TW316953B - - Google Patents

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316953 經濟部中央標隼局負工消费合作社印製 A7 五、發明説明丨1 ) 發明領域 本發明有關於光學系統和光學信號整形裝置，特別是針 對在複合光譜整形應用時，所使用啁啾長週期光柵的光學 系統和裝置β 發明背景 光纖是現代通信應用的主要組件。光纖是由細束的玻璃 组成’其能將包含大量訊息的光信號傳遞到相-當遠的距離 。基本上，光纖是個直徑很小的波導，其特徵在於其核 心具有第一折射係數，核心岛周圍被具有第二折射係數（較 第一折射係數小）的被覆層包圍。通常，光纖是由摻雜少量 雜質的高純度碎石製成’摻雜雜質的濃度可控制折射係數 的大小。 眾所皆知，單一光纖可傳遞多數個包裹的訊息，可用時 間分割的多路傳輸，將不同時段的訊息分配到不同的包裹 ’或用波分割的多路傳輸’將不同波長的訊息分配到不同 的信號頻道。 當信號經由光纖傳送至極遠的距離時，在最大値的傳遞 距離，接收端的位元偵測變得不能信賴，此最大値的距離 依光纖的系統而定。將光學信號放大器放置在光織中可以 改善上述的問題，正如同在同轴電纜線系統中使用傳統的 放大器。光學信號放大器是單一的組件，其信號輸出是輸 入光學信號線性放大的複製’光學信號放大器的使用是相 當有彈性的，可用在任一位元速率的任一調變形式。 然而’光學信號放大器在使用上有兩項缺點，第一是使 4- 本紙張Α度適用中國國家橾準（CNS ) Α4規格（210 X 297公慶） c请先聞讀背面之注意事項存填寫本頁) 裝.

.1T 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 316953 at B7 五、發明説明（2 ) 用在WDM系統時’不同的光學波長載有獨立的訊息波數[ 或頻道]，光學信號放大器對所有頻道的增益並不完全相同 ，因爲放大器的增益光譜是不均勻的，縱使進入放大器的 信號具有相同的振幅，信號放大的不均勻性仍存在，稱此 爲不均勻的線性放大，因爲信號的放大與進入放大器的脈 衝強度無關。例如，摻雜铒元素的光纖放大器在光波長 1558毫微米附近有最大値的增益。波頻道的中-央在1558毫 微米的波被放大最多，1558毫微米的波頻道在輸出端的功 率不會和1555毫微米的波頻道相同。當這些光學信號頻道 通過一系列的放大器之後，光脈衝（信號）重覆地被放大。 現階段，在光纖中使用非線性分佈的匈:離子（放大器）開始 佔有重要的地位。描述此非線性分佈特性的最佳方式是放 大器僅放大部分具有較大振幅的輸入信號；當兩種信號進 入放大器之後，具有較大振幅的信號得到較多的放大。光 信號經過一系列的放大器，被重覆地放大。此放大器不均 勻的增益與餌離子放大器的非線性增益相互作用，使問題 更加惡化；頻道中央爲1558毫微米的信號，已經有較大的 振幅會得到更多的放大，而相對於1555毫微米具有較小振 幅的信號，會得到較小的增益。若信號頻道沒有位在放大 器增益光譜的高峰位置，會使信號加速惡化》因此，需要 使用光學信號整形裝置將每一放大器或chan of (—連串）放 大器相對於波長的增益儘可能地達到扁平。 現在使用的光學信號放大器的第二缺點是，伴随著放大 信號外會產生自行放大的雜訊[ASE]，此雜訊的頻道通常位 -5- 本紙伕尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公慶） I . . ~ 裝1Τ— ------?'冰 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 316953 Α7 产______ Β7 五、發明説明（3 ) 在與信號不同的位置。這種雜訊會損壞信號的整體性，例 如’摻雜餌元素放大器的ASE波長峰値是在1532毫微米， 需要一種依波長而變的損耗組件來將緊鄰信號波長附近的 光譜段除去。特別註明，此種依波長而變的損耗元件對信 號的任何波段必須是零損耗《換句話説，既然信號的波長 最小可從1545毫微米開始，此種除去ase的元件的傳遞光 譜在其主要的傳遞凹處的長波長地區沒有旁瓣-β 相同的，其它型式的雷射和放大器，如拉曼雷射和放大 器等’通常需要類似的元件，·但在較短波長地區沒有旁瓣。 在光學技術中已知，長週期光柵可將光從制導模式耦合 至非制導模式。通常非制導模式是一種不侷限在光纖核心 的模式，而是使用環繞於核心小距離的區域讓光通過。非 制導模式可爲被覆層模式、輻射模式、或在多層光纖中的 圓環模式。這些長週期光柵當作是依波長而變的損耗元件 ，及光柵的傳遞光譜與先前顯示的放大器的増益反相互相 吻合的裝置。如果光譜的形狀相當複雜可結合兩個或多個 長週期光柵與具有多個對稱的最小値的光譜相吻合。此方 法是關於在數學上將複雜的光譜分開成兩個[或三個]高斯 圖形，再將每一個分開圖形的濾波裝置結合在一起。