專利名稱：偏振非敏感的微彎光纖光柵及其使用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微彎光纖光柵，尤其涉及一種通過在一具有獨(dú)特構(gòu)造的光纖中有目的地分離其HE和TE/TM矢量模式以形成偏振非敏感的微彎光纖光柵(polarization insensitive microbend fiber)從而對于所關(guān)心的諧振波長來說，僅存在HE模式。
背景技術(shù)：
可調(diào)諧寬帶模式轉(zhuǎn)換器在波分復(fù)用(WDM)光學(xué)通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。它們可被用于例如，將在“少?！惫饫w的一個模式中傳播的光波信號動態(tài)地轉(zhuǎn)換成其他的空間模式。這樣的耦合有利于改變光波信號行進(jìn)的路徑，因為交替的路徑(由光纖中的其它空間模式所限定)可以具有較佳的色散、非線性或放大特性。例如高階模式(HOM)色散補(bǔ)償器，其中全部通信頻帶的光從一輸入的LP01模式轉(zhuǎn)變成例如LP11?；騆P02模式的高階模式。
通常，長周期光柵(LPG)是一種模式轉(zhuǎn)換裝置，其提供相位匹配耦合從而從光纖中的一個模式向另一個模式轉(zhuǎn)移功率。已經(jīng)證實，其用于在傳統(tǒng)傳輸光纖的導(dǎo)模和包層模之間的耦合以產(chǎn)生波長選擇損耗尤其有效。在光學(xué)通信系統(tǒng)中，LPG已經(jīng)被廣泛地用于能夠提供WDM通信信號波長選擇衰減的精密裝置中。已經(jīng)提出了LPG光譜特性的動態(tài)調(diào)諧技術(shù)，并且已經(jīng)證實了動態(tài)調(diào)諧技術(shù)的多樣性。特別是，通過調(diào)制影響光纖的包層模的包層材料外部或者內(nèi)部的折射率，能夠動態(tài)調(diào)諧使纖芯模耦合到包層模的LPG。引入微彎的光纖光柵(MIG)是動態(tài)LPG的一種，光纖的周期性“微彎”引起其折射率中的微小變化。特別是，通過改變聲波的傳播強(qiáng)度或者改變施加到光纖的壓力(即，使用具有一限定周期的波紋表面擠壓光纖)，可以調(diào)諧MIG的耦合強(qiáng)度。
正如以下詳細(xì)描述的，MIG設(shè)備在應(yīng)用時有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，當(dāng)共同傳播模式(co-propagating)之一是單模光纖的基模，且另一個模式為包層導(dǎo)模時，MIG在寬帶光在單模光纖中傳輸時產(chǎn)生波長相關(guān)損耗的光譜。已經(jīng)知道，波長相關(guān)損耗可用于多種裝置，例如增益均衡濾波器、用于寬帶光波設(shè)備的光譜整形器、放大自發(fā)輻射濾波器、用于穩(wěn)定光纖激光器的工作波長的損耗濾波器。另一方面，如果共同傳播模式的兩種模式都導(dǎo)向于一光纖的纖芯區(qū)域，MIG能夠用來實現(xiàn)如上所述的有效模式轉(zhuǎn)換，其具有例如高階模式轉(zhuǎn)換、可變光衰減等的應(yīng)用。
使用MIG的一個缺點(diǎn)在于其固有的、即使在理想的圓形光纖中引入光柵時仍然具有的偏振敏感度。圖1和圖2中的模式描述能夠解釋這種現(xiàn)象。上述引入微彎的光纖光柵將使用反對稱LP1m模式(例如圖1(a)和(b)中的LP11模式)與圓形對稱偏振簡并模(例如圖1(a)和(b)中的LP01模式)相耦合，這里的m表示反對稱模式的徑向階數(shù)，。參考圖2所示，LP11模式顯示為具有四重簡并(four fold degeneracy)，該四重簡并包括矢量模式TE01、TM01以及奇、偶HE21模式。在任何具有徑向折射率(radial index)變量(限定芯/包層邊界的必需物)的光纖波導(dǎo)中，已知這四種模式呈現(xiàn)出些微不同的傳播常數(shù)。這樣，與給定光柵周期Λ的微彎光纖光柵相耦合導(dǎo)致呈現(xiàn)出對于各個不同的模式具有些微不同的諧振波長。由于基模的不同的偏振方向會導(dǎo)致四個模式不同的激發(fā)能級，所以得到的耦合光譜也將是偏振相關(guān)的—一種不想要的結(jié)果，因為其嚴(yán)重的限制了MIG在“偏振非敏感”響應(yīng)為必要條件的光纖系統(tǒng)中的應(yīng)用。
