TW460721B - Asymmetric low dispersion bragg grating filter - Google Patents

Description

460721 A7 B7 五、.發明説明（f ) 發明來源： 本發明係關於反射性光學濾波器，以及特別是關於不 對稱低色散之Bragg光柵濾波器。 發明背景： •波長區分多工(WDM)普遍使用於光學通訊系統中。在 這些光學系統中主要光學元件將產生合併不同波長頻道以 及分裂波長頻道之功能。

Bragg光柵結構使用作為WDM頻譜濾波器以及其他光學 訊號處理之應用。在這些形式應用中，Bragg光栅濾波器具 有低插入損耗，平坦頂部頻譜效應，陡斜率而使串音以及線 性相效應減為最低以避免由於濾波器色散產生訊號衰減之 透射損失。雖然依據Bragg光柵反射濾波器能夠設計為具 有接近理想之頻譜效應，當接近頻帶邊緣時相關相之效應 變為非線性增加（即提高色散)，因而減小有用的濾波器頻 帶寬度。然而該光學濾波器振幅效應承受相當大之衰減， 相位效應只在光學通訊系統環境中進行研究。 依據傳統Bragg光栅之反射性濾波器具有色散特性，其 藉由光柵透射頻譜關係決定出，該關係由濾波器原因形成 。因此，在頻譜中具有尖銳下降邊緣帶通濾波器將產生較 大之頻帶内色散。頻帶内色散通常在頻帶邊緣為最差。在 該情況下，渡'波益呈現出有政限制色散遽波頻帶寬度小於 傳統限制振幅濾波器之頻帶寬度。不過對於Bragg光柵濾 波器中固定振幅效應，濾波器色散能夠在色散限制範圍内 得到改善。i於反射性濾波器通常只使用B:ragg光柵一端 本纸張尺度適用中國國家標準{ CNS ) Λ4規格（ΉΟΧ297公身) .4 60 7 21 五、.發明説明（i ) 經濟部中央播準局負工消费合作社印製 反射，在細-端歧射色散減小而在光柵另外—端將提 高色散。Bragg光柵獨特特性為非常複雜，因為其提供一 釋製造無色散_舰H之方式，其在輕業界拌演非常 重要角色。 發明大要：， · 本發明一項為Bragg光栅濾波器以使用於光學鸚維系 統之光纖中，其中光纖包含心蕊及包層。—組多條光 柵區段形成為心蕊及/或至少部份光纖包層。每一光柵元 件折射率週期性變化被界定出。折射率週期性變化具有空 間性非對稱調贿射率使得在舞元件―端處反射色散能 夠減小而在光栅元件另外一端處反射色散將提高。 本發明其他特性及優點能夠詳細揭示於下列詳細說明 ，其部份可立即由說明為熟知此技術者了解或藉由實施詳 細說明，申清專利範圍.以及附圖而明瞭。 人們了解先前-般制以及刊詳城痛作為本發 明之範例，以及提供一個架構以了解本發明原理及特性。 附圖在^提供吏進一步說明本發明，以及在此加入構成本 發明说明書$—部份。附圖顯示出本發明各種特性以及實 施例，以及隨同說明書以解釋本發明之原理及操作。 附圖簡單說明： 第圖（圖1)為本發明在光纖中形成Bragg光柵之透視 圖。 第二圖（圖2)為曲線圖，其顯示出本發明Bragg光柵反 射特性。 t (請先閱讀背面之注意事項再填莴本頁) 訂 本纸张尺度適用中囷國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0 X 297公楚） 4 60 72 A7 B7 五 發明説明（ 3 ，三圖（圖3)為曲線圖，其顯示出傳統此鄉光栅結構£ (請先閲讀背面之注意事項蒋填?|本頁) 第四圖（圖4)為曲線圖，其顯示出傳输鄉光栅結構 折射率.調變之空間對稱分佈。’ .第五圖（圖5)為曲線圖，其顯示出本發術娜光糖結 構折射率調變之空間對稱分佈。 第六圖（圖6)為曲線圖，其顯示出本發明不同此哪光 柵結構透射以及發射頻譜。 ..第七圖（圖7)顯示岀本發明折射率調變形狀改變情況 、第八至^^一圖（圖8至11)顯示出本發明折射率調變形 狀變化對Bragg光栅結構呈現出延遲變化。 第十二圖（圖12)曲線圖，其顯示出本發明不同^⑺这运光 柵結構透射以及反射頻譜。 .第十三圖（圖13)顯示出析射率調變尖峰能夠移動遠離 本發明光柵中央。 苐十四直十七圖（圖14-17)顯示出本發明折射率調變 尖峰變化對Bragg光柵結構呈現出之延遲變化。 詳細說明： 經濟部中央襟準局員工消f合作社印製 現在針寧本發明優先實施例詳細說明，其範例顯示於 附圖中。儘可能地，整個附圖中使用相同的參考數字係指 相同的或類似元件。 本發明Bragg光柵10範例性實施例顯示於圖i中。為了 說明目的，Bragg光栅1〇形成光纖12 ^光纖12包含心蕊14以 及包層16,該包層包圍著光纖12之心蕊14。心蕊14及/或至 少一部份光纖12包層由一種材料所構成，該材料當暴露於 本紙掁尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 6 經濟部中央樣隼局員工消贽合作社印31 460721 .A7 ____________B7 五、發明説明（+ ) 特疋頻率時將改變折射率。藉由在心蕊⑷斤射率中.產圭週 期性變化，Bragg光柵1〇形成於光纖12。熟知此技術者了解 將Bragg光柵形成於光鐵丨2心蕊14中為已知的方法。人們 了解Bragg光柵能夠形成於光學介質及/或元件中。 一個反射性形式Bragg光栅反射特定波長同時透射其 他波長如圖2所示，為一般Bragg光柵之反射光線與波長範 例曲線圖。如先前所說明，折射率週期性變化定義出Bragg 光柵。圖3顯示出傳統Bragg光if冊折射率範例性變化。如人 們所知，任何形式光柵主要以兩個參數表示：〇)折射性光 柵振幅以及⑵折射率週期。振幅22表示折射率局部改變 情況，同時週期24表示振幅波峰彼此相隔距離。圖4顯示出 Bragg光柵調變相對折射率。調變折射率亦為光彳冊特性。 傳統Bragg光栅呈現出空間性對稱分佈。 '反射性頻譜濾波器能夠使用一组多個Bragg光柵元件 製造出，其巾每-光栅元件在折射率巾具林_週期變 化。每一Bragg光柵元件反射不同波長，因而形成濾波器。 依靠具肴對稱結構傳統Bragg光柵元件之反射性濾波器具 有色散特性，丼由光柵透射頻譜經由一個濾波器表示 連性決定出，。因而，在頻譜中具有尖銳下降邊緣之帶逋濾 波器將產生較夫頻帶内色散。在理想帶通濾波器中，尖銳" 下降邊緣以及頻帶内低色散兩者為需要的。 ’穴兄 在傳統反射性Bragg光栅濾波器中，頻帶内色散通常在 朝向頻帶邊緣將變差。在該情況下，濾波器呈現出^效$色 散限制濾波頻帶寬度小於傳統限制振幅濾波之頻帶^产 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐} 5 (請先S,讀背面之注意事項再填寫本K〕

