专利名称：光学系统模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学模块，更准确地说，涉及信号增益随输入信号功率增大而增大的结构。
背景技术：
高折射率芯区域被具有石英和空气混合物的包层围绕的微结构光纤的最新发展，依靠玻璃与空气之间存在的大折射率反差，可提供新的光纤特性。
参考Takanori Okoshi讨论光纤模式的“Optical Fibers”，Academic Press(1982)4.3.6节。如其中所述，HE11模为基模，其他为高阶模。
如美国专利6,400,866所述，适当设计的微结构光纤能支持若干本质上彼此去耦合的横向空间模。在所公开的一个实施例中，光泵浦以一个横向模式传播，而光信号以另一横向模式传播。可以使用能支持数个去耦合横模的微结构光纤对非线性光学过程如二次谐波产生和四波混频进行相位匹配。光泵浦和光信号被耦合到具有去耦合横模的微结构光纤的相应横模中。结果，产生出第三信号，该第三信号可以为例如和频或差频信号，二次或三次谐波信号，频率在泵浦频率之上和之下的信号。该专利建议使用微结构光纤的高阶模进行非线性光学过程，不过没有建议如何进行，或者认为可不通过频率转换而实现光信号再生。
P.V.Mamyshev题为“All-Optical Data Regeneration Based OnSelf-Phase Modulation Effect”，ECOC’98 p.475(1998)的文章描述了将返零(RZ)形式的脉冲光信号馈入非线性介质中，其中自相位调制(SPM)扩展了该信号的频谱。该非线性介质的输出通过中心频率不同于该原始信号的光学滤波器。通过这种结构，抑制了该信号的“零”噪声和“一”幅值波动，从而该信号得到再生。不过，再生的信号必须具有不同于原始信号的频率，使得由于包含该再生模块，光学系统的复杂度增大。并且，难以将该再生模块结合到现有光学系统中。
因而现有技术中需要一种简单结构的光学模块，它能随信号输入功率的增大提供信号增益的增大，并且能使泵浦光与信号相位匹配。
发明概述本发明至少部分地通过构造一在光纤上传播信号的模块，具有频率为该信号频率三倍并且相位指数(a phase index)等于该信号相位指数的泵浦光波，而实现上面所述。通过采用微结构光纤实现泵浦与信号之间的相位匹配。定义下列术语，帮助说明微结构光纤的特性。
主介质是能独立构成光纤的介质。另一方面，副介质不必能独立构成光纤。例如，玻璃和聚合物可以用作主介质或副介质，而液体、气体和真空可以用作副介质，但不能用作主介质。
用下式定义由若干介质i(i＝1...M)组成的区域的平均折射率 其中n[i]和f[i]分别为介质i的折射率和体积。
模式的相位指数为真空中光速与该模式相速度之比。在线偏振光波情况下，非线性折射率n(2)与三阶极化率张量(susceptibility tensor)的分量x(3)xxxx的关系为n(2)＝(3/8n)x(3)xxxx，其中n为折射率。除非另外说明，否则光波长为真空中的波长。
根据下面仅通过本发明最佳实施方式说明的详细描述，本发明的优点将是显而易见的。本发明可以有其他不同的实施例，且可在不偏离本发明的条件下，针对多个明显的方面对其若干细节进行修改。因此，附图和说明实际上是说明性而非限定性的。
附图简要说明通过但不限于附图中的例子说明本发明，在附图中相同附图标记是指相同元件，其中
图1为本发明第一实施例光学模块的示意图。
图2为垂直于图1中光纤的光纤轴作出的横截面。
图3为表示图2中光纤导模的相位指数对芯半径依赖关系的曲线。
图4为表示根据图1和2所示的本发明，在经光纤传播过程中信号所感受的增益的曲线。
图5为图1所示光学模块一种变型的示意图。
图6-8为根据本发明的其他光学模块变型的示意图。
图9为根据本发明的光通信系统一实施例的示意图。
本发明详细说明图1为本发明第一实施例光学模块的示意图。多路复用装置40耦合到光纤10一端。该多路复用装置40将入射到第一端口20中的光信号和入射到第二端口30中的光泵浦辐射组合，并将所组合的信号和泵浦光入射到该光纤中。该光纤的另一端与第三端口50耦合，发射出该光信号。
图2为垂直于光纤10的光纤轴作出的横截面。芯区域11被包层区域12包围。该芯由作为主介质的石英玻璃14组成。该包层由石英玻璃14和作为副介质区域的空气孔13组成。在包层中的石英玻璃内设置有多个孔。由于这种结构，芯区域具有比包层高的平均折射率，从而光波限制在芯中，并沿该光纤传播。