然而 ，光譜若只有一個最小値而且是非對稱的，這種使用多數 個傳統的長遇期光栅來將光譜分割成許多對稱的高斯圖形 變得相當困難。 短週期光栅使用改變紫外線（UV)光強度或當窝入光柵時 在光纖上加入應變來製成啁啾型式的光柵。然而，這些短 -6- 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS〉A4規格（2丨Ο X 297公釐） I Μ--r丄裝------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 316953 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4) 週期光拇對從光纖上除去某些複合光譜的片段不是很有用 的。在短週期光柵，如啁啾技術只改變峰値波長的寬度和 改變光的色散。它們不能與摻雜稀土元素放大器的反相光 譜吻合。它們反射從核心中朝傳播方向反向行進的光，但 典法有效地除去從核心到被覆層前進的光。因此，它們無 法有效地除去在特定波長不需要的增益，或除去核心中特 定的複合光譜而不引起反射a - 因此’急需一種光學信號整形裝置可選擇地設計，去配 合摻雜稀土元素放大器所產圣的非對稱光譜，以除去在某 特定波長所不需要的增益，或除去在光纖中核心所產生的 複合光譜。本項發明的光學信號整形裝置可提供這樣的裝 置。 發明摘要 本發明提供一種與光纖—齊使用的光學信號整形裝置， 光纖具有一界訂爲第一折射係數~的核心和界訂爲第二折 射係數h的被覆層，其组合形態可傳遞光學信號。在一較 佳具體實施例中’光學信號整形裝置製作在光纖中，由— 界訂長度的長週期光栅组成，長週期光柵具有不均勻的光 折射係數’此係數朝至少部分的光栅長度延伸，這樣的光 柵組合形態可改變光學信號以產生非對稱的光學信號。在 一較佳具體實施例中，不均勻的光折射係數在至少部分的 長週期光栅的長度内，可包括多數個不均勻間隔的折射係 數的擾動。 在另一較佳具禮實施例中，長週期光柵的組態可使至少 Γ--Ti 裝------訂----M-1球 (請先閱請背面之注意事項再填寫本頁) -7-

A7 B7 五、發明説明（5 ) 部分位在傳遞光譜最小値的長波長端之長波長轉向進入被 覆層’因而產生非對稱的光學信號，並在最小値的長波長 處產生旁瓣。然而’更佳的狀況是光柵將大部分的長波長 信號轉向進入被覆層，使其從光譜中消滅。 本發明的另一項觀點是，長週期光柵的组態可使至少部 分位在傳遞光譜最小値的短波長端之短波長轉向進入被覆 層，因而產生非對稱的光學信號，並在最小値·的短波長處 產生旁瓣。然而，更佳的狀況是光柵將大部分的短波長信 號轉向進入被覆層，使其從羌譜中消滅。 本發明光學整形装置的另一項觀點包括將光學放大器耦 合至光纖。此光學放大器是依傳統設計的，能將放大的光 學信號傳遞到光纖，最好是摻雜稀土元素的放大器，如摻 雜輯元素的放大器。在這些應用中，長週期光柵的組態可 使至少部分放大的非對稱光學信號轉向進入被覆層，更佳 的狀況是使大部分放大的非對稱信號轉向進入被覆層。 經濟部中央標隼局負工消费合作社印裝 I - a I ·11. I - - - - 111. { ί· - I (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 光學放大器會產生放大的非對稱光學信號，此非對稱光 學信號最小値的短波長處有一短波長信號，在此狀況下， 長週期光柵的組態要能使至少部分的短波長信號轉向進入 被覆層，更佳的狀況是使大部分的短波長信號轉向進入被 覆層；另一種狀況，光學放大器所產生放大的非對稱光學 信號之最小値的長波長處有一長波長信號，在此狀況下， 長週期光柵的组態要能使至少部分的或最好是大部分的長 波長信號轉向進入被覆層。 當光學放大器具有伴隨著放大的非對稱光學信號的增益 -8- 本紙伕尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局負工消费合作社印袈 A7 B7 五、發明説明（6 ) 時，長週期光栅的組態要能使特定量的信號增益轉向進入 被覆層。 本發明的另一項觀點是提供—種製造光學信號整形裝置 的方法，這方法包括：1)將一寫入光束（最好是雷射）聚焦在 特定長度且具有光敏材質的光纖上，及2)沿著至少部分特 定長度的光纖將一不均勻折射係數的形像窝入，如此光學 信號整形裝置可改變光學信號以產生非對稱的光學信號。 在一具體實施例中’寫入步驟包括改變特定長度内寫入 光束強度的步驟。在另一具緣實施例中，寫入步裸包括步 骤：1)沿著特定長度的光纖上放置一光栅的光罩，及2)使 寫入光束通過長週期光栅的光罩照在光纖上，在長週期光 柵的光罩上有多數個不均勻間隔的狹缝。因此，在至少部 分特定長度的長週期光柵中，形成多數個不均勻間隔的折 射係數的擾動。 本發明方法的另一項觀點是寫入步驟包括改變窝入光束 在特定長度停留時間的步驟，或在特定長度内施加的應變 在光纖上的步骤。 