TW499588B - Wavelength switch made of optical fiber to switch reflected wavelength - Google Patents

Description

499588 五、發明說明（1) 【發明領域】 本發明是有關一種以光纖製作之波長切換器，且 特別是有關一種使用光纖光柵及聲波振動以達到可切 換反射波長之波長切換器。 【發明背景】 近年來，通訊產業發展迅速，所使用的材料及技 術也不斷的更新和進步。在材料方面，|光纖因為其低 耗損率’大頻寬，高傳輸量且不受電磁波干擾的優點 而被廣泛的使用。在技術方面，分波多工 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)技術

因能達到同時傳輸多頻道的效果而備受矚目。在fDM 系統裡’波長切換器（s w i t c h )是一個重要的裝置，因 此利用光纖製作波長切換器為一深具商業價值之研 究。 ' 目前’已知使用光纖光柵及聲波振動光纖可以達 到調整光栅布拉格反射率之目的。其作法係先在光纖 上寫入折射率呈週期性變化的布拉格光_，並使用一 電壓驅動壓電晶體產生聲波振動以激發|光纖之橫向振 動，依此作法，可藉由聲波強度來調整布拉格波長之 ^射率。但是，此過程僅能使單一波長的反射率產生 變化，若無其他適當設計，並無法達到切換反射波長 之功能。

第4頁 、發明說明（2) 【發明目的及概述】 ^丄有鑑於此，本發明的目的就是在改良上述裝置之 :岭與操作條件，提供一種利用光纖光栅及聲波振動 來切換反射波長之波長切換器，而其切換波長中，不 同波長間訊號相對強度全由所加電壓大|小控制|，而可 =換波長則由光纖光柵附近光纖覆被層|外徑大小決 疋。本發明之波長切換器可使用於分波多工光通訊系 統中。 .

根據本發明的目的，我們提出一種可切換反射波 長的光纖切換器’議切換器具有一光纖，中間包括一 段光纖光栅’用來傳輸或反射不同波長之光訊號，光 ，光柵區之光纖以蝕刻技術製成細部區。在光纖細部 區附近’配置有一個角錐體，角錐體尖端抵接於光纖 側面。又，角錐體的底部和一壓電晶體相接。當壓電 晶體接收到一個電壓訊號時，便會產生聲波振動，而 角錐體會將聲波傳至光纖上，使光纖產i生橫向释動， 此檢向振動將使光纖產生微彎曲（micr〇「ben(jing)， 造成光纖之核心模態與覆被模態耦合，使得布拉格波 長之反射光訊號衰減’同時也使得覆―模態耦合波長 之反射光訊號增加，而達到切換反射波長之目的。 為讓本發明之丰述目的、特徵、和優點能更清楚 易懂，下文特舉一實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明：

第5頁 499588 五、發明說明（3) 【實施例】 請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例的一 種可切換反射波長之光纖波長切換器的i架構圖。一般 而言，光纖102的構造可分為兩層，一^是位_光纖 102中心的核心層（cpre)1〇4，另一層是|覆蓋在核心層 104上的覆被層（cia(iding)106。在光纖102上係具有 一細部區108，在細部區1〇8之核心層104裡係設置有 光纖光柵11 0，用以調節不同波長光訊號之反射率。 在光纖1 0 2侧面接近I細部區1 〇 8之處，係連接一角錐體 112 ’其尖端11 2a與光纖相接1〇2，而其底部11 2b則與 一壓電晶體11 4相連。其中，壓電晶體1 1 4的功用在於 產生聲波振動。 當壓電晶體114與一電壓源116相接時，由電壓源 116輸入的電壓訊號將使得壓電晶體114產生振動，而 振動將傳送至角錐體的底部11 2b 角錐 體11 2的作用 在於提供一集中振波能量的效果，將壓電晶體114所 產生的振波集中傳送到和尖端11 2a相接的光纖側面 以激發光纖1 0 2來產生橫向振動及相對應的光纖微彎 曲。此振動會沿光纖軸向傳遞，而其頻率和電壓源 116所提供交流電壓|之頻率相同，其強度和電壓訊號 大小成正比。 ° 而光纖1 0 2所傳送之光訊號係包括;一具有布拉格 波長(第一波長）之光訊號與一具有覆被模態輕 合波長 As( cladding-mode coupling

