseroptische Bandpaß- und Bandsperrfilter in optischen Fasersystemen, die das spektrale Filtern von optischen Signalen erlauben.
Ein Beispiel der Verwendung solcher Vorrichtungen ist das Filtern einer verstärkten spontanen Emission hinter einem erbiumdotierten Faserverstärker. Gegenwärtige kommerziell erhältliche Vorrichtungen, z. B. Vorrichtungen, die auf der Dünnfilmtechnologie basieren, Fabry- Perot-Faserinterferometer und seit kurzem Fasergitter in Kombination mit Zirkulatoren basieren irgendwie auf einigen voluminösen optischen Vorrichtungen und haben daher hohe Einfügungsverluste und sind teuer.
Verschiedene nur auf Fasern basierende Filter wurden vorgeschlagen, einer basiert auf einer fehlangepaßten Zwillingskern(TC)faser, die derart konstruiert ist, daß sie bei der Filterwellenlänge phasenangepaßt ist [s. die Veröffentlichungen 1, 2, 3]. Gitterunterstütztes Koppeln in einer fehlangepaßten Zwillingskernfaser kann ebenso verwendet werden, um ein Bandpaßfilter zu implementieren [4, 5]. Diese Techniken erfordern jedoch eine maßgeschneiderte Phase für jede mögliche Zentralwellenlänge und daher muß ein hoher Faservorrat aufgebaut werden. Ein Filter, der auf Zwillingskernfasern aufbaut, wurde vorgeschlagen, bei dem einer der Kerne Material enthält, das in der Lage ist, Licht von unerwünschten Wellenlängen, das in dem Kern vorhanden ist, zu absorbieren [12]. Das Licht absorbierende Material, das eingesetzt wird, begrenzt den Wellenlängenbereich, entlang dem dieser Filter arbeiten kann. Es gibt keine Technik, die die erforderliche Hochqualitätsausführung und Flexibilität und eine leichte Implementierung von Filtern bei jeder gewünschten Wellenlänge anbietet.
Kürzlich wurde, aufgrund des Interessenanstiegs für Wellenlängenmultiplexsysteme, der spektralabhängige Verlust mit konstruierten Profilen zu einem sehr interessanten Thema für viele, die einen IR-dotierten faseroptischen Verstärker mit großer Bandbreite durch Verstärkungsformung erzielen möchten. Die vorherrschende Technologie für das Erreichen von diesem Ziel waren bislang die photosensitiven Gitter langer Perioden, die in die Fasern geschrieben sind unter Verwendung eines UV-Lasers, um eine geführte Mode in eine Mantelmode einzukoppeln [6]. Dieses Verfahren erlaubt die genaue Steuerung der Filterantwort und kann daher die erforderlichen komplizierten Spektralverlustprofile implementieren. Die Antwort dieser Gitter ist jedoch hochempfindlich auf jede Veränderung des Brechungsindex des Kerns. Diese kann verursacht werden durch eine Temperaturänderung, durch Belastung oder Abnahme der lichtempfindlichen Indexveränderung und durch Ausdiffundieren von Wasserstoff, sofern Niedrigtemperaturhydrierung verwendet wurde. Dies macht es sehr schwierig, während der Fabrikation die endgültige Vorrichtungsanwort vorherzusagen und, was noch schlechter ist, andere Stabilisierungstechnologien müssen eingesetzt werden, um dieselbe Gitterantwort bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, z. B. einer Veränderung der Temperaturen oder der Belastung, beizubehalten. Um die Temperaturempfindlichkeit zu reduzieren, wurden speziell konstruierte Fasern verwendet [7, 8].
Es besteht somit ein Bedarf an faserbasierten Filtern mit reproduzierbaren optischen Eigenschaften.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Filters zur Verfügung mit einer zentralen Wellenlänge λ&sub0;', wobei das Verfahren aufweist:
(i) die Reduzierung des Radius einer fehlangepaßten Glasfaser mit mehreren Kernen mit einer Kernphasenanpassungswellenlänge vor der Radiusreduzierung von λ&sub0; und einem Querschnittradius vor der Radiusreduzierung von a&sub0; auf einen reduzierten Radius Ra&sub0;, wobei R = λ&sub0;'/λ&sub0; und
(ii) das einem Abschnitt der radiusreduzierten Faser mit mehreren Kernen zur Verfügung stellen von Verbindungen für Eingangs- und Ausgangslicht, so daß, wenn Eingangslicht in einen der Kerne des Faserabschnittes mit mehreren Kernen eingekoppelt wird, Ausgangslicht von einem der Kerne des Faserabschnittes mit mehreren Kernen austritt.
Die Erfindung stellt ein elegant einfaches Verfahren zur Herstellung von Bandverarbeitungs- (z. B. Bandpaß- oder Bandsperr-) Filter und ein entsprechendes Filter zur Verfügung.
Die Erfindung erkennt, daß die Kopplung zwischen Kernen einer optischen Faser mit mehreren Kernen (a) stark wellenlängenabhängig und (b) stark abhängig von dem Kernradius in der Faser mit mehreren Kernen ist. Wenn ein Bandpaß- oder Bandsperrfilter produziert wird durch das Koppeln von Licht von einem Eingangskern einer Faser mit mehreren Kernen in einen anderen Kern und durch Ausgeben von Licht von dem Eingangs- oder einem anderen Kern, so kann der Wellenlängenbereich, in dem dies stattfindet, durch Einstellen des Radius der Kerne der Faser mit mehreren Kernen gesteuert werden.