經濟部中央標準局貝工消背合作社印製 460721 A7 . B7_ . 五、發明説明（f ) … 然而本發明濾波器能夠在有限原因之色散限制範圍内得到 改善。由於敢大反射渡波器只使用jgragg光栅一端之反射， 反射色散能夠在光柵一端減小而在光柵另外一端處提高色 .散。 ' . . 在一般Bragg光柵中，透射延遲])τ(ω)經由下列Hilbert 轉換與透射Τ(_ ω)相關： ΰΓ(ω)-Β0=1· Γ 9I〇gV^) άω π L δω ω-ω' 其中ω為光學頻率，Ι)。表示常數偏差β透射延遲仏（0)主要 與相同光柵兩個端部發出反射延遲])f ( ω )以及Db( ω )相關： _ ΙΚω>[Μω)+βι^(ω)]/2。當光柵調變折射率為空間性對 -稱時，光栅端部反射光線間並無差異即Df( ω )=Db( ω )=Dt( ω) 。在該情況下，Bragg光栅濾波器色散特性由發射τ( ω)決定 出。達到完整情況，由Bragg光柵兩個端部發出反射振幅 匕（0)及^(0)為相等的以及表示為

Ri( 〇ύ )=Rb( ω )=1-Τ( ω ) 而與光棚'結構無關。. 不過，假如光栅折射率對稱性被受到破壞，則Df( ω)不 等於Db(o)。更特別地，反射延遲能夠在光柵一端減小以及 使光栅另外-端延遲增加。由於大部份反射濾'波器為單邊 (即，、使用一個反射），此並不存在裝置應用之問題。熟知 此技術者立即了解空間不對稱光柵(並不具有調變)仍然具 有對稱性反射以及透射頻譜。 …' 圖5顯示出B ragg光柵濾波器調變範例性折射率，其呈 現出空間非對稱性分佈。切趾函數通常為一項技術以改變 光學系統振幅透射以減小或抑制繞射環能量而相對於中央 本紙張尺度適用中國國家標华（CNS ) Λ4規格（210X297公货 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

