CN1380581A - 布拉格光栅滤波光波导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种布拉格光栅滤波光波导装置,包括一个设有布拉格光栅区域的光纤,从外部施加应力以改变其调频范围。通过粘合在光纤光栅长度上的梯度产生机械装置来引致该外部应力。

Description

布拉格光栅滤波光波导装置
技术领域
本发明涉及一种布拉格光栅滤波光波导装置。
背景技术
光学滤波器在光通信领域具有广泛的应用，并且特别地，可以用于在WDM和DWDM系统中提供波长选择性和调谐。为此目的，基于布拉格光栅结构的滤波器能够提供近于理想的滤波响应和较高的信道隔离。布拉格光栅结构还用于补偿由在光纤长度上穿过的短光脉冲造成的光弥散。
在布拉格光栅中，当波长λ、光栅周期∧(x)和有效折射率n(x)满足布拉格相位匹配条件：λ＝2n(x)∧(x)时，在输入信号中波长λ的频谱成分在位置x处被反射回去。
不同波长的不同频谱成分在不同的位置被反射回去并具有不同的相位延迟。例如，当光纤具有恒定的有效折射率n＝n(x)和线性调频(chirped)的光栅周期∧(x)时，其相位匹配波长只随着位置x按照∧(x)而变化。根据位置x的∧变化称作光栅的啁啾声(chirp)。在线性调频光栅中，光栅的周期∧根据a∧(x)＝ax+b规律而变化。
图1表示一个采用调频布拉格光栅用于补偿信号弥散的例子。初始脉冲100在光纤线路101上传输。
脉冲承载信息根本不是完全单色的。由于高频脉冲频谱比低频脉冲频谱传输较快，所以脉冲由于在弥散光纤中的传输而展宽。结果使得脉冲102比初始脉冲100要宽得多。在第一近似中，频率沿着脉冲呈线性分布。
光栅104根据通过光环行器103馈送的输入脉冲的波长产生延迟。较长的波长λL在近端反射，而较短波长λS在远端反射。因此，短波长在光栅中相对于长波长传输得更远从而经历附加的时间延迟。为了补偿沿脉冲的线性频率分布，必须对光栅进行线性调频。
补偿弥散展宽要求压缩脉冲宽度。光纤线路中的弥散效应决定于不同的参数以及必须针对该系统参数应用布拉格光纤光栅压缩功能的时间。
在欧洲光纤通信网络第13次年会(1995)中(13th Ann.Conf.Europ.Fibre Optic Comm.Networks 1995，P38-41)由R.M.Measures等人提出了一种没有中心波长偏移的弥散可调谐结构。这使得可以通过锥形悬臂光束来控制光栅内的应力分布，其中锥形悬臂光束使得布拉格光栅的啁啾声变化和控制可以在较宽的弥散范围内以精确方式改变而不存在光栅中心波长的任何偏移。该方法的缺点在于，由于施加在光纤上的应力是不对称的，所以造成不利的应力引致双折射，导致较高的偏振模式弥散(PMD)。此公开方法的另一问题在于该装置的弯曲是通过千分尺转换器来控制的，而千分尺转换器对于快速的弥散变化反应较慢。
发明目的
因此本发明的优先问题在于提供一种布拉格光栅滤波光波导装置，使得能够在适当的时间范围内对光纤布拉格光栅的弥散进行调谐。
此问题的第一优选解决方案是一种布拉格概述滤波光波导装置，包括一个第一区域、一个第二区域和一个对应于中心波长的第三中间区域，其中设有调整装置用于压缩所述第一区域与所述中间区域之间的光纤光栅并且用于拉长所述中间区域与所述第二区域之间的光纤光栅。
调整装置设计成可以沿光栅引致线性的应变。沿着光栅的此应变一半为压缩，一半为拉伸，并且中心波长由于在此位置没有施加应变而没有变化。
术语“调整装置”指的是通过向光栅施加应力和/或应变而能够改变一定中心波长的布拉格光栅的啁啾声从而改变其弥散的任何装置。
