溫度補償的長周期光纖光柵濾波器的製作方法

2023-10-04 23:21:49 2

專利名稱：溫度補償的長周期光纖光柵濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度補償的長周期光纖光柵濾波器。
背景技術：
一般地，長周期光纖光柵濾波器(long period optical fiber grating)為用於將在光纖芯部內傳播的模式與在光纖外層內傳播的模式耦合的裝置。這種長周期光纖光柵濾波器在鉺摻雜光纖放大器(EDFA)的增益平坦度方面具有的優點在於它是不同於反射模式耦合型的模式耦合型。這種長周期光纖光柵被製造成在其芯部的折射率上呈現周期變化。該折射率的周期變化由在製造光纖光柵的過程中將光纖光柵中的光纖芯部周期性地暴露於紫外線而獲得，其中所述光纖對紫外線敏感。即，在暴露於紫外線的芯部部分呈現出折射率增大，而折射率未變化發生在未暴露於紫外線的剩餘芯部部分處。從而，在芯部中呈現折射率周期變化。在這種長周期光纖光柵中，模式耦合發生在由以下公式表示的相位匹配條件滿足的情況下 其中，βco表示芯部模式的傳播常數，βd表示m階外層模式的傳播常數，而表示光柵周期。
將β＝2πn/λ替代入公式1中(n表示折射率，而λ表示波長)，可以推導出芯部和外層模式的折射率差值，其與nco-ncl(m)＝λ/一致。於是，具有一定波長的光線在外層模式中的變化可以由適宜地確定理想的光柵周期和理想的折射率差值nco-ncl(m)來獲得。
理想的折射率差值可以通過將紫外線雷射適宜地輻射到對紫外線敏感的光纖上而獲得。即，對紫外線敏感的光纖由具有特定周期的掩膜片遮蔽。然後當雷射照射到掩膜片上時，光敏感的光纖產生反應，導致芯部折射率變化。為了獲得理想的光譜，即，理想的耦合波長和理想的消光比(extinctionratio)，紫外線雷射的輻射應通過精確調節遮蓋周期而在適宜的時間段內進行。
如上述製造的長周期光纖光柵的耦合波長也受溫度影響。取決於溫度變化的耦合波長的偏移是以取決於溫度變化的折射率變化以及取決於溫度變化的長度熱膨脹為基礎的。這可以由以下公式2加以表示 其中，T表示溫度。
在長周期光纖光柵應用於通信用的一般光纖或擴散偏移(dispersionshift)光纖情況下，公式2中右側的第二項由於由公式2右側的第一項所確定的值大於第二項確定的值幾十倍而可以不加以考慮。例如，由Corning玻璃公司製造的Flexcor1060呈現出每100C約5nm的耦合波長。典型的擴散偏移光纖由於發生折射率改變而呈現出每100C約0.3nm的耦合波長偏移，而由於長度膨脹而呈現出每100C約5nm的耦合波長偏移。然而，在作為長周期光纖光柵的實際應用的示例的增益平坦濾波器情況下，需要大約每100℃0.3nm的溫度穩定性。
為了獲得滿足上述要求的溫度補償，已經使用一種方法，其中濾波器的折射率被調整成公式2中的項dλ/d具有負值的型式。存在另一種傳統方法，其中長周期光纖光柵的周期被縮短成選擇高階外層模式的型式。也公知另一種方法，其中添加B2O3以使公式2的項dn/dT值為零。
