用於抑制放大的自激發射的光纖濾光器的製作方法
2023-09-19 09:37:30 2
專利名稱：用於抑制放大的自激發射的光纖濾光器的製作方法
技術領域：
本發明涉及全光纖光學濾光器，更具體地涉及一種包括選擇配置的纖芯和包層材料的全光纖光學濾光器，用以提供選擇性波長過濾，幫助減少放大的自激發射(ASE)。
背景技術：
眾所周知，光纖系統對於各種不同的「光學噪聲」(所想波長之外波長的無關信號)源都很敏感，這導致損害了系統性能。幾年來提出了各種類型的過濾配置來解決這個問題。離散過濾元件(包括多個薄膜層)被用來去除所選擇的波長使其不沿光纖傳播。這種離散濾光器能夠減少聚集的噪聲能量，但是不能充分的減少其它的系統損害，例如由於噪聲放大引起的能量損失。向前追溯，一種分布式、內嵌(in-line)光纖濾光器被認為是比使用離散裝置更可取的方案，特別是對於放大器應用，其中噪聲放大的接合損失，能量損失等等能影響整個放大器的性能。
傳輸光纖的纖芯區域內可以形成布拉格光柵，作為一種內嵌光纖濾光器用以「反射」所選擇的波長和防止不需要的信號成分進一步傳播。參看，例如，1998年2月10日授予A.Robinson的美國專利5,717,799，此專利描述了一種布拉格光柵的使用，其中該光柵特別配置成線性(chirped)和變跡(apodized)以改善濾光器的品質。儘管各種內嵌式配置已經成功的提供了一些過濾功能，但反射光柵用於放大器中的內嵌式過濾是有問題的，因為反射能夠導致不需要的噪聲波長下的振蕩或者光激射。反射光柵能夠用為離散濾光器，但是並不能提供對本發明很重要的分布式過濾的優勢。2000年10月31日授予R.P.Espindola等人的美國專利6,141,142，討論了一種應用分布式過濾的光纖放大器的實例。在此例中，通過稱作(定向-blazed)光柵，代替反射布拉格光柵，進行過濾。儘管一些分布式濾光器實施例能夠提供有效的過濾，但是這種方法需要額外的光纖生產工藝步驟，並且將光纖的攙雜分布圖限於那些具有合適感光性的分布圖。
因此，現有技術還需要一種配置，提供具有增強的波長選擇性的光學過濾，並且較佳的應用一種內嵌、分布式、全光纖的配置，以消除要在光學通信系統中包括離散裝置的需要。
發明內容
本發明解決了現有技術存在的需要，其涉及全光纖光學濾光器，更具體地涉及一種全光纖、分布式光學濾光器，包括選擇設置的纖芯和包層材料，用以提供選擇性波長過濾，幫助減少放大的自激發射(ASE)。
根據本發明，傳輸光纖的纖芯區域配置成具有一「增大折射率」值(也就是，纖芯區域呈現比臨近包層區域更大的折射率)，而周圍包層區域內的所選區域配置形成的「特徵部分」也呈現一增大的折射率(相對於多數其餘包層材料)。增大纖芯的折射率，以在包層和纖芯的折射率間產生差值使得所選(所想)光波仍然限制在纖芯區域內。另外，通過仔細的選擇折射率值和增大折射率包層特徵部分的物理特性，可以獲得選擇性波長過濾。不需要的(被過濾的)波長將從纖芯區域中「洩露」出來，然後導入包層，離開傳播信號路徑。
本發明一方面是，纖芯和包層的參數可以單獨調整，以提供所想的波長敏感性(即，由包層參數「去耦-decoupling」纖芯參數)。也就是，可以確定纖芯直徑和折射率值得到所想波長最適宜的傳播。根據物理設計、位置、通頻帶值、阻帶值等分別確定包層增大折射率特徵部分，以提供所想的過濾特性。
包層增大折射率特徵部分可以包括任何所想的幾何形狀，例如一個或多個環，「孔」等，並且應用任何優選的與光纖性能相關的技術而形成包層增大折射率特徵部分。在一些情況下，可以使用微結構光纖。或者，可以使用MCVD技術形成一個或多個同心的表現出更高的折射率的包層材料「環」。
本發明其他和進一步的特徵，優點和實施例，在以下的討論過程及通過參考附圖會變得更清楚。
現參考附圖