第一优选解决方案包括一个设有线性调频布拉格光栅的光纤。然后调整装置在光栅周期最短处压缩该布拉格光栅并且在周期最长处拉伸该布拉格光栅。光栅周期越短，则压缩力越高，而光栅周期越长，则拉伸力越强。当沿着线性调频的布拉格光栅施加这种线性应变时，光栅的最终啁啾声仍然是线性的。另外，啁啾声，也就是说光栅的最大和最小周期之差，将会增大。因此，在线性调频布拉格光栅的情况下近似反比于该啁啾声的弥散将会降低。也可用同样的方式使非调频或非线性调频的布拉格光栅产生变形以改变其弥散。
优选地，较长光栅周期的区域相对于信号传输路径设置在较短光栅周期区域的上游方向。这导致一个线性调频的光栅，沿着给定脉冲补偿了线性频率分布而不移动脉冲的中心波长。
优选地，光栅周期压缩是线性的。该线性使得可以匹配布拉格光栅区域的线性调频，因为光纤的啁啾声直接正比于光栅的形变。
在一个优选实施例中，光纤压缩和光纤拉伸具有基本上相等的值。从而使总横向应变基本上得到补偿。
优选的夹持器包括形状为圆形或椭圆形的光纤导引器。
第二解决方案包括一个设有线性调频布拉格光栅的光纤。调整装置在经压缩或拉伸时产生线性机械梯度。如果调整装置受到压缩，则布拉格光栅在光栅周期最短处受到最大幅度压缩而在光栅周期最长处受到最小幅度压缩。光栅周期越短，则压缩越高，而光栅周期越长，则压缩越弱。如果调整装置受到拉伸，则布拉格光栅在光栅周期最长处受到最大幅度拉伸而在光栅周期最短处受到最小幅度拉伸。光栅周期越短，则拉伸越弱，而光栅周期越长，则拉伸越强。当沿着线性调频布拉格光栅施加这种线性应变时，光栅的最终啁啾声仍然是线性的。另外，啁啾声，也就是说光栅的最大和最小周期之差，将会改变。因此，其弥散也会改变。也可用同样的方式使非调频或非线性调频的布拉格光栅产生变形以改变其弥散。
该产生线性机械梯度的调整装置的一个优选实施例是前面附图中所述的平面锥形夹持器。线性调频的、非调频的或者非线性调频的布拉格光栅粘合在该机械结构上。在该调整装置上施加应力或应变可以在光纤布拉格光栅中引致线性调频。
本发明的其它优点在下面的附图中加以说明。
应当理解，上述优点以及下面所述本发明的特征不仅可以用于所具体描述的组合，也可以由所属领域技术人员用于其它组合或者单独应用，而不超出本发明的范围。
附图说明
附图中简要说明了本发明，并且下面参照附图详细地说明本发明。
图1：弥散补偿示意(现有技术)
图2：第一例装置
图3：压缩和牵引的示意结构
图4：形变测量值
图5a和5b：根据本发明的第二例装置。
图6简要表示了根据本发明压缩和拉长对布拉格光栅区域波长偏移的影响。
图7：本发明第二解决方案的形状例子
图8：形变测量值
具体实施方式
所属领域技术人员可以通过任何公知方法，例如US 4,725,110或EP 0 730 172 A1中公开的例子，制作布拉格光栅区域12的布拉格光栅。
图2表示本发明的一个实施例。装置10包括一个设置在夹持器结构17中的光纤导引器1。光纤导引器，在此例中为圆形导引器，通过连接装置3与一个压电驱动器相连。光纤11由光纤导引器1加以导引。该光纤包括一个光纤布拉格光栅12。我们定义该光纤的三个区域：第一区域13、第二区域14和中间区域15。光纤布拉格光栅12在一个实施例中为一个均匀的光纤光栅，而在另一个实施例中为一个线性或者非线性调频的光纤光栅。光纤在一个凹槽中固定于四分之一圆环上以避免光纤横向滑动。该光纤被粘合在光纤导引器1上以更好地将其固定用以形变。
通过驱动器2和与之固定的光纤使圆形导引器1发生形变。图4表示形变的结果。结构的一部分13受到压缩而该结构的另一端14受到拉伸。在该结构的中间存在一个不受影响的点15。
在图4中给出了模式计算的结果。圆形导引器产生不完全线性的形变。因此选择其它形状的光纤导引器以获得完全线性的形变。一个其它的实施例采用椭圆形光纤导引器以产生更加线性的应力响应。粘合在导引器中间部分15上的光纤中心不受形变，使得其中心波长保持不变。