先前的嘗試降低MIG的偏振敏感度的技術(shù)主要分成三種(1)為了沿光纖的兩正交橫向軸引入微彎，一種情況是通過圍繞光纖螺旋狀纏繞細(xì)線圈以產(chǎn)生圓形對稱微彎；(2)在極細(xì)光纖中形成MIG(導(dǎo)致僅耦合奇/偶HE模式)及(3)使用外部組件補(bǔ)償偏振相關(guān)損耗以將偏振分集引入系統(tǒng)。研究第一種解決方案，發(fā)現(xiàn)其局限于需要使用具有昂貴和復(fù)雜的有嚴(yán)格角度公差的波紋式組件的精密儀器。此外，有必要確保當(dāng)光從一組微彎橫穿到與其正交的一組微彎時沒有偏振旋轉(zhuǎn)發(fā)生。而且，使用螺旋式微彎還需要用于每一設(shè)備(每一設(shè)備需要高精確性)的單獨(dú)裝配，并且不能提供“力度調(diào)諧”—MIG基本的優(yōu)點(diǎn)。第二種解決方案需要極細(xì)光纖的使用，這對于“真實世界”的系統(tǒng)應(yīng)用是不實際的，并且只能用于聲光設(shè)備中，因為在極細(xì)光纖上擠壓波紋塊的操作提出了許多可靠性及產(chǎn)量等問題。第三種解決方案(偏振分集)需要使用例如法拉第旋轉(zhuǎn)鏡以旋轉(zhuǎn)偏振狀態(tài)(SOP)的裝置，結(jié)合循環(huán)器和偏振分光器以形成一對正交信號。實際上，將需要一對實質(zhì)上相同的MIG，各作用于一獨(dú)立的正交成分。這種方法可能給系統(tǒng)增加了大量的損耗、成本和尺寸。
因此，現(xiàn)有技術(shù)中一直需要為具有偏振非敏感的、并在多種系統(tǒng)應(yīng)用中有效的微彎光纖光柵提供與制造無關(guān)的、用于在光纖(即，聲光光柵、波紋塊、永蝕光柵等)中引入微彎的偏振非敏感。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)中保留的需要由本發(fā)明解決，本發(fā)明涉及微彎光纖光柵，特別是涉及通過在具有獨(dú)特制造的光柵中有目的地分離HE和HE/TM矢量模式以使得對于所關(guān)心的諧振波長僅存在HE模式而形成偏振非敏感型微彎光纖光柵。
本發(fā)明是基于對于如果光波耦合僅在限定于HE奇/偶模式發(fā)生，那么微彎光纖光柵能夠被制成具有固有偏振非敏感型的這一發(fā)現(xiàn)。典型的，TE01、TM01模式與HE21模式對(奇/偶HE模式呈現(xiàn)出相同的傳播常數(shù))的傳播常數(shù)具有些微的差別。在傳播常數(shù)上的差別是非常小的，并且在這種光纖中形成的均勻引入微彎的光纖光柵的相應(yīng)諧振波長，是以用于入射光的不同偏振狀態(tài)(SOP)的大約0.2nm至5.0nm進(jìn)行變化。雖然這種差異(以下稱為“波長分離”)是相當(dāng)小的，但是足夠引起10db或以上的偏振相關(guān)損耗。
根據(jù)本發(fā)明，通過設(shè)計光柵纖芯的折射率分布圖(profile)使其呈現(xiàn)出巨大的徑向梯度以制造光柵，提供需要的波長分離。特別是，纖芯被限定為包括纖芯中心區(qū)域、圍繞纖芯中心區(qū)域的溝道以及圍繞該溝道的環(huán)。纖芯各部份由其折射率(Δn)和半徑r所限定，該折射率被限定為相對于二氧化硅的折射率(限定為“0”)的“折射率差”，而該半徑定義為特定區(qū)域的厚度。以下用于設(shè)計方案的參數(shù)同時滿足形成呈現(xiàn)出本發(fā)明所需的波長分離的光纖的條件(1)該環(huán)的折射率差(Δnr)選定為大于0.015并在溝道及該環(huán)的折射率之間具有一足夠“陡峭”的躍遷(不超過1μm)；(2)纖芯中心區(qū)域折射率差(Δnc)保持在環(huán)折射率Δnr的大約四分之三(例如，ΔnC≈0.75*Δnr)。
在本發(fā)明的一個實施例中，光纖也能夠制造成呈現(xiàn)出一“回轉(zhuǎn)點(diǎn)”(TAP)狀態(tài)，如本人的2004年3月4日申請的同時未決的申請?zhí)枮?0/234,289專利中所論述的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)TAP狀態(tài)能夠用于提供相當(dāng)寬的工作帶寬，并且因此能夠產(chǎn)生具有非常寬的帶寬的光柵諧振。
本發(fā)明的一個顯著方面在于，波長分離微彎光纖光柵可以使用聲光或波紋元件調(diào)諧技術(shù)(同時也用于固定波長、不可調(diào)微彎光纖光柵)來形成。
本發(fā)明實施方式的其他和更進(jìn)一步的方面將結(jié)合附圖在以后的論述中顯而易見。