图3为表示光纤10导模的相位指数对芯半径的依赖关系的曲线。测定信号波长λ1＝1545nm下和泵浦波长λ2＝515nm下的相位指数。在测定过程中，由折射率等于该包层区域平均折射率的均匀介质近似该包层区域。假设在该包层中孔的面积百分比为50％。如图所示，当芯半径在0.40μm与0.55μm之间时，可在信号波长λ1下的基模与泵浦波长λ2下的高阶模之一间实现相位指数匹配，从而在本实施例中选择芯半径近似为0.51μm。通过采用微结构光纤，可以实现与外部扰动的强的相位匹配。
在高阶模之中，本发明中希望使用HE1m(m＞1)模，因为对于HE1m(m＞1)模泵浦而言，与HE11模信号的泵浦-信号重叠积分高于其它高阶模泵浦，其中由下式定义此泵浦-信号重叠积分ff=∫∫(E1·E1)(E1·E2*)dA(∫∫|E1|2dA)3∫∫|E2|2dA]]>其中E1和E2分别为信号和泵浦的电场矢量，dA为面积百分比，*表示复共轭，且积分区域为整个横截面。矢量Ea和Eb的内积(·)定义为(Ea·Eb)＝Ea，xEb，x+Ea，yEb，y其中Ea，x和Ea，y为Ea的x和y坐标的分量，x和y坐标处于该光纤横截面内。在此处的泵浦-信号重叠积分中，忽略电场沿光纤长度方向的z分量，因为通常它较小。已知非线性光学效应的效率与该重叠积分成正比，如Govind P.Agrawal在“Nonlinear Fiber Optics”，Academic Press第10.2节中所述。
在实施例1中，图2中所示泵浦波长λ2的二阶、三阶和四阶模分别为高阶模EH11，HE31和HE12。而该光纤在λ2下可能有其他高阶模，为了简便起见，没有将它们表示在图2中。泵浦波长λ2下的二阶、三阶和四阶模与信号波长λ1下的一阶(基)模的泵浦-信号重叠积分分别为0.08μm-2，0.006μm-2和0.25μm-2。由于电场分布方式与HE11模相似，故HE1m(m＞1)模与HE11模可能具有较高的重叠积分。因此，最好使用HE1m(m＞1)模泵浦获得高重叠积分，从而获得非线性光学效应的高效率。
在本实施例中，芯半径为0.43μm，以使λ1下的基模与λ2下的二阶模(高阶模中最低的)的相位指数匹配。λ1下的基模信号入射到第一端口中，并通过多路复用装置耦合到该光纤的基模。λ2下的二阶模泵浦入射到该第二端口中，并通过该多路复用装置耦合到光纤的一高阶模中。最好采用面发射激光二极管作为光源，产生高阶模光泵浦。
可以由下式(1)和(2)描述光纤中信号和泵浦的传播ddzE1=i6n(2)k1E1*2E2----(1)]]>ddzE2=i6n(2)k2E13----(2)]]>其中E1和E2分别为信号和泵浦的慢变场幅值，z为沿光纤方向的坐标，i为虚数单位，n(2)为非线性折射率，k1和k2分别为信号和泵浦的波数，E*表示E的复共轭。公式(1)和(2)基于自相位调制、交叉相位调制的假设，并且光纤导致的衰减不明显。
假设|E1|＜＜|E2|，这通常是正确的，因而E2的改变不明显，由公式(1)得出d2a2dz2P1=P2P12----(3),]]>其中a=n(2)k16A----(4)]]>P1和P2分别为信号和泵浦的光功率，由信号的有效芯面积A1和泵浦的有效芯面积A2给出AA=A1A2]]>图4为表示信号经光纤传播过程中所感受的增益的曲线，基于公式(3)计算而得，其中假设n(2)＝3*10-20m2/W，λ1＝1545nm，且A＝2μm2，从而a2＝6*10-10mW-2m-2。输入泵浦功率为P2＝500mW，考虑输入信号功率P1的三种情形，即P1＝10mW，1mW和0.1mW。
如图4所示，增益随输入信号功率P1的增大而增大。结果，信号脉冲得到放大，但低功率的噪声未得到放大，从而改善了信号的信噪比(SNR)。
本实施例中光纤长度为1km，不过当光纤具有更高非线性折射率，例如高于10-19m2/W时，用较短光纤可以获得改善SNR的相似效果。使用例如多层玻璃或掺有铋的石英玻璃，可以实现这种高非线性折射率。
图5为图1中所示光学模块一种变型的示意图。多路复用装置40耦合到光纤10的一端。波长为λ1的光信号以基模入射到第一端口20中，且λ2的光泵浦以某一模式(例如基模)入射到第二端口30中。该多路复用装置40组合该光信号与该光泵浦。模式变换装置60改变光泵浦的波前，从而通过多路复用装置40的光泵浦耦合到光纤10的高阶模，满足λ2的高阶模和λ1的基模具有大体相等的相位指数的条件。由于可以使用产生基模光泵浦的光源，如激光二极管，故这种结构较好。
图6-8说明其他变型。图6与图5的区别在于，多路复用装置41具有改变光泵浦波前的作用，使光泵浦耦合到光纤10的高阶模。在图7的变型中，模式变换装置60使光信号和泵浦通过，但有选择地改变光泵浦的波前，使光泵浦耦合到光纤10的高阶模。在图8的变型中，模式变换装置61是光纤10的一部分，使光信号和泵浦通过，但有选择地改变光泵浦的波前，使光泵浦耦合到光纤10的高阶模。最好由与光纤10接合的光纤光栅，或者由直接写在光纤10上的光纤光栅实现这种模式变换装置。