然而，所有上述提及的傳統方法由於它們包含調整濾波器中的折射率，或添加材料以作用為避免由溫度變化導致折射率變化而採用了複雜的工藝。授予Judkins等人的美國專利5,757,540用於溫度穩定性而封裝的長周期光纖光柵裝置中公開了用於溫度穩定性的包圍繞長周期光柵的外層的材料封裝。然而，Judkins等人的專利5,757,540未公開塗覆沒有長周期光柵的光纖外層的區域。所需要的是具有兩個分離塗層的光纖，一個用於包含長周期光柵的區域，而另一個用於沒有長周期光柵的區域。這將使光柵在所有區域內具有均勻的直徑，而更容易操縱及使用。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種長周期光纖光柵，其塗覆有作用為在由溫度變化所導致的耦合波長偏移的相反方向偏移濾波器的耦合波長的材料。
本發明的另一目的是將一種類型的塗層施加到光纖中圍繞長周期光柵的外層上，並施加單獨並不同的塗層到沒有長周期光柵的光纖的外層環繞部分上。
本發明的再一目的是具有彼此鄰近的兩種不同塗層，且具有相等的內徑和外徑，以便光纖結構平順，且在光纖整個長度上具有均勻的直徑。
根據本發明，該目的是通過提供一種長周期光纖光柵濾波器來實現，其包括形成有長周期光柵的芯部；圍繞芯部的外層；覆蓋在未環繞長周期光柵的外層的部分的塗層；以及塗覆在環繞長周期光柵的外層部分並由隨著溫度增加而呈現折射率增大的材料製成的再次塗覆層，該另外塗層作用為使由折射率增加引起的耦合波長偏移在由芯部和外層之間的折射率差值引起的耦合波長偏移相反的方向上進行。


本發明的更完整的理解以及其很多存在的優點將輕易明白，由於通過參照以下詳細描述並關聯附圖考慮時，本發明變得更容易理解，附圖中相同的附圖標記標識相同或相似的元件，其中圖1A是示出長周期光纖光柵濾波器的橫截面圖；圖1B是示出在圖1A的長周期光纖光柵濾波器中將芯部模式耦合到外層模式的操作；圖2A到2D是分別說明取決於圍繞外層呈現的不同折射率而不同的耦合峰值偏移的曲線；圖3是說明取決於圍繞外層所呈現的折射率的耦合波長偏移的曲線；圖4是示出基於圍繞外層所呈現的折射率的變化，在穿過長周期光柵的光信號的每個模式階(mode order)處呈現的耦合波長偏移的曲線；以及圖5A到5D分別示出根據本發明的長周期光柵濾波器的溫度補償機制。
具體實施例方式
圖1A是示出長周期光纖光柵濾波器的橫截面圖。如圖1A所示，長周期光纖光柵濾波器包括具有形成長周期光柵100的芯部102、以及沿著長周期光柵100圍繞芯部102的外層104，以及圍繞外層104的塗層。
長周期光柵100由局部去除對紫外線敏感的光纖的塗層106而形成，並然後將紫外線雷射照射到光纖上，同時利用適於在一定周期間隔透射紫外線雷射的振幅掩膜(amplitudemask)(未示出)，從而在芯部102內產生周期的折射率變化。
圖1B示出在圖1A的長周期光纖光柵濾波器中將芯部模式耦合到外層模式的操作。在芯部102內傳播的基本導引模式(fundamental guided mode)110在通過折射率變化區域112的同時散射。由附圖標記114標識的散射光耦合到外層104上，以便其同相增強具有滿足所希望的相位匹配條件的波長。隨著具有上述波長的光從外層104發射，長周期光纖光柵濾波器作用為波長相關的衰減器。基本導引模式110在穿過折射率改變區域112同時強度減弱。另一方面，具有與外層104耦合的波長的光呈現強度逐漸增強。在圖1B中，強度較大的光由粗箭頭標識。每個折射率變化區域112對應於圖1A所示的長周期光柵。
在布置上述長周期光柵的圍繞外層部分的周圍條件為折射率為1的空氣。在長周期光柵形成之後，在外層再次塗覆折射率為n的材料的地方，耦合條件發生變化。結果，耦合波長向較長波長或向較短波長偏移。