圖1包含根據本發明形成的不同光纖濾光器的截面圖，其中圖1(a)-1(d)示出了一組四個具體實施例；圖2是波長以有效折射率為函數的曲線圖，標繪出了纖芯模式和包層模式，並示出了光學過濾發生處的折射率匹配條件；圖3是本發明另一實施例的截面圖，其使用了多個增大折射率包層特徵部分來提供所想的光學過濾；圖4包括圖3所示光纖的折射率示意分布圖，其以表示在纖芯和包層區域內傳導的光的模式有效折射率的虛水平線、示出了各模式保持分離(對於傳輸波長)的條件，且示出了區域匹配模式(對於被過濾的波長)的條件；圖5是與圖1(a)所示光纖相關的圖表，其示出了以半徑為函數的折射率的測量值；圖6是與圖5相關的光纖濾光器的波長為函數的損耗圖表，示出了在預知折射率匹配點附近的高損耗，提供了本發明的光學過濾操作；圖7示出了圖5所示光纖濾光器的模擬損耗和光強圖。
具體實施例方式
如上所述，有多種不同的光學系統，可以通過應用對沿著系統光纖傳播的信號進行選擇性波長過濾以改善性能。具體的，「光噪聲」能通過選擇性地去除特定波長的信號使其不沿光纖傳播而減少。根據本發明，全光纖光學濾光器已經改進為在目標通頻帶中呈現獨立的包層模式和纖芯模式，但是在阻帶中只呈現混合的纖芯-包層模式。模式混合通過信號耦合入包層區域導致的纖芯區域內增益降低和/或損耗增加帶來整體傳輸的減少。根據本發明形成的全光纖濾光器基於以下設計原理(1)增大折射率纖芯區域主要通過全反射(TIR)傳導光(在所想波長下傳播)，(2)包層中包含增大折射率特徵部分，其具體配置成「導引-guide」選擇包層模式。在包層模式充分與纖芯模式折射率匹配時的波長下，模式發生混合併且光會「溢出」進入包層，而不是完全包含在纖芯。一旦進入包層，這些光可能通過輻射、吸收、或者其他過程，從系統中進一步損失。這些光波長因而限定為濾光器設計中的阻帶，並能通過巧妙處理增大折射率包層特徵部分的各個特性來控制，例如(但不限於)選擇的折射率值，所包含的特徵部分的數量，各個特徵部分的尺寸，特徵部分的位置等。
本發明的分布式、全光纖濾光器特別適於光纖放大器應用。傳統的光纖放大器中，已發現噪聲放大的接合損失和能量損失能影響放大器的性能。通過具備選擇性過濾(減少增益/增加損耗)在已知「噪聲」波長下傳播的信號的能力，放大器整體性能將改進，表現為較低的總噪聲功率，改進的噪聲係數，或者泵功率轉換為所想信號功率中更好的功率效率。良好濾光器性能的一種測量標準為高消光比-噪聲波長下的損耗與所想信號波長下的損耗之比。實際上，能夠提供一種在一噪聲波長下的損耗，使其至少比所想信號波長下的損耗大5倍(噪聲和信號波長之間的差值小於20％)。對於折射率交叉點附近的波長，纖芯傳導模式可以通過適當的光纖設計控制散射而經歷大的正增益，或負散射。
圖1(a)-1(d)包含四個提供本發明的選擇性波長過濾的示例性配置的截面視圖，其中為了本發明討論的目的關於圖1(a)的配置示出了一個折射率曲線的曲線圖。參照這些實施例，圖1(a)的配置示出了一個示例性的光纖10，包括一被內包層區域14包圍的增大折射率的纖芯區域12區域。增大折射率包層特徵部分(在此例中，為一環)16示出為包圍內包層區域14，且外包層區域18分布在包層環16周圍。如圖1(a)中折射率曲線具體示出的，相對於周圍包層的額定的折射率(表示為nclad)，纖芯區域12表現出「增大的」折射率值，表示為ncore。另外，包層環16形成為具有相對高的折射率值(在圖1(a)的折射率曲線中表示為nhi)的增大折射率特徵部分。在本發明該實施例的一個示例性配置中，ncore-nclad≈0.0016，nhi-nclad≈0.026。
圖1(b)示出了不同的幾何形狀，其中多個填充「孔」20形成在光纖24的包層區域22中，該光纖24包括一中心纖芯區域26。與圖1(a)的實施例一起，光纖24的「孔」20填充有相對高的折射率材料，相對於纖芯區域26調整尺寸和分布以獲得所想的過濾性能。如將在以下詳細討論的，填充材料的具體折射率，孔的直徑，它們的位置等將決定通過本發明的過濾而去除的波長。圖1(c)示出了一個稍微不同的實施例，其中一個單獨的「孔」28形成在光纖32的包層區域30內，該光纖32包括光學纖芯34。在此實施例中，孔28作為第二「纖芯」，具有基本上不同於(主)中心纖芯區域34的折射率，尺寸和/或形狀。在此例中，各種選定的波長會被漸散的耦合入該「第二纖芯」，提供所想的沿光學纖芯區域34的過濾性。