压电驱动器使得响应时间小于1ms。光栅的位移乃至形变正比于以无限决心施加的应力。用于保持驱动器位置的功率消耗很低。
图5a和5b中画出了本发明的另一实施例。光纤11设在一个夹持器17上，调整装置16例如压电驱动器连接在夹持器17上。其它的调整装置包括千分尺转换器。压电驱动器16最好是一个多层压电元件，通过本领域技术人员公知的装置将其张力或压力传递至光纤11。该压电元件将其压缩应变施加在图5a中的区域13上并将其拉伸应变施加在图5b中的区域14上。
上述整个装置称作术语“封装(packaging)”。
在同样由本发明范围覆盖的再一个实施例中，封装可以包括其它的调整装置例如设在光纤其它部分上的调整装置。
光纤布拉格光栅12是一个均匀的光纤光栅或是一个线性或者非线性调频的光纤光栅。
针对图2的本发明第一解决方案，我们在布拉格光栅区域12中定义三个区域：光栅周期最短的第一区域13设置在光栅周期最长的第二区域14的上游方向，与中心波长有关的中间区域15设置在第一区域与第二区域之间。第二区域14具有较高的光栅周期，范围在350至650nm之间，优选在450至580nm的范围内，更优选在500至550nm的范围内。在一个优选实施例中其最佳值为例如在535至540nm的范围内。因此对于该连续调频区域的最大光栅周期一个例示值为535.15nm。第一区域13比第二区域14具有较低的光栅周期。作为一个例子，第一区域的最小光栅周期为例如534.85nm。光栅周期从第一区域的最小光栅周期至第二区域的最大光栅周期连续而且线性地变化。
针对图5a和5b的本发明第二解决方案，区域13或14具有的光栅周期在350至650nm的范围内，优选在450至580nm的范围内，更优选在500至550nm的范围内。在一个优选实施例中其最佳值为例如在530至540nm的范围内。光栅周期可以是均匀的，或者从该区域的最小光栅周期至该区域的最大光栅周期线性地或者非线性地变化。
施加在布拉格光栅区域的压缩力在光栅周期最短的地方缩短光栅的幅度也最大。布拉格光栅的中心在长度上没有变化。相反地，拉伸力在光栅周期最大的地方拉伸光栅的幅度也最大。光栅周期的变化正比于光纤延伸率，并且通过由调整装置例如压电驱动器施加一个力来改变光栅的啁啾声。本领域技术人员公知的可以施加拉伸力或压缩力的其它调整装置，例如上述千分尺转换器，也属于本发明的范围。由于光纤弥散反比于光栅的啁啾声，因而也可以加以改变。
在另一个实施例中，第一解决方案的第一和第二区域的结构被颠倒，使得具有较高光栅周期的第二区域14相对于消耗传输路径处于上游方向，具有较低光栅周期的第一区域13设置在下游方向。
应当理解，这种相继区域具有不同光栅周期的结构使得调频布拉格光栅区域的波长呈线性分布。该线性分布以逐步间隔方式或者优选以连续方式实现。所获得的布拉格光栅区域的线性调频是最为有利的，因为信号也即承载信息的脉冲从来不是完全单色的。只有在第一近似的情况下，其频率分布沿着给定的脉冲才是线性的。由于脉冲频谱的高频成分比低频成分传输得快，所以由于脉冲在弥散光纤中的传输而产生脉冲展宽。
根据入射脉冲的波长，光栅产生一个延迟即展宽脉冲。在布拉格光栅区域中具有较高周期的区域发射较长的波长λL，具有较低光栅周期的区域发射较短的波长λS。在相对于入射脉冲即信号传输路径较短光栅周期处于下游而较长光栅周期处于上游的情况下，较短波长在光栅中进一步传输，从而相对于较长波长经受一个附加的时间延迟。通过类推这也适用于较短和较长光栅周期以相反方式设置的另一情况。
如果采用反射模式的光栅，则采用本领域技术人员公知的光环行器以获得经补偿的脉冲。
