KR20060066614A - 분극 비반응 마이크로벤드 섬유 격자 및 상기 격자를이용한 장치들 - Google Patents

분극 비반응 마이크로벤드 섬유 격자 및 상기 격자를이용한 장치들 Download PDF

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Abstract

마이크로벤드 유도 섬유 격자(microbend-induced fiber grating)는, LP1m 모드의 TE 및 TM 성분들에 의해 지원되는 공진 파장들과 LP1m 모드의 기수/우수 HE2m 성분들에 의해 지원되는 공진 파장들 사이의 "분리(splitting)"을 나타내도록 구성된 광학 섬유의 단면으로 형성된다. 단지 TE 및 TM 성분들만이 분극에 종속되기 때문에, 기수/우수 HE 모드들에 의해 지원되는 시스템이 원하는 파장(들)으로부터 떨어진 이들 모드들에 대한 공진 파장을 분리하고 시프트함으로써, 분극 비반응(polarization insensitive) 마이크로벤드 유도 섬유 격자가 형성될 수 있다. 중심 코어 영역, 트렌치 및 링을 포함하는 섬유 코어 구성은, (바람직하지 않게, 분극에 반응하는) TE/TM 모드들 및 HE 모드들 사이에서 원하는 분리를 제공하도록, 링 인덱스 및 트렌치 인덱스 사이의 상당히 가파른 전이를 갖는 코어 굴절율 프로파일에서의 큰 반경 기울기를 나타내도록 형성된다.
마이크로벤드, 섬유 격자, 광섬유

Description

분극 비반응 마이크로벤드 섬유 격자 및 상기 격자를 이용한 장치들{POLARIZATION INSENSITIVE MICROBEND FIBER GRATINGS AND DEVICES USING THE SAME}
도 1a 및 도 1b는 LP01 및 LP11 모드들에 대한 방사도(도 1a) 및 세기도(도 1b)를 도시하는 도면.
도 2는 도 2b의 스칼라 표현의 쌍과 함께 LP11 모드의 4개의 모드들의 벡터 표현(도 2a)을 도시하는 도면.
도 3은 3개의 위상 매칭 곡선들 세트에 대한 스펙트럼들(평행 및 수직 분극 모두에 대해)의 그래프를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자(MIG)에 대한 이상적인 형태의 굴절율 프로파일을 도시하는 도면.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 분극 비반응 MIG의 실험적으로 측정된 특성들을 도시하는 도면.
도 6은 분극의 수직 및 평행 상태들을 따르는 예시적인 입력 신호에 대한 분극 세기도, 즉 "힘"을 도시하는 도면.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따라 형성된 분극 비반응 MIG의 제 2 실시예에 대한 상대적 인덱스 및 위상 매칭 곡선들을 도시하는 도면.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따라 형성된 섬유로 마이크로벤드들을 형성/유도하기 위한 4가지 예시적인 기술들의 세트를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명에 따라 형성된 분극 비반응 MIG들의 캐스캐이드된 세트(cascaded set)를 포함하는 시스템을 도시하는 도면.
도 10a 내지 도 10c는 가변 광학 감쇠기 같은 본 발명의 분극 비반응 MIG를 사용하는 다양한 실시예들을 도시하는 도면.
도 11a 및 도 11b는 광학 스위치 같은 분극 비반응 MIG의 사용을 도시하는 도면.
도 12a 및 도 12b는 모드 컨버터들(정적 또는 동적 모드 컨버터들) 같은 본 발명의 분극 비반응 MIG 세트의 사용을 도시하는 도면.
*발명의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
40-1 내지 40-5 : MIG 42 : 루프
본 발명은 마이크로벤드 섬유 격자에 관한 것으로, 특히 HE 모드만이 해당 공진 파장(들)에 대해 존재하도록, 유일하게 구성된 섬유에서 HE 및 TE/TM 벡터 모드들을 의도적으로 분리함으로써 분극 비반응 마이크로벤드 섬유 격자들을 형성하는 것에 관한 것이다.
동조가능한 광대역 모드 컨버터들은 파장 분할 멀티플렉스된(WDM) 광학 통신 시스템들에서 중요한 역할을 한다. 상기 컨버터들은 예를 들어 "극히 소수의 모드" 섬유중 하나의 모드에서 다른 공간 모드로 전파(propagate)하는 광파 신호를 동적으로 전환하기 위해 사용된다. 상기 결합은 대안적 경로(섬유에서 다른 공간 모드에 의해 정의됨)가 바람직한 분산, 비선형성 또는 증폭 특성들을 가질 수 있기 때문에, 광파 신호가 취하는 경로를 변경하기 위해 관심이 있다. 이것의 예는 고차 모드(higher-order-mode; HOM) 분산 보상기이고, 여기서 전체 통신 대역의 광은 인입 LP01 모드에서 LP11 또는 LP02 모드 같은 고차 모드로 스위칭된다.
일반적인 측면에서, 긴 주기 격자들(long-period gratings; LPG들)은 광섬유의 하나의 모드에서 다른 모드로 전력을 전달하기 위해 위상 매칭 결합을 제공하는 모드 전환 장치들이다. 이것은 파장 선택 손실을 생성하기 위해 본래 전송 섬유들의 가이드된 모드와 클래딩(cladding) 모드 사이의 결합에 특히 유용한 것으로 증명되었다. 광학 통신 시스템들에서, LPG들은 WDM 통신 신호의 파장 선택 감쇠를 제공하는 장치들을 광범위하게 구현하기 위해 사용되었다. LPG의 스펙트럼 특성들의 동적 동조가 제안되었고 다양한 동적 동조 기술들이 설명되었다. 특히, 코어 모드를 클래딩 모드에 결합한 LPG들은 섬유의 클래딩 모드와 상호반응하는 외부 또는 내부 클래딩 재료의 굴절율을 변조함으로써 동적으로 동조될 수 있다. 마이크로벤드 유도 섬유 격자(MIG)는 동적 LPG중 하나의 유형이고 여기서 굴절율의 섭동(perturbation)은 섬유의 주기적 "마이크로벤딩(microbending)"에 의해 유도된다. 특히, MIG의 결합 세기는 섬유에 인가된 압력을 변화(예컨대, 정의된 주기성의 주름진 표면을 갖는 섬유를 압축함)시키거나 전파하는 음향파의 세기를 변화시킴으로써 동조될 수 있다.