Die Erfindung erkennt weiterhin, daß ein eleganter und bequemer Weg hierfür ist, den Radius der Faser mit mehreren Kernen zu reduzieren, z. B. durch einen thermischen Prozeß. Dies stellt eine Reduktion des Gesamtfaserradius zur Verfügung, der leicht gemessen und vorhergesagt werden kann, dies stellt jedoch, was noch wichtiger ist, eine entsprechende Reduktion des Radius jedes Kernes der Faser mit mehreren Kernen zur Verfügung. Somit kann durch Erreichen des gewünschten Grades der Radiusreduzierung der Faser als Ganzes der gewünschte Kernradius leicht erreicht werden.
Dies unterscheidet sich stark von den beschriebenen Techniken, beispielsweise in der publizierten Referenz [2], in der die Faser ursprünglich Kerne hat, die so weit voneinander getrennt sind, daß im wesentlichen keine Kopplung auftritt. Eine Radiusreduzierung von 140 um auf 38 um ist in dieser Referenz erforderlich, um die Abschneidewellenlänge von 1 um auf 980 nm zu bewegen.
Der Fachmann wird erkennen, daß eine fehlangepaßte Faser mit mehreren Kernen eine ist, in der sowohl der effektive Radius als auch der effektive Brechungsindex zwischen den Kernen unterschiedlich ist. Der Fachmann wird ebenso erkennen, daß der Begriff "Filter" Einrichtungen mit einer Nettoverstärkung bei zumindest einigen Wellenlängen nicht ausschließt. Der Begriff "Filter" impliziert einfach eine Einrichtung mit einer wellenlängenabhängigen Antwort. In gleicher Weise läßt der Begriff "Zentralwellenlänge" nicht notwendigerweise auf eine symmetrische wellenlängenabhängige Antwort schließen. Es ist einfach ein Begriff, der im Stand der Technik breit gebraucht wird, um auf eine Wellenlänge Bezug zu nehmen, die im wesentlichen an dem (positiven oder negativen) Scheitelwert der Antwort der Einrichtung liegt.
Ausführungsformen der Erfindung können einen hoch reproduzierbaren und genauen Weg der Einstellung der Kopplungswellenlänge einer fehlangepaßten TC-Faser zur Verfügung stellen, was es erlaubt, daß die Kopplungswellenlänge genau bei einer Wellenlänge über einen Wellenlängenbereich von wenigen Hundert nm genau positioniert werden kann. Der Durchmesser der verwendeten TC-Faser wird auf einem Kopplungsgerät (coupler rig) reduziert. Die stark steuerbare Reduzierung des Durchmessers der TC-Faser wird verwendet, um die Kopplungswellenlänge der TC-Faser einzustellen.
Bei Prototypen wurde ein Einstellbereich von 550 nm nachgewiesen, der nur durch die verwendete Meßanordnung begrenzt wurde und nicht durch die Technik selbst.
Unter Verwendung von Ausführungsformen der Erfindung wurden Bandpaß- und Bandsperrfilter von sehr hoher spektraler Qualität als Prototypen implementiert, um die Möglichkeiten der Technik zu demonstrieren. Die genaue Einstelltechnik in Kombination mit der Einstellung der Filterstärke (oder des Löschverhältnisses) durch Einstellen der Länge der TC-Faser ermöglicht es, daß durch Vorsehen von verschiedenen Filtern in Reihe der spektral abhängige Verlust von verschiedenen Profilen implementiert wird, was die Genauigkeit und Flexibilität der Technik darstellt.
Die Filterantwort ist in Bezug auf Temperaturveränderung und Belastungsänderung intrinsisch sehr stabil, was eine leichte Montage erlaubt. Dies kommt daher, daß die Länge des Filters ein ungerades Vielfaches (z. B. 1) der Kopplungslänge zwischen den Kernen ist - im allgemeinen in der Größenordnung eines Zentimeters oder mehr. Geringfügige Veränderungen in der Länge aufgrund von Temperatur- oder Belastungsvariationen verschieben die Einrichtung einfach leicht von der Kopplungslänge weg (dies verändert die Kopplungswellenlänge nicht wesentlich, kann jedoch die Filterstärke leicht verändern). Ein Hauptvorteil ist, daß die Temperatur und die Belastung einen sehr kleinen Effekt auf die Kernparameter haben. Im Gegensatz dazu würden sie bei Gittervorrichtungen den Gitterabstand ändern, und bei interferometrischen Vorrichtungen würden sie die Resonanz der Vorrichtung verändern, wobei beides sehr viel stärker gegenüber winzigen Längenänderungen empfindlich ist. Vorrichtungen, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, können daher viel weniger empfindlich auf Umweltbedingungen sein, als bekannte interferometrische oder gitterbasierte Filter.