現(xiàn)參考附圖圖1(a)和(b)所示為LP01和LP11模式的徑向圖(圖1(a))和強(qiáng)度圖(圖1(b))；圖2包括了圖2(a)的LP11模式的四個模式的矢量表示圖和圖2(b)的一對標(biāo)量表示圖；圖3包括了一組三相匹配曲線的光譜圖(平行偏振和垂直偏振)；圖4所示為理想形式的、本發(fā)明的偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵(MIG)的折射率分布；圖5(a)-(c)所示為實驗測得的本發(fā)明的偏振非敏感MIG的特性圖；圖6為典型的輸入信號的偏振強(qiáng)度圖，“強(qiáng)制”跟蹤偏振的垂直和平行狀態(tài)；圖7(a)和(b)包括了根據(jù)本發(fā)明形成的偏振非敏感MIG的第二實施例的相對折射率圖和相位匹配曲線；圖8(a)-(d)示出了一組用于在根據(jù)本發(fā)明的光纖中形成/引入微彎的四種典型技術(shù)；圖9所示為包含根據(jù)本發(fā)明所形成的偏振非敏感MIG的級聯(lián)組的系統(tǒng)；圖10(a)-(c)所示為使用本發(fā)明偏振非敏感MIG作為可變光學(xué)衰減器的多個實施例；圖11(a)和(b)所示為利用偏振非敏感MIG作為光學(xué)開關(guān)；圖12(a)和(b)所示為利用本發(fā)明的一組偏振非敏感MIG作為模式轉(zhuǎn)換器(靜態(tài)或動態(tài)模式轉(zhuǎn)換器)。
具體實施例方式
下面將詳細(xì)論述，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計其中形成有微彎光柵的光纖，從而TE0m和TM0m模式的傳播常數(shù)與奇/偶HE2m模式的傳播常數(shù)充分地分離。結(jié)果與TE0m和TM0m模式有關(guān)的諧振波長將與HE2m模式的諧振波長顯著地不同/分離，這里，HE2m模式的諧振波長就被定義為光學(xué)系統(tǒng)的傳輸波長。下面的論述中是假設(shè)徑向模式m將作為第一階模式，這里m＝1。然而，需要理解的是本發(fā)明的原理也可同樣應(yīng)用于高階模式。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在其折射率分布圖中具有極大徑向梯度(例如，LP11模式的能量的最主要的部分接近于折射率隨徑向位置快速變化的光纖的區(qū)域模式)的光纖導(dǎo)致了偏振非敏感性所需的理想大波長分離。因此，本發(fā)明體現(xiàn)了提供在徑向折射率中的這一快速變化的多個不同的光纖結(jié)構(gòu)。
參考如上簡述，圖1在圖1(a)中分別顯示具有設(shè)計成支持LP01和LP11模式的纖芯的光纖中的LP01和LP11模式的徑向強(qiáng)度圖。圖1(b)包含了相應(yīng)于同樣的LP01和LP11模式的二維強(qiáng)度圖。從圖1中明顯看出，LP01模式具有一圓形對稱的場分布圖，而LP11模式在其中心為0，且是非圓形對稱的。光纖中的這種“線性偏振”(LP)模式表達(dá)法僅僅是近似正確的，因為其將電場作為標(biāo)量而非矢量。例如，LP01模式的水平和垂直偏振的傳播常數(shù)β01是相同的，因此，基模的傳播特性對于在其中通過的信號的偏振狀態(tài)為固有的非敏感性。然而，如上所述，已知LP11模式實際上是四個截然不同的矢量模式的線性結(jié)合，即TE01、TM01和奇偶HE21模式。圖2(a)所示為這四種模式的矢量表示，以及其線性結(jié)合見圖2(b)，導(dǎo)致了兩種類型的標(biāo)量LP11模式。圖2(a)的箭頭表示電場的方向。當(dāng)僅僅考慮標(biāo)量波等式時，這些模式具有相同的傳播常數(shù)。然而，當(dāng)考慮全部的矢量波等式時，這四種模具有不同的傳播常數(shù)。即，βTE01≠βTM01≠βHE21]]>和βHE21even=βHE21odd]]>這說明當(dāng)TE、TM和HE模式具有不同傳播常數(shù)時，偶和奇(以及由此的其旋轉(zhuǎn)變化形式)HE模式是簡并的。
這些不同模式的傳播常數(shù)的差別較小，并且能夠通過先解答產(chǎn)生LP11模式傳播常數(shù)的標(biāo)量波等式，然后應(yīng)用一階微小變化理論以獲得該場的一階矢量校正值，如下所示
βvector＝βscalar+δβpert所述差別對于引入引入微彎型光纖光柵(MIG)的性能具有重要作用，其導(dǎo)致了根據(jù)本發(fā)明的作為模式分離的結(jié)果(作為模式函數(shù)的“波長分離”)的偏振敏感度的發(fā)現(xiàn)。尤其是，MIG將基模與非圓形對稱的LP11模式耦合，工作諧振波長通過下面的諧振條件與不同模式的傳播常數(shù)緊密地聯(lián)系在一起λres＝Λ·(n01-n1m)和β01=2πλresn01;]]>β1m=2πλresn1m]]>這里，n01和n1m分別為LP01和LP1m模式的有效折射率，并且和傳播常數(shù)有關(guān)(如上所示)，Λ是光柵周期。