하기에 설명될 바와 같이, MIG들은 몇몇 바람직한 장치 애플리케이션을 갖는다. 예를 들어, 공동-전파 모드들 중 하나가 단일 모드 섬유의 기본 모드이고 다른 것은 클래딩-가이드된 모드일때, MIG들은 광대역 광이 단일 모드 섬유를 통하여 전송될때 파장 의존 손실 스펙트럼들을 형성한다. 파장-의존 손실은 이득 평등화 필터들, 광대역 광파 장치들용 스펙트럼 성형기들, 증폭된 자연광 필터들, 섬유 레이저들의 동작 파장을 안정화하는 손실 필터등과 같은 몇 가지 장치 효과들에 유용한 것이 알려져있다. 한편, 만약 공동-전파 모드들 모두가 섬유의 코어 영역으로 가이드되면, MIG 들은 고차 모드 전환, 가변 광학 감쇠 등 같은 애플리케이션들을 갖는 상기된 바와 같은 효율적인 모드 전환을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
MIG들의 사용시 한가지 단점은 격자가 완전히 원형 섬유로 유도될때조차 고유 분극 감도가 있다는 것이다. 도 1 및 도 2의 모드 묘사들은 이러한 현상을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 상기된 마이크로벤드 유도 섬유 격자는 원형 대칭 및 분극 퇴보 모드(polarization degenerate mode)(도 1a 및 도 1b에 도시된 LP01 모드와 같은)를 안티-대칭 LP1m 모드들(도 1a 및 도 1b의 LP11 모드와 같은)과 결합할 것이고, m은 안티 대칭 모드의 반경 차수(order)를 정의한다. 도 2를 참조하여, LP11 모드는 벡터 모드들 TE01, TM01 및 기수 및 우수 HE21 모드들을 포함하는 4 개의 폴드 퇴보를 처리하는 것으로 도시되었다. 반경 인덱스 변화들을 처리하는 임의의 섬유 도파관(waveguide)(코어/클래딩 경계를 정의하기 위해 필요함)에서, 이들 4개의 모드들은 약간 다른 전파 상수들을 나타내는 것으로 알려졌다. 따라서, 주어진 격자 주기(Λ)는 여러가지 모드들 각각에 대하여 약간 다른 공진 파장들을 나타낸다. 기본 모드의 여러 분극 방향들이 4개의 모드들에 대하여 다른 여기 레벨들(excitation levels)을 유발할 것이기 때문에, 최종 결합 스펙트럼은 분극에 의존할 것이다 - "분극 비반응(polarization insensiive)" 응답이 종종 필요한 조건인 경우, 섬유 광학 시스템들에서 MIG들의 응용성을 심하게 제한하기 때문에 원하지 않는 결과가 발생할 것이다.
MIG 들의 분극 반응을 감소시키는 종래 시도들은 일반적으로 3개의 클래스들에 속한다: (1) 원형 대칭 마이크로벤드들을 발생하기 위해 섬유 주변에 나선형으로 얇은 와이어들을 감음으로써 섬유의 2개의 수직 횡방향 축들을 따라 마이크로벤드들을 유도하는 클래스; (2) 극히 얇은 섬유들로 MIG들을 형성하는 클래스(기수/우수 HE 모들에만 결합함) 및 (3) 분극 의존 손실들을 보상하기 위해 외부 성분들을 사용하는 시스템으로 분극 변화를 도입하는 클래스. 제 1 해결책을 살펴보면, 엄격한 각도 허용오차들을 갖는 비싸고 복잡한 주름진 블록들의 정밀한 기계 가공을 포함한다는 측면에서 제한이 이루어진다는 것이 발견되었다. 부가적으로, 분극 회전은 마이크로벤드들의 하나의 세트로부터 마이크로벤드들의 수직 세트로 광이 횡단할때 분극 회전이 발생하지 않는 것을 보장할 필요가 있다. 제안된 나선형 마이크로벤드들의 사용은 각각의 장치(높은 레벨의 정밀도를 요구하는 각각의 장치를 가짐)에 대한 개별적인 어셈블리를 요구하고 MIG들의 기본적 특징인 "세기 동조"를 제공할 수 없다. 제 2 클래스의 해결책들에서 요구된 바와 같은 극히 얇은 섬유들의 사용은 "실세계" 시스템 애플리케이션들에서 소용이 없고 극히 얇은 섬유에 대한 주름진 블록을 압축하는 작용은 다수의 신뢰성 및 양산 문제들을 도입하기 때문에 음향-광학 구조들에만 사용될 수 있다. 제 3 클래스의 해결책들(분극 변화)은 한쌍의 수직 신호들을 형성하기 위해 순환기 및 분극 빔 분리기와 관련하여 분극 상태(SOP)를 회전시키도록 패러데이 회전자 미러 같은 장치의 사용을 요구한다. 정말로, 한쌍의 필수적으로 동일한 MIG들은 요구되고, 각각은 수직 성분들중 각각의 하나에서 작용한다. 이 방법은 시스템에 큰 손실, 비용 및 크기를 부가하는 것으로 고려된다.
따라서, 종래 기술에 있어 요구되는 것은 다양한 시스템 애플리케이션들에서 유용한 분극 비반응적이고, 섬유(예를 들어, 음향-광학 섬유, 주름진 블록들, 영구적으로 에칭된 격자들 등)에 마이크로벤드들을 유도하기 위해 사용된 구조와 무관하게 분극 비반응성을 제공하는 마이크로벤드 유도 섬유 격자를 제공하는 것이다.
종래 기술에 있어 요구되는 것은, 섬유 격자들을 마이크로벤드하는 것에 관한 것이고, 특히 단지 HE 모드들만이 관심있는 공진 파장(들)을 위해 제공되도록 유일하게 구성된 섬유에서 HE 및 TE/TM 벡터 모드들을 의도적으로 분리하는 분극 비반응 마이크로벤드 섬유 격자들을 형성하는 것에 관한 본 발명에 의해 처리된다.