Die Erfindung stellt ebenso ein faseroptisches Filter zur Verfügung mit einer zentralen Wellenlänge λ&sub0;', wobei das Filter aufweist:
ein faseroptisches Filter mit einer zentralen Wellenlänge λ&sub0;', wobei das Filter aufweist:
eine fehlangepaßte Mehrkernglasfaser mit einem Querschnittsradius a&sub0; und einer Phasenanpassungswellenlänge des Kerns von λ&sub0;, wobei die Mehrkernglasfaser einen Abschnitt mit reduziertem Querschnittsradius a&sub0;' = Ra&sub0; hat, wobei R = λ&sub0;'/λ&sub0;, R kleiner als 0 ist; und
Verbindungen für Eingangs- und Ausgangslicht mit dem Mehrkernfaserabschnitt derart angeordnet sind, daß, wenn Eingangslicht in einen der Kerne des Mehrkernglasfaserabschnittes eingekoppelt wird, Ausgangslicht aus einem der Kerne des Mehrkernglasfaserabschnitts austritt.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet werden, und in denen:
Fig. 1 schematisch eine Zwillingskernfaser darstellt,
Fig. 2 schematisch eine Kopplungslänge in einer Zwillingskernfaser darstellt,
Fig. 3 schematisch einen Bandsperrfilter darstellt,
Fig. 4 schematisch die Antwort des Filters von Fig. 3 darstellt,
Fig. 5 schematisch ein Bandpaßfilter darstellt,
Fig. 6 schematisch die Antwort des Filters von Fig. 5 darstellt,
Fig. 7 schematisch eine Reihenanordnung von zwei Bandsperrfiltern darstellt,
Fig. 8 schematisch eine Reihenanordnung eines Bandsperrfilters und eines erbiumdotierten Faserverstärkers (EDFA) darstellt,
Fig. 9 schematisch das Verstärkungsprofil eines EDFA darstellt,
Fig. 10 schematisch die Antwort eines geeignet in Reihe geschalteten Bandsperrfilters darstellt,
Fig. 11 schematisch das resultierende Verstärkungsprofil der in Reihe geschalteten Anordnung von Fig. 8 darstellt,
Fig. 12 schematisch die Ausbreitungskonstanten einer TC-Faser darstellt,
Fig. 13 schematisch die Filtercharakteristik bei verschiedenen Radiusreduktionsverhältnissen darstellt,
Fig. 14 schematisch eine Einstellkurve eines TC-Filters darstellt,
Fig. 15 schematisch einen Verlustfilter darstellt, der aus drei TC-Filtern hergestellt ist,
Fig. 16 schematisch die Temperaturempfindlichkeit eines TC-Faserfilters darstellt,
Fig. 17 schematisch die Spannungsempfindlichkeit eines TC-Faserfilters darstellt,
Fig. 18 schematisch einen Zwillingskernfaserfilter mit teilweise reduziertem Radius darstellt,
Fig. 19 schematisch einen konischen Zwillingskernfaserfilter darstellt,
Fig. 20 schematisch ein apodisiertes Zwillingskernfaserfilter darstellt,
Fig. 21a und 21b schematisch den Effekt der Apodisation von Fig. 20 darstellen und
Fig. 22 eine Meßantwort ähnlich zu denjenigen von Fig. 4 und 6 darstellt.
Fig. 1 stellt schematisch eine Zwillingskernglasfaser dar, die aus einem zentralen Kern 10, einem Kern 20 außerhalb der Achse und einer Mantelregion 30 gebildet wird, der Kern 10 ist zentral innerhalb der Faser angeordnet, nur um das Verbinden zu Einzelkernfasern zu erleichtern.
Die Kerne sind zueinander fehlangepaßt. Die technische Signifikanz hiervon wird unten im Detail erörtert, es sei jedoch einstweilen bemerkt, daß der Effekt der Fehlanpassung der ist, daß Licht, das in einen der Kerne (z. B. den Kern 10) mit einer Kopplungswellenlänge eingekoppelt wird, sich in den anderen Kern während der Ausbreitung entlang einer Faserlänge, die als Kopplungslänge (LC) bezeichnet wird, einkoppelt. Diese Übertragung ist in Fig. 1 durch eine gepunktete Linie schematisch gezeigt. Die Kopplungslänge ist typischerweise in der Größenordnung von einigen wenigen mm bis zu einigen wenigen cm der Faser. Dies hängt natürlich jedoch von vielen Faktoren und Eigenschaften der Faser ab, wie z. B. der Kopplungsstärke und der Größe der optischen Mode.
Nachdem das Licht von der Faser 10 in die Faser 20 gekoppelt wurde, beginnt die Rückkopplung in die Faser 10 erneut im Verlauf einer Kopplungslänge. Dieses Hin- und Herkoppeln ist in Fig. 1 dargestellt. Der Faserabschnitt, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist etwa 2,5 LC lang, so daß Licht aus beiden Kernen an dem Ausgangsende der Faser austritt.
Fig. 2 stellt einen Faserabschnitt dar, dessen Länge LC ist. Hier wird Licht, das in den zentralen Kern mit der Kopplungswellenlänge eingekoppelt wird, völlig in den Kern, der außerhalb der Achse liegt, gekoppelt.
Die Theorie hinter diesem Kopplungsprozeß soll nun unter Bezug auf Fig. 12 beschrieben werden.
In einer fehlangepaßten TC-Faser mit Kernen mit entsprechenden Ausbreitungskonstanten β&sub1; und β&sub2; (β&sub1; > β&sub2;), Kernradien ρ&sub1; und ρ&sub2; und relativen Brechungsindexdifferenzen Δ&sub1; und Δ&sub2;, ist die Fehlanpassung zwischen den beiden Kernen im allgemeinen ausreichend groß, um jedes intrinsische Koppeln zwischen den zwei Kernen zu unterdrücken, wenn die Phasenanpassungsbedingung nicht erfüllt ist.