本發明方法的另一項觀點是窝入步驟包括窝下的長週期 光栅可使至少部分位在傳遞光譜最小値之長波長處的短波 長信號轉向進入被覆層，因此產生的非對稱光學信號在其 長波長處有旁瓣的發生。 本發明方法的另一項觀點是寫入步驟包括窝下的長週期 光柵可使至少部分位在傳遞光譜最小値之短波長處的長波 長信號轉向進入被覆層，因此產生的非對稱光學信號在其 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------裝------訂------J.球 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局员工消費合作社印製 316953 A7 B7 五、發明説明（7 ) 短波長處有旁瓣的發生。 本發明方法的另一項觀點是放大的非對稱光學信號在其 最小値的短波長處有一短波長信號，而長週期光栅的組態 是使至少部分的短波長信號轉向進入被覆層。或者是，放 大的非對稱光學信號在其最小値的長波長處有一長波長信 號，而長週期光柵的組態是使至少部分的長波長信號轉向 進入被覆層。 · 前文已廣泛地指出本項發明的特點及其技術上的優點， 所以精於此技術的專家可從T文中，對本發明的詳細描述 做進一步的了解。其後將描述本發明另外的特點和優點， 它們形成本發明申請專利範圍的主題。精於此技術的專家 應了解，他們可立即使用本發明所揭示的概念和特殊的具 體實施例爲基礎’做出與本發明相同目的設計或其它結構 的改變。精於此技術的專家應了解，如此類似的架構並不 會脱離本項發明廣泛型式的精神和範圍。 圖示簡單説明 爲了更加明瞭本項發明及其優點，下文的描述將參考附 圖，附圖如下； 圖1説明本項發明光學系統的示意囷； 圖1A説明強度弱的光學信號通過光放大器的示意圖，顯 示當信號通過及離開光學信號整形裝置； 圖2説明製作本發明光學信號整形裝置之裝置的示意圖； 圖3説明本發明一較佳實施例中光學信號整形裝置的截 面圖； -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公麓） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 316953 五、發明説明（8 圖4A説明一傳統簡單且均勻的長週期光柵圖； 圖4B説明傳統的長週期光柵產生之對稱性光譜； 圖5説明一傳統摻雜餌元素放大器的複雜且非對稱性的 輸出光譜； 圖0A説明本發明一種複雜且不均勻的長週期光栅的圖， 顯示出沿著光柵的長度具有變化的強度或週期性； 圖6B説明圖6A中的光柵所產生複雜且非對-稱性的光譜 ’在圖中以實線代表，其在一最小値的長波長端有旁瓣產 生，虛線代表圖5 B所説明的-傳統光譜； 圖7A說明本發明中另一種複雜且不均勻的長週期光栅的 圖’顯示沿著光栅的長度具有變化的強度或週期性，其產 生的光譜如圖7B ; 圖7B説明圖7A中的光栅所產生複雜且非對稱性的光譜 ’在圖中以實線代表，其在—主要的最小値的短波長端有 旁瓣產生’虛線代表圖5B所説明的傳統光譜； 圖8A説明本發明另一種複雜且不均勻的長週期光栅的圖 ’顯示沿著光柵長度具有變化的強度或週期性，其產生的 光譜如圖8B ; 圖8B説明圖8A的光栅所產生複雜且非對稱性的光譜； 圖9A説明一種製造本發明長週期光柵的較佳方法之停留 時間的圖； 圖9B説明圖9A的光栅所產生複雜且非稱性的光譜，在 主要最小値的短波長端有—旁瓣； 圖10A説明一種製造本發明長週期光柵的較佳方法之 -- I I. Hi n -I . _ _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 抹 -II- 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（9 ) 期性的圖；及 囷10B説明圖l〇A的光栅所產生複雜且非對稱性的光譜， 在主要最小値的長波長端有一旁瓣β 詳細描述 圖1説明本發明使用的光學系統1 〇的示意圖。光學信號 12經由一傳統光纖14傳遞，在傳遞距離的最大値時，光學 信號12變得微弱，需要將信號放大以確保高品-質的傳遞信 息。此弱小的光學信號12進入傳統的光學信號放大器16被 不均勻的放大’如光譜18所'示，在光譜i8a中每一條垂直 線代表不同波長。 ‘ 正如同先前討論，光學信號放大器16是單一組件，此組 件將輸入光學信號12線性地放大的複製品傳送到它的輸出 端。然而不幸地是，當光學信號12被光學信號放大器16放 大’不同頻道的信號受到不同的增益，因此信號的輸出有 不同的振幅18a。如果此項增益傳遞給光學信號18，當信號 通過沿著光纖14連續排列的放大器，光學信號18會被連續 地放大。到達某臨界點時，中央波長的增益是經由花費其 鄰近波長的信號所獲得的，這樣使得它們無法在信息傳遞 上使用。相同地，在放大信號波長兩端的因光譜而改變的 噪音源，會有效地增加光學信號18的損失。因此，非常需 要將一種光學信號整形裝置20放在光纖14中，以除去任何 不同的増益或波長，例如本發明的長週期光柵20a。在普通 的長週期光栅中，其反射光小於傳遞光的1%，不同於短週 期光柵其有大部分的光被反射》被改變成水平的光譜22, -12- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — * 1 ·—I :-·11 - i 1 = 一 In I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