본 발명은 광파 결합이 HE 기수/우수 모드들에만 발생하도록 제한되면 마이크로벤드 섬유 격자가 고유 분극에 반응하지 않게 만들어질 수 있다는 발견에 기초한다. 통상적으로, TE01, TM01 모드들의 전파 상수들은 HE21 모드들(여기서 기수/우수 HE 모드들은 동일한 전파 상수를 나타낸다)의 쌍의 전파 상수와 약간 다르다. 전파 상수들의 차이는 매우 작고, 상기 섬유들에 형성된 균일한 마이크로벤드 유도 섬유 격자에 대한 대응하는 공진 파장들은 입력 광의 다양한 분극 상태(SOP들)에 대해 약 0.2 내지 5.0nm 만큼 다르다. 이런 차이(이후 "파장 분리(wavelength splitting)"라 함)는 비교적 작고, 10dB 이상의 분극 종속 손실들을 유도하기에 충분히 크다.
본 발명에 따라, 섬유는 실질적으로 큰 반경 기울기를 나타내기 위해 섬유 코어의 굴절율 프로파일을 설계함으로써 원하는 파장 분리를 제공하도록 구성된다. 특히, 섬유 코어는 중심 코어 영역, 상기 중심 코어 영역을 둘러싸는 트렌치 및 상기 트렌치를 둘러싸는 링을 포함하는 것으로 정의된다. 코어의 각각의 부분은 굴절율(Δn) 및 반경(r)에 의해 정의되고, 굴절율은 실리카의 굴절율("O"으로서 정의됨)에 관련하여 "굴절율 차이"로서 정의되고 따라서 상기 반경은 특정 영역의 두께를 정의한다. 다음 파라미터들은 본 발명의 원하는 파장 분리를 나타내는 섬유를 형성하기 위해 동시에 만족되는 설계 규칙들로서 사용된다 : (1) 링의 굴절율 차이(Δnr)는 트렌치와 링의 굴절율 사이의 충분히 "가파른(steep)" 전이(1㎛ 정도)를 갖고 0.015 보다 크게 되도록 선택되고; 및 (2) 중심 코어 영역(Δnc)의 굴절율 차 이는 링(Δnr)의 굴절율 차의 값을 약 3/4으로 유지된다(즉,
Figure 112005043913504-PAT00001
).
본 발명의 일 실시예에서, 섬유는 2004년 3월 4일 출원된 공동 계류중인 출원번호 10/234,289에 논의된 바와 같은 "선회 포인트(turn-around point)"(TAP) 조건을 나타내도록 구성될 수 있고, 여기서 TAP 조건은 비교적 큰 동작 대역폭을 제공하기 위해 발견되었고, 그러므로 매우 큰 대역폭들을 갖는 격자 공진들을 형성한다.
파장 분리 마이크로벤드 섬유 격자가 음향-광학 또는 주름진 요소 동조 기술을 사용하여 형성될 수 있는 것은 본 발명의 중요한 양상이다(고정된 파장에 사용될뿐만 아니라, 비동조 마이크로벤드 섬유 격자들에도 사용됨).
본 발명의 다른 및 추가 양상들 및 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 다음 상세한 설명 동안 명백하게 될 것이다.
하기에 논의될 바와 같이, 마이크로벤드 격자가 형성되는 광섬유는 TE0m 및 TM0m 모드들의 전파 상수들이 기수/우수 HE2m 모드의 전파 상수와 실질적으로 분리되도록 본 발명에 따라 의도적으로 설계된다. 결과적으로, TE0m 및 TM0m 모드들과 연관된 공진 파장들은 HE2m 모드의 공진 파장과 상당히 다르고/분리될 것이고, HE2m 모드의 공진 파장은 광학 시스템에 대한 전송 파장으로서 정의된다. 논의를 위해, 반경 모드(m)가 제 1 차 모드일 것이고, 여기서 m=1이라는 것이 가정된다. 그러나, 본 발명의 원리들이 고차 모드들에 똑같이 적용할 수 있다는 것이 이해된다.
굴절율 프로파일들에서 실질적으로 큰 반경 기울기들을 갖는 섬유들(즉, 굴절율이 반경 위치에 따라 빠르게 변화하는 경우 LP11 모드의 상당 부분의 전력이 섬유 영역들에 인접하게 잔류하는 경우)이 분극 비반응을 위해 요구된 원하는 큰 파장 분리를 유발한다는 것이 발견되었다. 따라서, 본 발명은 반경 굴절율에서 이런 빠른 변화를 제공하는 다수의 다른 섬유 구조들에서 구현될 수 있다.
도 1은 상기에서 요약된 바와 같이 2개의 모드들을 지원하도록 설계된 코어를 갖는 광섬유에서 각각 LP01 및 LP11 모드들에 대한 반경 세기를 도 1a에 도시한다. 도 1b는 이들 동일한 LP01 및 LP11 모드들에 대한 대응하는 2차원 세기를 포함한다. 도 1에서 명백한 바와 같이, LP01 모드는 원형적으로 대칭인 필드 프로파일을 갖고, LP11 모드는 중심에 널(null)을 포함하며, 원형적으로 비대칭이다. 광섬유에서 "선형적으로 분극된"(LP) 모드들의 이런 표현은 벡터량 대신 스칼라로서 전기장을 처리하기 때문에 대략적으로만 옳다. 예를 들어, LP01 모드에 평행하고 수직인 분극들 모두의 전파 상수들(β01)은 동일하다 - 따라서, 기본 모드의 전파 특성들은 신호의 분극 상태에 본래 반응하지 않는다. 그러나, 상기된 바와 같이, LP11 모드들이 4개의 구별되는 벡터 모드들, 즉 TE01, TM01 모드 및 우수와 기수 HE21 모드들의 선형 결합들인 것이 잘 알려져 있다. 이들 4개의 모드들에 대한 벡터 표현은 도 2b의 선형 결합과 함께 도 2a에 도시되고, 이것은 2가지 유형의 스칼라 LP11 모드들을 발생시킨다. 도 2a의 화살표들은 전기장의 방향을 나타낸다. 스칼라 파 방정식만을 고려할때, 이들 모드들은 동일한 전파 상수들을 갖는다. 그러나, 전체 벡터적인 파 방정식을 고려할때, 4개의 모드들은 구별되는 전파 상수들을 갖는다. 즉, 다음과 같다.