499588 五、發明說明（4) — wave length)(第二波長）之光訊號。其中，布拉袼波 之等效來射 與細部I區1 08 長λΒ係由光纖光柵11〇的週期及光纖1〇2 率所決定的。而覆被模態耦合波長As係” ^ 之直徑與電壓源1 16所提供之交流電壓之頻率有關。 請參照第2 A - 2 C圖，其繪示具有布拉格波長又β之 光訊號在無電壓訊金的情形下，通過第1圖之波長切 才奐器時之傳輸情況平化之示意圖。其中，第2 a圖顯示 以正向核心模態（f0rward — pr0pagating core mode) 傳輸之具有布拉格波長之光訊號，於傳輸至光纖 光栅1 1 0鈾之情形。如箭號2 〇 2所示，具有布拉格波長 λ β之光訊號係主要於核心層1 〇 4中傳送。第2 Β圖顯示 具有布拉格波長λΒ之光訊號於光纖光柵110處反射之 情形。當具有布拉格波長；^之光訊號接近光纖光柵 11 〇時，會產生相位匹配，使得大部分^號能量耦合 至反向核心模態（backward-propagating core mode) 而反射，如箭號204所示，少部分具有布拉格波長又B 之光訊號則繼續以正向核心模態於光纖丨〇 2中傳輸， 如箭號206所示。所a，當具有布拉格波長之光訊 號通過光纖光栅11 〇I後，其結果將如同第2C圖所示， 大部分之具有布拉袼波長之光訊號反射，並於光 纖1 0 2中反向傳輸，如箭號2 〇 8所示，而少部分之具有 布拉格波長λΒ及其他波長之光訊號則繼續於光纖1〇2 中正向傳輸。 清參照第3 A - 3 C圖，其繪示具有布拉格波長λ Β之

第7頁 499588 五、發明說明（5) 光訊號在第1圖之電壓源116輸出電壓訊號的情把丨下， 通過第1圖之裝置時之傳輸情況變化之示意圖。复 中’第3 A圖顯示以早向核心模態傳輸4具有布拉格波 長λΒ之光訊號，於接近光纖光栅11 〇前之情形。技 月’』 號302所示，具有布|拉格波長；^之光訊號係大部分於 鉉心層104中傳送。1請參考第3Β圖，因邊壓訊號令光 纖1 0 2上產生橫向振動，此橫向振動產生之微彎曲現 象所引發之相位匹配會使具有布拉格波長λβ之光訊 號耦合至覆被層106，如箭號31〇所示。亦即是，輕合 至反向核心模恶之具有布拉格波長之光訊號將會 減少，如箭號304所示，而耦合至正向覆被模態之具 有布拉格波長λΒ之光訊號則會增加，如i箭號31 〇所 示。所以，當具有布拉格波長之光娥號經過光纖 光柵110後，其結果將如同第3C圖所示，大部分之具 有布拉格波長；lB之光訊號因耦合至覆被層丨〇6而散 失，少部分具有布平格波長之光訊號於光纖1〇2中 反向傳輸，而少部分具有布拉格波長λβ之光訊號則 繼繽於光纖1 02核心層中正向傳輪。比較第2C圖及第 3C圖可得知’電壓源提供之電壓訊號會減弱在光纖 102之核心層104中以反向傳輸之具有布拉格波長心 之光訊號，換言之，電壓訊號明顯地減低了具有布8拉 格波長λΒ之光訊號之反射率。 且ϋ第4A~4C圖，其繪示具有覆i模態耦合波 長；ls(claddingi〇(Je coupling wavel如gth)之光訊

