专利名称：光敏光波导管的制作方法
技术领域：
本发明涉及为了构造滤光器适于在其内写入布拉格(Bragg)光栅的光敏光波导管领域。更具体地说，本发明涉及一种增益平整滤光器。
背景技术：
通常，增益平整滤光器(GFF)包括将布拉格光栅光写入的光导管部分，诸如，光纤或平面型光导管。通常，光导管由光芯(opticalcore)构成，其功能是传送并可能放大光信号，其被光学包层包围，该光学包层的功能是使光信号限制在光芯上。为此目的，光芯的折射率n1和包层的折射率n2被设置为n1＞n2。众所周知，光信号在单模光导管内的传播被分离为在光芯内传导的基本模式和在光芯/包层组件中的传导特定距离上的辅助模式，也被称为包层模式。
对于光纤，通常，根据作为沿着光纤半径距离的函数绘制的折射率曲线图的形状，指定折射率分布。通常，将距离光纤中心的距离r绘制在x轴上，并且将光纤的光芯折射率与包层折射率之间的差值绘制在y轴上。因此，在相应曲线图为阶梯、梯形或三角形形式时，将折射率分布称为“阶梯”、“梯形”或“三角形”分布。这些曲线通常表示光纤的理论分布或设置分布，光纤的生产约束条件可能导致大不相同的分布。同样，对于平面型光导管，折射率分布使折射率值与距离波导管中心的距离r有关，下面将该距离称为径向距离。
对光导管的光芯和/或包层进行掺杂，以实现用于写布拉格光栅的光敏，例如，利用掺杂锗(Ge)。因此，波导管上光敏掺杂物浓度的径向分布的曲线图形状确定波导管的光敏性分布。
通常用于实现增益平整的光栅是倾斜光栅或偏斜光栅，它们被称为倾斜布拉格光栅或SBG。这种光栅不产生反射，而且被设计为允许基本模式与包层模式的耦合。因此，可以省略利用反射光栅(诸如，直线型布拉格光栅)实现平整化时必不可少的光隔离器。
增益平整滤光器与沿传输线路均匀分布的光放大器相连。对于在任何一个传输线路的各种通道内传送的所有波长的信号，各光放大器通常不具有相同的放大率。
特别是，随着采用DWDM(密集波分复用)的密集传输应用的发展，给定带宽上的放大率的差别趋向于被加大，而且各增益平整器的容差越来越靠近。也就是说，平整滤光器必须尽可能匹配放大曲线。因此，DWDM应用要求生产越来越窄的滤光器，该滤光器显示越来越高的对比度。
欧洲专利申请第EP 1,359,442号公开了一种由倾斜布拉格光栅级联构成的复合滤光器。图1示出这种滤光器的频谱响应。为了尽可能接近与放大曲线模板(实线)对应，基本滤光器(细线)必须具有越来越高的对比度。利用约2nm频谱带上5dB对比度的技术规范就是对于这种类型的应用的标准。使用具有这种对比度的基本滤光器，可能生产出构成对应于给定应用曲线的复杂平整分布的级联滤光器。
降低基本滤光器的频谱宽度，而仍提高其滤除率(也就是说，增加其对比度)的一种可能方式是改善基本模式与包层模式之间的耦合的模式，并且因此显著增加这些模式之间的重叠部分。通过基本模式和包层模式接合的面积确定该重叠部分，利用光导管的光敏性分布对该重叠部分加权。
为了增加该重叠部分，已经提出了几种技术。第一种解决方案可以包括增加光芯的直径，以便加大基本模式，并且因此增大重叠。然而，当光芯直径变得太大时，信号传播的单模特性丢失限制了该解决方案。
另一个解决方案包括为了增加重叠区域的权重，除了光芯外，还实现包层光敏性。然而，该解决方案意味着以至少6°的大倾角写倾斜布拉格光栅，以便防止将基本模式耦合到其自身，并且因此完全反射该信号。因此，为了防止基本模式耦合到其自身内，对于小角度光栅，另一个解决方案包括降低光芯的光敏性。
此外，减小倾角还可能降低由倾斜光栅构成的基本滤光器的频谱宽度。然而，由于需要保持低回射信号，减小倾角仍然受到限制。也就是说，需要将耦合到其内的基本模式的反向传播最小化。
因此，M.J.Holmes等人在出版物“Ultra Narrowband Optical FiberSidetap Filters”，ECOC’98，1998年9月，马德里，西班牙，第137-138页内描述了一种具有图2a和2b分别画出的折射率和光敏性分布的单模光纤。折射率分布是具有光芯/包层阶梯的矩形。将曲线图2a归一化为光芯半径rcore和包层的折射率n0。对包层掺杂锗和硼，以便使其具有光敏性，同时使其折射率保持低于光芯的折射率。这种光纤分布允许以2.3°的小角度写入SBG，以便获得对比度频谱响应。
当作为光栅夹角θ的函数绘制曲线图时，通过将基本模式耦合到其内的最少化，确定写入角的值。因此，确定曲线K(θ)，对于图2a和图2b所示的光纤，图3示出该曲线。
我们记得K(θ)的理论表达式是k(θ)=∫Ecore2(r).J0(2π.r.sin(θ)Λ).W(r)r.dr∫Ecore2(r).r.dr---(1)]]>其中，r是光纤的半径；θ是光栅的倾角；Ecore是基本模式的电场；W(r)是光敏性分布；
Λ是布拉格光栅的周期；J0是一次Bessel函数。
以矩形光敏性分布(诸如，图2b所示的光纤光敏性分布)，在-30db下，基本模式耦合到其内的最小耦合K(θ)具有0.1°的小角宽度，这样使其非常依赖于该角度。也就是说，对于精确光栅写入角来说，信号的回射最小。偏离该角度导致信号回射的突然增加。因此，将基本模式到其内的耦合最小化的SGB写入角的容差称为“反射槽(reflection pocket)”。图3示出写入具有与图2a和2b对应的分布的光纤的光栅反射槽非常窄，这样使得该光纤的制造复杂化。
因此，许多其它出版物提出了修改的光敏性分布，以便减小通过SGB构造的基本滤光器的带宽。例如，在下面的出版物中提出C.W.Haggens等人所著的“Narrowband rejection filter withnegligible backrefiection using tilted photoinduced gratings in singlemode fibers”，IEEE PTL，Vol.10，No.5，May 1998；I.Riant等人所著的“Gain equalisation with optimised Slanted布拉格Grating on adaptedfibre for multichannel long haul submarine transmission”OFC PaperThJ6；以及C.De Barros等人所著的“Optimised C-Band GainFlattening Filter using Slanted Bragg Technology”，ECOC’02，Paper10.4.1；而且还有US-A-6 005 999专利。
所有这些出版物均提出调整光芯相当于包层的光敏性。然而，对于光栅写入角，所有这些分布均产生窄反射槽。
M.J.Holmes等人所著的“Novel fiber design for narrow-bandsymmetric response sidetap filters with suppressed leaky moderesonance”，ECOC’99，Conference Proceedings，pages 216-217描述了用于阶梯型折射率单模光纤的另一种光敏性分布。图4a和图4b说明折射率分布和光敏性分布，并且图5说明在相应光纤中作为光栅写入角K(θ)的函数、耦合到其内的基本模式。
光敏性分布示出纤芯内的跃变。因此，纤芯具有掺杂了非光敏性掺杂物的中心区域和掺杂了光敏性掺杂物和非光敏性掺杂物的环形区域，允许光芯的折射率保持固定。对于--30dB，作为光栅写入角的函数的信号回射曲线K(θ)示出0.2°夹角宽度的3.5°写入角。通过这种光纤分布，在某种程度上加宽“反射槽”，允许当写入SBG光栅时，具有更大的容差。
欧洲专利申请第EP 1160594 A1号公开了一种在光芯内具有分段光敏性分布并且具有非光敏性包层的光纤。这种光纤允许以大于6°的夹角写入布拉格光栅。对于-30dB，夹角宽度可以大至0.5°。然而，这样大的写入角不允许生产窄光纤。上面的文献描述的滤光器的频谱带大于20nm，它不适合用于DWDM应用。
现有技术的所有解决方案均基于在光导管的光芯与包层之间引入跃变的光敏性分布。通过优化光芯与包层之间的光敏性，可以修改光栅写入角，但是不允许加宽该夹角下的反射槽。
发明内容
因此，本发提出克服解决现有技术的缺点，并且提出了一种具有特定折射率分布和光敏性分布的光导管。因此，该光导管适合以增加的写入角写入其内的倾斜光栅，对于该增加的写入角，将进入其内的基本传播模式的反射最小化。
因此，本发明的主题是一种适合将以给定倾角(θ)写入其内的倾斜布拉格光栅(SBG)的光敏光导管，该光导管具有确定光芯和包层的折射率和光敏性分布W(r)，以便对于所述给定的SBG写入角(θ)，如反向传播到光导管内，基本模式到其本身的耦合(K(θ))和对夹角(θ)的导数(K’(θ))基本等于0。
根据一个特征，光敏性分布至少具有一个阶梯，光敏性阶梯的径向位置与光导管的光芯与包层之间的折射率阶梯的径向位置无关。
根据一个特征，光敏性分布W(r)至少具有一个位于光导管的包层内的阶梯。
根据一个特征，光敏性分布W(r)至少具有一个位于光导管的光芯内的阶梯。
根据一个特征，光敏性分布W(r)适合以1°至4.5°之间的倾角(θ)写入倾斜布拉格光栅(SBG)。
根据一个特征，光敏性分布W(r)是这样的，对于写入布拉格光栅(SBG)的给定角度(θ)，在光导管的反向传播时耦合到其自身的基本模式最小值((K(θ))具有0.3°与0.6°之间的角宽度(Δθ)。
本发明还涉及一种滤光器，该滤光器至少包括一个被写入如本发明所述光导管的一部分上的倾斜布拉格光栅(SBG)。
根据一个特征，布拉格光栅(SBG)具有1°与4.5°之间的倾角。
根据一个特征，布拉格光栅(SBG)具有可变周期。
本发明的一种可能应用于光传输系统，该光传输系统包括增益平整滤光器，该增益平整滤光器包括根据本发明所述的滤光器的级联。
通过参考附图阅读下面的说明，本发明的特征和优点将变得更加明显，下面的说明用于说明问题，而没有限制性意义，附图包括图1说明复合增益平整滤光器的频谱响应，上文已经对该图进行了描述；图2a和图2b分别说明现有技术的第一光纤的归一化的折射率分布和归一化的光敏性分布，上文已经对该图进行了说明；图3说明在具有图2a和图2b所示分布的光纤中，将基本模式耦合到其本身作为光栅写入角的函数，上文已经对该图进行了说明；图4a和图4b分别说明现有技术的第二光纤的归一化的折射率分布和归一化的光敏性分布，上文已经对该图进行了说明；图5说明在具有图4a和图4b所示分布的光纤中，将基本模式耦合到其本身作为光栅写入角的函数，上文已经对该图进行了说明；图6示出对于给定的光栅夹角以及折射率分布和光敏性分布，基本模式的耦合曲线及其导数的曲线；图7a和图7b分别说明根据本发明第一实施例的光导管的折射率分布和光敏性分布；图8说明在具有图7a和图7b所示分布的光导管中，将基本模式耦合到其本身作为光栅写入角的函数；图9a和图9b分别说明根据本发明第二实施例的光导管的折射率分布和光敏性分布；图10说明在具有图9a和图9b所示分布的光导管中，将基本模式耦合到其本身作为光栅写入角的函数；以及图11说明在根据本发明实施例的光纤中，用于基本模式的耦合作为倾斜布拉格光栅的写入角的函数，在理论数据与实验数据之间的比较。
具体实施例方式
根据本发明，适于要写入其内的SBG的光导管具有确定光芯和包层的折射率分布和特定光敏性分布。该光敏性分布W(r)是这样的，对于给定的SBG写入角θ，由于传导中的反向传播而基本模式到其自身的耦合(K(θ)基本上是0，并且其对夹角θ的导数K’(θ)也基本上等于0。作为夹角的函数的零导数和基本模式的零耦合意味着确保在光栅写入角周围具有更宽的反射槽。
实际上，根据本发明的光导管的光敏性分布并不限于光纤的光芯与包层之间的界限。因此，光导管中光敏性值的径向分布不取决于光芯与包层之间的折射率跃变。
目标不再是仅将耦合到其内的基本模式的反向传播的上述等式(1)降低到最小，而是使下面两个等式均等于0k(θ)=∫Ecore2(r).J0(2π.r.sin(θ)Λ).W(r)r.dr=0---(2)]]>∂k(θ)∂θ=k′(θ)=-∫Ecore2(r).J1(2π.r.sin(θ)Λ).W(r).2πΛcos(θ).r2.dr=0---(3)]]>
其中J1是二次Bessel函数。
通过光导管的折射率分布，设置基本模式的电场Ecore(r)。该分布优选地在光导管的光芯与包层之间具有阶梯的矩形分布，其可以构成例如传统单模光纤分布。然而，还可以选择另一种折射率分布(诸如，例如渐变折射率分布)。通过确定光敏性分布产生影响的折射率分布而确定的唯一特性是对应于基本模式的电场Ecore(r)的分布。
用将被滤除的信号波长设置SBG光栅的周期Λ。
根据本发明，可能设置SBG光栅的夹角θ，以便满足滤光器的频谱宽度制约，并且确定对应于这些制约的光敏性分布。对于描述作为夹角θ的函数将基本模式耦合到其自身的给定耦合函数，根据等式(1)，通过Hankel反变换，可能计算作为电场分布的函数的光敏性分布的表达式，即(4)---W(r)=1Ecore2(r)·∫k(θ).J0(2π.r.sin(θ)Λ).sin(θ).cos(θ)Λ2dθ]]>然而，难以找到对于这种表达式的精确求解方法。
因此，目标是通过绘制等式(2)和等式(3)的曲线图，确定适当的光敏性分布。通过设置W(r)＝1、Λ＝0.55nm、θ＝3.75°，并且通过模拟具有4微米的光芯半径和4.4×10-3的光芯/包层折射率阶梯的光纤，图6中绘出对应于作为r函数的这些等式的曲线。
必须确定对使这两个函数的积分为0的W(r)分配的径向分布。能够将该积分分解为N个分段，并且能够确定每个分段的W(r)的权重。为此，假定光敏性分布是具有连续值αn的阶梯函数。
然后，必须对下面的两个等式求解k(θ)=Σ2Nαn∫Rn-1RnEcore2(r).J0(2π.r.sin(θ)Λ).r.dr=Σ2Nαnkn(θ)=0---(5)]]>k′(θ)=-Σ2Nαn∫Rn-1RnEcore2(r).J1(2π.r.sin(θ)Λ).2πΛcos(θ).r2.dr=Σ2Nαnkn′(θ)=0]]>
可以设置阶梯数(即，N)，然后，利用αN＝1，确定0与1之间的αn的值，而利用RN＝20μm，确定Rn的相应值。
由于基本模式的场的半径是0，所以将RN设置为20μm。因此，不需要将光敏性区域扩展到该半径之外。
如果在包层内基本模式的场趋向于0，则由于包层内的耦合必须始终最大，而将αn设置为1。
图7a和图7b对于折射率分布由两个阶梯(N＝2)构成的应用，说明根据本发明第一实施例的光纤的折射率分布和光敏性分布。因此，两个等式(5)给出α1=k2k1=k2′k1′]]>上面设置的折射率分布和布拉格光栅特性的值给出α1＝0.19和R1＝4.87μm。可以清楚地看到，折射率分布与光敏性分布完全无关，光纤的光敏性阶梯与折射率阶梯不一致。
然后，获得图8说明的曲线，该曲线示出信号的基本模式的反向传播。对于所设置的3.75°的写入角，30dB下的宽度为0.4°，与写入角这样低的现有技术的回射曲线相比，这构成由明显较宽的反射槽。
以由两个阶梯构成光敏性分布的同样方式计算其它数值例子。如果SBG写入角是2.5°，则获得以下对值α1＝0.05和R1＝6.3μm；如果SBG写入角为4.35°，则获得一对值α1＝0.3和R1＝4.32μm。
图9a和图9b说明对于折射率分布具有三个阶梯(N＝3)的应用，根据本发明第二实施例的光纤的折射率分布和光敏性分布。因此，两个等式(5)给出α1k1+α2k2+k3＝0α1k1′+α2k2′+k3′＝0例如，可能是这样的设置，以便两个分段R1和分段R2的半径均与Bessel函数J0和J1的根对应。然后，可以计算区域k1、k2、k3、K’1、K’2、K’3，解二次等式，以确定α1和α2 在R1＝3.24μm而R2＝5.13μm的情况下，上面设置的折射率分布的值和布拉格光栅特性给出α1＝0.176和α2＝0.26。当然，还可以设置其它值的R1和R2。
然后，获得图10所示的耦合曲线，该曲线对应于耦合到其内的基本模式。对于所设置的3.75°的写入角，-30dB下的宽度为0.7°。
因此，本发明可能产生适于要写入其内、具有选择的角度的倾斜布拉格光栅的光导管，而在该写入角下，该光导管可以提高容差。因此，对于要求的应用，可以确定SBG夹角，并且在工业化生产滤光器时，可以低废品率地制造允许写入所述光栅的适当光导管。
例如，在进行生产的过程中，通过精确控制掺杂物的浓度(特别是锗(Ge)、磷(P)以及氟(F)的浓度)，可以制造根据本发明的光纤。
图11示出在根据本发明的光纤中，可以利用从1.7°到2.3°变化的光纤内倾角(in-fiber angle slant)写入的布拉格光纤。该图示出理论回射和实验获得的回射。在该光纤中，回射最小的“反射槽”约等于1°。这样可以实现更好的制造公差，而且可以具有足够低的实验级(experimental level)反射(与理论预测相同)。
权利要求
1.一种适用于以给定倾角(θ)写入其内的倾斜布拉格光栅(SBG)的光敏光导管，该光导管具有确定光芯和包层的折射率和光敏性分布W(r)，以便对于所述给定的SBG写入角(θ)，在反向传播到光导管内时，基本模式到其本身的耦合(K(θ)以及它对于角度(θ)的导数(K’(θ))基本等于0，其中光敏性分布W(r)具有至少一个阶梯，光敏性阶梯的径向位置与光导管的光芯与包层之间的折射率阶梯的径向位置无关。
2.根据权利要求1所述的光导管，其中光敏性分布W(r)具有至少一个位于光导管的包层内的阶梯。
3.根据权利要求1或2所述的光导管，其中光敏性分布W(r)至少具有一个位于光导管光芯内的阶梯。
4.根据权利要求1至3之一所述的光导管，其中光敏性分布W(r)适合以1°至4.5°之间的倾角(θ)写入倾斜布拉格光栅(SBG)。
5.根据权利要求1至4之一所述的光导管，其中光敏性分布W(r)是这样的使得对于写入布拉格光栅(SBG)的给定角度(θ)，在光导管中反向传播时基本模式对其自身的耦合的最小值(K(θ))具有在0.3°与0.6°之间的角宽度(Δθ)。
6.一种滤光器，该滤光器至少包括一个被写入根据权利要求1至5之一的一部分光导管的倾斜布拉格光栅(SBG)。
7.根据权利要求6所述的滤光器，其中布拉格光栅(SBG)具有1°与4.5°之间的倾角。
8.根据权利要求6和7之任一所述的滤光器，其中布拉格光栅(SBG)具有可变周期(Λ)。
9.一种光传输系统，该光传输系统包括增益平整滤光器，该滤光器包括根据权利要求6至8之一所述的滤光器的级联。
全文摘要
一种适合将写入其内的倾斜布拉格光栅(SBG)的光导管，该光导管具有确定光芯和包层的折射率分布和光敏性分布。该光敏性分布W(r)是这样的，以致对于给定的SBG写入角θ，在反向传播到光导管内时，基本模式到其本身的耦合K(θ)基本上等于0，并且其对于夹角θ的导数K’(θ)也基本上等于0。0导数以及作为夹角函数的基本模式的0耦合意味着确保对于光栅写入角加宽反射槽。
文档编号G02B6/02GK1624505SQ20041009680
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月1日 优先权日2003年12月2日
发明者卡洛斯·德巴罗斯, 利昂内尔·普罗沃, 埃莱娜·比斯卡拉, 克里斯蒂娜·莫罗 申请人:阿尔卡特公司