Figure 112005043913504-PAT00002
이것은 TE, TM 및 HE 모드들이 다른 전파 상수들을 갖고, 우수 및 기수(및 따라서 임의의 회전에 대해 다른 버젼) HE 모드들은 퇴보하는 것을 나타낸다.
이들 다양한 모드들에 대한 전파 상수들의 차이는 비교적 작고, LP11 모드에 대한 전파 상수를 형성하는 스칼라 파 방정식을 우선 풀고, 그 다음 하기된 바와 같이 이 분야에 대한 제 1 차 벡터 수정치들을 얻기 위한 제 1 차 섭동 이론을 적용함으로써 얻어질 수 있다.
β벡터 = β스칼라 + δβ섭동 .
이런 차이는 마이크로벤드 유도 섬유 격자들(MIG들)의 성능에 대한 중요한 의미를 갖고, 본 발명에 따라 모드 분리 결과(모드의 함수로서 "파장 분리")로서 분극 비반응성을 발견하게 한다. 특히, MIG들은 원형적으로 비대칭 LP11 모드들과 기본 모드를 결합하고, 동작의 공진 파장은 다음 공진 조건에 의해 다른 모드들의 전파 상수들로 밀접하게 묶는다.
λres = Λ·(n0I - n1M), 및
Figure 112005043913504-PAT00003
여기서 n01 및 n1m은 LP01 및 LP1m 모드들의 유효 인덱스들이고, 전파 상수들(상기된 바와 같이)에 관련되고, Λ는 격자 주기이다.
LP1m 모드 그룹에서 각각의 벡터 성분이 약간 다른 전파 상수를 갖기 때문에, 공진 파장들이 각각의 모드들에 대하여 다르다. 게다가, TE0m 및 TM0m 모드들은 정의에 의해 분극 민감성이고, LP01 모드의 분극의 임의의 입력 상태들에서만 격자에 의해 여기된다. 다른 한편, 퇴보 HE2m 쌍은 섬유의 단면 평면내의 모든 방향들에서 지시하는 전기장 벡터들을 갖고, 따라서 LP01 모드의 임의의 분극 입력 상태에 의해 여기된다. 이 결과는 LP1m모드에 기본 모드를 결합하는 마이크로벤드 격자에 의해 생성된 공진이 3개의 다른 공진들을 나타낼 수 있다(즉, 3개의 다른 파장에서의 공진 조건)라는 것을 의미하고, 이들중 2개는 강하게 분극에 의존한다.
실제로, 이들 3개의 모드들이 거의 동일한 전파 상수들을 갖기 때문에, 공진들은 약간 합쳐져서, 2개의 구별되는(그러나 분극에 매우 민감한) 공진들을 형성한다. 도 3은 다양한 세기들 및 분극 상태들을 위해 클래딩 가이드된 LP13 모드와 기본 모드를 결합하도록 설계된 600 ㎛ 격자 주기를 갖는 예시적인 섬유로 여기된 마 이크로벤드 격자 공진들의 스펙트럼들을 도시한다. TE03, HE03 및 TM03 모드들에 대한 위상 매칭 곡선들은 상기된 이유로 인해 유사하지만 구별되고, 그 최종 스펙트럼들은 곡선들(310, 320 및 330)로 도시된다. 마이크로벤드가 유도되는 평면에 기본 모드(LP01)의 전기장 벡터가 평행할때 공진 세기가 증가하는 것을 도시한다. 이와 같이, 곡선들(340, 350 및 360)은 마이크로벤드들이 유도되는 평면에 기본 모드의 전기장 벡터가 수직일때 공진 세기가 증가하는 것을 도시한다. 평행과 수직 분극들 사이의 공진의 차이는 상당한 장점(독립적이고, 세기에만 동조할 수 있는 능력) 및 마이크로벤드 섬유 격자들의 기본적인 제한(고유 분극 감도)을 나타낸다. 분극 종속 손실들(PDL)이 20dB 공진에 대한 10dB 높다는 것이 주의된다. 이런 MIG들의 분극 종속성은 공진들 사이의 스펙트럼 분리 측면들에서 특징을 가질 수 있다. 종래 기술 섬유들의 예시적인 MIG들에서, 공진들은 약 1nm 만큼 분리되고, 여기서 이 값은 사용된 섬유 유형에 따라 0.3nm 및 몇 nm 낮게 변화할 수 있다. 그러나, 섬유 형태와 무관하게, 이들 모든 공진 분리 값들은 PDL의 허용할 수 없는 레벨들을 유발하며, 이것은 모든 MIG들의 고유 문제이다.
그러므로, 본 발명에 따라, 새로운 클래스의 섬유 설계들이 제안되어, 분극과 무관한 마이크로벤드 섬유 격자들을 발생시키고 이것은 다른 HE2m, TE0m 및 TM0m 모드들 사이에서 상기 방정식들에서 정의된 바와 같이 섬유들이 전파 상수들(δβ섭동)의 차를 정확하게 제어하도록 설계될 수 있는 발견을 바탕으로 한다. 임의의 섬 유 도파관을 위해, 코어는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112005043913504-PAT00004
여기서 nc0는 코어의 피크 굴절율로서 정의되고, r은 코어의 중심으로부터 거리를 정의하는 반경 좌표이고, Δ는 관력식 (nco-ncl)/nco에 의해 정의된 바와 같은 '상대적 인덱스 콘트래스트"이고, ncl은 클래딩의 굴절율이고, f(r)은 굴절율의 표준화 프로파일로서 정의된다. 부가적으로, 스칼라 전파 상수에 대한 섭동은 다음과 같이 제공된다.