由于LP1m模群中的各矢量成分具有些微不同的傳播常數(shù)，因此其諧振波長對于各模式也不同。更進(jìn)一步，TE0m和TM0m模式被定義成是偏振敏感感的，并且是由僅用于LP01模式的特定偏振輸入狀態(tài)的光柵激發(fā)。另一方面，簡并的HE2m對具有在光纖的橫截面中指向所有方向的電場矢量，且因而由用于LP01模式的偏振輸入狀態(tài)所激發(fā)。這一結(jié)果表明由用于耦合基模到LP1m模式的微彎光柵產(chǎn)生的諧振可以呈現(xiàn)出三種不同的諧振(即，在三種不同波長的諧振狀態(tài))，其中的兩個會強(qiáng)烈地偏振相關(guān)。
實際上，由于這三種模式具有幾乎相同的傳播常數(shù)，它們的諧振些微地合并，產(chǎn)生兩種不同的(但高偏振敏感)諧振。圖3示出了用于多種強(qiáng)度和偏振狀態(tài)的典型光纖中激發(fā)的微彎光柵諧振光譜，該典型光纖具有設(shè)計為以包層導(dǎo)模LP13耦合基模的600um光柵周期。由于如上所述原因，TE03、HE23和TM03模式的相位匹配曲線是不同但相似的，如曲線310、320和330所示的合成光譜。該光譜示出當(dāng)基模(LP01)的電場矢量平行于引入引入微彎的平面時增加強(qiáng)度的諧振。同樣，曲線340、350和360說明了當(dāng)基模的電場向量垂直于引入引入微彎的平面時增加強(qiáng)度的諧振。平行和垂直偏振之間的諧振差清楚地表明微彎光纖光柵顯著的優(yōu)點(diǎn)(無關(guān)、僅強(qiáng)度調(diào)諧能力)和基本的局限(固有的偏振敏感度)。注意到偏振相關(guān)損耗(PDL)對于20-dB的諧振可以有10dB高。該MIG的偏振相關(guān)可以以諧振之間的光譜間隙的方式而表示其特征。對于現(xiàn)有技術(shù)光纖的已知的MIG來說，諧振間隙大約1nm，該值依據(jù)所使用的光纖的類型在0.3nm與幾nm之間變化。然而，與光纖類型無關(guān)，所有這些諧振間隔值都導(dǎo)致了不可接受的PDL水平，因此這是所有MIG固有的問題。
因此，根據(jù)本發(fā)明，提出了一種新穎的光纖設(shè)計，其能形成偏振無關(guān)的微彎光纖光柵，并且基于光纖能夠被設(shè)計成精確控制在HE2m、TE0m和TM0m模式之間如上等式所定義的傳播常數(shù)δβpert這一發(fā)現(xiàn)。對于任何光纖波導(dǎo)，纖芯被定義為n2(r)＝nc02[1-2Δ·f(r)]這里nc0定義為纖芯中的折射率峰值，r為定義距纖芯的中心的距離的徑向坐標(biāo)，Δ是“折射率差值的相對值”，由關(guān)系式(nc0-nc1)/nc0定義，nc1是包層折射率，f(r)定義為折射率分布圖歸一化分布圖。此外，對標(biāo)量傳播常數(shù)的微小變化給出如下δβTE01＝0δβTM01＝2(I1+I2)δβHE21even=δβHE21odd=(I1+I2)]]>這里，量I1和I2由下列關(guān)系式與光纖的折射率分布圖相關(guān)聯(lián)I1=∫r·E1m(r)·∂E1m(r)∂r·∂f(r)∂rdr]]>I2=∫E1m2(r)·∂f(r)∂rdr]]>這里，E1m(r)通過指數(shù)“1”和“m”定義為該模式的場分布圖。
由于以引入微彎型光纖光柵進(jìn)行光耦合的提供被限制為包含偏振相關(guān)成分(即，TE0m和TM0m模式)和偏振無關(guān)性HE2m模式的非對稱模式，因此本發(fā)明的偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵是通過使用一光纖而形成，該光纖中的耦合僅發(fā)生在這三組模式的偏振非敏感成分，即，HE2m模式(至少在所關(guān)心的光譜范圍內(nèi))。由于光譜范圍典型的是20nm或更大，因此，設(shè)計成為具有由20nm或更大范圍所分離的三種模式的諧振的該光纖將導(dǎo)致偏振非敏感的MIG敏感。