.tT t 316953 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（10) 説明光學信號裝置20如何將不需要的光譜增益除去，以達 到可傳遞信號的水準《光學信號整形裝置20可放在光纖14 中的光學信號放大器16之前，放大器16之間[放在最後兩 段的摻雜稀土元素的光纖]或放大器16之後。然而，放置光 學信號整形裝置20的最佳位置是在光學信號放大器16之間 。在下文的詳細討論中，光學信號整形裝置20的組合，可 除去不需要的信號增益或噪音波長或以上兩者·，以產生放 大的水平光學信號22。 圖1A説明一個具有八個頻迨波長分割的多路系統的示意 圖。微弱的輸入光學信號12進入光學信號放大器後，產生 放大的光譜18 ’虛線24代表要達到高品質地信號傳遞所需 的最佳信號增益量。圖中說明，光學信號放大器伴隨著多 餘的is號增益26 ’對某些波長28以垂直線超過虛線24的部 分代表多餘的增益。光學信號整形裝置所產生的光譜3〇, 基本上與反相的放大光譜18相吻合，如此可除去伴隨的增 益26，在囷中以垂直線超過實線的部分代表，最後產生水 平的放大信號22。 圖2説明製作本發明光學信號整形裝置的示意圖。光纖 14最好疋早一模式的光纖’其具有捧雜光敏物質的碎石核 心32’換雜的光敏物質如：錯，难’锡’光電或，光磁材 料。進一步，光纖14可加入氫分子或氘分子以加強其光敏 性。將核心32選擇地暴露在一強度大的光束下，來製作光 學信號整形裝置。信號整形裝置最好包含一種長週期的光 柵，此光栅具有不均勻的折射係數，折射係數至少朝部分 -13- 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚；） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 316953 at B7 五、發明説明（11) 光柵的長度延伸，光柵的組態可改變光學信號以產生非對 稱性的光學信號。光學信號的長度依其應用而改變，但它 的長度範圍通常是大約1厘米到大約5厘米。一些將核心32 選擇地暴露在光束下的方法包括[但不侷限於]以下四種方 法：1)在先行界定的光學信號整形裝置的長度爲函數來改 變光束的停留時間，2)以光學信號整形裝置的長度爲函數 來改變光束的強度，3)以光學信號整形裝置的·長度爲函數 來改變光栅的週期性，4)於光纖暴露在光束下時，使光纖 14產生應變。雖然在光敏物貪暴露過程中，可使用其他已 知的光源，而最佳的暴露光源是由氟化氪準分子雷射34產 生的紫外線輻射β適當的間隔或光束的強度是依特定光學 放大器的光譜而定，將光纖核心32暴露在光學信號整形裝 置的長度内具有可改變強度的雷射光束下，可產生適當的 間隔。雷射34的最佳強度爲100微焦耳每平方公厘，其放射 的波長等於248毫微米。另一種方式如圖2顯示，光纖14可 暴露在具有寬廣光束的雷射34下，經由一個可提供多數個 透明狹縫38的振幅光罩36，狹缝具有不同的間隔圖案Λι， 八2 ’ Λ3 ’ ·…等和不同的間隔寬度w,，w2，w3，w4，.…等。對 每一狹缝38的最佳暴露劑量爲大於1〇〇微焦耳每平方公厘的 1000個脈衝，而且這些數目和間隔的變動範圍，絕大數依 照特定的光學信號整形裝置而定。 然而，不論使用何種方法，其結果是使_種光學信號整 形裝置具有不均勻的折射係數，此係數朝至少部分整形裝 置的長度延伸’整形裝置的組態可改變輸入的光學信號， 本紐尺度適用中鮮（CNS〉 I ' H ϋ IJ- n — J n I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（12) 以產生非對稱性的輸出信號；依整形裝置的應用，其中至 少部分的光學信號轉向進入核心或被覆層β在本文的應用 中’不均勻的折射係數分佈，產生非對稱性的光學頻譜， 就是在光譜主要的傳遞凹處（主要的最小値）的兩側沒有可 分割的光譜鏡像。這些光譜内的部分區段通常以光譜内给 疋波長的旁瓣代表。熟悉此技術的專家們都了解這些旁瓣 比主要的最小値波段有更大的傳遞能力。正如-此處的説明 及下文的討論’這些旁瓣通常出現在緊鄰著光譜的主要最 小値區域。 然而在某些情況下，最好窝下不均勻的折射率形像，以 產生實質上非對稱性的光學頻譜。"實質上非對稱性"的意 義是旁瓣祇出現在能有效地傳遞信息的最小値區域的一侧 在某些情況下’旁瓣可能在主要最小値的兩邊出現。但 祇有旁瓣出現在主要最小値的一邊時，才能在向前傳播方 向上有效地傳遞資料。