УЗКОПОЛОСНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ДЕМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЯХ Российский патент 2003 года по МПК G02B6/34 

Изобретение относится к оптике, более конкретно к устройствам узкополосной частотно-селективной оптической фильтрации, и может быть использовано для демультиплексирования и мультиплексирования оптических сигналов в высокоскоростных многоканальных волоконно-оптических информационных сетях.

Для выделения узкого спектрального диапазона длин волн из широкополосного оптического сигнала, распространяющегося по одномодовому оптическому волокну, например для демультиплексирования или мультиплексирования оптических сигналов в многоканальных волоконно-оптических информационных сетях, необходимо использовать частотно-селективные оптические фильтры с шириной полосы отражения (или пропускания) 0.2-1 нм. Такие фильтры могут быть созданы с использованием периодических решеток.

Известны узкополосные волоконно-оптические фильтры - аналоги, имеющие следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, находящееся в контакте с периодической решеткой, расположенной в области распространения оптической моды волокна. При этом периодическая решетка может формироваться либо на самой сполированной поверхности волокна, как описано в статье I. Bennion и др., "Решеточный фильтр одномодового волокна с высоким коэффициентом отражения", опубликованной в журнале "Electronics Letters", том 22, 6, с.341-343 в 1986 году, либо на поверхности металлического или диэлектрического функционального слоя, как описано в статье W.V. Sorin, H.J. Shaw, "Одномодовый волоконный решеточный отражатель", опубликованной в журнале "J. of Lightwave Technology", том 3, 5, с. 1041-1043 в 1985 году и в статье W.V. Sorin и др., "Перестраиваемый одномодовый волоконный отражательный решеточный фильтр", опубликованной в журнале "J. of Lightwave Technology", том 5, 9, с.1199-1202 в 1987 году.

Недостатком перечисленных выше узкополосных волоконно-оптических фильтров-аналогов является то, что их спектры отражения имеют непрямоугольную форму, что обусловлено использованием периодических решеток без фазовых сдвигов.

Известен также узкополосный волоконно-оптический решеточный отражатель (фильтр) по патенту США 4986624, НКИ США: 350/96.19 (прототип), имеющий следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, находящееся в контакте с периодической решеткой, расположенной в области распространения оптической моды волокна.

Недостатком прототипа является то, что его спектр отражения имеет непрямоугольную форму, что обусловлено использованием периодической решетки без фазовых сдвигов. Фильтры с непрямоугольным спектром отражения (или пропускания) не позволяют осуществлять демультиплексирование и мультиплексирование оптических сигналов в высокоскоростных многоканальных волоконно-оптических информационных сетях с расстоянием между каналами 100 ГГц и менее и с коэффициентом заполнения больше 0.5, поскольку они не обеспечивают требуемый уровень изоляции (больше 30 дБ) близко расположенных по частоте соседних оптических каналов и вносят искажения в демультиплексируемый (мультиплексируемый) оптический сигнал. Поэтому весьма актуальной является задача создании узкополосных волоконно-оптических фильтров с прямоугольной формой спектра отражения (пропускания) света для демультиплексирования и мультиплексирования оптических сигналов в таких сетях.

Техническая задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в создании узкополосного волоконно-оптического фильтра с прямоугольной формой спектра отражения (пропускания) света, позволяющего осуществлять демультиплексирование и мультиплексирование оптических сигналов в высокоскоростных многоканальных волоконно-оптических информационных сетях.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что узкополосный волоконно-оптический фильтр включает одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, находящееся в контакте с периодической решеткой, расположенной в области распространения оптической моды волокна, причем периодическая решетка имеет синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π. При этом для получения прямоугольного спектра отражения амплитуда решетки имеет максимум в центре сполированного участка, а для получения прямоугольного спектра пропускания амплитуда решетки имеет минимум в центре сполированного участка.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами на фиг.1-8.

На фиг.1 изображен узкополосный волоконно-оптический фильтр, включающий одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, находящееся в контакте с периодической решеткой, расположенной в области распространения оптической моды волокна и имеющей синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π, где:
1 - кварцевый блок с пазом и вклеенным в него оптическим волокном;
2 - одномодовое оптическое волокно;
3 - световедущая жила оптического волокна;
4 - оболочка оптического волокна;
5 - сполированная поверхность оптического волокна, вклеенного в паз кварцевого блока;
6 - распределение интенсивности оптической моды в поперечном сечении волокна;
7 - область распространения оптической моды волокна;
8 - функциональный слой оптического материала, в котором расположена решетка;
9 - периодическая решетка с периодом d, имеющая синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π;
10 - диэлектрическая подложка;
11 - области расположения фазовых сдвигов π решетки.

На фиг.2 показана реализация периодической решетки с периодом d, имеющей синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные с периодом D/2 фазовые сдвиги π, в виде пространственной модуляции показателя преломления функционального слоя.

На фиг.3 показана реализация периодической решетки с периодом d, имеющей синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π, в виде пространственной модуляции толщины функционального слоя.

На фиг.4 показана реализация периодической решетки с периодом d, имеющей синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π, в виде пространственной модуляции скважности функционального слоя.

На фиг. 5 показана форма решетки с периодом d и длиной L_gr, имеющей синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π, а также ее расположение относительно сполированной поверхности волокна, обеспечивающие прямоугольный спектр отражения фильтра.

На фиг. 6 приведена зависимость коэффициента отражения R от длины волны падающего света λ для волоконно-оптического фильтра с формой решетки и ее расположением относительно сполированной поверхности волокна, показанными на фиг.5.

На фиг. 7 показана форма решетки с периодом d и длиной L_gr, имеющей синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π, а также ее расположение относительно сполированной поверхности волокна, обеспечивающие прямоугольный спектр пропускания фильтра.

На фиг.8 приведена зависимость коэффициента пропускания Т от длины волны падающего света λ для волоконно-оптического фильтра с формой решетки и ее расположением относительно сполированной поверхности волокна, показанными на фиг.7.

Одномодовое оптическое волокно 2, состоящее из световедущей жилы 3 и оболочки 4, вклеено в паз кварцевого блока 1, причем поверхность волокна 5 сполирована для приближения к световедущей жиле 3 и проникновения в область распространения 7 оптической моды волокна 6. Решетка 9 прижата к сполированной поверхности волокна 5 и находится в области распространения 7 оптической моды волокна 6. При этом взаимодействие оптической моды 6 с решеткой 9 осуществляется за счет перекрытия области решетки крылом волноводной моды.

Периодическая решетка с синусоидально-модулированной амплитудой и периодически расположенными фазовыми сдвигами π может быть реализована тремя способами.

Во-первых, за счет пространственной модуляции показателя преломления функционального слоя
n(z) = n₀+Δnsin(2πz/D+Φ)cos(2πz/d+ϕ), (1)
где n(z) - распределение показателя преломления в области решетки вдоль направления z распространения света, n₀ - средний показатель преломления в области решетки, 2Δn - амплитуда модуляции показателя преломления, d и ϕ - период и фаза решетки, D и φ - период и фаза синусоидально-модулированной огибающей решетки. Такая реализация показана на фиг.2, причем решетка показателя преломления 9, описываемая формулой (1), может быть создана, например, за счет облучения фоточувствительного функционального слоя 8 тремя когерентными интерферирующими лазерными лучами.

Во-вторых, периодическая решетка с синусоидально-модулированной амплитудой и периодически расположенными фазовыми сдвигами π может быть реализована за счет пространственной модуляции толщины функционального слоя. Это проиллюстрировано на фиг. 3, причем решетка, образованная пространственной модуляцией толщины функционального слоя в соответствии с формулой (1), может быть изготовлена, например, с использованием метода безмасочного лазерно-индуцированного жидкофазного травления.

В-третьих, периодическая решетка с синусоидально-модулированной амплитудой и периодически расположенными фазовыми сдвигами π может быть реализована за счет пространственной модуляции скважности функционального слоя. Это проиллюстрировано на фиг. 4, причем решетка, образованная пространственной модуляцией скважности функционального слоя в соответствии с формулой (1), может быть изготовлена, например, с использованием лазерной литографической технологии.

Принцип работы волоконно-оптического фильтра поясняется на фиг.1. На вход фильтра по оптическому волокну 2 поступает широкополосный входной оптический сигнал S_вx. Электромагнитные волны из Фурье-спектра входного сигнала, имеющие длину волны, близкую к Брэгговской длине волны
λ_Br = 2dn_eff,
где d - период решетки, n_eff - эффективный коэффициент преломления оптической моды в одномодовом волокне, отражаются от решетки 9, формируя отраженный сигнал S_отр. Остальные волны из Фурье-спектра входного сигнала проходят через сполированный участок волокна 5 без взаимодействия с решеткой 9, формируя прошедший сигнал S_пр. Как показано авторами данной заявки теоретически на основании численных расчетов, форма спектров отражения и пропускания решетки (1), обладающей синусоидально-модулированной амплитудой и периодически расположенными фазовыми сдвигами π, зависит от длины решетки L_gr, амплитуды решетки 2Δn, периода D и фазы φ модуляции амплитуды решетки.

В случае, если φ = π/2 и L_gr=D/2, т.е. когда амплитуда синусоидально-модулированной огибающей решетки 9 имеет максимум в центре сполированного участка волокна 5, решетка обладает спектром отражения прямоугольной формы. Форма решетки 9, описываемой формулой (1), с периодом d, фазой φ = π/2 и длиной L_gr=D/2, а также ее расположение относительно сполированной поверхности волокна 5 показаны на фиг.5. На фиг.6 приведена зависимость коэффициента отражения R от длины волны падающего света λ, рассчитанная при следующих параметрах решетки: φ = π/2, L_gr= D/2=20 мм, d=0.53 мкм и ΔкL_gr=6, где Δк - коэффициент связи моды с решеткой, определяемый амплитудой 2Δn решетки.

В случае, если φ=0 и L_gr=1.5D, т.е. когда амплитуда синусоидально-модулированной огибающей решетки 9 имеет минимум в центре сполированного участка волокна 5, решетка обладает спектром пропускания прямоугольной формы. Форма решетки 9, описываемой формулой (1), с периодом d, фазой φ=0 и L_gr= 1.5D, а также ее расположение относительно сполированной поверхности волокна 5 показаны на фиг.7. На фиг.8 приведена зависимость коэффициента пропускания Т от длины волны падающего света λ, рассчитанная при следующих параметрах решетки: φ= 0, L_gr=1.5D=0.8 мм, d=0.53 мкм и ΔкL_gr=20, где Δк - коэффициент связи моды с решеткой, определяемый амплитудой 2Δn решетки.

Математическая задача о распространении и дифракции волн в средах с синусоидально-модулированным коэффициентом связи впервые решалась теоретически в статье V.I. Sokolov и др., "Оптические фильтры на основе негармонических Брэгговских решеток с фазовыми сдвигами", опубликованной в сборнике "Proc. SPIE", том 3688, с.320-329 в 1999 году и в статье V.I. Sokolov, V.Ya. Panchenko, "Распространение и взаимодействие волн в периодических средах с пространственно-модулированным коэффициентом связи: Применение к оптической фильтрации", опубликованной в сборнике трудов "Proc. SPIE", том 3733, с. 296-305 в 1999 году. Следует подчеркнуть, что в этих статьях не рассматривалась и не обсуждалась возможность применения решеток в качестве элемента узкополосного волоконно-оптического фильтра, включающего одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой. Заявляемое техническое решение является новым, поскольку оно основывается на использовании в волоконно-оптическом фильтре, включающем одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, негармонической периодической решетки с синусоидально-модулированной амплитудой и периодически расположенными фазовыми сдвигами π, которая принципиально отличается от ранее использованных обычных гармонических периодических решеток, не имеющих фазовых сдвигов.

Важно отметить, что применение негармонической периодической решетки, обладающей синусоидально-модулированной амплитудой и периодически расположенными фазовыми сдвигами π, в качестве элемента узкополосного волоконно-оптического фильтра, включающего одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, с целью обеспечения прямоугольного спектра отражения (пропускания) света не является очевидным.

Таким образом, заявляемое техническое решение является новым и может быть реализовано в промышленных масштабах с применением уже существующих лазерных технологий.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Изобретение относится к оптике, более конкретно к устройствам узкополосной частотно-селективной оптической фильтрации, и может быть использовано для демультиплексирования и мультиплексирования оптических сигналов в высокоскоростных многоканальных волоконно-оптических информационных сетях. Изобретение обеспечивает узкую полосу пропускания фильтра с прямоугольной формой спектра отражения или пропускания света. Узкополосный волоконно-оптический фильтр включает одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, находящееся в контакте с периодической решеткой, расположенной в области распространения оптической моды волокна, причем периодическая решетка имеет синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π. Для получения прямоугольного спектра отражения амплитуда решетки имеет максимум в центре сполированного участка, а для получения прямоугольного спектра пропускания амплитуда решетки имеет минимум в центре сполированного участка. Периодическая решетка с синусоидально-модулированной амплитудой и периодически расположенными фазовыми сдвигами π может быть реализована либо в виде решетки показателя преломления, либо в виде рельефной решетки с пространственно-модулированной амплитудой или скважностью. 2 с.п. ф-лы, 8 ил.

1. Узкополосный волоконно-оптический фильтр для демультиплексирования и мультиплексирования оптических сигналов в высокоскоростных многоканальных волоконно-оптических информационных сетях, включающий одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, находящееся в контакте с периодической решеткой, расположенной в области распространения оптической моды волокна, отличающийся тем, что периодическая решетка имеет синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π, причем для получения прямоугольного спектра отражения амплитуда решетки имеет максимум в центре сполированного участка. 2. Узкополосный волоконно-оптический фильтр для демультиплексирования и мультиплексирования оптических сигналов в высокоскоростных многоканальных волоконно-оптических информационных сетях, включающий одномодовое оптическое волокно с боковой полировкой, находящееся в контакте с периодической решеткой, расположенной в области распространения оптической моды волокна, отличающийся тем, что периодическая решетка имеет синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π, причем для получения прямоугольного спектра пропускания амплитуда решетки имеет минимум в центре сполированного участка.