圖4示出了與實現(xiàn)“波長分離”光纖相關(guān)的理想化形式的折射率分布圖，根據(jù)本發(fā)明該光纖可用于形成偏振非敏感的MIG。如圖所示，理想化的光纖折射率分布圖由折射率為Δnc半徑為rc的纖芯中心區(qū)域10、包圍中心區(qū)域10且具有折射率Δnt和半徑rt的溝道12、和包圍溝道12且具有折射率Δnr和半徑rr的環(huán)14所限定。每一折射率都是以與二氧化硅包層參考值0的“折射率差值”的形式描述的。光纖的設(shè)計方案由上述論述的關(guān)系所決定，其中該關(guān)系也就是微小變化δβTM_0M，δβHE_2M必須被最大化以達(dá)到大的諧振波長間隔。上述等式表示實現(xiàn)該最大化是通過對量I1、I2最大化，并且以接近波導(dǎo)轉(zhuǎn)換區(qū)域具有大(標(biāo)量)LP1m模式功率(例如陡峭的折射率階(step)、或者折射率分布圖的梯度很大的其他區(qū)域)的光纖設(shè)計依次對量I1、I2最大化。
考慮這些理想的特性同時參照圖4，其示出由虛線15所表示的LP11模式具有大的強(qiáng)度，和接近于高折射率環(huán)14的陡峭折射率階的大的強(qiáng)度梯度。此外，有效的器件必須呈現(xiàn)出低插入損耗，該低插入損耗需要基模(即，用于耦合到該器件和從該器件耦合出的模式)具有名義上的高斯分布以相應(yīng)于MIN的輸入和輸出端的相似分布的光學(xué)器件。為了滿足需要，中心區(qū)域10應(yīng)該足夠大(或折射率足夠高)以使得基模LP01實質(zhì)上位于纖芯中心區(qū)域10。因此這樣一種光纖的發(fā)明能夠根據(jù)折射率差和半徑值限定如下(1)環(huán)14的折射率差Δnr應(yīng)該大于0.015并具有足夠陡峭的朝向溝道12的“內(nèi)部”折射率步階。該內(nèi)部折射率步階通過空間長度S所限定，在該S上折射率從與環(huán)14有關(guān)的值變?yōu)榕c溝道12有關(guān)的值，該S應(yīng)該不大于1微米；(2)纖芯中心區(qū)域折射率應(yīng)該大約為環(huán)的折射率的75％，也就是說，纖芯中心半徑和折射率應(yīng)該足夠大以使得基模LP01實質(zhì)上完全依附在纖芯中心區(qū)域10內(nèi)，但又不至于大得使得非對稱LP1m也能導(dǎo)入纖芯中心區(qū)域10。
圖5(a)-(c)示出了由實驗測得的根據(jù)本發(fā)明形成的光纖的特性。其中圖5(a)示出了測得的Δnc、Δnt和Δnr折射率分布圖值。圖5(b)示出了圖5(a)中的光纖設(shè)計對于TE01、HE21和TM01模式的相位匹配曲線(光柵周期作為波長的函數(shù))，很明顯，該三條曲線具有很寬的間隔。導(dǎo)致傳播常數(shù)大的差值并因此得出的圖5(b)的相位匹配曲線的大矢量微小變化實際上是本發(fā)明的發(fā)明目的。圖5(c)示出了實驗測得的如在具有圖5(a)的分布圖的光纖中引入的光譜，該光譜是對于周期范圍從742μm到850μm的光柵引入?？梢酝ㄟ^例如，在波紋金屬塊(具有定義光柵周期的波紋周期)和橡膠墊之間擠壓光纖引入光柵。參考圖5(c)，三種不同的諧振峰值在各光譜中很明顯，其中心峰值(與HE21模相關(guān))最強(qiáng)。峰值最大是由于HE模是如上所述的偏振非敏感的。剩下的諧振(TE01和TM01)對峰值較小，因為不超過總可用信號強(qiáng)度的二分之一的信號強(qiáng)度將永遠(yuǎn)存在于特定的偏振中。該結(jié)果證實了引入微彎的光纖光柵的偏振敏感度現(xiàn)象。值得注意的是，HE模和TE/TM模之間的波長間隔處于60nm級別，該級別也就是保持器件工作范圍在任何給定的時間上都偏振非敏感的理想值敏感。
在TE和TM模式中存在的輸入信號的偏振狀態(tài)在包括發(fā)送強(qiáng)度圖的圖6所示的數(shù)值中明顯示出，該發(fā)送強(qiáng)度圖是對應(yīng)于受控輸入信號經(jīng)過MIG，該MIG具有標(biāo)記成“SOP‖”和“SOP⊥”的一組平行偏振狀態(tài)。如圖所示，在偏振的輸入狀態(tài)相應(yīng)于TE01模式(SOP‖)的地方，僅TE01和HE模式被激發(fā)，反之，對于正交偏振(SOP⊥)光來說，僅存在HE和TM01諧振峰值。根據(jù)本發(fā)明所披露的，偏振非敏感的HE模式將具有極偏振狀態(tài)下的諧振峰值。此外，圖6示出了在TE0和HE模式之間的76nm級和在TM01和HE模式之間的67nm級上，本發(fā)明的最優(yōu)光纖能夠產(chǎn)生顯著的大波長分離。