在許多的光學系統中，對—給定的 旁瓣其傳遞係數的凹處必須是大約0 5dB或小於先前資料在 旁瓣波長位置可有效地傳傳遞的傳遞係數。 不均勻的折射係數形像可朝部分的光學信號整形裝置延 伸或朝整個整形裝置的長度延伸。這些沿著整形裝置長度 變化的折射係數，是依將折射係數形像寫入光學信號整形 裝置的方式爲函數；例如，可改變寬度w的擾動、窝入光 束的強度、及於光學整形裝置核心32暴露在光束下時，在 光纖14上所施應變的量、或沿著光學整形装置，改變寫入 光束的停留時間。在本文中使用，•停留時間"意味著，沿著 -15- 本錄尺度適财關家料（CNS )） II— - n nn -裝— — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 綵 316953 Α7 — ~ " --------- ---B7 五、發明説明（13^ ' ------ 光子整形裝置的長度將在某-特定點的核心32暴露在光束 下所需的時間。 圖説月本發明—具體實施例的光學信號整形裝置20的 截面圖”其包括_段光纖14，其可於向前傳播#模式傳遞 光學信號，光纖14具冑-界定折射係數\的核心’核心的 周圍有一被覆層40,此層具有較小的界定折射係數心。在 某些實施例中，被覆層40可包括具有不同折射'係數的多層 ，每—層具有不同的折射係數。尚且，核心的折射係數ηι 不必爲階梯函數’其可沿著榦方向橫過整個核心32改變， 核心32最好包含一個或多個光學整形裝置。在一最佳的實 施例中，長週期光栅與含多數個係數擾動hhh、^、 Ps、…等’其有不同的寬度％、w2、w3、…等，寬度的間隔 有不同的週期距離Λι，a2，八3，…等[週期性]。在核心32 中每一擾動Pi、P2、P3、P4、p5〜等有不同的折射係數。擾動 Pi、P2、P3、P4、p5···等最好與光纖14的縱向軸成一角度Θ [2 〇 S S 90βρ這樣的组態使光纖14被設計成傳遞具有波長 几的寬廣頻道之光學信號。 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 正如本發明所使用的，長週期光栅是一種週期性大於光 波長（通常大於2微米）的光柵，此光柵可將光纖中一種制 導模式耦合至一種向前傳播的非制導模式；如此，光學信號 就像在短週期光柵中不會被反射，非制導模式可爲被覆層 模式、輻射模式、或在多層波導中的環狀模式。波導的核 心定義爲波導中央折射係數昇高的區域。長週期光栅20a 的工作原則是在某一週期性Λ，當下列的幅角匹配條件成 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印袋 A7 ___ B7五、發明説明（14) 立時’制導的核心模式可糕合至非制導的被覆層模式： 心-n被復層=λ /Λ ’ n核心是核心模式的有效係數，η被復層是被 覆層模式的有效係數，λ是當上述方程式成立時光學信號 的波長。模式的有效係數是指每一模式的傳播常數点除以 自由空間的傳播常數k，k=2 π / Λ ，例如η =β /k，η 核心 核心 被復 =/?被》^i/k。上述的幅角匹配條件，顯示我們可修正3個自 由參數的任何一個，核心32的有效係數、被霞層40的有效 係數、或光柵20a的週期性及改變裝置運作的波長。通常 核心模式η核心和被覆層模式_n被覆層的有效係數直接與核 心\和被覆層n2的折射係數（材料特性）有關。 耗合模式方程式的建立’可預測在任何給定的波長有多 少的核心模式會走入被覆層模式，因此容許準確地預測光 學頻譜。由耦合模式方程式計算核心模式。本發明的光學 信號整形裝置20使用折射係數擾動，將核心模式和被覆層 模式搞合在一起。因此’耗合方程式提供一種可預測光學 信號整形裝置20如何影響核心和被覆層模式。 在波導中存在兩種模式具有振幅UQ(z)和VQ(Z；^這些模式 是共同傳播的，它們在波導中存在Δε擾動的區域互相接觸 。U*V模式依耦合模式方程式進行： dU0/dZ=j[knU0+k12V0ei-] dV〇/dZ=j[k21U〇eJ-+k22V]其中 ci =/?u-/?v 藉由替代法上述的方程式可簡化爲 U〇 -17- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂 ⑴⑵ 本纸乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 316953 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（15) v0=viej^ dU0 /dz=[dU1 /dz+jkuU,]e^ dU〇 /dz=[dV1 /dz+jk^VJe^ 這些方程式可用U!和表示如下·· dUt /dz^kjjVj ^j(k22-kii+ <f )Z (3) dVt /dz=jk22U,e *j(k22*kU+,f )2 (4) 對可產生一個2次微分的方程式，如下：- d2Ut /dzJ -j(k22-ku+^)dUl /dz + k12k21U, = 0 (5) 使用方程式（5) ’若已知在-&位置的 '和犯/肚及在〜和Zl 位置之間kn、k„和d是常數，就可求得在h位置的仏和 dU/dz。方程式（5)在均勻係數的區域的解就成爲：

