ФИЛЬТР С ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ С БОЛЬШИМ ПЕРИОДОМ И ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО Российский патент 2003 года по МПК G02B6/14 

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к фильтру с температурной компенсацией на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом.

Описание уровня техники
В целом, фильтр на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом представляет собой оптическое устройство для осуществления связи мод, распространяющихся в сердцевине оптического волокна, с модами, распространяющимися в оболочке оптического волокна. Такой фильтр на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом обеспечивает преимущество, относящееся к выравниванию характеристики волоконно-оптических усилителей, легированных эрбием (ВОУЛЭ), состоящее в том, что он относится к типу связи мод, отличному от отражательного типа связи мод. Изготовление такой волоконно-оптической дифракционной решетки с большим периодом сводится к тому, что показатель преломления ее сердцевины периодически изменяется. Для осуществления периодического изменения показателя преломления в процессе изготовления волоконно-оптической дифракционной решетки, чувствительную к ультрафиолетовым лучам сердцевину оптического волокна, в котором формируют волоконно-оптическую дифракционную решетку, периодически (в пространстве) подвергают воздействию ультрафиолетовых лучей. При этом на участках сердцевины, облучаемых ультрафиолетом, наблюдается повышение показателя преломления, тогда как на остальных участках сердцевины, не облучаемых ультрафиолетом, не происходит никаких изменений. Таким образом, получают сердцевину с периодически изменяющимся показателем преломления. В такой волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом связь мод происходит в состоянии, при котором выполняется условие согласования фаз, выражаемое следующим Выражением 1.

β_co-β(m)c1

= 2π/Λ, (1)
где β_co обозначает постоянную распространения для моды сердцевины, β(m)c1 обозначает постоянную распространения для m-й моды оболочки, а Λ обозначает период дифракционной решетки.

Если в Выражение 1 подставить β = 2πn/λ (n обозначает показатель преломления, а λ обозначает длину волны), то можно вывести разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, а именно n_co-n(m)c1

= λ/Λ. Поэтому надлежащим образом определив нужный период Λ дифракционной решетки и требуемую разность показателей преломления n_co-n_cl ^m, можно перевести свет определенной длины волны в моду оболочки.

Требуемую разность показателей преломления можно получить, надлежащим образом облучая ультрафиолетовым лазером оптическое волокно, чувствительное к ультрафиолетовым лучам. Для этого оптическое волокно, чувствительное к ультрафиолетовым лучам, маскируют маской с определенным периодом. Когда лазерное излучение попадает на маску, фоточувствительное оптическое волокно реагирует изменением показателя преломления сердцевины. Чтобы получить нужный спектр, т.е. требуемую длину волны связи и требуемый коэффициент ослабления, облучение ультрафиолетовым лазером нужно производить в течение необходимого периода времени, точно регулируя период маски.

Длина волны связи дифракционной решетки с большим периодом, изготовленной вышеописанным способом, зависит также от температуры. Смещение длины волны связи, зависящее от изменения температуры, происходит вследствие изменения показателя преломления, обусловленного изменением температуры и продольного теплового расширения, которое также зависит от температуры. Это можно выразить следующим Выражением 2:

где Т обозначает температуру.

При использовании волоконно-оптической решетки с большим периодом в обычных оптических волокнах для связи или в оптических волокнах со смещенной дисперсией второй член в правой части Выражения 2 не учитывают, поскольку первый член в правой части Выражения 2 принимает значение, примерно в несколько десятков раз превышающее значение, принимаемое вторым членом. Например, смещение связанной длины волны для Flexor 1060 производства Corning Glass Corporation составляет около 5 нм на 100^oС. Для типичных оптических волокон со смещенной дисперсией смещение связанной длины волны за счет изменения показателя преломления составляет около 0,3 нм на 100^oС, тогда как смещение связанной длины волны за счет удлинения составляет около 5 нм на 100^oС. Что касается фильтра для выравнивания характеристики усиления, который является примером практического применения волоконно-оптических решеток с большим периодом, напротив, то он должен обладать температурной стабильностью около 0,3 нм на 100^oС.