圖7(a)和(b)包含根據(jù)本發(fā)明形成的另一光纖的相對折射率圖和相位匹配曲線，其中，與圖7(a)和(b)相關(guān)的光纖設(shè)計也呈現(xiàn)出沿各相位曲線的“最小值”。如在上述參考的本人的未決(co-pending)的申請中所述的，該最小值被定義為“折回點(diǎn)”(TAP)。參考圖7(b)，水平線72示出了僅支持奇/偶HE模式的典型偏振非敏感MIG的光柵周期，其中這一特殊設(shè)置具有約為485μm的光柵周期Λ。先前，已經(jīng)證實，當(dāng)光纖光柵周期被選為在TAP耦合相位匹配曲線時(“TAP諧振條件”)，獲得大帶寬模式耦合。TAP的存在表現(xiàn)了對于相關(guān)引入微彎的光纖光柵的相對較大帶寬，和在100nm大的帶寬上的光譜平滑諧振，這兩個特點(diǎn)在光纖光柵制造中是往往十分關(guān)鍵。
如上所述，由于本發(fā)明的MIG的偏振非敏感與依據(jù)折射率差和半徑參數(shù)而合理制造出的光纖有關(guān)，所以任何用于引入微彎的正確的方法能夠用于形成所需周期的光柵。圖8(a)-(d)示出了四種典型的將微彎引入光纖的一組方法，其中圖(8)示出了波形盤30和橡膠墊32(如上述)的使用方法，波形盤30中的凹槽呈現(xiàn)出引入光纖的所需周期。圖8(b)是這種方法的一種變形，在該方法中，使用一對排列成其齒互相吻合于對方凹槽中的波紋塊34和36，如圖所示。這種情況下，當(dāng)在兩個板之間擠壓光纖時，就引入了微彎。這樣，較小的壓力可以用于形成與圖8(a)中的光纖相同的圖形。圖8(c)示出了一種聲光裝置，其中，一種壓電式換能器38(連接至RF電源，未示出)用于在光纖中傳播聲波，其依次產(chǎn)生具有與RF電源的頻率成反比的周期的周期性微彎，以及大小與RF源功率成正比的周期性微彎。因此，光柵周期和大小均可根據(jù)這種聲光裝置得到調(diào)節(jié)。圖8(d)示出了一種已永久的在光纖中形成微小變化的典型引入微彎的光纖光柵，其利用了以連接器的周期放電的任何已知的現(xiàn)有技術(shù)或CO2激光器的周期性燒蝕。圖8(a)-(d)的實施例僅為典型示例，而多種其他的向根據(jù)本發(fā)明所形成的光纖中引入微彎的技術(shù)能夠用于形成偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵。
現(xiàn)有多種不同的光學(xué)系統(tǒng)和子系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)和子系統(tǒng)可利用依照本發(fā)明形成的偏振非敏感MIG。敏感圖9示出了一種多個MIG 40-1到40-5的級聯(lián)裝置，其中各間隔的光柵可以是動態(tài)(可調(diào))或靜態(tài)的器件。特別是，該光柵的一級聯(lián)組可以用于產(chǎn)生平整的光譜輸出，特別是當(dāng)其輸入為增益光譜是高度波長相關(guān)的摻餌光纖放大器時。使用動態(tài)濾波器進(jìn)一步允許各光柵的特性能夠被實時地調(diào)節(jié)，以響應(yīng)輸入信號光譜的變化。圖9的曲線A表示輸入信號光譜，曲線B表示輸出信號光譜?？梢钥闯?，通過使用本發(fā)明的多個級聯(lián)MIG，可以實質(zhì)上消除輸入信號光譜中的多個無用特征并且可以在大范圍內(nèi)顯著平整光譜。相鄰MIG40之間的環(huán)路42標(biāo)志模式除離動作，以將LP11模式從經(jīng)由各單獨(dú)的MIG40的信號通路中輻射出去。該模式除離可以通過例如，使用光纖中的錐體或接頭將光纖彎曲成為單模光纖。
圖10(a)示出了一種典型的可變光學(xué)衰減器(VOA)50，其可以根據(jù)本發(fā)明通過在TAP狀態(tài)中制造如上所述的引入微彎的光纖光柵來形成，從而在光柵52中提供一(可調(diào))大的平整光譜的衰減。定位在光學(xué)接收器53輸入端的VOA50的布置考慮到通過控制接收功率使得接收器誤碼率的成本效率優(yōu)化。如圖10(b)所示，當(dāng)該器件用于后接于連續(xù)波(CW)光源55時，其可作為一低成本、低速數(shù)據(jù)調(diào)制器，或用于給予輸入信號之上的低速監(jiān)測品質(zhì)。如圖10(c)所示，從本發(fā)明的MIG中形成的可變光衰減器也可以與光學(xué)放大器54一起使用，其中該衰減器維持放大器54在一恒定飽和級，以減少任何噪聲指數(shù)或增益光譜的瞬時變化。