Uj(z ) = Ae*12+Be彡z 光柵長度之％的解是藉Zi、Z2、... Ζη+ι 沿著光纖方向 步進及在每一步計算新係A、B、Λ、及卢而出。傳遞強度 的最後解是： |u0 h = uu* 可用傳統的過程決定任何一種光學放大器的光譜^ 一種 產生與放大器光譜反相的光譜光學整形裝置，可除去光學 放大器光譜中不需要的部分，不論這些不需要的部分是否 是不需要的增益、雜訊波長、或以上兩者。可使用上述的 方程式來決定光學整形裝置須選寫入的不均勻折射係數， 以除去光學放大器產生光學信號不需要的部分。 圖4A説明一種傳統簡單的且長度爲5厘米的均勻長週期 光柵的圖。可由圖中看出此光栅具有均勻的折射率形像， -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公董） ------：--^丄裝------訂------1 戒 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（16) 因爲沿光柵的長度沒有變化的強度I或週期性Λ。 圖4Β説明圖4Α的光柵所產生的光譜。均勻的光柵產生 的對稱光譜會對其一主要的最小値42對稱，代表其傳遞係 數有一個相當的凹陷。圖中，在主要最小値42的短波長端 4 4 a有一短波長的旁瓣4 4出現；在主要最小値42的長波長 端46a有一長波長的旁瓣46出現。由於此光讀的對稱性， 此光柵無法改變如囷5説明之光學放大器產生的複雜且非對 稱的信號。 圖6A説明本發明的長週期光栅具有一複雜且不均勻I或 Λ的圖。其沿5厘米長的光柵有變化的強度I或週期性八， 顯示其有一反相的稍微小的高斯形像。如前文談到，一連 串的放大器會有補償的效果’因爲放大器有非對稱的轉移 作用，當寬頻帶的光學信號通過放大器後，導致光學信號 的光譜變形。現今的光學傳播系統使用—連串掺雜餌元素 的放大器’其工作波長大約是1550毫微米，其非對稱性發 生在短波長端。圖6Β的光譜説明主要峰値或主要最小値48 的波長是1558毫微米，此系統的光學頻道傳播範圍是從短 波長端50的1550毫微米到長波長端52的1565毫微米》 經 部 中 央 標 準 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 ! I I..... - I —II - t I 1 -- -- _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 圖6Β顯示圖6Α的光柵所產生的複雜且不對稱的光譜， 在圖中以實線代表，在主要最小値48的長波長端52有旁瓣 54出現’虛線5 6代表圖4Β所顯示傳統的對稱光譜。對許 多光學系統而Τ ’其非對稱光譜與對稱光譜的形狀在〇 j到 0.2dB的範圍内吻合是相當重要的。此複雜光譜的主要特點 是，在提高較長波長處52的旁瓣54的花費下，能有效地除 ' —^1 -19- 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 _____B7 五、發明説明（π) 去較短波長處50旁瓣56a »這種現像可用折射係數的改變和 波長之間簡單的一對一對應來瞭解；若感應的折射係數改 變很小’短波長處會受影響，相反地，若感應的折射係數 改變增加’較長的波長開始與被覆層耦合。藉由使光柵的 強度I如圖6A改變，較長的波長和較短的波長之耦合會在 空間上分離，總體而言，光譜的頻寬變寬廣。在長波長位 置的強旁瓣起因於核心模式和被覆層模式之間干涉性的拍 ，因此，當光進入光柵時，較長波長的光僅部分地核合到 被覆層模式。當核心和被覆每這兩種模式沿著光纖的中央 區域傳播時，兩種模式間產生一種依光波波長而變的幅角 延遲差距，在長週期光柵的最遠端產生另外的耦合。然而 ’因爲在兩種模式間有幅角差距，光學信號在兩種模式間 有拍產生。圖6B顯示的傳遞光譜在其長波長處有拍產生。 具有反相的高斯圖形的不均勻折射係數的形像，造成了模 拍現像，並導致在長波長處52的旁瓣54昇高，短波長處5〇 則沒有旁瓣。如此簡單地解釋，祇適用於對此現像獲得外 觀上的瞭解。精確且量化的分析，就需要求上述耦合的模 式方程组的數値解》 圖7A説明本發明中另一個複雜且不均勻長週期光柵的圖 ，圖中顯示沿著光柵長度其有變化的密度或週期性，其產 生的光譜如囷7B。圖7B説明由圖7八的光柵所產生的複雜 且非對稱的光譜’其由實線表示，在主要最小値62的短波 長處60有旁瓣58形成’囷中的虛線64代表圖4B中所説明的 傳統光譜。