Для получения температурной компенсации, позволяющей выполнить вышеупомянутое требование, использовали способ, заключающийся в том, что показатель преломления фильтра регулируют таким образом, чтобы член ∂λ/∂Λ в Выражении 2 принимал отрицательное значение. Существует другой традиционный способ, согласно которому период волоконно-оптической дифракционной решетки с большим периодом уменьшают, чтобы выделять моду оболочки более высокого порядка. Известен и еще один способ, согласно которому добавляют В₂О₃, чтобы член dn/dT в Выражении 2 принимал значение 0.

Однако все вышеупомянутые традиционные способы требуют применения сложных процессов, поскольку они предусматривают регулировку показателя преломления в фильтре или добавление материала, служащего для устранения изменения показателя преломления, обусловленного изменением температуры. В патенте США 5757540, озаглавленном "Устройства на основе волоконной дифракционной решетки с большим периодом, упакованные для температурной стабильности", выданном Джадкинсу и др., раскрыта материальная упаковка для температурной стабильности, окружающая оболочку в том месте, где располагается дифракционная решетка с большим периодом. Однако в указанном патенте 5757540 не раскрыто покрытие участка оболочки оптического волокна, где нет дифракционной решетки с большим периодом. Необходимо оптическое волокно с двумя отдельными покрытиями, одно из которых предназначено для участка, содержащего дифракционную решетку с большим периодом, а другое - для участка, на котором дифракционная решетка с большим периодом отсутствует. Такое оптическое волокно было бы однородно по диаметру на всех участках, что облегчило бы манипуляции с оптическим волокном и его использование.

Сущность изобретения
Итак, задачей изобретения является обеспечение фильтра на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом, который покрыт материалом, служащим для смещения связанной длины волны фильтра в направлении, противоположном смещению связанной длины волны, обусловленному изменением температуры.

Другой задачей является наложение покрытия одного типа на оболочку оптического волокна в том месте, где она окружает дифракционную решетку с большим периодом, и наложение отдельного и другого покрытия на оболочку, окружающую участки оптического волокна, не содержащие дифракционную решетку с большим периодом.

Еще одной задачей является обеспечение двух разных покрытий, примыкающих друг к другу и имеющих одинаковые внутренние и наружные радиусы, что позволило бы сделать конструкцию волокна гладкой и однородной по диаметру по всей длине оптического волокна.

Настоящее изобретение предусматривает решение этой задачи посредством фильтра на волоконно-оптической решетке с большим периодом, содержащего сердцевину, в которой сформирована решетка с большим периодом, оболочку, окружающую сердцевину, покрытие, наложенное поверх участка оболочки, не окружающего дифракционную решетку с большим периодом, и вторичное покрытие, наложенное поверх участка оболочки, окружающего дифракционную решетку с большим периодом, и выполненное из материала, показатель преломления которого увеличивается с повышением температуры, причем вторичное покрытие позволяет осуществлять смещение связанной длины волны, обусловленное повышением показателя преломления, в направлении, противоположном направлению смещения связанной длины волны, обусловленного разностью показателей преломления между сердцевиной и оболочкой.

Краткое описание чертежей
Для более полного понимания изобретения и его многочисленных дополнительных преимуществ ниже приведено подробное описание, которое надлежит рассматривать в совокупности с прилагаемыми чертежами, в которых подобные позиции указывают одни и те же или аналогичные компоненты.

Фиг. 1А - вид в разрезе, иллюстрирующий фильтр на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом.

Фиг. 1В - вид, иллюстрирующий функционирование фильтра на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом, изображенного на фиг.1А, по связи моды сердцевины с модой оболочки.

Фиг.2А-2D - графики, изображающие различные смещения пика связи в случае различных показателей преломления вокруг оболочки.

Фиг. 3 - график, изображающий зависимость смещения связанной длины волны от показателя преломления вокруг оболочки.

Фиг. 4 - график, иллюстрирующий смещение длины волны для каждого порядка моды оптического сигнала, проходящего через дифракционную решетку с большим периодом, в зависимости от изменения показателя преломления вокруг оболочки.

Фиг. 5А-D - графики, иллюстрирующие механизм температурной компенсации фильтра на дифракционной решетке с большим периодом согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения
На Фиг.1А показан в разрезе фильтр на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом. Согласно фиг.1А фильтр на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом содержит оптическое волокно, в сердцевине 102 которого сформирована дифракционная решетка 100 с большим периодом, оболочку 104, окружающую сердцевину 102 совместно с дифракционной решеткой 100 с большим периодом, и покрытие, окружающее оболочку 104.

Дифракционная решетка 100 с большим периодом сформирована путем частичного удаления с оптического волокна, чувствительного к ультрафиолетовым лучам, покрытия 106 с последующим облучением оптического волокна ультрафиолетовым лазером с использованием амплитудной маски (не показана), предназначенной для пропускания ультрафиолетового лазерного излучения на интервалах с определенным периодом, что вызывает периодическое (в пространстве) изменение показателя преломления в сердцевине 102.

На фиг. 1В показано действие фильтра на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом, изображенного на фиг.1А, по связи моды сердцевины с модой оболочки. Основная канализируемая мода 110, распространяющаяся в сердцевине 102, рассеивается при прохождении через участки 112 с измененным показателем преломления. Рассеянный свет, обозначаемый позицией 114, сопрягается с оболочкой 104 таким образом, что когерентно усиливается, чтобы его длина волны отвечала нужному условию согласования фаз. Поскольку свет вышеуказанной длины волны выходит из оболочки 104, фильтр на волоконно-оптической дифракционной решетке с большим периодом действует как аттенюатор, зависящий от длины волны. Основная канализируемая мода ослабляется по интенсивности при прохождении через участки 112 с измененным показателем преломления. С другой стороны, для света с длиной волны, сопряженной с оболочкой 104, наблюдается постепенное повышение интенсивности. Каждый из участков 112 с измененным показателем преломления соответствует дифракционной решетке с большим периодом, показанной на фиг.1А.

Внешняя среда вокруг участка оболочки, где расположена вышеупомянутая дифракционная решетка с большим периодом, представляет собой воздух, показатель преломления которого равен 1. Когда, сформировав дифракционную решетку с большим периодом, оболочку повторно покрывают материалом с показателем преломления n, условие сопряжения изменяется. В результате, связанная длина волны смещается в направлении более длинных волн или более коротких волн.

На фиг.2А-2D изображены различные смещения пика связи для различных показателей преломления вокруг оболочки. На фиг.2А показаны характеристики пропускания света в случае, когда показатель преломления вокруг оболочки дифракционной решетки с большим периодом равен 1. На фиг.2В показаны характеристики пропускания света в случае, когда показатель преломления вокруг оболочки дифракционной решетки с большим периодом равен 1,400. Из фиг.2А и 2В явствует, что при возрастании показателя преломления вокруг оболочки коэффициент ослабления увеличивается. На фиг.2С показаны характеристики пропускания света в случае, когда показатель преломления вокруг оболочки дифракционной решетки с большим периодом равен 1,448. Из фиг.2С явствует, что связанная длина волны смещена в сторону более коротких волн примерно на 16,5 нм. На фиг.2D показаны характеристики пропускания света в случае, когда показатель преломления вокруг оболочки дифракционной решетки с большим периодом равен 1,484. Из фиг.2D явствует, что связанная длина волны смещена в сторону более длинных волн по сравнению со случаем, когда показатель преломления вокруг оболочки равен 1. В этом случае происходит также снижение коэффициента ослабления.

Таким образом, смещение связанной длины волны в направлении более коротких волн происходит в том случае, когда показатель преломления вокруг оболочки возрастает от 1, не превышая при этом показателя преломления оболочки, как показано на фиг.2В или 2С. Если же показатель преломления вокруг оболочки превышает показатель преломления оболочки, то смещение связанной длины волны происходит в направлении более длинных волн, как показано на фиг.2D. Когда показатель преломления вокруг оболочки равен показателю преломления оболочки, условие полного внутреннего отражения не выполняется, поэтому пики сопряжения пропадают.

На фиг. 3 изображена зависимость смещения связанной длины волны от показателя преломления вокруг оболочки. Из фиг.3 явствует, что связанная длина волны смещается в сторону более коротких волн, когда показатель преломления вокруг оболочки возрастает от 1. Когда показатель преломления вокруг оболочки становится равным показателю преломления оболочки, пики связи пропадают. Когда показатель преломления вокруг оболочки превышает показатель преломления оболочки, связанная длина волны смещается в сторону более длинных волн.

Для изменения показателя преломления вокруг оболочки согласно настоящему изобретению покрытие оптического волокна удаляют на участке, где сформирована дифракционная решетка с большим периодом. Участок оптического волокна подвергают воздействию после частичного удаления покрытия, повторно покрывают материалом, показатель преломления которого изменяется при изменении температуры. Предпочтительно, чтобы показатель преломления материала вторичного покрытия возрастал с повышением температуры. По мере возрастания показателя преломления материала вторичного покрытия связанная длина волны дифракционной решетки с большим периодом смещается в направлении более коротких волн.

Если показатель преломления материала вторичного покрытия снижается с ростом температуры, то связанная длина волны дифракционной решетки с большим периодом смещается в направлении более длинных волн. Например, для Flexcor 1060 производства Corning Glass Corporation, не покрытого вышеупомянутым материалом вторичного покрытия, температурная чувствительность составляет около 5 нм на 100^oС. Однако, когда Flexcor 1060 покрыто силиконовой смолой, которая выступает в качестве вышеупомянутого материала вторичного покрытия, его температурная чувствительность составляет около 10 нм на 100^oС. Причина в том, что связанная длина волны смещается в сторону более длинных волн вследствие снижения показателя преломления силиконовой смолы, используемой в качестве материала вторичного покрытия, в дополнение к явлению смещения связанной длины волны в сторону более длинных волн в соответствии с первым членом в правой части вышеприведенного Выражения 2.

Соответственно желаемый эффект температурной компенсации можно получить, используя в качестве материала вторичного покрытия материал, показатель преломления которого повышается с ростом температуры. Такой материал вторичного покрытия для фильтра с температурной компенсацией на дифракционной решетке с большим периодом должен иметь желаемые характеристики. Это значит, что исходный показатель преломления материала вторичного покрытия должен быть ниже показателя преломления материала оболочки, например чистого кварца, и увеличиваться при повышении температуры, что позволяет смещать связанную длину волны дифракционной решетки в сторону более коротких волн.

Фиг. 4 представляет собой график зависимости смещения связанной длины волны от изменения показателя преломления вокруг оболочки. На фиг.4 позиции LP0f-LP0p обозначают соответствующие порядки мод оптического сигнала, проходящего через дифракционную решетку с большим периодом. Порядок моды оптического сигнала возрастает по вертикальной оси графика, изображенного на фиг.4. Из фиг.4 явствует, что связанная длина волны для каждого порядка моды смещается в сторону более коротких волн при увеличении внешнего показателя преломления.

На фиг. 5А-5D представлен механизм температурной компенсации фильтра на дифракционной решетке с большим периодом согласно настоящему изобретению. На фиг. 5А изображена зависимость показателя преломления материала вторичного покрытия от температуры. Из фиг.5А явствует, что с повышением температуры показатель преломления возрастает. На фиг.5В изображена зависимость смещения связанной длины волны от показателя преломления внешней среды, окружающей оболочку. Из фиг.5В явствует, что при увеличении показателя преломления внешней среды связанная длина волны смещается в сторону более коротких волн. На фиг. 5С изображена температурная зависимость смещения связанной длины волны. Из фиг. 5С явствует, что повышение температуры обуславливает увеличение показателя преломления материала вторичного покрытия, приводя, таким образом, к смещению связанной длины волны в сторону более коротких волн.

С другой стороны, на фиг.5D показан в виде температурной зависимости эффект температурной компенсации дифракционной решетки с большим периодом. На фиг. 5D график 500 изображает температурную зависимость смещения связанной длины волны для материала вторичного покрытия. График 502 изображает температурную зависимость смещения связанной длины волны, обусловленного разностью показателей преломления между сердцевиной и оболочкой. На графике 504 показан результат компенсации между смещениями связанной длины волны, показанными соответственно на графиках 500 и 502. Из графика 504 видно, что даже при возрастании температуры никакого смещения связанной длины волны не происходит.

На фиг. 6 показана в разрезе структура фильтра с температурной компенсацией на дифракционной решетке с большим периодом согласно настоящему изобретению. На фиг. 6 позиция 600 обозначает дифракционную решетку с большим периодом, 602 - сердцевину, 604 - оболочку, окружающую дифракционную решетку с большим периодом и сердцевину, 606 - покрытие и 608 - вторичное покрытие, окружающее участок оболочки в том месте, где сформирована дифракционная решетка с большим периодом. Согласно вышеизложенному вторичное покрытие предпочтительно делать из материала, показатель преломления которого возрастает при повышении температуры, в то же время оставаясь меньше показателя преломления оболочки.

Настоящее изобретение дает возможность компенсировать смещение связанной длины волны, происходящее вследствие повышения температуры, путем повторного покрытия дифракционной решетки с большим периодом материалом, показатель преломления которого возрастает с повышением температуры. Соответственно настоящее изобретение позволяет упростить температурную компенсацию и избежать неудобств, связанных с регулировкой показателя преломления в фильтре или добавлением материала, препятствующего изменению показателя преломления в зависимости от температуры.

Хотя настоящее изобретение было конкретно показано и описано со ссылкой на конкретный вариант его осуществления, специалисты в данной области могут вносить в него различные изменения, касающиеся формы и деталей, не выходящие за рамки объема изобретения, заданные прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение используется в волоконно-оптических линиях связи. Фильтр и оптическое волокно содержат сердцевину, в которой сформирована дифракционная решетка с большим периодом, оболочку, содержащую сердцевину, первое покрытие, наложенное поверх участка оболочки, не окружающего дифракционную решетку, и второе покрытие, наложенное поверх участка оболочки, окружающего дифракционную решетку, и выполненное из материала, показатель преломления которого увеличивается с повышением температуры. Показатель преломления второго покрытия меньше показателя преломления оболочки. Второе покрытие служит для осуществления смещения длины волны связи дифракционной решетки, обусловленного повышением показателя преломления, в направлении, противоположном направлению смещения длины волны связи дифракционной решетки, обусловленного разностью показателей преломления сердцевины и оболочки. Обеспечена простая температурная компенсация параметров фильтра. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 13 ил.

1. Фильтр с температурной компенсацией на основе волоконно-оптической дифракционной решетки с большим периодом, содержащий сердцевину, в которой сформирована дифракционная решетка с большим периодом, оболочку, окружающую сердцевину, первое покрытие, наложенное поверх участка оболочки, не окружающего дифракционную решетку с большим периодом, и второе покрытие, наложенное поверх участка оболочки, окружающего дифракционную решетку с большим периодом, и выполненное из материала, показатель преломления которого увеличивается с повышением температуры, при этом показатель преломления второго покрытия меньше показателя преломления оболочки, причем второе покрытие служит для осуществления смещения длины волны связи дифракционной решетки, обусловленного повышением показателя преломления, в направлении, противоположном направлению смещения длины волны связи дифракционной решетки, обусловленного разностью показателей преломления сердцевины и оболочки. 2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что показатель преломления материала второго покрытия растет при увеличении температуры, в то же время оставаясь меньше показателя преломления оболочки. 3. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что внутренний радиус первого покрытия равен внутреннему радиусу второго покрытия и наружный радиус первого покрытия равен наружному радиусу второго покрытия. 4. Оптическое волокно, содержащее сердцевину, которая периодически содержит волоконно-оптическую дифракционную решетку с большим периодом, оболочку, окружающую сердцевину, первое покрытие, окружающее оболочку только на тех участках оптического волокна, где отсутствует дифракционная решетка с большим периодом, и второе покрытие, состоящее из материала, отличного от материала первого покрытия, и окружающее участки оптического волокна, которые содержат дифракционную решетку с большим периодом, при этом показатель преломления второго покрытия меньше показателя преломления оболочки и указанный показатель преломления второго покрытия возрастает с увеличением температуры. 5. Оптическое волокно по п. 6, отличающееся тем, что внутренний радиус первого покрытия равен внутреннему радиусу второго покрытия и наружный радиус первого покрытия равен наружному радиусу второго покрытия.