图6表示压缩和拉伸对调频布拉格光栅区域20的波长偏移的影响。具有限定波长L的调频光栅区域20根据本发明第一解决方案包括具有不同光栅周期的三个区域21、22和23，其中区域21具有较低的周期，区域23具有较高的周期，而区域22具有中间光栅周期。信号传输路径即脉冲方向由箭头28表示。布拉格光栅区域20的啁啾声是线性的，由箭头26表示。另一实施例包括相对于脉冲方向的三个区域21、22和23的颠倒结构。具有布拉格光栅区域20的光纤的纵轴由字母z表示。箭头25表示施加在纵轴区域21的压缩力，箭头24表示施加在纵轴区域20的拉长或拉伸力。所产生的布拉格光栅区域啁啾声的波长改变由线27表示。可以看出，区域21的光栅周期通过施加压缩力而改变最大，而区域23的光栅周期通过施加拉伸力而改变最大。中间区域22的光栅周期基本上保持不变。从图2中也可以看出，由压缩和拉伸引致的光栅周期变化的幅度具有基本上相等的值，从而彼此补偿。这使得补偿了总横向应力从而引致较低的双折射，导致较低的PMD。光栅的工作状况通过类推也适用于本发明第二解决方案的情况，图5a对应于区域21，图5b对应于区域23。
调整装置的尺寸和施加的力根据具体布拉格光栅区域的尺寸和啁啾声加以计算。这以例示方式被画出，参照图2。下面，数字和字母具有如下的含义：
z：沿光纤的位置
εZ：沿光纤纵轴的应变
σZ：沿光纤纵轴的应力
E：弹性(杨氏)模量
L：长度(施加负载前)
ΔL：长度变化
λ：波长(施加负载前)
Δλ：波长变化
F：力
Pe：光致弹性系数
从而：
F＝σZS，其中σZ＞0为拉伸力，σZ＜0为压缩力
沿光纤纵轴的应变为
εZ＝ΔL/L＝σZ/E
布拉格光栅的波长偏移为：
Δλ/λ＝(1-Pe)εZ
所引致的波长偏移是线性的。沿调整装置的应变εZ也一定是线性的：
εZ＝a·Z+b
沿纵轴Z的应力σZ与应变ε按胡克定律(Hooke law)相关：
σZ＝E·εZ
其中E为材料的弹性(杨氏)模量。
在本发明的第二解决方案中，如果我们考虑例如具有恒定厚度e和宽度y(z)的平板，其一个末端固定而另一末端受到力F的作用，则：
σZ＝F/(y(z)·e)
平板的轮廓y(z)为：
y(z)＝F/(e·E·(az+b))＝1/(αz+β)
这导致如图7所示的平板形状30。模型显示在平板上必须添加直角连接部31和32以降低其端部应变的非线性。对沿平板z轴应力的模拟显示在图8中。
锥形夹持器也可以设计成具有旋转对称形状而不是平板形状。
这使得可以方便地对布拉格光栅的啁啾声进行控制和调谐，并且如前所述可以应用于任何布拉格光栅。

Claims (8)

1.布拉格光栅滤波光波导装置，具有一个包括一光纤的夹持器，光纤设有一个光纤布拉格光栅区域，其上限定有三个区域：一第一区域、一第二区域和一对应于中心波长的第三中间区域，其中
设有调整装置用于压缩所述第一区域与所述中间区域之间的布拉格光栅并且用于拉长所述中间区域与所述第二区域之间的光纤光栅。
2.如权利要求1所述的布拉格光栅滤波光波导装置，其中所述光纤光栅是均匀的、线性或非线性调频的。
3.如权利要求2所述的布拉格光栅滤波光波导装置，包括一个具有光纤导引器的夹持器，光纤通过固定装置固定在光纤导引器上。
4.如权利要求3所述的布拉格光栅滤波光波导装置，其中所述光纤导引器是圆形。
5.如权利要求3所述的布拉格光栅滤波光波导装置，其中所述光纤导引器是椭圆形。
6.如权利要求1所述的布拉格光栅滤波光波导装置，其中第一区域相对于信号传输路径设在第二区域的上游方向。
7.如权利要求1所述的布拉格光栅滤波光波导装置(10)，其中光纤拉伸是线性的。
8.如权利要求1所述的布拉格光栅滤波光波导装置，其中光纤压缩和光纤拉伸的幅度具有基本上相等的值。
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