當信號在摻雜铒元素的放大器中傳播時，雜訊 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公| ) ----^-----'裝------訂------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（is) 伴隨著訊號的放大被累積，這種雜訊波長的中央位置主要 位在大約1530毫微米。因此，須要除去這種中央位置大約 在1530毫微米的代表性光譜片段，而不會嚴重地影響波長 >1550毫微米的傳播信號。若使用一均勻的光束窝入波長中 央位置在1530毫微米的光柵，如圖4B中，在較長波長處產 生的旁瓣會有效地使訊號的損失增加，這樣會損害系統的 性能。如圖7B所説明的，已除去出現在長波長、處6 8的旁瓣 66，這樣使得部分的光譜適合高品質的傳遞《在某些應用 ，旁瓣可被質質地除去；就是説旁瓣的傳遞強度下降被減 少至大約原先的0.5dB或更少。 圖8A説明本發明中另一個複雜且不均勻長週期光柵的圖 ，圖中顯示沿著光柵長度其有變化的密度或週期性，其產 生的光譜如圖8B。圖8B説明由圖8A的光柵所產生的複雜 且非對稱的光譜。這兩個圖簡單地説明爲什麼本發明的光 學*^號整形裝置可產生複雜非對稱的圖形而不須要許多光 栅串連起來3圖8A顯示具有多個峰値的折射係數/週期圖 形的示意囷，此圖產生一具有多個最大値和最小値複雜圖 形的光譜。此光譜適用於配合單—個摻雜餌元素的放大器 在寬廣的波長範圍（通常是30-40毫微米寬）的光譜形狀，如 圖5A所示。 圖9A説明本發明中較佳的長週期光柵的寫入光束停留時 間曲線圖’圖9B説明圓9A的光栅所產生複雜且不對稱的光 譜，在其主要最小値的短波長處有一旁瓣。光學整形裝置 是寫在一核心具有大約10莫耳鍺的傳統標準的色散位移光 n-n ΙΊ I ^—*1— —L I n n n I— I— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 21- 316953 A7

請 先 閱 面 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 t

Li. j-

A7 B7五、發明説明（2〇)應當了解他們能做各種不同的變化、替代、及選擇而不脱 離本發明寬廣型式的精神和範圍。 . r I -^-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

,1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 1· 一種光學信號整形裝置，可與一種具有界定爲第一折射 係數\的核心和界定爲第二折射係數n2的被覆層，其組合 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本萸) 形態可傳遞光信號的光纖一齊使用其包括： 在該光纖中製作一種具有特定長度的長週期光柵，該 長週期光栅具有不均勻折射係數的形像，該形像朝至少 部分的該特定長度延伸，光柵的組態可改變該光學信號 ，以產生非對稱的光學信號，至少部分的該·光學信號被 導入該核心或該被覆層。 2. 根據申請專利範圍第1項的光學信號整形裝置，其中該長 週期光柵在至少部分的該特長度内，有多數個不均勻間 隔的折射係數擾動。 3. 根據申請專利範圍第1項的光學信號整形裝置，其中 該長週期光柵的組態可使至少部分位在傳遞光譜最小 値的長波長處的長波長轉向進入被覆層，因此產生在該 最小値的長波長處有旁瓣發生的非對稱光學信號。 4. 根據申請專利範圍第1項的光學信號整形裝置，其中 該長週期光栅的组態可使至少部分位在傳遞光譜最小 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 値的短波長處的短波長轉向進入被覆層，因此產生在該 最小値的短波長處有旁瓣發生的非對稱光學信號° 5. 根據申請專利範圍第1項的光學信號整形裝置’其中包括 一種可耦合至該光纖的光學放大器，該光學放大器能傳 遞放大的非對稱光學信號到該光纖中，其中該長週期光 柵的組態可使至少部分的該放大的非對稱光學信號轉向 進入被覆層。 -24- ^^度逋用中國國家標準（CNS〉A4*JL格（210X297公釐） 316953 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 6·根據申請專利範圍第5項的光學信號整形裝置，其中咳光 學放大器是一種摻雜餌元素的光學放大器。 7. 根據申請專利範圍第5項的光學信號整形裝置，其中該放 大的非對稱光學信號光譜的最小値的短波長處有_短波 長信號，該長週期光栅的组態要能使至少部分的該短波 長信號轉向進入該被覆層。 8. 根據申請專利範圍第5項的光學信號整形裝置·，其中該放 大的非對稱光學信號光譜最小値的長波長處有一長波長 信號，該長週期光栅的組ΐ要能使至少部分的該長波長 信號轉向進入該被覆層。 9. 根據申請專利範圍第5項的光學信號整形裝置，其中該長 週期光柵的組態要能使伴隨著該放大的非對稱光學信號 之特定部分的增益轉向進入該被覆層。 