长周期光栅装置及具有长周期光栅装置的可调谐增益平坦滤波器的制造方法
【专利摘要】一种可调谐增益平坦滤波器包括长周期光栅装置。所述长周期光栅装置包括：光纤，其包括：具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模；及包层，其环绕所述纤芯且具有包层模，所述包层模具有小于所述第一有效折射率的第二有效折射率；热电模块，所述光纤安装在所述热电模块上；热电冷却器，其经配置以精确地控制所述光纤的温度；及热敏电阻器，其经配置为传感器以向所述热电模块提供反馈。在所述纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅。HF溶液将所述光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μm到10μm。
【专利说明】长周期光栅装置及具有长周期光栅装置的可调谐増益平坦滤波器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张2015年I月29日申请的美国临时专利申请第62/125，699号的权益;所述临时专利申请的内容特此以引用的方式并入。
技术领域
[0003]本专利申请大体上涉及光通信，且更具体来说，涉及一种长周期光栅装置及一种用于光通信系统的增益平坦滤波和动态重新配置的基于长周期微光纤光栅的可调谐增益平坦滤波器。
【背景技术】
[0004]因特网协议(IP)业务量的持续快速增长已经是基于WDM系统的光网络上所取得的广泛进展的动力。一种用以增加网络容量的方式是扩展WDM波长范围。此类WDM系统将不仅需要宽带放大器(诸如掺Er3+光纤放大器(EDFA)和拉曼(Raman)放大器)，而且需要宽带增益平坦滤波器以维持WDM信道之间的信号功率均一性。此外，这些放大器的增益频谱通过某些环境波动或在WDM信道由于其不均匀特性而被添加/删除时改变。因此，应自适应地控制增益平坦滤波器，且因此，需要能够使其接通频率响应适应于EDFA动态频谱分布的动态增益平坦滤波器以减小经放大的信道振幅失配。
【发明内容】
[0005]本专利申请涉及一种长周期光栅装置。在一个方面，所述长周期光栅装置包括:光纤，其包括:具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模;及包层，其环绕所述纤芯且具有包层模，所述包层模具有小于所述第一有效折射率的第二有效折射率;玻璃管，其填充有折射率液体，所述光纤是用UV胶粘剂密封在所述玻璃管中；及热电模块，所述光纤安装在所述热电模块上。在所述纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅。HF溶液将所述光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μπι到?ομπι。
[0006]所述的长周期光栅装置可以进一步包括经配置以精确地控制所述光纤的温度的热电冷却器。所述热电冷却器可以集成到所述光纤。所述的长周期光栅装置可以进一步包括精确温度控制器。所述精确温度控制器可以经配置以基于来自温度传感器的反馈而使用电流源或电压源以驱动电力通过所述热电冷却器。
[0007]所述的长周期光栅装置可以进一步包括经配置为传感器以向所述热电模块提供反馈的热敏电阻器。所述热敏电阻器可以为随着温度而改变电阻的电阻器。所述热敏电阻器可以具有负温度系数(NTC)。
[0008]在另一方面，本专利申请涉及一种包括长周期光栅装置的可调谐增益平坦滤波器。所述长周期光栅装置包括:光纤，其包括:具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模;及包层，其环绕所述纤芯且具有包层模，所述包层模具有小于所述第一有效折射率的第二有效折射率;热电模块，所述光纤安装在所述热电模块上;热电冷却器，其经配置以精确地控制所述光纤的温度;及热敏电阻器，其经配置为传感器以向所述热电模块提供反馈。在所述纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅。HF溶液将所述光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μπι到ΙΟμπι。
[0009]所述的可调谐增益平坦滤波器可以进一步包括填充有折射率液体的玻璃管。所述光纤可以用UV胶粘剂密封在所述玻璃管中。所述热敏电阻器可以为随着温度而改变电阻的电阻器。
[0010]在又一方面，本专利申请涉及一种长周期光栅装置，其包括:光纤，其包括:具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模;及包层，其环绕所述纤芯且具有包层模，所述包层模具有小于所述第一有效折射率的第二有效折射率。在所述纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅。HF溶液将所述光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μηι到I Oym。
[0011]所述的长周期光栅装置可以进一步包括填充有折射率液体的玻璃管，其中所述光纤可以用UV胶粘剂密封在所述玻璃管中。所述的长周期光栅装置可以进一步包括热电模块。所述光纤可以安装在所述热电模块上。所述的长周期光栅装置可以进一步包括经配置以精确地控制所述光纤的温度的热电冷却器。所述热电冷却器可以集成到所述光纤。
[0012]所述的长周期光栅装置可以进一步包括精确温度控制器。所述精确温度控制器可以经配置以基于来自温度传感器的反馈而使用电流源或电压源以驱动电力通过所述热电冷却器。所述精确温度控制器的精确电流源可以经配置以驱动电流通过所述温度传感器，且由此提供电压反馈。
[0013]所述的长周期光栅装置可以进一步包括经配置为传感器以向所述热电模块提供反馈的热敏电阻器。所述热敏电阻器可以为随着温度而改变电阻的电阻器。所述热敏电阻器可以具有负温度系数(NTC)。
【附图说明】
[0014]图1说明根据本专利申请的实施例的用于制造长周期光栅装置的耦合器制造站。
[0015]图2展示用于以微光纤制造长周期光栅(LPG)的系统。
[0016]图3(a)展示在15次扫描循环之后产生在直径为6.3μπι的微光纤上的周期性微锥形体的显微镜图像。
[0017]图3(b)为微锥形区的显微镜图像。
[0018]图3(c)为微锥形区的SEM图像。
[0019]图4为经液体浸入的长周期光栅的示意图。
[0020]图5为安装在热电模块上的经液体浸入的长周期光栅的示意图。
【具体实施方式】
[0021]现在将详细地参考本专利申请中所公开的长周期光栅装置及具有长周期光栅装置的可调谐增益平坦滤波器的优选实施例，以下描述中还提供其实例。详细地描述本专利申请中所公开的长周期光栅装置及具有长周期光栅装置的可调谐增益平坦滤波器的示例性实施例，但对于所属相关领域的技术人员来说将显而易见，出于清楚起见，可不展示对于理解长周期光栅装置及具有长周期光栅装置的可调谐增益平坦滤波器并不特别重要的一些特征。
[0022]此外，应理解，本专利申请中所公开的长周期光栅装置及具有长周期光栅装置的可调谐增益平坦滤波器不限于下文所描述的确切实施例，且可由所属领域的技术人员在不脱离保护的精神或范围的情况下实现对所述实施例的各种改变和修改。举例来说，在本公开的范围内，不同的说明性实施例的元件及/或特征可彼此组合及/或彼此替换。
[0023]根据本专利申请的实施例，可调谐增益平坦滤波器包含具有增强的折射率灵敏度的长周期光栅装置。长周期光栅装置包含光纤。光纤包含:具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模;及包层，其环绕纤芯且具有包层模，包层模具有小于第一有效折射率的第二有效折射率。在纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅。由HF溶液将光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μπι到1ym。
[0024]图1说明根据本专利申请的实施例的用于制造长周期光栅装置的耦合器制造站。下文中描述根据实施例的制造长周期微光纤光栅的方法。通过用如图1所展示的商用耦合器制造站来使单模光纤(SMF)锥形化而拉伸微光纤。参看图1，使用商用SMF(外径D为125μπι)且将其牵拉到数微米的尺度。由氢火焰加热和软化SMF 101，氢火焰沿着光纤的尺寸为约8mm。在固持光纤的两个平移台105对称地移动分开时，使火焰焊炬103沿着光纤进行扫描。在用适当制造参数的情况下，可制造具有从数百纳米到数微米的直径和长于约30mm的有效腰长度的微光纤。由于以绝热方式从SMF锥形地牵拉微光纤(锥形体的腰)，故其自动地连接到其SMF尾纤。这保证以接近100 %的效率激发微光纤的基本HEn模，而很大程度上未激发微光纤的其它模。
[0025]图2展示用于以微光纤制造长周期光栅(LPG)的系统。参看图2，微光纤的两个SMF尾纤分别连接到发光二极管(LED)201和光谱分析仪(03Α)203<Χ02激光205经调整成具有以下参数:2.0ys的脉冲宽度、1kHz的重复率和约0.02W的平均功率。这个功率电平显著地小于用于正常大小的光纤中的LPG制造的功率电平。C02光束聚焦到直径为约30μπι的斑，且具有约50μπι的焦深，且焦斑的大小明显地大于微光纤的直径。通过计算机控制的二维光扫描器，如预编程路由所指示的，可以横向地及纵向地使聚焦光束进行扫描。在制造期间，首先使激光束横跨微光纤横向地进行扫描，且接着以光栅间距的步长(例如，Λ?ΙΟΟμπι)纵向地移动以具有第二次扫描。将这个过程重复N次以便制造具有N-1个周期的LPG。进行N次连续横向扫描的过程被称作单扫描循环。通过控制扫描循环的次数，可控制传输中的衰减凹陷的深度。
[0026]在扫描期间，高频C02激光脉冲重复地冲击微光纤且诱发局部高温来软化光纤的硅石。通过施加如图2所展示的小重物，诱发小的恒定纵向拉伸应变，且将稍微拉伸微光纤的软化区(即，C02激光冲击区)，这产生微锥形体。图3(a)展示在15次扫描循环之后产生在直径为6.3μπι的微光纤上的周期性微锥形体的显微镜图像。图3(b)和图3(c)分别为微锥形区的显微镜图像和SEM图像。图3(b)和图3(c)所展示的微锥形体腰的直径为微光纤的约6.5%，而微锥形体的长度为约35μηι。
[0027]图4为经液体浸入的长周期光栅的示意图。图5为安装在热电模块上的经液体浸入的长周期光栅的示意图。参看图4和图5，长周期微光纤光栅401是用UV胶粘剂密封在填充有折射率液体的玻璃管中且接着安装在热电模块501上以便使温度变化，这因此提供对传输频谱的热可调谐性。
[0028]热电冷却器(S卩，致动器)用以精确地控制温度，且热敏电阻器用作传感器以及用以向控制器提供反馈。经液体浸入的长周期光栅500放置到热电模块501上，从而允许温度调节。热电冷却器(即，致动器)用以精确地控制滤波器的温度且集成到热电模块501。精确温度控制器基于来自温度传感器的反馈而使用电流或电压源以驱动电力通过这些致动器。为了向控制器提供反馈，温度传感器经配置以测量实际温度且将温度测量转换为电压输入。常见的传感器为热敏电阻器，其为随着温度而改变电阻的电阻器。大多数热敏电阻器具有负温度系数(NTC)。温度控制器的精确电流源驱动电流通过传感器，从而向控制系统提供电压反馈。
[0029]在以上实施例中，提供一种可调谐、低成本且紧凑的全光纤增益平坦滤波器，所述全光纤增益平坦滤波器是基于浸入到热敏性折射率液体中的长周期微光纤光栅的热控制。出于光通信系统的增益平坦和动态重新配置而设计可调谐、低成本且紧凑的装置的特征。此高度可调谐特征可用作可调谐增益平坦滤波器，其可经动态地调整以符合当今对光通信系统的高度灵活性和复杂性增加的要求。长周期微光纤光栅对周围环境的灵敏度比常规长周期光纤光栅的灵敏度大得多。因此，长周期微光纤光栅在浸入到热敏性折射率液体中时为高度地可调谐的。光增益平坦滤波器广泛地用作光通信中的关键组件。带宽的可调谐性表示本申请中非常需要的自由度。可通过使用具有EDFA的20nm频谱移位和在20 °C到51°C的温度范围内的20nm凹口移位的级联可调谐增益平坦滤波器系统来实现遍及C波段(1530nm到1565nm)的为± 0.5dB的增益平坦度。
[0030]遍及网络周期性地使用可调谐增益平坦滤波器(TGFF)会消除对许多固定增益滤波器的需要且允许放宽放大器平坦度规范，且由此降低系统成本并增加操作灵活性。这允许简易可升级性、成本有效性，及大信道处置能力或频谱分辨率。因此，其导致数据传输速度和容量的增加及通信服务费用的降低。
[0031]以上实施例提供一种可调谐、低成本且紧凑的全光纤增益平坦滤波器，其提供大动态可调整范围且更易于封装。由于装置的热特性可由热能转换器冷却器自动地控制，故所述方法提供用于m)FA的动态增益平坦的极大应用。
[0032]可调谐、低成本且紧凑的装置的特征经设计成以增益平坦应用的市场和光纤通信的动态重新配置的要求增加为目标。可调谐增益平坦滤波器(TGFF)可为高容量和高速度(10或40千兆位/秒)长途传输系统中的关键组件。已在“现场”光通信网络中测试TGFF以动态地调整用于整个C波段或L波段波长范围的增益分布。装置的成本比市场上的例如热光移相器、光纤声光可调谐滤波器及高双折射光纤环路镜的产品的成本低得多。因此，低成本为装置的主要优点和优势中的一者。其不仅具竞争性，而且可增强其它系统和产品(例如，光放大器)的竞争力，其中由实施例提供的装置为组件中的一者。此外，通信系统的速度和容量的增加导致系统成本和通信服务费用的降低。这些结果将在个体和经济两个方面带来社会效益。
[0033]在以上实施例中，提供一种可调谐的全光纤增益平坦滤波器，其是基于将长周期光纤光栅浸入到对折射率具有高温效应的折射率液体中。为了实现高度可调谐功能，应将光纤的直径减小为约数十微米到甚至几微米，以便增强渐逝场的部分以及对环境折射率改变的灵敏度，这导致凹口的高移位。通过调整折射率液体的温度来实现可调谐性，调整折射率液体的温度会导致液体的折射率改变。在整个说明书中，直径为几微米的此类长周期光栅也可被称作“长周期微光纤光栅”。
[0034]在以上实施例中，可通过将长周期光栅的直径减小为微尺度来实现折射率的灵敏度的显著增加。其已进一步确定，此长周期微光纤光栅(LPMFG)提供EDFA的动态增益平坦以及光通信系统的动态重新配置。通过用商用耦合器制造站来使常规单模光纤锥形化而拉伸用于LPMFG制造的微光纤。将商用单模光纤(外径为80微米到125微米)牵拉为数十微米到数微米的尺度。接着，通过使用C02激光将长周期光栅制造到微光纤上。用UV胶粘剂将长周期微光纤光栅密封在填充有折射率液体的玻璃管中，且接着将整个装置放置到热电模块上。装置的可调谐滤波通过在折射率液体以及通过热电模块的光栅表面上诱发折射率改变而起作用，由此使LPMFG的共振波长在1530nm到1565nm的范围内移位。通过使用具有掺铒光纤放大器(EDFA)的20nm频谱移位的级联可调谐增益平坦滤波器系统来实现遍及C波段(1530nm到1565nm)的为±0.5dB的增益平坦度。
[0035]用于经液体浸入的微光纤长周期光栅性能的控制的良好灵活性和线性可基于装置的温度特性而提供用于H)FA的增益分布的平坦的宽动态范围。经液体浸入的微光纤长周期光栅可用以使在980nm下栗浦的EDFA的增益分布平坦。所实现的增益平坦度遍及约35nm的带宽可为约±0.5dB。当在980nm下的栗浦功率改变时，通过借助于温度变化来重新调整装置的中心波长而获得相似结果。
[0036]尽管本专利申请已特定地参考其数个实施例予以展示和描述，但应注意，可在不脱离本发明的范围的情况下进行各种其它改变或修改。
【主权项】
1.一种长周期光栅装置，其包括: 光纤，其包括:具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模;及包层，其环绕所述纤芯且具有包层模，所述包层模具有小于所述第一有效折射率的第二有效折射率；玻璃管，其填充有折射率液体，所述光纤是用UV胶粘剂密封在所述玻璃管中；及热电模块，所述光纤安装在所述热电模块上;其中: 在所述纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅;且 由HF溶液将所述光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μπι到I Oym。2.根据权利要求1所述的长周期光栅装置，其进一步包括经配置以精确地控制所述光纤的温度的热电冷却器。3.根据权利要求2所述的长周期光栅装置，其中所述热电冷却器集成到所述光纤。4.根据权利要求2所述的长周期光栅装置，其进一步包括精确温度控制器，其中所述精确温度控制器经配置以基于来自温度传感器的反馈而使用电流源或电压源以驱动电力通过所述热电冷却器。5.根据权利要求1所述的长周期光栅装置，其进一步包括经配置为传感器以向所述热电模块提供反馈的热敏电阻器。6.根据权利要求5所述的长周期光栅装置，其中所述热敏电阻器为随着温度而改变电阻的电阻器。7.根据权利要求6所述的长周期光栅装置，其中所述热敏电阻器具有负温度系数(NTC)08.—种包括长周期光栅装置的可调谐增益平坦滤波器，所述长周期光栅装置包括: 光纤，其包括:具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模;及包层，其环绕所述纤芯且具有包层模，所述包层模具有小于所述第一有效折射率的第二有效折射率； 热电模块，所述光纤安装在所述热电模块上； 热电冷却器，其经配置以精确地控制所述光纤的温度;及 热敏电阻器，其经配置为传感器以向所述热电模块提供反馈;其中: 在所述纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅;且 由HF溶液将所述光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μπι到I Oym。9.根据权利要求8所述的可调谐增益平坦滤波器，其进一步包括填充有折射率液体的玻璃管，其中所述光纤是用UV胶粘剂密封在所述玻璃管中。10.根据权利要求8所述的可调谐增益平坦滤波器，其中所述热敏电阻器为随着温度而改变电阻的电阻器。11.一种长周期光栅装置，其包括: 光纤，其包括:具有折射率的纤芯和具有第一有效折射率的纤芯导模;及包层，其环绕所述纤芯且具有包层模，所述包层模具有小于所述第一有效折射率的第二有效折射率;其中: 在所述纤芯上界定折射率的多个扰动，其被隔开周期性距离以便形成具有中心波长的长周期光栅;且 由HF溶液将所述光纤的直径锥形化或蚀刻为约6μπι到I Oym。12.根据权利要求11所述的长周期光栅装置，其进一步包括填充有折射率液体的玻璃管，其中所述光纤是用UV胶粘剂密封在所述玻璃管中。13.根据权利要求11所述的长周期光栅装置，其进一步包括热电模块，其中所述光纤安装在所述热电模块上。14.根据权利要求13所述的长周期光栅装置，其进一步包括经配置以精确地控制所述光纤的温度的热电冷却器。15.根据权利要求14所述的长周期光栅装置，其中所述热电冷却器集成到所述光纤。16.根据权利要求14所述的长周期光栅装置，其进一步包括精确温度控制器，其中所述精确温度控制器经配置以基于来自温度传感器的反馈而使用电流源或电压源以驱动电力通过所述热电冷却器。17.根据权利要求16所述的长周期光栅装置，其中所述精确温度控制器的精确电流源经配置以驱动电流通过所述温度传感器，且由此提供电压反馈。18.根据权利要求13所述的长周期光栅装置，其进一步包括经配置为传感器以向所述热电模块提供反馈的热敏电阻器。19.根据权利要求18所述的长周期光栅装置，其中所述热敏电阻器为随着温度而改变电阻的电阻器。20.根据权利要求19所述的长周期光栅装置，其中所述热敏电阻器具有负温度系数(NTC)0
【文档编号】G02B6/02GK105842778SQ201610061316
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】何约礼, 石鑫, 刘廸浩, 李伟文
【申请人】纳米及先进材料研发院有限公司