Figure 112005043913504-PAT00005
여기서 양(I1 및 I2)는 하기 관련식에 의해 섬유의 굴절율 프로파일에 관련된다 :
Figure 112005043913504-PAT00006
여기서 Elm(r)은 인덱스 "l" 및 "m"를 갖는 모드에 대한 필드 프로파일로서 정의된다.
마이크로벤드 유도 섬유 격자들과의 광학 결합 제공은 분극 종송 성분들(즉, TE0m 및 TM0M 모드들)뿐 아니라 분극 비반응 HE2m 모드를 포함하는 비대칭 모드들로 제한되기 때문에, 본 발명의 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자들은 이런 3 벌(triplet)의, 즉 HE2m 모드(적어도 관심있는 스펙트럼 범위내에서)의 분극 비반응 성분에만 결합이 발생하는 섬유를 사용함으로써 형성된다. 스펙트럼 범위가 통상적으로 20nm 또는 그 이상이기 때문에, 20nm 또는 그 이상으로 분리된 3개의 모드들의 공진들을 갖도록 설계된 섬유는 분극 비반응 MIG를 유발할 것이다.
도 4는 이상적인 형태의 본 발명에 따른 분극 비반응 MIG를 형성하는데 사용될 수 있는 "파장 분리" 섬유를 실현하는 것과 연관된 굴절율 프로파일을 도시한다. 이상적인 섬유 인덱스 프로파일은 도시된 바와 같이 굴절율(Δnc) 및 반경(rc)의 중심 코어 영역(10), 굴절율(Δnt) 및 반경(rt)을 갖는 코어 영역(10)을 둘러싸는 트렌치(12), 및 굴절율(Δnr) 및 반경(rr)을 갖는 트렌치(12)를 둘러싸는 링(14)에 의해 형성된다. 굴절율들은 영의 실리카 클래딩 기준 값으로부터 "굴절율 차이"의 측면에서 각각 기술된다. 섬유에 대한 설계 규칙들은 상기된 관계들에 의해 관리되고, 여기서 섭동들 δβTM _0m, δβHE_2m이 큰 공진 파장 분리를 달성하기 위해 최대화되어야 하는 것을 따른다. 상기 방정식들은 이런 최대화가 양들(I1 및 I2)을 최대화하여 달성되고 차례로 도파관 전이 영역들(가파른 인덱스 스텝들 같은, 또는 인덱스 프로파일의 기울기가 큰 임의의 다른 영역)에 밀접한 큰(스칼라) LP1m 형식의 전력을 갖는 섬유 설계에 의해 최대화된다.
이들 특성을 갖는 도 4를 참조하여, 플롯(15)에 의해 도시된 LP11은 큰 세기뿐 아니라, 높은 인덱스 링(14)의 가파른 인덱스 스텝에 밀접한 큰 세기 기울기를 갖는다. 부가적으로, 유용한 장치는 낮은 삽입 손실을 나타내어야 하고, 기본 모드(즉, 장치의 안팎으로 결합하기 위해 사용된 모드)가 MIG의 입력 및 출력에서 유사한 프로파일 광학 장치들과 대응하도록 공칭적으로 가우스 모양을 가질 것을 요구한다. 이런 요구를 만족시키기 위해, 코어 영역(10)은 기본 LP01 모드가 중심 코어 영역(10)에 필수적으로 잔류하도록 충분히 커야 한다(또는 인덱스가 충분히 높아야 한다). 그러므로, 상기 본 발명의 섬유는 다음 같은 굴절율 차 및 반경 값들의 측면에서 정의될 수 있다 : (1) 링(14)의 굴절율 차(Δnr)는 트렌치(12)쪽으로 충분히 가파른 "내부" 인덱스 스텝을 갖고 0.015 보다 커야한다. 내부 인덱스 스텝은 링(14)과 연관된 값으로부터 트렌치(12)와 연관된 값으로 인덱스가 변화하는 공간 범위(S)에 의해 정의되고, 여기서 S는 1 마이크론보다 크지 않아야 하고; 및 (2) 중심 코어 영역 굴절율 인덱스는 링 굴절율 값의 약 75%이어야 하고, 즉, 중심 코어 반경 및 굴절율은 비대칭(LP1m)이 중심 코어 영역(10)내에 가이드되도록 충분히 크지 않고, 기본 LP01이 중심 코어 영역(10)내에 필수적으로 완전히 지지되어야 한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따라 형성된 섬유의 실험적으로 측정된 특성들을 도시하고, 여기서 도 5a는 Δnc, Δnt, 및 Δnr에 대한 측정된 굴절율 프로파일 값들을 도시한다. 도 5b는 TE01, HE21 및 TM01 모드들에 대한 도 5a의 섬유 설계의 위상 매칭 곡선들(파장의 함수로서 격자 주기)을 도시하고, 여기서 이들 3개의 곡선들이 크게 분리되는 것이 명백하다. 전파 상수들 및 도 5b의 위상 매칭 곡선들에서 큰 차이를 유발하는 큰 벡터 섭동 측면들은 진정한 본 발명의 설계 목적이다. 도 5c는 도 5a의 프로파일을 갖는 섬유에서 유도된 바와 같은 742㎛ 내지 850㎛ 범위의 주기들을 갖는 격자들에 대해 실험적으로 측정된 스펙트럼들을 도시한다. 격자는 예를 들어 주름진 금속 블록(격자 주기를 정의하는 주름들의 주기를 가짐)과 고무 패드 사이의 섬유를 압축함으로써 유도된다. 도 5c를 참조하여, 3 개의 구별되는 공진 피크들은 각각의 스펙트럼에서 명백하고, 중심 피크(HE21 모드와 연관됨)는 가장 강하다. 이런 피크는 상기된 바와 같이, HE 모드가 분극 비반응성이기 때문에 가장 강하다. 공진들의 나머지 쌍들(TE01 및 TM01)은 총 이용할 수 있는 신호 전력의 1/2 이하가 특정 분극에 존재하기 때문에 비교적 약하다. 이런 결과는 마이크로벤드 유도 섬유 격자들에서 분극 감도 현상을 확인시킨다. HE 모드와 TE/TM 모드들 사이의 파장 분리가 60nm 정도인 것이 주의되고, 비교적 큰 값이 임의의 주어진 시간에 장치의 동작 범위상 분극 비반응성을 유지하도록 설계된다.