圖1(d)示出了不同的實施例，其中一對縱向延伸的包層特徵部分36形成在光纖40的包層區域38內，該光纖40包括纖芯區域42。在該具體實施例中，也提供了極化選擇性，其中特徵部分36提供了光學模式的雙折射。應當理解圖1(a)-1(d)示出的示例性配置只作為本發明過濾概念的示例描述，包層特徵部分各種其他配置，以及特徵尺寸，位置，折射率等都可以根據本發明變化，以提供所想的波長敏感性。
因此，根據本發明，通過包層特徵部分幾何形狀、折射率值、位置等的仔細設計和選擇，通過過濾去除的波長能夠「精細調諧」到最佳設定值。實際上，能夠形成一種「缺口-notch」濾光器，設定「噪音」波長的兩側的波長能夠沿著光纖纖芯傳播。當纖芯模式的有效折射率接近包層模式的折射率時，就會產生折射率匹配模式混合，光會溢出進入包層，而不是限於纖芯內。圖2包含描述了該模式混合的曲線，其中有效折射率(neff)為波長的函數。標記為「A」的包層模式曲線是波長的函數。纖芯模式曲線標記為「B」，兩個曲線在折射率匹配點交叉，即圖2中的點C。因此，設定為λfilter且和該折射率匹配相關的波長就是信號從纖芯到包層耦合的波長，其使得該信號從沿著纖芯傳播的所想信號中過濾出來。
需要理解，通過使用公知技術例如(但不限於)宏彎形式的機械變形(宏彎、、微彎、扭曲光纖、在光纖中引入光柵以及在光纖中包含可吸收或散射材料)，能夠被一步提高和本發明中光纖的包層中有選擇地包括的高折射率材料相關的過濾特性。
圖3包含了本發明另一全光纖光學濾光器50的截面圖。在該實施例中，光學濾光器50包括由相對低折射率包層區域54包圍的增大折射率纖芯區域52。纖芯52(ncore)和周圍包層54(nclad)的折射率差Δ使得所想波長通過全反射(TIR)保留在纖芯區域52內。根據本發明，多個增大折射率包層特徵部分56部署在整個包層區域54，其中各個增大折射率包層特徵部分56的參數被選擇用於提供所想選擇性波長過濾。尤其是，和體積、數量和位置相關的這些特徵部分的折射率值，將定義通過從纖芯區域溢出耦合入包層而移除(過濾)的波長。即，包層特徵部分56的折射率nhi和直徑dhi定義包層模式和纖芯模式之間的交叉/相交。纖芯區域52和最鄰近包層特徵部分56之間的距離D大致決定了纖芯一包層連接(kcore-clad)，其決定了為了纖芯和包層模式模式實質混合、兩種模式的有效折射率應匹配為何種接近程度。濾光器的帶寬和濾光器頻譜的特徵尺寸涉及所想信號和能夠被過濾出的最近噪聲成分之間的波長差異。該特徵部分的尺寸通常和耦合長度LC成反比變化，並且隨著距離D增大會減小。本發明的優選實施例會實現足夠小的特徵部分尺寸，從而能夠區分噪聲和所想信號，還能夠保持耦合長度LC足夠小以得到所想濾光器特性。已經提出為了最大化耦合入包層的過濾信號的功率，必須在纖芯一包層耦合(kcore-clad)和包層一包層耦合(kclad-clad)之間存在匹配，圖3中描述了這兩個值。當這兩個值差異很大時，就會發生反射和耦合回纖芯，從而幹擾濾光器特性。
圖4包括濾光器50的設計和實驗折射率曲線圖，示出了特定於1060nm和1170nm兩個不同波長的配置的特性。在示例的光纖放大器實施例中，通常需要在1060nm波長處提供放大和信號傳輸而在1170nm波長處抑制噪聲信號。圖4還顯示了纖芯52和一對包層特徵部分56-1和56-2，其中折射率曲線圖和該特定特徵部分的配置相關。在這種情況下，用於1060nm波長傳輸的纖芯一導引模式和包層模式之間幾乎不存在模式匹配。因此，實質上整個信號都會保留在纖芯區域52，幾乎或者壓根沒有向包層區域的「洩漏」。相反，對於1170nm波長來說，需要移除該信號成分，使之不能沿著纖芯區域52傳播。在這種情況下，模式就成為纖芯區域52和包層特徵部分56-1和56-2之間的匹配。因此，就會發生模式混合併且1170nm處的信號傳輸會被耦合到包層特徵部分且從纖芯區域52被導引開。
圖5描述了圖1(a)所示類型的光纖濾光器50的光纖折射率曲線圖，在這種情況下示出了實際光纖濾光器的折射率的測量值。如圖所示，測量值和仿真值匹配得非常好，只和設計的值有稍許的偏移。圖6包含根據本發明設計的光纖濾光器的實際結果圖。通過設計該特定的配置，計算出折射率匹配發生在600nm和1100nm附近。參考損耗圖，兩個區域附近頻譜都有明顯的損耗峰值，都至少為3dB。為了比較，圖中包括理論估計。從而通過將增大折射率特徵部分包含進光纖的包層部分可以獲得明顯程度的光學過濾。在該特定例中，光纖被彎曲以獲得所想損耗頻譜。如上所述，通過在光纖中引入彎曲、扭曲、光柵、附加物質等，濾光器光纖的損耗特徵可被改善(或改變)。