圖2A到2D分別示出根據圍繞外層所呈現的不同折射率的不同耦合峰值偏移。圖2A示出在圍繞長周期光柵外層所呈現的折射率為1的情況下的光的傳輸特性。圖2B示出在圍繞長周期光柵外層所呈現的折射率為1.400的情況下的光的傳輸特性。參照圖2A和2B，可以看出消光比(extinctionratio)根據圍繞外層所呈現的折射率的增加而增大。圖2C示出在圍繞長周期光柵外層所呈現的折射率為1.448的情況下的光的傳輸特性。參照圖2C，可以看出，耦合波長朝較短波長偏移16.5nm。圖2D示出圍繞長周期光柵外層所呈現的折射率為1.484的情況下的光的傳輸特性。參照圖2D，可以看出與圍繞外層所呈現的折射率為1的情況相比耦合波長向較長波長偏移。在這種情況下，也發生消光比減小。
從而，向較短波長偏移的耦合波長發生在圍繞外層所呈現的折射率從1增大，並同時小於外層的折射率時，如圖2B或2C所示的情況。然而，當圍繞外層所呈現的折射率超過外層的折射率，發生耦合波長向較長波長偏移，如圖2D所示的情況。在圍繞外層所呈現的折射率等於外層的折射率情況下，失去全反射條件，因此耦合峰值消失。
圖3示出根據圍繞外層所呈現的折射率的耦合波長的偏移。參照圖3，可以看出耦合波長隨著圍繞外層的折射率從1增大而向較短波長偏移。當圍繞外層的折射率與外層的折射率相同時，耦合峰值消失。隨著圍繞外層的折射率超過外層的折射率，耦合波長向較長波長偏移。
為了改變圍繞外層所呈現的折射率，根據本發明，在形成長周期光柵的地方除去光纖的塗層。在局部去除塗層後露出的光纖部分再次塗覆取決於溫度變化而折射率呈現變化的材料。優選地是，再次塗覆的材料根據溫度的增加而折射率增大。隨著再次塗覆材料的折射率增大，長周期光柵的耦合波長向較短波長偏移。
如果再次塗覆材料根據溫度增加而折射率呈現減小，那麼長周期光柵的耦合波長向較長波長偏移。例如，Corning玻璃公司製造的Flexcor1060在未塗覆上述的再次塗覆塗層的地方呈現出約每100℃5nm的溫度敏感度，然而，在Flexcor1060塗覆有作為上述再次塗覆塗層的矽樹脂的地方，其呈現出約每100℃10nm的溫度敏感度。該結果是從除耦合波長根據上述的公式2的右側第一項而向較長波長偏移的現象之外，耦合波長由於用作再次塗覆材料的矽樹脂的折射率隨著溫度增加而減小向較長波長偏移的效應而產生的。
於是，理想的溫度補償效應可以通過利用作為再次塗覆材料的隨著溫度升高呈現折射率增大的材料而獲得。這種用於溫度補償的長周期光柵濾波器的再次塗覆材料應具有理想的特性。即，該再次塗覆材料應具有小於外層材料，例如純石英的折射率的初始折射率，同時具有隨著溫度升高而呈現折射率增大的特性，從而將光柵的耦合波長向較短波長偏移。
圖4是示出根據圍繞外層所呈現的折射率的變化耦合波長偏移的曲線。在圖4中，參照字符LP01到LP0P表示穿過長周期光柵的光信號的相應的模式階。光信號的模式階沿圖4所示的曲線的垂直軸增大。參照圖4，可以看出在每個模式階的耦合波長隨著外折射率的增大而向較短波長偏移。
圖5A到5D分別示出根據本發明的長周期光柵濾波器的溫度補償機制。圖5A示出再次塗覆材料基於溫度的折射率變化特性。參照圖5A，可以看出折射率隨著溫度升高而發生增大。圖5B示出取決於圍繞外層所呈現的外部折射率的耦合波長偏移特性，參照圖5B可以看出，耦合波長隨著外部折射率的增大而向較短波長偏移。圖5C示出基於溫度的耦合波長偏移。參照圖5C，可以看出溫度升高導致再次塗覆材料的折射率增大，從而導致耦合波長向較短波長偏移。