TE 및 TM 모드들의 존재에서 입력 신호의 분극 상태의 중요성은 도 6에 도시된 값들로부터 분명하고, 도 6은 "SOP∥" 및 "SOP⊥"로서 표시된 일련의 평행 분극 상태들을 갖는 MIG를 통하여 통과하도록 제어된 입력 신호에 대한 전송된 세기의 플롯을 포함한다. 도시된 바와 같이, 분극의 입력 상태가 TE01 모드(SOP∥)에 대응하는 경우, 단지 TE01 및 HE 모드들만이 여기되고, 반면 수직 분극(SOP⊥)의 광에 대하여, HE 및 TM01 공진 피크들 만이 발견될 것이다. 본 발명의 설명에 따라, 분극 비반응성인 HE 모드는 어느 하나의 극한 분극 상태에서 공진 피크를 가질 것이다. 부가적으로, 도 6은 본 발명의 최적화된 섬유 설계가 TE01과 HE 모드들 사이에서 76nm 정도, 및 TM01과 HE 모드들 사이에서 67nm 정도의 상당히 큰 파장 분리를 형성하는 것을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따라 형성된 다른 섬유에 대한 상대적 인덱스 플롯들 및 위상 매칭 곡선들을 포함하고, 여기서 도 7a 및 도 7b와 연관된 섬유 설계는 각각의 위상 곡선을 따라 "최소값"을 나타낸다. 상기된 공동 계류중인 출원에서 논의된 바와 같이, 이런 최소값은 "선회 포인트"(TAP)로서 정의된다. 도 7b를 참조하여, 기수/우수 HE 모드들만을 지지하는 예시적인 분극 비반응 MIG에 대한 격자 주기는 수평 라인(72)으로서 도시되고, 여기서 이런 특정 장치는 약 485㎛의 격자 주기(Λ)를 갖는다. 섬유 격자 주기가 TAP("TAP 공진 조건")에서 위상 매칭 곡선을 결합하도록 선택될때, 큰 대역폭 모드 결합이 달성되는 것이 상기되었다. TAP의 존재는 관련된 마이크로벤드 유도 섬유 격자에 대하여 100nm 만큼 큰 대역폭들상에서 비교적 큰 대역폭 및 스펙트럼적으로 편평한 공진을 가리키고, 섬유 격자 설계시 종종 중요한 특성들이다.
상기된 바와 같이, 본 발명의 MIG 분극 비반응성이 굴절율 차이들 및 반경 크기들의 측면들에서 섬유의 적당한 설계와 연관되었기 때문에, 마이크로벤드들을 유도하는 임의의 적당한 방법은 원하는 주기의 격자를 형성하기 위해 사용될 수 있 다. 도 8a 내지 도 8d는 섬유에 마이크로벤드들을 유도하기 위한 한세트의 4개의 예시적인 방법들을 도시하고, 여기서 도 8a는 주름진 플레이트(30) 및 고무 패드(32)(상기된 바와 같음)의 사용을 도시하고 주름진 플레이트(30)내의 그루브들(grooves)은 섬유에 유도될 주기성을 나타낸다. 도 8b는 그들이 이(teeth)가 도시된 바와 같이 다른 그루브들의 각각에 맞추어지도록 정렬되는 한쌍의 주름진 블록들(34 및 36)을 사용하는 경우에서, 이런 장치의 변형이다. 이 경우, 섬유가 플레이트들 사이에 압축될때, 마이크로벤드 격자가 유도된다. 그러므로, 보다 낮은 압력은 도 8a의 섬유에서처럼 동일한 패턴을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도 8c는 음향 광학 장치를 도시하고, 여기서 압전기 트랜스듀서(piezoelectric transducer; 38)(RF 전력 소스에 연결됨, 도시되지 않음)는 섬유를 따라 음향 파를 전파시키기 위해 사용되고, 차례로 RF 전력 소스의 주파수에 역비례하는 주기 및 상기 RF 소스의 전력에 정비례하는 진폭을 갖는 주기적 마이크로벤드들을 발생시킨다. 따라서, 격자 주기 및 진폭은 음향 광학 장치로 조절될 수 있다. 도 8d는 예시적인 마이크로벤드 유도 섬유 격자를 도시하고, 여기서 섬유의 섭동들은 영구적으로 스플라이서(splicer)로 주기적 아킹(arcing)하거나, CO2 레이저로 주기적 제거되는 것을 포함하는 종래의 잘 알려진 기술들을 사용하여 영구적으로 형성될 수 있다. 도 8a 내지 도 8d의 실시예들은 예시적인 것이고, 본 발명에 따라 형성되는 섬유 섹션에 마이크로벤드들을 도입하는 다양한 다른 기술들은 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 형성되는 바와 같은 분극 비반응 MIG를 사용할 수 있는 다양한 다른 광학 시스템들 및 서브시스템들이 존재한다. 도 9는 다수의 MIG들(40-1 내지 40-5)의 캐스캐이드 장치를 도시하고, 여기서 각각의 분리된 격자는 동적(조절 가능한) 또는 정적 장치일 수 있다. 특히, 캐스캐이드된 상기 격자들의 세트는 이득 스펙트럼이 파장에 보다 의존하는 에르븀 도핑된 섬유 증폭기(erbium-doped fiber amplifier)로부터의 입력이 있을때 특히 스펙트럼적으로 편평한 출력을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 동적 필터들을 사용하는 것은 각각의 격자의 특성들이 입력 신호 스펙트럼의 변화들에 응답하도록 실시간으로 동조하게 한다. 도 9의 그래프 A는 입력 신호 스펙트럼을 도시하고, 그래프 B는 출력 신호 스펙트럼을 도시한다. 본 발명의 다수의 캐스캐이드된 MIG들을 사용함으로써, 입력 신호 스펙트럼에 제공된 다양한 원하지 않는 특징들은 가상적으로 제거되고 스펙트럼은 큰 스펙트럼 범위상에서 상당히 평탄해진다. 인접한 MIG(40)들 사이의 루프들(42)은 각각의 개별 MIG(40)를 통한 신호 경로의 외부로 LP11를 방사하는 모드-스트리핑 작용(mode-stripping action)을 나타낸다. 이런 모드 스트리핑은 예를 들어 단일 모드 섬유들에 섬유 테이퍼들(tapers) 또는 스플라이서들을 사용하여 섬유를 벤딩함으로써 달성될 수 있다.