图9为光通信系统一实施例的示意图。光发射器110产生的信号在传输光纤130上传播。可以使用色散补偿装置140补偿该传输光纤的色散，并大致恢复该信号的初始光波形。放大装置150放大该信号的光功率，并补偿该传输光纤和色散补偿装置导致的光损耗。在放大装置之后，信号通常包括由放大装置中放大的自发辐射、以及传输光纤和/或色散补偿装置中非线性过程导致的噪声。由光学模块100对该噪声进行抑制，如图1和5-8所示。在噪声抑制之后，信号在另一传输光纤和另一色散补偿装置上传播，并最终由光接收器120接收。由于光学模块100抑制伴随信号的噪声，故其可扩展光通信的容量和长度。
虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，不过本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型和等效设置。
权利要求
1.一种光学模块，包括一光纤，其具有一波长在λ1下相位指数为n1的导模，和一波长在λ2下相位指数为n2的导模，且n2基本上等于n1；一多路复用装置，其具有一耦合到该光纤的输出端，一耦合到第一端口的第一输入端和一耦合到第二端口的第二输入端；其中耦合该第一端口，用于接收波长为λ1的光信号；将该第二端口耦合到一光泵浦，用于接收波长λ2＝(λ1)/3的泵浦光；并且该光信号和泵浦光被该多路复用装置组合，并入射到该光纤的一端中。
2.如权利要求1所述的光学模块，其中在波长λ2下该光纤的导模为高阶模。
3.如权利要求2所述的光学模块，其中该光纤包括一具有一平均折射率的芯区域；和一围绕该芯区域的包层区域，该包层区域包括一具有一预定折射率的主介质，和一折射率不同于该主介质的副介质，在该主介质中设置多个副介质区域；其中该芯和包层区域沿光纤延伸，并且该芯区域的平均折射率高于该包层区域的平均折射率。
4.如权利要求3所述的光学模块，其中该主介质为纯的或者掺有一种或多种掺杂物的石英玻璃，该掺杂物属于由锗、氟、氯、磷、氮、铝、钛、铒、镱、钕、镨和铋组成的组，该副介质为气体或真空。
5.如权利要求3所述的光学模块，其中该主介质为非线性折射率大于或等于10^(-19)m2/W的玻璃，该副介质为气体或真空。
6.如权利要求2所述的光学模块，还包括一耦合在该第二端口与该光纤之间的模式变换装置，用于将基模耦合到一个或多个波长为λ2的高阶模。
7.如权利要求6所述的光学模块，其中该模式变换装置被耦合在该第二端口与该多路复用装置之间。
8.如权利要求6所述的光学模块，其中该模式变换装置为该多路复用装置的一部分。
9.如权利要求6所述的光学模块，其中该模式变换装置被耦合在该多路复用装置与该光纤之间。
10.如权利要求6所述的光学模块，其中该模式变换装置为该光纤的一部分。
11.如权利要求2所述的光学模块，其中一泵浦光源产生波长为λ2的一个或多个高阶模辐射。
12.如权利要求2所述的光学模块，其中在波长λ2下该光纤的导模为HE1m模，且m为大于1的整数。
13.一种光纤，包括一具有一平均折射率的芯区域；和一围绕该芯区域的包层区域，该包层区域包括一具有一预定折射率的主介质，和一折射率不同于该主介质的副介质，在该主介质中设置多个副介质区域；其中该芯和包层区域沿光纤延伸，该芯区域的平均折射率高于该包层区域的平均折射率，并且该光纤具有波长在λ1下相位指数为n1的导模，和一波长在λ2下相位指数为n2的导模，并且n2大体上等于n1。
14.一种光学系统，包括一光发射器，用于产生波长为λ1的光信号；一光接收器，用于接收光信号；一传输线，用于传输所产生的光信号；以及一通过该传输线耦合到该光发射器和耦合到该接收器上的光学模块，该光学模块包括一光纤，其具有一波长在λ1下相位指数为n1的导模，和一波长在λ2下相位指数为n2的导模，并且n2大体上等于n1；一耦合到该发射器的第一端口，用于接收所产生的波长为λ1的光信号；一耦合一光泵的第二端口，用于接收波长λ2＝(λ1)/3的泵浦光；一多路复用装置，其具有两个耦合到该第一和第二端口上的输入端，用于组合所产生的信号和泵浦光，并且具有一与该光纤耦合的输出端。
全文摘要
一种光学模块，包括一多路复用器，该多路复用器用于组合信号和泵浦光并且具有一耦合到一光纤上的输出端，光纤上的泵浦光波的频率是该信号的三倍，并且相位指数等于该信号的相位指数。例如通过采用微结构光纤作为该光纤，可实现该泵浦与信号之间的相位匹配。
文档编号H01S3/067GK1504789SQ0313645
公开日2004年6月16日 申请日期2003年5月23日 优先权日2002年11月29日
发明者长谷川健美 申请人:住友电气工业株式会社