In solch einer Faser, wenn nicht phasenangepaßt, ähneln die fundamentalen Normalmoden der TC-Faser (gerade und ungerade Moden) stark jeder der Kernmoden, wenn die zwei Kerne in der Isolation sind, und wir können daher β&sub1; und β&sub2; als die Propagationskonstanten der zwei Moden verwenden, wobei eine gute Genauigkeit beibehalten wird. Dies vereinfacht die Analyse solcher Strukturen dramatisch.
Die TC-Faser kann konstruiert werden, um eine Phasenanpassung bei jeder Wellenlänge λ&sub0; zu erreichen, bei der die zwei Ausbreitungskonstanten gleich sind und β&sub1;(λ&sub0;) = β&sub2;(λ&sub0;). Fig. 12 stellt die Beziehung zwischen den Propagationskonstanten für die zwei Kerne und der Wellenlänge λ dar. Die Wellenlänge ist mit einer Größe V, die unten erörtert wird, durch die folgende Gleichung verknüpft:
V = 2πρ·NA/λ
Die Kopplung tritt über nur einen sehr kleinen Wellenlängenbereich auf. Daher gilt bei λ&sub0;:
V&sub1;, V&sub2;, U&sub1; und U&sub2; sind wie normalerweise in einer optischen Glasfaser für die zwei Kerne bei der Kopplungswellenlänge λ&sub0; definiert. Es ist klar, daß, wenn der Durchmesser der Faser von a&sub0; auf a&sub0;' = Ra&sub0; reduziert wird, dann die zwei Kernradien zu ρ&sub1;' = Rρ&sub1; bzw. ρ&sub2;' = Rρ&sub2; werden. Die Kopplungswellenlänge wird sich auf λ&sub0;' verändern mit der neuen Propagationskonstante bei der Kopplung von β&sub0;' = β&sub0;/R. V&sub1;, V&sub2;, U&sub1; und U&sub2; bleiben die gleichen. Es ist leicht, die neue Kopplungswellenlänge λ&sub0;' herauszuarbeiten.
λ&sub0;' = Rλ&sub0;
Diese Eigenschaft der Zwillingskernfaser kann verwendet werden, um Bandpaß- und Bandsperrfilter zu bilden. Fig. 3 stellt solch einen Bandsperrfilter dar.
In Fig. 3 wird Licht von einer Einzelkernfaser 40 in den zentralen Kern eines Abschnittes einer im Radius reduzierten Zwillingskernfaser 50 mit einer Länge LC eingekoppelt und Licht von dem zentralen Kern der Zwillingskernfaser 50 wird in eine Einzelkernausgangsphase 60 geleitet.
Die Zwillingskernfaser 50 wird aus einem Faserbestand gebildet mit einer ursprünglichen Kopplungswellenlänge λ&sub0;. Diese Faser wird dann im Radius reduziert, um den Faserradius um einen Faktor R zu reduzieren, so daß der neue (reduzierte) Radius A&sub0;' = Ra&sub0;, wobei a&sub0; der Radius vor dem radiusreduzierenden Prozeß ist. Die neue Kopplungswellenlänge λ&sub0;' ist dann einfach gleich Rλ&sub0;.
Fig. 4 stellt schematisch die Antwort dieses Filters dar. Bei Wellenlängen, die von der Kopplungswellenlänge λ&sub0;' entfernt sind, kann Licht einfach durch das System treten ohne in den Kern außerhalb der Achse der Zwillingskernfaser zu koppeln. Die Übertragung bei Wellenlängen, die von der Kopplungswellenlänge beabstandet sind, beträgt daher im wesentlichen 100%.
Bei der Kopplungswellenlänge λ&sub0;' wird jedoch Licht, das in den Zwillingskernfaserabschnitt 50 eingebracht wird, in dessen außermittigen Kern gekoppelt und erreicht daher nicht den Ausgang der Einzelkernfaser 60. Folglich ist bei und nahe der Kopplungswellenlänge ein scharfer Abfall in der Transmission. Es wird ein Bandsperrfilter gebildet.
Somit kann für einen gegebenen Faserbestand mit einer ursprünglichen Kopplungswellenlänge (meßbar unter Verwendung von Standardtechniken) der Grad der erforderlichen Radiusreduzierung R, um einen Filter mit einer niedrigeren Kopplungswellenlänge zu erzeugen, leicht wie oben beschrieben wurde, berechnet werden. Die Radiusreduzierung kann durchgeführt werden unter Verwendung einer konventionellen Schmelzverbindungseinrichtung (fused coupler rig), obgleich für besonders hoch auflösende Steuerung des Radius (z. B. für einige der Profile, die in den Fig. 18 bis 20 dargestellt sind) eine Laserheizeinrichtung verwendet werden kann, um lokal sehr kleine Bereiche der zu streckenden Faser aufzuheizen. Der tatsächliche Grad der angewendeten Radiusreduzierung R kann dann aus der angewendeten Faserverlängerung und der Länge des radiusreduzierten Bereichs vorhergesagt werden (diese Vorhersage ist eine verfügbare Möglichkeit auf manchen gegenwärtigen computergesteuerten Vorrichtungen) oder einfach gemessen werden durch Untersuchung der radiusreduzierten Faser unter Verwendung eines Meßmikroskops (travelling microscope) oder eines ähnlichen Instruments. Nachdem der gewünschte Grad der Radiusreduzierung R erzielt wurde, wird ein Abschnitt mit im wesentlichen gleichförmigem Durchmesser an einige Einzelkernfaserabschnitte verbunden, wie beschrieben wurde, um den Filter zu bilden. Dies stellt ein steuerbares und wiederholbares Verfahren für die Produzierung von Filtern bei einer gewünschten Wellenlänge zur Verfügung.