499588 五、發明說明（6) 號在電壓訊號為零的情形下，經過第1圖中裝置時之 停輸情況變化之示意圖。其中，第4 A圖顯示以正向核 心模態（forward-propagating core mode)傳輸之具 有覆被模態耦合波λ s之光訊號，於搓近光纖光柵 11 0前之情形。如箭號4 0 2所示，具有覆被模態叙合波 長又s之光訊號係大部分於核心層1 0 4中傳送。第4B圖 顯示具有覆被模態耦合波長As之光訊號經過光纖光 柵11 0時之情形。因為光纖光柵11 0對具有覆被模態耦 合波長As之光訊號產生相位匹配，使#大部分的光 訊號_合至反向覆被模態（backward-propagating cladding mode)，如箭號410所示。可施還有極少部 分具有之光訊號會輕合至反向核心模態，但此反 射訊號太過微弱，在此處可忽略不計。但因搞合至反 向覆被模態的訊號極容易散失，所以，當具有覆被模 態耦合波長As之光訊號經過光纖光栅丨1 〇後，其結果 將如同第4C圖所示，極大部分具有覆被模態耦合波長 之光訊號都會散逸至光纖102之外。 請參照第5 A - 5 C圖，其繪示具有覆被模態耦合波 長；ls之光訊號在通入電壓訊號的情形下，通過第1圖 中之裝置時之傳輸情況變化之示意圖。其中，第5A圖 顯示以疋向核心模態傳輪之具有覆被模|態耦合波長λ s之光訊號，於到達光纖光柵11 0前之情k。如箭號 5 0 2所示’具有覆被模態耦合波長又s之光訊號係大部 分於核心層104中傳送。第5B圖顯示具有覆被模態耦

^9588 五、發明說明（7) "" "一"一 ^波長As之光訊號通過光纖光柵丨1〇時之情形。第5β 妥和第4Β圖顯示相昂的模態耦合，如箭號51〇所示， 。卩分具有覆被模態耦合波長h之光訊號會耦合至 反向覆被模態。第5B圖和第4B圖之不同處在於，第5B 2中之光纖102將因電壓訊號而產生橫向振動。而此 j向振動產生之微％曲現象所引發之相位匹配，會使 得在覆被層中的具有覆被模態耦合波長As之光訊號 耦合至核心層1 04，其結果就如同第5C圖所示，具有 覆被模態耦合波長人8之光訊號會由反^覆被模|態耦 合至反向核心模態，如箭號508所示。^5C圖顯示具 有覆被模態耦合波長h之光訊號經過光纖光栅丨J 〇 後’其大部分會搞合至反向核心模態，並於核心層 1 04中反向傳輸。比較第4C圖及第5 C圖後可得知，電 壓訊號造成的振動會使得原本耦合至反向覆被模態波 長h之光訊號再度耦合回核心層丨04，形成以反向核 心模態傳輸波長之光訊號。如此，將大大地提高 了具有覆被模態耦合波長λ s之光訊號之反射率。 綜上所述，足夠大之電壓訊號造成的振動將使得 具有布拉格波長λΒ之光訊號之反射率降低，而具有 覆被模態耦合波長h之光訊號之反射，則增加。 又’其中反射率之改變量是由振動振幅|大小決定，也 就是由電壓訊號之大小所決定。同時，具有覆被模態 耦合之波長係由光攀細部區之外徑大小決定。 在第1圖中，本實施例所用之光纖1 0 2可為一單模