10. —種製造光學信號整形裝置的方法，其步驟包括： 將一窝入光束聚焦在特定長度具有光敏材質的該光纖 上；和 將不均勻折射係數的形像沿著至少部分特定長度的光 纖上寫入，如此，該光學信號整形装置可改變光學信號 ，以產生非對稱的光學信號，其中至少部分的該光學信 號被轉向進入該核心或該被覆層。 11. 根據申請專利範圍第10項的製造方法，其中該寫入步躁 包括在該特定長度内改變寫入光東的強度之步骤。 12. 根據申請專利範圍第1〇項的製造方法，其中該寫入步骤 包括： -25- 本紙張尺度適用中國圉家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） .......................裝................·玎................線 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製

   經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 沿著該特定長度的該光纖上放置一光栅的光罩；和 使寫入光束通過長週期光柵的光罩並照在該光殲上， 在該長週期光柵光罩上有多數個不均勻間隔的狹绒，因 此，在至少部分的該特定長度之該長週期光柵中，衫成 多數個不均勻間隔的折射係數的擾動。 13. 根據申請專利範圍第1〇項的製造方法，其中該窝入少驟 包括改變寫入光束在該特定長度停留時間的步驟。 14. 根據申請專利範圍第10項的製造方法，其中該寫入爭雜 包括施加應力在該特定長度-内之該光纖上的步驟。 15-根據申請專利範圍第1〇項的製造方法，其中該寫入资踩 包括寫下的該長週期光柵可使至少部分位在傳遞光譜最 小値的長波長處之長波長轉向進入該被覆層，因此展生 —種在該短波長處有旁瓣發生的非對稱光學信號。 姐根據申請專利範圍第1〇項的製造方法’其中該寫入步騍 包括窝下的該長週期光栅可使至少部分位在傳遞光譜最 小値的短波長處之短波長轉向進入該被覆層，因此產生 一種在該長波長處有旁瓣發生的非對稱光學信號。 17. 根據申請專利範固第1〇項的製造方法，其中該寫入光束 是雷射。 18. —種光纖傳遞系統，其系統包括： 一個具有特定長度及其具有界定爲第一折射係數A的 核心和界定爲第二折射係數n2的被覆層的光纖，其组合 形態可傳遞光學信號； 一種光學信號整形裝置，其包括： -26- 本纸彔尺度適用中國國家標準(CNS)a4規格(2]0X297公釐) ....................裝................ir..............一·線 π請先閱请背希之法意事項卉璘寫本頁) ABCD 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 一種具有特定長度的長週期光柵製作在部分的該光纖 中，該長週期光栅具有不均勻折射係數的形像，該形像 朝至少部分的該特定長度延伸，光柵的組態可改變該光 學信號，以產生非對稱的光學信號；和 —種能耦合到該光纖的光學放大器，該光學放大器能 傳遞放大的非對稱光學信號到該光纖，該長週期光栅的 •组態能使至少部分該放大的非對稱光學信號-導入該被覆 層。 19. 根據申請專利範圍第18項鈞光纖傳遞系統，其中該光學 放大器是一種摻雜餌元素的光學放大器。 20. 根據申請專利範圍第18項的光纖傳遞系統，其中該長週 期光栅的組態可使至少部分位在其傳遞光譜最小値的短 波長處之短波長轉向進入該被覆層，因此產生一種在該 短波長處有旁瓣發生的非對稱光學信號。 21. 根據申請專利範圍第18項的光纖傳遞系統，其中該放大 的非對稱光學信號在其傳遞光譜最小値的短波長處有短 波長信號，該長週期光栅的組態可使至少部分的該短波 長信號轉向進入該被覆層。 21根據申請專利範圍第18項的光纖傳遞系統’其中該長週 期光柵的組態可使至少部分位在其傳遞光譜最小値的長 波長處之長波轉向進入該被覆層，因此產生一種在該長 波長處有旁瓣發生的非對稱光學信號。 23.根據申請專利範圍第18項的光纖傳遞系統’其中該放大 的非對稱光學信號在其傳遞光譜最小値的長波長處有長 -27- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公梦) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 -π. 線 ABCD 316953 六、申請專利範圍 波長信號，該長週期光柵的組態可使至少部分的該長波 長信號轉向進入該被覆層。 24.根據申請專利範圍第18項的光纖傳遞系統，其中該長週 期光柵與光學放大器中間相對的兩端點耦合。 .......................裝................訂................線 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐)