фильтр на основе волоконно-оптических дифракционных решеток с большими периодами
Классы МПК: | G02B6/14 модовые преобразователи |
Автор(ы): | ДЗАНГ Дзоо-Найунг (KR), КИМ Сун-Воок (KR), КИМ Се-Йоон (KR), КИМ Мин-Сунг (KR) |
Патентообладатель(и): | САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС КО., ЛТД. (KR) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-11-16 публикация патента:
20.09.2001 |
Фильтр на основе волоконно-оптических дифракционных решеток с большими периодами включает сердцевину, имеющую волоконно-оптические дифракционные решетки с большими периодами, сформированные на ней, каждая с заданным периодом, оболочку, окружающую сердцевину, покрытие, покрывающее часть оболочки, без волоконно-оптических дифракционных решеток с большими периодами, повторное покрытие, покрывающее часть оболочки, имеющую волконно-оптические дифракционные решетки с большими периодами. Показатель преломления сердцевины обеспечивает смещение связанной длины волны в сторону коротких длин волн при увеличении температуры в соответствии с количеством примеси, добавленной в сердцевину. Показатель преломления повторного покрытия уменьшается при повышенной температуре и связанная длина волны смещается в сторону длинных волн. Сердцевина дает отрицательное смещение связанной длины волны на величину положительного смещения связанной длины волны в материале повторного покрытия, показатель преломления которого уменьшается при увеличении температуры. Обеспечена температурная стабильность параметров фильтра, стойкость к повышенной влажности. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15
Формула изобретения
1. Фильтр на основе волоконно-оптических дифракционных решеток, содержащий сердцевину, имеющую волоконно-оптические дифракционные решетки, сформированные в ней с заданными для каждой решетки периодами; оболочку, окружающую сердцевину; покрытие, покрывающее часть оболочки, которая без волоконно-оптических дифракционных решеток; повторное покрытие, покрывающее часть оболочки, имеющую волоконно-оптические решетки, причем показатель преломления сердцевины обеспечивает смещение длины связанной волны в сторону коротких длин волн при увеличении температуры в соответствии с количеством добавленной в сердцевину примеси, а показатель преломления повторного покрытия уменьшается при увеличении температуры, обеспечивая смещение длины связанной волны в сторону длинных волн. 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что примесь включает В2О3 и GeO2 и сумма смещений связанной длины волны, вызванных увеличением показателя преломления в соответствии с количеством GeO2 и уменьшением показателя преломления в соответствии с количеством В2О3, имеет отрицательное значение. 3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что повторное покрытие выполняется из полимерного материала, показатель преломления которого уменьшается при увеличении температуры. 4. Фильтр по п.3, отличающийся тем, что полимерный материал представляет собой силиконовую смолу. 5. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления повторного покрытия меньше, чем показатель преломления оболочки.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к фильтру на основе волоконно-оптических дифракционных решеток, а конкретно к температурно-стабилизированному фильтру на основе волоконно-оптических дифракционных решеток, который не дает смещения параметров связи в зависимости от изменения температуры. Волоконно-оптическая дифракционная решетка обычно используется в качестве фильтра для выбора оптического сигнала на определенной длине волны, распространяющейся вдоль сердцевины оптического волокна. Волоконно-оптическая дифракционная решетка может удалять или отражать свет на определенной длине волны за счет того, что, используя ультрафиолетовый (УФ) лазер, индуцируется периодическое изменение показателя преломления оптического волокна. Волоконно-оптические дифракционные решетки подразделяются на волоконно-оптические дифракционные решетки с маленьким периодом и волоконно-оптические дифракционные решетки с большим периодом. При фильтрации сигнала с помощью волоконно-оптических дифракционных решеток с маленькими периодами отражается свет только на определенной длине волны, в то время как волоконно-оптические дифракционные решетки с большими периодами связывают моду сердцевины, на которой (моде) оптический сигнал распространяется вдоль сердцевины оптического волокна, с модой оболочки при том же направлении распространения. Волоконно-оптические дифракционные решетки с большими периодами, составляющими от нескольких десятков мкм до нескольких сотен мкм, используются в качестве сглаживающего фильтра усилителя в ВУПЭ (усилитель на основе оптического волокна с примесью эрбия) благодаря их способности удалять излучение на заданной длине волны путем переноса излучения из моды сердцевины в моду оболочки в том же направлении распространения. Волоконно-оптические дифракционные решетки с большими периодами изготавливаются путем изменения показателя преломления сердцевины оптического волокна, чувствительной к УФ-облучению, с заданным периодом для каждой решетки. В части сердцевины, экспонированной УФ-излучением, показатель преломления увеличивается, и не изменяется в той части сердцевины, которая не подвергается экспонированию УФ-излучением, в результате вдоль продольной оси оптического волокна создается периодическое изменение показателя преломления. Волоконно-оптические дифракционные решетки с большими периодами чувствительны к температуре, и на их оптические характеристики влияет показатель преломления снаружи оболочки оптического волокна. Микроизгибы оптического волокна значительно влияют на центральную длину волны и коэффициент ослабления волоконно-оптических дифракционных решеток с большими периодами, которые определяются связью между модой сердцевины и модой оболочки. Для использования волоконно-оптических дифракционных решеток с большими периодами требуется выполнять повторное покрытие, обеспечивающее стабильные оптические характеристики при изменении условий эксплуатации. Параметрами условий эксплуатации (внешней среды) являются температура, влажность, запыленность, а также микротрещины и микроизгибы оптического волокна. Связь (между модами) в фильтре на основе волоконно-оптических дифракционных решеток с большими периодами возникает в том случае, если выполняется условие согласования фаз, соответствующее (1).
где








Излучение на какой-либо длине волны может быть перенесено в моду оболочки путем установления периода



где T - температура. Когда фильтр на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами изготовлен из обычного оптического волокна для передачи сигналов или оптического волокна, показатель преломления которого изменяется по сечению, то

в несколько десятков раз и поэтому

пренебрегают. Например, связанная длина волны для Flexcor 1060 от Corning смещается на 5 нм на каждые 100oC. В оптическом волокне с обычным профилем показателя преломления по сечению связанная длина волны смещается на 0,3 нм на каждые 100oC из-за расширения по длине и на 5 нм на каждые 100oC из-за изменения показателя преломления. Для сглаживающего фильтра-усилителя, являющегося одним из приложений фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами, требуется стабильность по температуре примерно 0,3 нм на 100oC для того, чтобы его можно было применять на практике в прикладных системах. В известных из уровня техники средствах для компенсации температурного изменения изготавливается оптическое волокно с определенным профилем показателя преломления по сечению или период волоконно-оптической решетки выбирается таким, чтобы






фиг. 1A - перспективный вид упакованного фильтра на основе волоконно-оптических дифракционных решеток с большими периодами;
фиг. 1B - перспективный вид фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами с удаленным повторным покрытием;
фиг. 1C - вид в разрезе фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами с удаленным повторным покрытием;
фиг. 2A-2D - графики, представляющие смещение связанной длины волны в зависимости от показателя преломления снаружи оболочки;
фиг. 3 - график, представляющий смещение связанной длины волны в зависимости от изменения показателя преломления снаружи оболочки;
фиг. 4 - график, представляющий смещение связанной длины волны в зависимости от показателя преломления снаружи оболочки, когда он меньше, чем показатель преломления оболочки;
фиг. 5A - график, представляющий изменение показателя преломления повторного покрытия при изменении температуры, когда повторное покрытие выполнено из обычного полимерного материала;
фиг. 5B - график, представляющий изменение показателя преломления повторного покрытия при изменении температуры, когда повторное покрытие выполнено из силиконовой (кремнийорганической) смолы;
фиг. 6 - график, представляющий смещение связанной длины волны в материале повторного покрытия в зависимости от изменения температуры;
фиг. 7 - график, представляющий изменение показателя преломления при изменении температуры при различных концентрациях примеси в сердцевине оптического волокна;
фиг. 8 - график, представляющий зависимость длины волны от температуры при различных концентрациях примеси в сердцевине оптического волокна;
фиг. 9 - график, иллюстрирующий эффект температурной компенсации фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 10A - график, представляющий температурную зависимость фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами с удаленным повторным покрытием;
фиг. 10B - график, представляющий температурную зависимость обычного фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами с повторным покрытием;
фиг. 11 - график, представляющий температурную зависимость фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами, выполненного согласно настоящему изобретению; и
фиг. 12 - вид в разрезе фильтра на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Предпочтительный вариант настоящего изобретения будет описан ниже со ссылками на прилагаемые чертежи. В нижеприведенном описании хорошо известные функции или конструктивные элементы подробно не описаны, поскольку они могли бы затенить изобретение несущественными подробностями. Для формирования на оптическом волокне волоконно-оптических решеток с большими периодами с оптического волокна на заданной длине удаляется покрытие. Затем на открытой части формируются волоконно-оптические решетки с большими периодами, используя УФ-лазер и амплитудную маску. Непокрытые волоконно-оптические решетки с большими периодами подвергаются воздействию условий внешней среды, включая температуру, влажность, запыленность, микротрещины и микроизгибы и, следовательно, необходима защита для предотвращения изменения оптических характеристик. Кроме того, множество волоконно-оптических решеток с большими периодами, сформированных вдоль длины оптического волокна с заданной функцией периода, действуют как фильтр для связи между модой сердцевины и модой оболочки. Поэтому, должен учитываться показатель преломления материала повторного покрытия. Как показано на фиг. 1A, 1B и 1C, упакованный фильтр 100 на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами включает сердцевину 10, имеющую сформированные на ней с заданными периодами волоконно-оптические решетки с большими периодами, оболочку 12, окружающую сердцевину 10, покрытие 14, окружающее оболочку 12, и повторное покрытие 18, выполненное на волоконно-оптических решетках 16 с большим периодом. Повторное покрытие наносится для защиты волоконно-оптических решеток 16 с большими периодами на ту часть, с которой покрытие 14 удалено. На фиг. 1C стрелки указывают направление распространения световой волны и обозначают связь между модой сердцевины и модой оболочки в фильтре на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами. Толщина стрелки указывает на интенсивность света на длине волны. Оптический сигнал на центральной длине волны, распространяющийся в основной моде световода в сердцевине 10, рассеивается на участке с изменяющимся показателем преломления, то есть, на волоконно-оптических решетках 16 с большими периодами. Когда рассеянный свет связывается с оболочкой 12, то свет на длине волны, удовлетворяющей условию согласования фаз, когерентно усиливается. Свет выходит наружу из оболочки 12 и фильтр 100 на основе волоконно-оптических решеток с большими периодами действует как аттенюатор в зависимости от длины волны. Интенсивность света, распространяющегося в основной моде световода, уменьшается, когда он проходит через волоконно-оптические решетки 16 с большими периодами, как это указано на фиг.1C уменьшением толщины стрелок, а интенсивность света на длине волны, связанной с оболочкой 12, увеличивается, как это показано увеличением толщины стрелок. Внешняя среда оболочки 12, а именно воздух, имеет показатель преломления, равный 1. Если оболочка 12 повторно покрывается материалом с показателем преломления n, после того как сформированы волоконно-оптические решетки 16 с большими периодами, условие связи (между модами) изменяется и, следовательно, длина волны смещается в сторону длинных или коротких волн. Фиг. 2A-2D представляют графики, иллюстрирующие смещение связанной длины волны в зависимости от показателя преломления снаружи оболочки. Фиг. 2A представляет график, иллюстрирующий характеристику оптического пропускания, когда показатель преломления (показатель преломления воздуха) снаружи оболочки, окружающей волоконно-оптические решетки с большими периодами, равен 1. Фиг. 2B представляет график, иллюстрирующий характеристику оптического пропускания, когда показатель преломления снаружи оболочки равен 1,400. Следует отметить, что оптическое пропускание увеличивается и связанная длина волны смещается в сторону коротких волн примерно на 4,8 нм по сравнению с графиком на фиг. 2A. Фиг. 2C представляет график, иллюстрирующий характеристику оптического пропускания, когда показатель преломления снаружи оболочки равен 1,448. Связанная длина волны смещается в сторону коротких волн на 16,5 нм по сравнению с фиг. 2A. Фиг. 2B представляет график, иллюстрирующий характеристику оптического пропускания, когда показатель преломления снаружи оболочки равен 1,484. Связанная длина волны смещается в сторону длинных волн по сравнению с фиг. 2A. Если показатель преломления снаружи оболочки превышает 1, но меньше, чем показатель преломления оболочки, то связанная длина волны смещается в сторону коротких волн, как показано на фиг. 2B и 2C. С другой стороны, если показатель преломления снаружи оболочки превышает показатель преломления оболочки, то связанная длина волны смещается в сторону длинных длин волн, как показано на фиг. 2D. Если показатель преломления снаружи оболочки равен показателю преломления оболочки, то исчезает условие полного внутреннего отражения и пик связи (связанной длины волны) исчезает. На фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий смещение связанной длины волны в зависимости от изменения показателя преломления снаружи оболочки. Связанная длина волны смещается в сторону коротких длин волн по мере увеличения наружного показателя преломления от 1,0, связанный пик исчезает, когда наружный показатель преломления равен показателю преломления оболочки, и далее, связанная длина волны смещается в сторону длинных волн, когда наружный показатель преломления превышает показатель преломления оболочки. Фиг. 4 представляет график, иллюстрирующий смещение связанной длины волны в зависимости от изменения показателя преломления снаружи оболочки, когда наружный показатель преломления меньше, чем показатель преломления оболочки. Обратимся к фиг. 4; по мере того как наружный показатель преломления уменьшается, связанная длина волны смещается в направлении длинных длин волн, только если наружный показатель преломления меньше, чем показатель преломления оболочки. Результаты, показанные на фиг. 2A-4, описаны подробно в статье автора настоящего изобретения "Смещение резонансных пиков волоконно-оптической решетки с большим периодом, вызванное изменением наружного показателя преломления" (1997, Optics Letters, 1 декабря, 1997/том 22, N 23). Фиг. 5A представляет график, иллюстрирующий изменение показателя преломления обычного материала повторного покрытия в зависимости от изменения температуры, а фиг. 5B представляет график, иллюстрирующий изменение показателя преломления силиконовой смолы, взятой в качестве примера обычного материала повторного покрытия, в зависимости от изменения температуры. Обратимся к фиг. 5A; обычный материал повторного покрытия, то есть полимер, испытывает тепловое расширение при повышенной температуре и имеет пониженный показатель преломления. Обратимся к фиг. 5B; силиконовая (кремнийорганическая) смола также испытывает тепловое расширение при повышенной температуре и имеет пониженный показатель преломления. Изменение показателя преломления силиконовой смолы при изменении температуры составляет -2,4

Класс G02B6/14 модовые преобразователи