圖7包含作為波長的函數的信號損耗圖，其是基於和圖5相關的示例光纖濾光器配置。圖7中不同的小圖示出了沿著這些曲線在不同位置的密度圖。實際上，對應於點X，Y和Z處低損耗波長(即，「所想」波長)的三個強度圖示出了限制在纖芯區域內的光強。相反，對應於高損耗波長(點I和點II)的光強圖描述了纖芯和包層區域間充分的光混合。從而，根據本發明，對於與點I和點II相關的波長，會產生光學過濾。
需要理解上述實施例只是能夠代表本發明原理的應用的多個可能實施例中的幾個。本領域技術人員在不偏離本發明精神和範圍的前提下，能夠設計出許多和不同的其它安排。
權利要求
1.一種光纖濾光器，用於從光纖纖芯移除至少一預定噪聲波長的光，該光纖濾光器包括一段光纖，其包括纖芯區域，該纖芯區域具有以ncore表示的第一折射率值；包圍纖芯區域的包層區域，該包層區域具有以nclad表示的第二折射率值，其中nclad＜ncore；和至少一高折射率包層特徵部分，該特徵部分位於具有以nhi表示的第三折射率值的包層區域中，其中nhi＞nclad，不同的折射率值、大小和位置確定從光纖纖芯過濾的至少一預定噪聲波長，其中當纖芯模式的有效折射率與包層模式的有效折射率充分匹配時發生纖芯模式和包層模式之間的模式混合。
2.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中至少一個高折射率包層特徵部分包括至少一個配置為包圍纖芯區域的高折射率環。
3.如權利要求2所述的光纖濾光器，其中至少一個高折射率環包括多個配置為包括纖芯區域的同心環。
4.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中至少一個高折射率特徵部分包括多個相對纖芯區域的預定位置處配置的多個高折射率特徵部分。
5.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中纖芯區域和最鄰近高折射率包層特徵部分之間的耦合長度、以及相鄰高折射率包層特徵部分之間的耦合長度基本相同。
6.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中至少一個高折射率包層特徵部分相對纖芯區域形成且配置，從而產生雙折射並提供對傳播光信號的極化控制。
7.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中該段光纖包括一微構造的光纖，該微構造的光纖包括多個沿著包層區域配置的圓柱型開口。
8.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中通過向光纖中引入機械變形而改變濾光器特性。
9.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中濾光器進一步包括包層區域中的可吸收/散射材料，用於改變濾光器特性。
10.如權利要求1所述的光纖濾光器，其中確定濾光器特性，從而在允許保留小於或大於噪聲波長的所想信號波長的情況下，移除預定噪聲波長。
全文摘要
一種內嵌的分布式光纖濾光器，其包括增大折射率(相對周圍的包層材料)的纖芯區域，從而允許所想傳輸波長的全反射(TIR)。包層區域內形成且配置一個或多個增大折射率特徵部分，從而產生包層模式和纖芯模式在確定要被過濾移除的波長處的模式混合。能夠獨立確定與確定適當的纖芯規格以及包層規格相關的參數，從而通過過濾無用信號和傳播所想通信信號來提供增強的性能。
文檔編號G02B6/02GK1880985SQ200610080200
公開日2006年12月20日 申請日期2006年5月11日 優先權日2005年5月11日
發明者瑞恩·泰勒·比斯, 約翰·麥可·菲尼, 嚴曼菲 申請人:美國飛泰爾有限公司