Fig. 5 stellt schematisch einen Bandpaßfilter dar, der gebildet wird aus einem Eingangsabschnitt 70 einer Einzelkernfaser, einem Zwillingskernfaserabschnitt 80 mit reduziertem Radius und einem Einzelkernfaserausgangsabschnitt 90. Der Eingangsabschnitt 70 ist mit dem zentralen Kern des Zwillingskernabschnitts 80 verbunden, und der Ausgangsabschnitt 90 ist mit dem außermittigen Kern des Zwillingskernabschnitts 80 verbunden.
Die Antwort des Filters von Fig. 5 ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. Bei der Kopplungswellenlänge koppelt Licht, das in den zentralen Kern des Abschnittes eingegeben wird, in den außermittigen Kern und geht so in die Ausgangsfaser 90 über. Daher ist bei der Kopp- lungswellenlänge die Transmission im wesentlichen 100%. Bei anderen Wellenlängen verbleibt das Licht in dem zentralen Kern des Zwillingskernfaserabschnitts 80 und tritt somit nicht in die Ausgangsfaser 90 ein. Dies bildet daher einen Bandpaßfilter.
Gemessene Antworten, die denen von den Fig. 4 und 6 entsprechen, jedoch für tatsächliche Prototypfilter gewonnen wurden, sind in Fig. 22 dargestellt.
Fig. 7 stellt schematisch eine Reihenanordnung von zwei Bandsperrfiltern dar. Eine Eingangsfaser 100 ist mit dem zentralen Kern eines ersten Zwillingskernabschnitts 110 verbunden, der zentrale Kern hiervon ist mit einem Verbindungsabschnitt einer Einzelkernfaser 120 verbunden. Der Verbindungsabschnitt 120 ist mit dem zentralen Kern eines zweiten Zwillingskernfaserabschnitts 130 verbunden, wobei der zentrale Kern hiervon mit einer Ausgangsfaser 140 verbunden ist. Die Wellenlängenantwort von solch einem zusammengesetzten Filter wird grundlegend die gleiche sein wie die des Filters von Fig. 3, es können jedoch komplexere Filterantworten implementiert werden. Weitere Abschnitte können auf diese Art und Weise kaskadiert werden.
Eine Verwendung dieser Filter ist es, die Verstärkung eines erbiumdotierten Faserverstärkers (EDFA) zu egalisieren. Fig. 8 stellt schematisch eine Reihenanordnung eines Bandsperrfilters 150 und ein EDFA 160 dar.
EDFAs haben typischerweise Verstärkungsprofile, die weit davon entfernt sind, flach zu sein. Fig. 9 stellt schematisch ein hypothetisches Beispiel eines EDFA-Verstärkungsprofils dar.
Für Wellenlängenmultiplexanwendungen ist es von großem Vorteil, ein flaches Verstärkungsprofil zu haben. Folglich können, um das Profil von Fig. 9 zu egalisieren, ein oder mehrere Bandsperrfilter angeordnet werden, um ein Profil zur Verfügung zu stellen, das im wesentlichen das Inverse der Irregularitäten in dem Verstärkungsprofil des EDFAs ist. Solch eine Anordnung ist schematisch in Fig. 10 gezeigt, in der drei Bandsperrfilter verwendet werden, um ein zusammengesetztes Übertragungsprofil zur Verfügung zu stellen, das ungefähr das Inverse des Verstärkungsprofils von Fig. 9 ist. Fig. 11 zeigt (in einem idealen Fall) das zusammengesetzte Verstärkungsprofil der Anordnung von Fig. 8, das resultieren würde.
Es werden nun Prototypen und Tests, die auf diesen durchgeführt wurden, beschrieben.
Bei den TC-Fasern, die in den prototypischen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wurden, ist ein Kern im Zentrum der Faser angeordnet, um die Anbindung zu erleichtern. Die Kopplungswellenlänge der Originalfaser liegt bei 1,394 um. Die Faser hat einen Manteldurchmesser von 125 um. Die Radiusreduzierung der TC-Faser wird auf einer Kopplungseinrichtung (coupler rig) mit einem Sauerstoffbutanbrenner und einer computergesteuerten linearen Translationsstufe durchgeführt. Während des radiusreduzierenden Prozesses fährt der Brenner vor und zurück über eine Distanz von bis zu 7 cm mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/s. Die Translationsstufe streckt die Faser mit einer Rate von 0,05 mm/s. Das Verfahren wird gestoppt, sobald die gewünschte Elongation erreicht wird, um das gewünschte Radiusreduzierungsverhältnis zu erzielen.