本發(fā)明的偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵也可以用作開關(guān)，因為其能夠在兩空間模式之間以偏振非敏感的方式移動光。圖11(a)示出了本發(fā)明的這一應(yīng)用，圖中示出，一該典型開關(guān)60在“cross”或“bar”狀態(tài)的操作。此外，經(jīng)由(例如)多模光纖耦合器將二模式光纖中的LP11模式耦合到單個的單模光纖的公知技術(shù)可以結(jié)合本發(fā)明的MIG62使用，從而形成一其中所有的輸入和輸出都與光纖的基模相關(guān)的四端口的2×2光學(xué)開關(guān)。圖11(b)以放置于MIG62的任一端的一對多模光纖耦合器64和66示出了這一思想。
本發(fā)明的引入微彎的光纖光柵可以被用于靜態(tài)或動態(tài)的模式轉(zhuǎn)換器，其是制造工作于光纖較高階模式的色散補(bǔ)償器和延遲線的關(guān)鍵元件。
圖12示出了這一思想，其中圖12(a)顯示了一種包含位于較高階模(HOM)光纖70輸入端的第一MIG68-1和位于HOM光纖70輸出端的第二MIG68-2的靜態(tài)的色散補(bǔ)償器67。圖12(b)所示為可調(diào)色散補(bǔ)償器80，其中，多個可調(diào)MIG82-1，82-2，…以串聯(lián)方式放置，不同長度的HOM光纖84放置在這些MIG之間。
多種其它器件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)，以及多種其它特定的光纖制造，均被考慮到落入本發(fā)明所教導(dǎo)的偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵的精神和范圍中。所有在說明書中所包括的根據(jù)本發(fā)明的通過在現(xiàn)有技術(shù)上的改進(jìn)的原理極其等效物詳細(xì)的指導(dǎo)均被正確落入到所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種配置成通過僅支持沿奇/偶HE2m模式的傳播以支持偏振非敏感操作的光纖，所述光纖纖芯包含選定折射率(Δnc)和預(yù)定半徑范圍(rc)的纖芯中心區(qū)域；圍繞所述纖芯中心區(qū)域的溝槽中心區(qū)域，所述溝槽中心區(qū)域具有選定的小于所述纖芯中心區(qū)域折射率的折射率(Δnt)，所述溝槽中心區(qū)域具有預(yù)定的半徑范圍(rt)；及圍繞所述溝槽中心區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，所述環(huán)形區(qū)域具有選定的大于溝槽中心區(qū)域折射率的折射率(Δnr)和預(yù)定的半徑范圍(rr)，各元件的折射率和半徑配置成提供作為距纖芯中心的距離的函數(shù)的折射率中的相對較大梯度，從而提供相應(yīng)于偏振非敏感的奇/偶HE2m模式傳播TE0m和TM0m模式的諧振模式分離，以至于非實質(zhì)數(shù)量的信號耦合到TE和TM模式中，其中m表示由所述光纖支持的波長的徑向模式的階數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述環(huán)形區(qū)域的折射率被定義為相對于二氧化硅折射率(nsillica＝0)的折射率差，所述環(huán)形區(qū)域的折射率差被選定為大于0.015。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述纖芯中心區(qū)域的預(yù)定的半徑范圍足夠大，以支持LP01的傳播而不同時支持較高階LP1m模式的傳播。
4.在光纖纖芯區(qū)域中形成的偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵，包括具有選定折射率差(Δnc)和預(yù)定半徑范圍的纖芯中心區(qū)域，所述折射率差是相對于二氧化硅的折射率而測得的；圍繞所述纖芯中心區(qū)域的溝槽中心區(qū)域，所述溝槽中心區(qū)域具有選定的小于纖芯中心區(qū)域折射率差的折射率差和預(yù)定的半徑范圍；圍繞所述溝槽中心區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，所述環(huán)形包層區(qū)域具有一選定的大于所述溝槽中心區(qū)域折射率差的折射率差(Δnt)和預(yù)定的半徑范圍，各部分的所述折射率差和半徑設(shè)置成提供作為距纖芯中心的距離的函數(shù)的折射率中的相對較大梯度，從而提供相應(yīng)于偏振非敏感的奇/偶HE2m模式傳播TE0m和TM0m模式的諧振模式分離，以至于非實質(zhì)數(shù)量的信號耦合到TE和TM模式中，其中m表示由所