第10頁 499588 五、發明說明（8) 光纖，而和光纖相接的角錐體1 1 2係由金屬（例如 )所製成。此角錐體112的目的在於集中由壓電晶體 114所產生的聲波振動強度，例如是1· 3MHz之聲Z， 使光纖102產生微彎曲現象。而為了使微彎曲現象’ 為明顯，可以氫氟酸蝕刻光纖之覆被層丨〇 6，使其$ 被層106之直徑由125微米縮小至例如3〇微米，以y、 3 · 5厘米。至 前已利用紫外 細部區1 0 8，而細部區1 〇 8之長度例如為 於光纖光桃的形成，係在未钱刻光纖之 線雷射照射光纖，以干涉或相位光罩的方式，使^ “ 纖的核心層1 04沿軸方向產生週期性的折射率變化、，光 以形成光纖光柵1 1 0。需要注意的是，本發明之’ 用的光纖光柵可為十斜向光纖光柵，其包X含有使 角，例如為2◦，本實施例之光栅長度為丨· 米，傾斜 光栅之中心位置則位在細部區丨Q 8之中央。/盧、而 規格所設計之波長切換器之布拉格波長A ，上 毫微米，而所得到最㈣（第—個）覆被^ 入5、 長久s則為1 5 3 9 · 7毫微米。 、〜輕a波 換器輸入不同振幅之電壓源之電壓， 一 ^ 輸入光纖時，所得到之波長切換 氺广一 1頻光源 係代表光訊號之心 射率。其中，第6Α圖繪示當第w =代表反 之電壓為。伏特時的丨反射光譜 =6所提供 有具有布拉格波長…訊號反射第以約： 請參照第6A〜⑽圖，其所繪示乃對滅 終λ τ ^ ]年1圖之波長切

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=’而幾乎無覆被模態耦合波長、之光訊號反射。 第6B圖繪不當電壓源所提供之電壓為18伏特時的反 射光譜圖。當提高電壓源所提供之電塵時，壓電晶體 向振動振幅變 布拉格波長λ

114產生的振動變強而使得光纖1〇2的橫 大。由前文可知，加強振動會減低具有付收我 Β之光訊號的反射率b相對提高具有覆被模態耦合波 長人8之光訊號的反_率。由第6B圖所示，具有 模態耦合波長As之光訊號的反射率約增加至〇. 2。券 參考第6c圖，其缯^當電壓源所提供之電壓為1〇伏= 時的反射光譜。由第6C圖所*，具有覆被模態耦合》 長Xs之光訊號的反射率較第“圖有顯著的增加，苴-反射率提高至約0.5，相反的’具有布拉格波長/之 光訊號的反射率則下降至約〇. 5，形成一個雙夸的\ 形。由第6C圖可知，電壓為1〇伏特時，具有布拉格》 長λΒ之光訊號和具有覆被耦合模態波,心之考訊號 的反射率大致相等。當電壓再加到丨5伏1特時，先譜」 所呈現的反射率呈現一個顯著高峰和兩!個低峰的情 形，係如第6D圖所示。具有覆被模態耦合波長八之 光訊號的反射率增高，大約為〇. 6，而具有布拉格波 長λΒ之光訊號的反，率卻已降到只有大約〇. 2。在第 6D圖之反射頻譜圖中，尚可發現短於覆被模態耦合分 長λ5之光訊號有反射的情形，其反射率約為〇2，其 係由微彎曲之諧波所引發之另一波長之反射光訊號^ 請參照第7圖，其所繪示乃具有布拉格波長^之

五、發明說明（10) 光说號與具有覆被槿能*人 雷厥接硫Tc。W輕5波長h之考訊號於不同 表的是^壓源 是反射_。如 :壓振幅下的反射率相關圖。其橫5軸代 im壓之振幅，其縱軸代表的 箸電壓振不幅的、增有加布:下袼降皮長广之光訊號的反射率t隨 ^ ^ b η ^ 降相反的，真有覆被模態輕 ^ Ji 。S1 t ^號的反射率則隨著電壓振幅的增加 1 f i i 4拉帑波長λβ之光訊號的下降曲線和 會點大約在丨〇伏;ii%之先訊號的上升曲線之交 七、.^ ^ 伙特，反射率約為47%之處。舉例來 Ϊ電：之伏特時，反射之波長也 ...Ε 攸λΒ換到，由此可顯示本發明作 為波長切換器的特性。 【發明效果】 織沾t發明t述實施例所揭露之可切換反射波長之光 纖 > 長切換器係藉由使用覆被層經蝕刻成細部區之光 Ϊ光拇以及改變聲波振動之大小來執行㈣波長之功 ^僅需調整輪入寧壓之大小便可達到切換波長的目 、，而切換之波長與效率可由細部區外徑大小來控 J本發明之光纖波長切換器更可使用於分波多工系 統之光塞取器之操作（wavelength_divisi〇n multi^exed add_dr〇p 〇perati〇n)中 |。 ‘'上所述’雖然本發明已以一實施例揭露如上， 然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不