도 10a는 상기된 바와 같이, 격자(52)에서 스펙트럼적으로 (조절 가능한) 큰 편평한 감쇠를 제공하기 위해, TAP 조건으로 마이크로벤드 섬유 격자를 구성함으로써 본 발명에 따라 형성될 수 있는 예시적인 가변 광학 감쇠기(VOA)(50)를 도시한 다. 광학 수신기(53)의 입력에서 VOA(50)의 배치는 수신된 전력을 제어함으로써 수신기에서 비트 에러 속도를 경제적으로 최적화하는 것을 허용한다. 상기 장치가 도 10b에 도시된 바와 같이 연속적인 파(CW) 광소스(55)를 추종하기 위해 사용될때, 저비용 저속 데이타 변조기로서 기능하거나, 입력 신호의 상부상에 저속 모니터링 톤들을 부가하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 MIG로부터 형성된 가변 광 감쇠기는 도 10c에 도시된 바와 같이 광학 증폭기(54)에 사용될 수 있고, 여기서 감쇠기는 콘트래스트 포화 레벨에서 증폭기(54)를 유지하는 경우, 노이즈 모양 또는 이득 스펙트럼의 임의의 일시적 변화들을 감소시킨다.
본 발명의 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자는 그것이 분극 비반응 방식으로 2개의 공간 모드들 사이에서 광을 이동시킬 수 있기 때문에 스위치로서 사용될 수 있다. 도 11a는 본 발명의 애플리케이션을 도시하고, "크로스(cross)" 또는 "바(bar)" 상태의 상기 예시적인 스위치(60)의 하나의 동작을 도시한다. 부가적으로, 2개의 모드 섬유의 LP11를 퓨즈 섬유 결합기(예를 들어) 통하여 분리된 단일 모드 섬유의 기본 모드에 결합하는 잘 알려진 기술들은 4개의 포트 2x2 광학 스위치를 형성하기 위해 본 발명의 MIG(62)와 결합하여 사용될 수 있고, 여기서 모든 입력들 및 출력들은 섬유의 기본 모드와 연관된다. 도 11b는 MIG(62)의 어느 한측면상에 배치된 한쌍의 퓨즈 섬유 결합기들(64 및 66)로 본 개념을 설명한다.
본 발명의 마이크로벤드 유도 섬유 격자들은 섬유의 고차 모드에서 동작하는 분산 보상기들 및 지연 라인들을 형성하는데 핵심 요소인 정적 또는 동적 모드 컨 버터들로서 사용될 수 있다. 도 12는 본 개념을 도시하고, 여기서 도 12a는 고차 모드(HOM) 섬유(70)의 입력에서 제 1 MIG(68-1) 및 HOM 섬유(70)의 출력에서의 제 2 MIG(68-2)를 포함하는 정적 분산 보상기(67)를 도시한다. 동조 가능한 분산 보상기(80)는 도 12b에 도시되고, 다수의 동족 가능한 MIG들(82-1, 82-2,....)은 직렬로 배치되고 그 사이에 다른 길이의 HOM 섬유(84)가 배치된다.
다양한 다른 장치들, 서브시스템들 및 시스템들뿐 아니라, 다양한 다른 특정 섬유 설계들은 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자에 관련된 본 발명의 사상 및 범위내에 속하는 것으로 고려된다. 기술이 진보된 본 발명의 원리들 및 그것의 등가물들에 따르는 명세서내에 포함되는 특정 기술들로부터의 모든 유도물들은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위내에 속하는 것으로 고려된다.
본 발명은 다양한 시스템 애플리케이션들에서 유용한 분극 비반응적이고, 섬유(예를 들어, 음향-광학 섬유, 주름진 블록들, 영구적으로 에칭된 격자들 등)에 마이크로벤드들을 유도하기 위해 사용된 구조와 무관하게 분극 비반응성을 제공하는 마이크로벤드 유도 섬유 격자를 제공한다.

Claims (10)

  1. 기수/우수 HE2m 모드들만을 따른 전파(propagation)를 지원함으로써 분극 비반응 동작(polarization insensitive operation)을 지원하도록 구성된 광섬유에 있어서, 상기 광섬유 코어는,
    선택된 굴절율(Δnc) 및 미리 규정된 반경 범위(rc)의 중심 코어 영역;
    상기 중심 코어 영역을 둘러싸고, 상기 중심 코어 영역 굴절율보다 작은 선택된 굴절율(Δnt)을 갖고, 미리 규정된 반경 범위(rt)를 갖는 트렌치 코어 영역; 및
    상기 트렌치 코어 영역을 둘러싸고, 상기 트렌치 코어 영역 굴절율보다 큰 선택된 굴절율(Δnr) 및 미리 규정된 반경 범위(rr)를 갖는 링 영역을 포함하며, 각각의 요소의 굴절율들 및 반경들은 비실질적인 양의 신호(insubstantial amount of signal)가 TE 및 TM 모드들에 결합되도록 분극 비반응 기수/우수 HE2m 모드들에 대하여 전파하는 TE0m 및 TM0m 모드들 사이를 분리하는 공진 모드를 제공하기에 충분한 상기 섬유 코어 중심으로부터의 거리의 함수로서 비교적 큰 굴절율 기울기를 제공하도록 구성되고, m은 섬유에 의해 지원되는 파장들에 대한 반경 모드의 차수를 정의하는, 광섬유.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 링 영역의 굴절율은 실리카(nsillica = 0)의 굴절율에 관한 굴절율 차 및 0.015 보다 크도록 선택된 상기 링 영역의 굴절율 차로서 정의되는, 광섬유.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 코어 영역의 미리 규정된 반경 범위는 고차 LP1m 모드들의 전파를 지원하지 않고서 LP01의 전파를 지원하기에 충분히 큰, 광섬유.