、5T A7 B7 五、發明説明（ 辑糸=幅透射以減小或抑魏射魏量而相對於中央 =斑在該情況下，折射率輕齡侧切趾函數 對=率形㈣及非對稱程度作某些程度控 '，〜機尖峰偏移光柵巾央）。折射率調變為沿著 光柵Ζ位置之函數，其關係如下： q{z)^(p±)aK^

L κ 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 J二L J總光桃長細如為卜5一及κ㈣處轉合係數 (、例如為^7浙？1550) »因而，α使用來控制切趾形狀 以及/3使用來控制折射率調變尖峰位置。 =6提供5個範例性光柵結構透射以及反射頻譜(其中 点固定為2· 5)。在光栅結構中不對稱並不產生位於滤波頻 譜任何-側振幅形狀相關之顯著變化。不過，當折士率調 變改變時由每—光#呈現ώ之延遲將改L，圖7產 Bragg光柵折射率調變，同時α由〇改變為2而召固定為2. 5 。如圖所示，折射率調變形狀改變然而折射率調變尖峰多 少為固定的。特別是，較大α表示更不對稱之光柵結構。 圖8顯示出折射率形狀變化導致由於光柵所呈現之延 遲變化。不對稱Bragg光柵顯示出三條延遲曲線（其中α = 2以及点=2. 5)。Di為來自於右邊光線之反射延遲以及仏為 來自左邊光線之延遲^ D為具有相同振幅效應對稱光栅之 延遲，其中延遲依據先前所說明公式加以計算。如圖所示， 與對稱光柵效應D(6J)延遲比較,Db〇)顯著地減小。當固定 /3常數為2, 5時，在圖9,10及11中α在1，5,1. 0與〇. 5之間變 化。當α接近零以及光柵變為更為對稱時，與]χω)相關 本紙張尺度適用中國囡家榇準（CNS ) Λ4規格（2i〇X297公旋) 460721 A7 B7 ~ ' - ___ __ 五、發明説明（7) -

Db(ω)之改善將減小。在對稱光柵中，三條延遲曲線併為一 條延遲.曲線。 , 同樣地，圖12提供一些額外光柵結構透射以及反射頻 .譜(其中α固定為2.0：^應該注意到反射頻譜多少未受到 .改變只要保持小於2. 5。不過，反射頻譜衰退速率利用較 大/5特性加以補償。圖13顯示出每一光柵結構折射率調變 (即α=2以及;5=1. 5, 2· 5, 5,以及50)。如圖所示，當光柵石 增加時，折射率調變尖峰更進一步偏離中央。 . 由於四個.不同光柵結構之每一透射為相同的，每一光 柵結構延遲能鞞與相關之其他三個光柵結構比較。例如， 圖14’ 15,16及17提供每一光柵形成之三條延遲曲線，即α = 2. 0以及泠=50’5. 0, 2. 5以及1. 5。再次地，可看到與j)(w)相 關之Db(6J)顯著改善，當光柵變為較對稱時，改善程度將減 小。. 經濟部中央棹毕局員工消t合作社印¾ 由先前所說明，人們了解本發明在因果關係限制範圍 内產生改善延遲效應而提供一種改良延遲效應，其能夠藉 由將不對稱性加入光柵結.構内而不會衰減光栅振幅效應而 達成。該非對稱光柵開擴新的變數能夠使光栅結構具有衰 退振幅以及頻帶内低色散《理想地，本發明能夠產生無色 散濾波器。在光柵中合併對稱性調變（非對裤性 使渡波器頻譜不對稱)，更進-步改善為可預 人們亦了解雜非對觀射率調絲證實本發明 原理’能夠使用週期變化以達成相同效果或與非對稱折射 率調變結合以更進-步改善遽波效應。值得注意存在一些 本紙張尺度適用中國國家標卒（CNS ) A4規格（210Χ297^^~)

I。A 46072 1 A7 ___ 〜一 B7 五、發明説明（g ) .範例’其巾鮮⑽定g)定色散騎波騎需要而非頻帶 内零色散，即線性相效應。此能夠沿著至少部份光柵線性 地改變折射率調變之週期。在該情況下，在此所說明效應 將促使色散在頻帶邊緣處改變， ' 熟知此技術者能夠由本發明作出許多變化及改變，但 是其並不會脫離本發明之精神與範闺。下列申請專利範圍 將含蓋這些變化及改變。 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 VCJ 氏 I本 適 -格 規 Λ4 S Ν

Claims (1)

1. 460721 ABCD 六、申請專利範圍 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 光學波導令之反射性光學驗器，波導由較 域狀出以及由第二較低折射率第二區域 至少一個Bragg光柵區域形成於光學波導中，其中此昭 光柵區域由折神擾_案以及具有空間非對稱調變折射 率擾動圖案界定出。 2. 依據申請專利範圍第丨項之反射性光學濾波器，其中空間 非對稱折射率調變將減小與gragg光柵區域至少一個端部 相關之反射延遲。 3. 依據申請專利範圍第1項之尽射性光學濾波器，其中與擾 動圖案相關之週期在jBragg光柵區域内變化。 4·依據申請專利範圍第1項之反射性光學濾波器，其中與擾 動相關之週期在Bragg光栅區域内變化，因而減小此卿光 柵區域至少一個端部相關之反射延遲。 5. 依據申請專利範圍第1項之反射性光學濾波器，其中在至 少部份Bragg光柵區域中擾動圖案週期線性地改變，因而對 光學濾波器提供頻帶内固定之色散》 6. 依據申請專利範圍第1項之反射性光學濾波器，其中波導 _為光纖。 7. 依據申請專利範圍第1項之反射性光學濾波器，其中光學 波導由平面基質所構成。 8. 依據申請專利範圍第1項之反射性光學濾波器，其中波導 第一區域更進一步界定為光纖心蕊以及波導第二區域更進 一步定義為光纖之包層。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 表紙悵尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 經濟部中央標率局員工消費合作社印t. A8 ' B8 C8 *--- - D8 六、申請專利範圍 « 9·依據申請專利範圍第1項之反射性光學濾波赛，其中Bragg 光柵區域產生折射率調變為沿著光柵區域之位置函數 _ 宇㈣Γ ' L y κ } .其中L為總光栅長度以及凡為2=〇處麵合係數。 10. —種使用於光纖系統中Bragg光柵濾波器，光纖系統具 有至少一條由心蕊以及包層界定出之光纖區段，其包含： 至少一働ragg光柵區域形成於至少一條心蕊以及至少 部份包層中，其中Bragg光柵區域具有一個折射率； Bragg光柵區域包含一組多條光柵區段，每一光柵區段具 有折射率週期變化以及由空間不對稱調變折射率界定出。 11 依據申請專利範圍第10項之Bragg光柵濾波器，其中空 間不對稱調變折射率減小相對光柵區段至少一個端部處之 相關反射延遲。 12.依據申請專利範圍第1 〇項之Bragg光栅濾波器，其中在 一個或多個光栅區段内折射率變化相關週期將改變。 .13.依據申請專利範圍第10項之Bragg光柵濾波器，其中在 一個或多個光栅區段内折射率變化相關週期將改變，因而 減小光柵區段至少一個端部處相關之反射延遲。 14. 依據申請專利範圍第10項之Bragg光栅濾波器，其中在 至少部份一個光柵區段内折射率週期變化為線性地變化， 因而對濾波器產生頻帶内固定色散。 15. 依據申請專利範圍第10項之Bragg光柵濾波器，其中光 學波導為光纖。 本紙浪尺度適用中國國家摞準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐） U (诗先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ^:__ 1 —^ϋ · 、τ 經濟部中夬標隼局負工消f合作社印13. λ Λ A 8 460721 g —. 08 六、申請專利範圍 . » 16.依據申請專利範菌第1〇項之Bragg光栅濾波器，其中光 學波導由平面基質所構成。 .17.依據申請專利範圍第1 〇項之Bragg光柵濾波器，其中每 一光柵t段產生射率調變為沿著光柵區域位置之函數，為 Φ)=ΆΚ(ι〇ιρΐ L κ 其中L為總光柵長度以及/0為2=0處耦合係數。 18. —種減小反射延遲之方法，該延遲與反射光學渡波器至 少一個端部相'關，該方法包含下列步驟： 提供光學波導使用作為反射性光學濾波器，光學波導由 較高折射率第一區域以及較低折射率第二區域界定出；及 形成Bragg光柵區域於光學波導内，gragg光栅區域由擾 動圖案界定出.成為光學波導第一區域，使得擾動圖案具有 空間性非對稱調變折射率。 19. 依據申請專利範圍第18項之方法，其中更進一步包含在 Bragg光柵區域内改變擾動圖案週期之步驟。 .20.依據申請專利範圍第18項之方法，其中更進一步包含在 至少部份Bragg光栅區域中改變擾動圖案週期之步驟，因而 對光學濾波器提供頻帶内固定色散。 本纸浪尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（210X 297公釐） 12(请，先閱讀背面之注意事項再填寫本育)