Nur der zentrale Teil der radiusreduzierten Faser von garantiertem gleichmäßigem Durchmesser wird verwendet. Er wird im folgenden getrennt, und der zentrale Kern der radiusreduzierten TC-Faser wird an eine andere Einzelkern(SC)faser angebunden. Weißes Licht von einer Wolframlampe wird in die SC-Faser eingegeben, wobei der Ausgang von den zwei Kernen der TC-Faser dann gemessen wird. Dies wird durchgeführt durch Zusammenfügen des getrennten Endes der radiusreduzierten TC-Faser mit einer SC-Faser auf einem manuellen Schmelzverbinder. Die Länge des radiusreduzierten TCs wird durch nachfolgendes Schneiden eingestellt, um eine gewünschte Kopplungsstärke von einem Wert bis zu 100% zu erzielen. Dieses zweite Ende der TC-Faser kann dann mit einer anderen SC-Faser verbunden werden. Um einen Bandpaßfilter zu erreichen, wird der außermittige Kern mit der SC-Faser verbunden. Um einen Bandsperrfilter zu erreichen, wird der zentrale Kern angeschlossen.
Ein Prototypfilter, der auf diese Art und Weise hergestellt wurde, zeigte eine Temperaturempfindlichkeit von ~0,26 nm/100ºC und eine Spannungsempfindlichkeit von weniger als 0,075 nm/mStrain [Der Begriff "mStrain" stellt eine Bruchteilspannung von 10&supmin;³ dar.] bei 1,55 um (die Grenze der Auflösung der verwendeten Meßanordnung - theoretisch könnte sie um eine Größenordnung besser sein). Beide Spezifikationen zeigen eine verbesserte Stabilität gegenüber der Umgebung und verglichen mit einem Bragg-Fasergitter (~1,0 nm/100ºC und ~1,2 nm/mStrain bei 1,55 um). Die Bandbreite der Filter wird durch die Konstruktion der Faser bestimmt, obgleich mehrere Kopplungszyklen und/oder kaskadierte identische Filterabschnitte verwendet werden können, um die Bandbreite für dieselbe Faser zu verringern. Die zur Zeit erreichte FWHM-Bandbreite beträgt ~15 nm, dies sollte jedoch durch Verwendung einer TC-Faser, die auf einer Auftragung der Propagationskonstanten gegenüber λ (s. Fig. 12) einen größeren Schnittwinkel der Propagationskonstanten hat, leicht auf ~5 nm reduziert werden können.
Ein typischer Ausgang von beiden Kernen der TC-Faser bei unterschiedlichen Wert von R ist in Fig. 13 aufgetragen. Es ist klar, daß ein Einstellbereich von zumindest 550 nm leicht mit Charakteristiken hoher Qualität erreicht wird. Die obere Grenze wird durch die Kopplungswellenlänge der ursprünglichen Faser gesetzt. Diese kann auf ~1,6 um eingestellt werden, um jede oder die meisten Wellenlängen bis zu 1,6 um zu decken. (Aus der vorherigen Beschreibung kann entnommen werden, daß die Zentralwellenlängen des Filters nicht höher sein werden als die ursprüngliche Kopplungswellenlänge der Zwillingskernfaser.) Eine Länge von 1 bis 2 cm der TC-Faser ist erforderlich, um 100% Kopplung zu erreichen, und die FWHM-Bandbreite des Filters beträgt typischerweise 15 nm. Die Einstellkurve ist in Fig. 14 gegeben zusammen mit einer theoretischen Voraussage als durchgezogene Linie.
Um die Steuerbarkeit des Prozesses zu demonstrieren, wurden drei Filter mit einem sich geringfügig überlappenden Profil hergestellt, um ein komplexes Kopplungsprofil zu konstruieren, wobei das Radiusreduzierungsverhältnis verwendet wurde, um die Zentralwellenlänge und die Länge der radiusreduzierten TC-Faser zu steuern, um die Filterstärke zu steuern. Ein komplexes Verlustspektrum für die Verstärkungsabflachung von erbiumdotierten Faserverstärkern kann auf diese Art und Weise konstruiert werden durch Anordnen von ein paar dieser Filter in Reihe (wie unter Bezug auf die Fig. 7 bis 11 oben beschrieben wurde). Ein gemessenes komplexes Verlustspektrum, das durch drei Filter hergestellt wurde, ist in Fig. 15 gezeigt. Es ist möglich, eine einfache Formel für das Berechnen der Temperatur- und Belastungsempfindlichkeit der Kopplungswellenlänge herzuleiten, wenn wir annehmen, daß die beiden Kerne die selben Spannungs- oder thermisch optischen Koeffizienten haben und den kleinen Effekt auf U&sub1; und U&sub2;, der aus einer Veränderung von V&sub1; und V&sub2; resultiert, ignorieren. Wenn wir annehmen, daß Δ&sub1; und Δ&sub2; durch eine Veränderung in der Temperatur oder der Spannung um ∂Δ&sub1; bzw. ∂Δ&sub2; verändert werden, und k = ∂Δ&sub1;/∂Δ&sub1; = ∂Δ&sub2;∂Δ&sub2;, kann die Veränderung in λ&sub0; leicht berechnet werden zu:
Für eine Temperaturänderung k = ξco - ξcl, wobei xco - xcl und ξcl jeweils thermisch-optische Koeffizienten für den Kern und das Mantelglas sind. Im Falle einer Spannungsveränderung, k = xco - xcl, wobei xco und xcl die jeweiligen effektiven photoelastischen Koeffizienten für den Kern und das Mantelglas sind. Wir verwenden den thermisch optischen Koeffizienten in einem 8 Mol.-% Germanosilikatglas bei 1,3 um und 250ºC [9] für den Kern, ξco = 8,17 · 10&supmin;&sup6; und für den Quarzglasmantel bei 1,47 um, ξcl = 1,15 · 10&supmin;&sup5; [10]. Dies führt zu ∂Δ&sub0;/∂Δ&sub0; = 1,7 · 10&supmin;&sup6;, d. h. 0,26 nm/100ºC bei 1.550 nm. Für Silikat bzw. Siliciumdioxid beträgt der effektive photoelastische Koeffizient xcl = -0,22. Wir haben aus den Messungen der Bragg-Gitterspannungsempfindlichkeit in Referenz [11] den effektiven photoelastischen Koeffizient für germaniumdotiertes Silikatglas zu xco = -0,23 abgeleitet. Dies ergibt ∂Δ&sub0;/∂Δ&sub0; = 5 · 10&supmin;&sup6;/mStrain, d. h. 7,75 · 10&supmin;³ nm/mStrain.