  4. 광섬유 코어 영역내에 형성된 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자에 있어서,
    선택된 굴절율 차(Δnc) 및 미리 규정된 반경 범위(rc)의 중심 코어 영역으로서, 상기 굴절율 차는 실리카의 굴절율에 관련하여 측정되는, 상기 중심 코어 영역;
    상기 중심 코어 영역을 둘러싸고, 상기 중심 코어 영역 굴절율 차 보다 작은 선택된 굴절율 차(Δnt) 및 미리 규정된 반경 범위를 갖는 트렌치 코어 영역;
    상기 트렌치 코어 영역을 둘러싸는 링 영역으로서, 링 클래딩 영역은 상기 트렌치 코어 영역 굴절율 차 이상의 선택된 굴절율 차 및 미리 규정된 반경 범위를 갖고, 각각의 요소의 굴절율들 및 반경들은 비실질적인 양의 신호가 TE 및 TM 모드 들에 결합되도록 분극 비반응 기수/우수 HE2m에 관련하여 전파하는 TE0m 및 TM0m 사이를 분리하는 공진 모드를 제공하기에 충분한 섬유 코어 중심으로부터의 거리의 함수로서 비교적 큰 굴절율 기울기를 제공하도록 구성되고, m은 상기 섬유에 의해 지원된 파장에 대한 반경 모드 차수를 정의하는, 상기 링 영역; 및
    주기적 섭동들을 유도하기 위해 상기 광섬유 코어 영역의 선택된 섹션을 따라 압력을 유지하는 장치를 포함하는, 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 장치는 격자의 공진 파장(들)을 동적으로 동조시키기 위한 능력을 포함하는, 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 섬유는 큰 대역폭 모드 결합을 제공하기 위해 상기 마이크로벤드 유도 섬유 격자의 주기와 일치하는 위상 매칭 곡선의 선회 포인트(TAP)를 나타내도록 형성되는, 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자.
  7. 코어에 형성된 마이크로벤드 유도 격자의 분극 비반응 동작을 지원하도록 구성된 광섬유에 있어서,
    반경(rc) 및 실리카의 굴절율에 대해 측정된 바와 같은 굴절율 차(Δnc)로서 정의된 미리 규정된 굴절율에 의해 정의되는 중심 코어 영역;
    상기 중심 코어 영역을 둘러싸고, 상기 중심 코어 영역의 굴절율보다 작은 굴절율 차(Δnt)를 갖는 트렌치 영역; 및
    상기 트렌치 영역을 둘러싸는 링 영역을 포함하며, 상기 링 영역의 굴절율 차(Δnr)는 상기 트렌치 영역과 링 영역의 굴절율 차 사이에서 1 마이크론 보다 크지 않은 전이를 갖는 0.015 보다 크게 되도록 선택되고, 상기 코어 영역 굴절율 차(Δnc)는 상기 링 영역의 굴절율 값의 약 3/4으로 유지되는(즉,
    Figure 112005043913504-PAT00007
    ), 광섬유.
  8. 코어에 형성된 마이크로벤드 유도 격자의 분극 비반응 동작을 지원하도록 구성된 광섬유를 포함하는 장치에 있어서,
    반경(rc) 및 실리카의 굴절율에 대하여 측정된 바와 같은 굴절율 차(Δnc)로서 정의된 미리 규정된 굴절율 인덱스에 의해 정의된 중심 코어 영역;
    상기 중심 코어 영역을 둘러싸고, 상기 중심 코어 영역의 굴절율보다 작은 굴절율 차(Δnt)를 갖는 트렌치 영역; 및
    상기 트렌치 영역을 둘러싸는 링 영역을 포함하며, 상기 링 영역(Δnr)의 굴절율 차는 상기 트렌치 영역과 링 영역의 굴절율 차 사이에서 1 마이크론보다 크지 않은 전이를 갖는 0.015 보다 크게 되도록 선택되고, 상기 코어 영역 굴절율 인덱스 차(Δnc)는 상기 링 영역의 굴절율 값의 약 3/4으로 유지되는(즉,
    Figure 112005043913504-PAT00008
    ), 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 장치는 상기 장치의 출력에 평탄한 스펙트럼을 제공하도록 캐스캐이드된 장치 내에 배치된 다수의 분극 비반응 마이크로벤드 유도 섬유 격자들을 포함하는, 장치.
  10. 모드 전환시 사용하기 위한 분극 비반응 광섬유를 형성하는 방법에 있어서,
    실리카의 굴절율에 관련하여 측정된 굴절율 차(Δnc)로서 정의된 미리 규정된 굴절율을 갖는 재료의 중심 코어 영역을 형성하는 단계로서, 상기 중심 코어 영역은 미리 규정된 두께로 형성되는, 상기 중심 코어 영역 형성 단계;
    상기 중심 코어 영역을 둘러싸고, 상기 중심 코어 영역의 굴절율 차 보다 작은 굴절율 차(Δnt)를 갖는 재료로 형성되는 트렌치 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 트렌치 영역을 둘러싸고, 0.015 보다 크게 되도록 굴절율 차(Δnr)를 갖는 재료로 형성된 링 영역을 포함하며, 상기 형성된 트랜치 영역 및 링 영역의 두께는 1 마이크론보다 크지 않은 전이부가 상기 트렌치 영역과 링 영역의 굴절율 차 사이에 형성되고, 상기 코어 영역 굴절율 차(Δnc)는 링 영역의 굴절율 값의 약 3/4으로 유지되고(즉,
    Figure 112005043913504-PAT00009
    ), 1 마이크론 이하의 전이부 및 굴절율의 반경 기울기는 분극 비반응 기수/우수 HE 모드의 공진 파장으로부터 분극 의존 TE 및 TM 모드들의 공진 파장들을 분리하는, 분극 비반응 광섬유 형성 방법.
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