述光纖支持的波長的徑向模式的階數(shù)；及一裝置，其用于沿著光纖纖芯中心區(qū)域的選定部分的保持壓力，以在其上引入周期性微小變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求7所述的偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵，其特征在于，所述裝置能夠動態(tài)地調(diào)節(jié)光柵諧振波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求7所述的偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵，其特征在于，所述光纖形成為在其相位匹配曲線中呈現(xiàn)出符合所述引入微彎的光纖光柵周期的折回點(diǎn)(TAP)以提供大的帶寬模式耦合。
7.一種光纖，配置成支持在其纖芯中形成的引入微彎的光柵的偏振非敏感操作，所述光纖包括由半徑rc和預(yù)定的折射率所定義的纖芯中心區(qū)域，所述折射率由相對于二氧化硅折射率測得的折射率差Δnc所定義；圍繞纖芯中心區(qū)域的溝槽區(qū)域，所述溝槽區(qū)域具有小于所述纖芯中心區(qū)域折射率的折射率差Δnt；及圍繞所述溝槽區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，所述環(huán)形區(qū)域的折射率差(Δnr)被選定為大于0.015，所述溝槽區(qū)域和環(huán)形區(qū)域的折射率差之間具有不大于1微米的躍變，所述纖芯中心區(qū)域的折射率差(Δnc)被保持為約為所述環(huán)形區(qū)域折射率值的四分之三(即，Δnc≈0.75*Δnr)。
8.一種包含光纖的設(shè)備，所述光纖配置成支持纖芯中形成的引入微彎的光柵的偏振非敏感操作，所述光纖包括由半徑rc和預(yù)定的折射率所定義的纖芯中心區(qū)域，所述折射率由相對于二氧化硅折射率測得的折射率差Δnc所定義；圍繞纖芯中心區(qū)域的溝槽區(qū)域，所述溝槽區(qū)域具有小于纖芯中心區(qū)域折射率的折射率差Δnt；及圍繞所述溝槽區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，所述環(huán)形區(qū)域的折射率差(Δnr)被選為大于0.015，且在所述溝槽區(qū)域和環(huán)形區(qū)域的折射率差之間具有不大于1微米的躍變，所述纖芯中心區(qū)域的折射率差被保持為約為所述環(huán)形區(qū)域折射率值的四分之三(即，Δnc≈0.75*Δnr)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括設(shè)置為級聯(lián)排列的多個偏振非敏感的引入微彎的光纖光柵，以在所述設(shè)備的輸出端提供光譜平整。
10.一種制造用于模式轉(zhuǎn)換的偏振非敏感的光纖的方法，所述方法包含步驟形成具有預(yù)定的折射率的材料的纖芯中心區(qū)域，所述折射率由相對于二氧化硅折射率測得的折射率差Δnc所定義，該纖芯中心區(qū)域形成預(yù)定的厚度；形成圍繞纖芯中心區(qū)域的溝槽區(qū)域，所述溝槽區(qū)域由具有小于纖芯中心區(qū)域的折射率差的折射率差Δnt的材料形成；及形成圍繞所述溝槽區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，所述環(huán)形區(qū)域由一種具有大于0.015的折射率差的材料形成，所述溝槽區(qū)域和環(huán)形區(qū)域的厚度被控制以至在所述溝槽區(qū)域和環(huán)形區(qū)域的折射率差之間形成不大于1微米的躍變，所述纖芯中心區(qū)域的折射率差(Δnc)被保持為約為所述環(huán)形區(qū)域折射率值的四分之三(即，Δnc≈0.75*Δnr)，折射率中的亞微米躍變和徑向梯度導(dǎo)致了從偏振非敏感的奇/偶HE模的諧振波長中分離出偏振相關(guān)的TE和TM模式的諧振波長。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由光纖的一部分形成的引入微彎的光纖光柵，該光纖配置成在由LP
文檔編號G02B6/125GK1734301SQ20051009012
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月9日
發(fā)明者拉馬錢德蘭 西達(dá)爾斯 申請人:美國飛泰爾有限公司