另一方面，圖5D示出長周期光柵根據溫度所呈現的溫度補償效應。在圖5D中，曲線500表示耦合波長根據再次塗覆材料的溫度而偏移。曲線502表示耦合波長根據芯部和外層取決於溫度而呈現的折射率差值的耦合波長偏移。曲線504是表示在曲線500和502分別示出的耦合波長偏移之間補償後所獲得的結果的曲線。參照曲線504，可以看出，即使在發生溫度升高的情況，耦合波長也不會偏移。
圖6是示出根據本發明的溫度補償的長周期光柵濾波器的結構的橫截面圖。在圖6中，附圖標記600表示長周期，602表示芯部、604表示圍繞長周期光柵和芯部的外層，606表示塗層，而608標識圍繞布置在形成長周期光柵區域內的外層再次塗覆層。如上所述，再次塗覆層優選地由折射率隨著溫度升高而增大，並同時小於外層的折射率的材料製成。
根據本發明，有可能通過在長周期光柵上再次塗覆隨著溫度升高而折射率增大的材料補償由於溫度升高而發生的耦合波長偏移。於是，根據本發明溫度補償可以更容易地實現，而沒有任何由於濾波器內折射率的調節或加入避免折射率隨著溫度變化的材料的不便。
雖然本發明已經具體圖示，並參照其特定實施例加以描述，本領域技術人員應理解在不背離權利要求書所限定的本發明的範圍情況下，可以在形式上及細節上作出各種改變。
權利要求
1.一種長周期光纖光柵濾波器，包括所形成的具有長周期光柵的芯部；圍繞芯部的外層；塗覆在未圍繞長周期光柵的外層部分上的第一塗層；以及塗覆在圍繞長周期的外層部分上的第二塗層，且該塗層材料隨著溫度升高呈現出折射率增大，第二塗層作用為使由折射率增大導致的耦合波長偏移在由於芯部和外層之間的折射率差值引起的耦合波長偏移的相反方向進行。
2.如權利要求1所述的長周期光纖光柵濾波器，其特徵在於，第二塗層的材料的折射率隨著溫度升高而增大，而同時小於外層的折射率。
3.如權利要求1所述的長周期光纖，其特徵在於，所述第一塗層的內半徑等於所述第二塗層的內半徑，而所述第一塗層的外半徑等於所述第二塗層的外半徑。
4.一種光纖，包括芯部，所述芯部周期地包括長周期光纖光柵；圍繞所述芯部的外層；只在所述光纖的沒有長周期光柵部分圍繞所述外層的第一塗層；由與第一塗層不同的材料構成的第二塗層，所述第二塗層圍繞所述光纖的包含所述長周期光柵的部分。
5.如權利要求4所述的光纖，其特徵在於，所述第二塗層隨著溫度升高而呈現折射率增大。
6.如權利要求5所述的光纖，其特徵在於，所述第二塗層具有小於所述外層的折射率的折射率。
7.如權利要求6所述的光纖，其特徵在於，所述第一塗層的內半徑等於所述第二塗層的內半徑，而所述第一塗層的外半徑等於所述第二塗層的外半徑。
全文摘要
本發明公開了一種溫度補償長周期光纖光柵濾波器。該長周期光纖光柵濾波器包括形成有長周期光柵的芯部,圍繞該芯部的外層,塗覆在未圍繞長周期光柵的外層部分上的塗層,以及塗覆在圍繞長周期光柵的外層部分上並由隨著溫度升高而呈現折射率增大的材料製成的再次塗覆層,該再次塗覆層作用為使由折射率增大導致的耦合波長偏移在由於芯部和外層之間的折射率差值引起的耦合波長偏移的相反方向進行,根據這個長周期光纖光柵濾波器,溫度補償可以更容易地實現,而沒有任何由於濾波器內折射率的調節或加入避免折射率隨著溫度變化的材料的不便。
文檔編號G02B6/34GK1343315SQ00804710
公開日2002年4月3日 申請日期2000年3月13日 優先權日1999年3月12日
發明者章絑寧 申請人:三星電子株式會社