Um die vorhergesagte Temperatur- und Spannungsstabilität zu bestätigen, wurde ein Filter in einen Rohrofen gestellt und wurde auf 700ºC aufgeheizt, währenddessen sein Transmissionsspektrum überwacht wurde. Drei solcher Spektren bei 20ºC, 400ºC und 700ºC sind in Fig. 16 gezeigt, die die hohe Stabilitätsnatur der Vorrichtung, die bei verschiedenen Temperaturen betrieben wird, sowohl hinsichtlich der Wellenlänge als auch der Stärke demonstriert. Eine Steigung von 0,24 nm/100ºC wurde gemessen (Einsatz in Fig. 16), was sehr nahe an den vorhergesagten 0,21 nm/100ºC bei dieser Wellenlänge ist. Die Transmission eines Filters bei Null-Spannung (gestrichelte Linie) und bei 3,3 mStrain (durchgezogene Linie) sind in Fig. 17 gezeigt, was die extrem niedrige Spannungsempfindlichkeit zeigt. Tatsächlich ist die Wellenlängenverschiebung unterhalb unserer Meßgenauigkeit. Die abgeschätzte Spannungsempfindlichkeit von dieser Messung liegt unter 0,075 nm/mStrain. Die Temperatur- und Spannungsempfindlichkeit sind viel besser als bei Faser-Bragg-Gittern.
Zusammenfassend können Ausführungsformen der Erfindung einen reproduzierbaren und genauen Weg zum Einstellen der Kopplungswellenlänge eines fehlangepaßten Zwillingskernfilters zur Verfügung stellen. Dies erlaubt es, daß nur aus Fasern bestehende Bandpaß- oder Bandsperrfilter hoher Qualität mit fester Wellenlänge mit niedrigem Verlust bei jeder gewünschten Wellenlänge über einen Bereich von ein paar Hundert Nanometern aus der selben Faser implementiert werden können. Eine Einstellung im 550 nm-Bereich wurde demonstriert, begrenzt nur durch die Meßanordnung, nicht durch die Technik selbst. Die hochgenaue Steuerung der Filterwellenlänge in Kombination mit der Steuerung der Filterstärke, die durch Auswahl der Länge der Zwillingskernfasern erreicht wurde, erlaubt die Implementierung von komplexen Bandpaß- oder Bandsperrfiltern durch Anordnen dieser Filter in Reihe. Diese Filter sind derart unempfindlich gegenüber Temperatur (~0,26 nm/100ºC bei 1,55 um) und Spannung (7,8 · 10&supmin;³ nm/mStrain bei 1,55 um), so daß eine leichte und gegenüber der Umwelt unempfindliche Montage möglich ist.
Fig. 18 stellt schematisch einen Filter aus einer Zwillingskernfaser mit teilweise reduziertem Radius dar. Ein Abschnitt der Zwillingskernfaser wurde im Radius reduziert, um die Filterfunktion zur Verfügung zu stellen.
Fig. 19 stellt schematisch ein konisches Zwillingskernfaserfilter dar. Durch das Bereitstellen der variierenden Radiusreduktion (ein Konus in diesem Beispiel) entlang zumindest einem Teil der Länge der Zwillingskernfaser wird ein breiteres Bandfilter erzielt. Andere konische oder radiusvariierende Profile können verwendet werden.
Fig. 20 zeigt schematisch ein apodisiertes Zwillingskernfaserfilter. Hier ist der Faserradius entsprechend eines gekrümmten (nicht geradlinigen) Apodisationsprofils variiert. Der Effekt hiervon ist in den Fig. 21a und 21b dargestellt. Fig. 21a stellt schematisch die Antwort eines Filters ohne Apodisation dar, und Fig. 21b stellt die entsprechende Antwort eines apodisierten Radiusfilters dar, um die Reduktion in den Seitenkeulen der Antwort zu demonstrieren.
In anderen Ausführungsformen können bekannte Dotierstoffe und Pumpanordnungen verwendet werden, so daß die Vorrichtung eine Nettoverstärkung zumindest bei einigen Wellenlängen hat. In anderen Ausführungsformen kann ein Absorber oder ein Verstärkungsmedium nur auf den Kern angewendet werden, in den kein Licht eingegeben wird, so daß das gekoppelte Licht eine Abschwächung oder Verstärkung gegenüber dem nichtgekoppelten Licht erfährt.
In weiteren Ausführungsformen können mehr als zwei Kerne in der Mehrkernfaser verwendet werden.