499588 五、發明說明（11) j 脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤 ! ； 飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍 所界定者為準。 丨

第14頁 499588 圖式簡單說明 【圖式之簡單說明】 第1圖繪示依照本發明〜實施例的一種可切垃 射波長之切換器的樂構圖。 刀換反 第2A〜2C圖，其繪示具有布拉格波長心之 在無電壓訊號的情形下，通過第^圖之光纖波長 器時正反向核心模態耦合之示音、圖。 焚切換 第3A〜3C圖，其繪示具有布拉格波 Ϊ有電壓訊號的情形下’通過第U中光纖波長:拖遽 第4Α〜4C圖’其繪示具有霜址 另设破模態耦合波县2 雜六红恭廊士 ft ΛΑ丄去… 〜 Κ 八 時，核心模態與覆被模態耦合之示咅圖 焚切換 之 f5A〜5C圖，其繪示具有覆被模態輕合波二 J訊J在有電壓訊傘的情形τ，“二 長切換…核心模態與覆被模態輕合之示音：波 反射，示當電壓源所提供之電壓為◦伏:時的 的反口繪示當電壓源所提供之電為U伏特時 第6C圖繪不當電壓源所提供之電壓|為1〇伏特 反射光譜。 | 可 第6D圖繪示當電壓源所提供之電壓為15 反射光譜。 吋 第7圖繪示具有布拉格波長；^之光訊號和具有 之 的 的 覆

第15頁 499588 圖式簡單說明 i ‘ 被模態波長；is之光m號在不同電壓下反射率的消 長。 .1 i 【標號說明】 1 0 2 :光纖 1 0 4 :核心層 1 0 6 :覆被層 I 0 8 :細部區 II Θ :光纖光桃 11 2 :角錐體 1 112a :角錐體尖端 . 112b :角錐體底部 114 :壓電晶體| 11 6 :電壓源 202 、 204 、206 、 208 、 302 、304 、 306 >310 、 402、410、502、508、510 :箭號

Claims (1)

1. 499588 六、申請專利範圍 1. 一種可切換尽射波長的光纖波長切換器，該光 : Ί * 纖波長切換器包括： 一光纖，用以傳遞一具有第一波長之光訊號與一 具有第二波長之光訊號，其中該光纖更包括一細部 區， 一光纖光柵，係位於該細部區内；

   一角錐體，用以集中傳遞一聲波振丨動於該朱纖 上，該角錐體具有一尖端，該尖端抵接於該光k側 面，藉由調整該振動之振幅，可改變該1具有第一波長 之光.訊號與該具有第二波長之光訊號之反射量；以及 一壓電晶體，該壓電晶體與該角錐體之一底部相 連，並接受一電壓ifl號之控制，用以產生該聲波振 動。 2. 如申請專利範圍第1項所述之光纖波長切換 器，其中該光纖光柵係為一斜向光纖光柵。 3. 如申請專利範圍第1項所述之光纖波長切換 器，其中該角錐體係由金屬或玻璃製成。

   4. 如申請專利範圍第1項所述之光;纖波長切換 器，其中該電壓訊號係由一電壓源所提供。 5. 如申請專利範圍第1項所述之光i纖波長切換 器，其中該第一波長為布拉格波長。 6. 如申請專利範圍第1項所述之光纖波長切換 器，其中該第二波長為覆被模態耦合波長。

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