REFERENZEN

1. D. Marcuse, Electronics Letters, 21, Seiten 726-727, 1985.
2. T. Tjugiarto et al, Electronics Letters, 29, 1077 (1993).
3. G, Grasso et al, Proceedings of Optical Fibre Communication Conference, 195 (1991).
4. L. Dong et al, Journal of Lightwave Technology, 12, 24 (1994).
5. L. Dong et al, IEEE Photonics Technology Letters, 8, 1996, Seiten 1656-1658.
6. A, M. Vengsakar et al, Journal of Lightwave Technology, 4, Seiten 58-65, 1996.
7. J. B. Judkins et al, Proceedings of Optical Fibre Communication Conference, PDI, 1996.
8. K. Shima et al, 1997 OSA Technical Digest Series, 6, Seiten 347-348, 1997.
9. C. E. Lee et al, Optics Letters, 13, Seiten 1038-1040, 1988.
10. N. P. Bansal et al: "Handbook of Glass Properties", Academic Press, 1986.
11. W. M. Morey et al, Proceedings of SPIE, Self Calibrated Intelligent Optical Sensors and Systems, SPIE-2694, Seiten 90-98, 1995.
12. EP 0,417,441 A1.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Glasfaserfilters mit einer zentralen Wellenlänge λ&sub0;'. wobei das Verfahren aufweist:

(i) die Reduzierung des Radius einer fehlangepaßten Glasfaser mit mehreren Kernen mit einer Kernphasenanpassungswellenlänge vor der Radiusreduzierung von λ&sub0; und einem Querschnittsradius vor der Radiusreduzierung von a&sub0; auf einen reduzierten Radius Ra&sub0;, wobei R = λ&sub0;'/λ&sub0; und

(ii) das einem Abschnitt der radiusreduzierten Faser mit mehreren Kernen zur Verfügung stellen von Verbindungen für Eingangs- und Ausgangslicht, so daß, wenn Eingangslicht in einen der Kerne (10, 20) des Faserabschnittes mit mehreren Kernen eingekoppelt wird, Ausgangslicht von einem der Kerne (20, 10) des Faserabschnittes mit mehreren Kernen austritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Glasfaser mit mehreren Kernen eine Zwillings- bzw. Zweikernfaser (50) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem der Abschnitt der Mehrkernfaser im wesentlichen eine Kopplungslänge lang ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Schritt (ii) aufweist:

Verbinden des Eingangs (40) und des Ausgangs (50) von Fasern mit einem Kern, mit Eingangs- und Ausgangsenden des Faserabschnittes mit mehreren Kernen, so daß der Kern von jeder Faser mit einem Kern im wesentlichen mit einem der Kerne des Mehrkernfaserabschnittes ausgerichtet ist.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, welches das Verbinden von zwei oder mehreren Mehrkernfaserabschnitten (110, 130) in einer Reihenanordnung aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, in dem:

in Schritt (ii) die Verbindungen für Eingangs- und Ausgangslicht derart zur Verfügung gestellt werden, daß, wenn Eingangslicht in einen der Kerne (10) des Mehrkernfaserabschnittes eingekoppelt wird, Ausgangslicht von einem der anderen Kerne (20) des Mehrkernfaserabschnitts austritt.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem:

in Schritt (ii) die Eingangs- und Ausgangslichtverbindungen derart zur Verfügung gestellt werden, daß, wenn Eingangslicht in einen der Kerne (10) des Mehrkernfaserabschnittes eingekoppelt wird, Ausgangslicht von dem gleichen Kern des Abschnitts der Mehrkernfaser austritt.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der Abschnitt eine Abschnittslänge hat, die im wesentlichen gleich einem ungradzahligen Vielfachen einer Lichtkopplungslänge zwischen den Faserkernen ist.

9. Verfahren nach einen der vorherigen Ansprüche, bei dem Schritt (i) die Reduzierung des Radius nur eines Teils der Mehrkernglasfaser aufweist.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, im dem Schritt (i) die Reduzierung des Radius der Mehrkernglasfaser aufweist, um eine ungleichmäßige Variation des Radius entlang des Abschnittes der Mehrkernfaser zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, in dem die ungleichmäßige Variation des Radius im wesentlichen eine lineare Verjüngung des Mehrkernfaserabschnittes bildet.

12. Verfahren nach Anspruch 10, in dem die Variation des ungleichmäßigen Radius im wesentlichen ein Apodisationsprofil des Mehrkernfaserabschnittes bildet.

13. Glasfaserfilter bzw. faseroptischer Filter mit einer zentralen Wellenlänge λ&sub0;', wobei das Filter aufweist:

eine fehlangepaßte Mehrkernglasfaser mit einem Querschnittsradius a&sub0; und einer Anpassungswellenlänge der Kernfaser von λ&sub0;, wobei die Mehrkernglasfaser einen Abschnitt mit reduziertem Querschnittsradius a&sub0;' = Ra&sub0; hat, wobei R = λ&sub0;'/λ&sub0;, R kleiner als null ist und

die Verbindungen mit dem Mehrkernfaserabschnitt für Eingangs- und Ausgangslicht derart angeordnet sind, so daß, wenn Eingangslicht in einen der Kerne (10, 20) des Mehrkernglasfaserabschnittes eingekoppelt wird, Ausgangslicht aus einem der Kerne (20, 10) des Mehrkernglasfaserabschnitts austritt.

14. Filter nach Anspruch 13, in dem zumindest ein Kern eines Mehrkernglasfaserabschnittes mit einem absorbierenden oder verstärkenden Medium dotiert ist.