DE60114731T2

DE60114731T2 - Glasfaser-Gitter mit aufgerauhtem Mantel und Verfahren zur Reduktion der Mantelmode-Verluste für kurze Wellenlängen

Info

Publication number: DE60114731T2
Application number: DE60114731T
Authority: DE
Inventors: Ashish Paramus New Jersey Ahuja; Benjamin John Summit Eggleton; Jon W. Denville New Jersey Engelberth; Hale New York New York Arturo; Glen Robert Kowach; Sharad Springfield Ramanathan; Steven Herbert Hoboken Simon; Paul Stephen Chatham New Jersey Westbrook
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: DE60139427D1; EP1182475A2; EP1626296A2; US6408118B1; DE60114731D1; EP1182475B1; EP1626296A3; EP1626296B1; EP1182475A3

Description

Die Erfindung betrifft optische Wellenleitervorrichtungen und insbesondere optische Bragg-Wellenleitergitter.
US-A-5420948 beschreibt einen gezirpten, verteilten Glasfaserfilter mit Bragg-Gitter, der eine adiabatisch verjüngte Einzelmode-Glasfaser zur Benutzung zum Beispiel als ein Glasfaser-Dispersionsentzerrer aufweist.
US-A-5761234 offenbart ein Glasfaser-Pumpensystem, wobei die äußere Fläche eines inneren Mantels einer Faser mit doppeltem Mantel aufgeraut wird, um Moden zu streuen, die sich in dem inneren Mantel verteilen, um so die Absorption der Pumpenstrahlung mittels Seltenerdatomen in dem inneren Mantel zu verbessern.
Optische Bragg-Wellenleitergitter sind entscheidende Komponenten in WDM- (Wavelength Division Multiplexing) Kommunikationssystemen. Sie führen mehrere Schlüsselanwendungen aus, umfassend die Add/Drop-Filterung, Bandfilterung und die Dispersionskompensation. In diesen Anwendungen wird das Gitter typischerweise als ein reflektierender Filter benutzt. Einfallendes Licht innerhalb des Stopbandes des Gitters wird stark reflektiert, während Licht außerhalb des Stopbandes übertragen wird. Ein ideales Bragg-Gitter würde eine rechtwinklige Amplitudenfilterfunktion aufweisen. Die Reflexion wäre innerhalb des Stopbandes gleichmäßig und außerhalb des Stopbandes unbedeutend.
In der Praxis ist eine bedeutende Einschränkung bezüglich eines realistischen Bragg-Wellenleitergitters der Mantelmode-Verlust an der kurzen Wellenlängenseite des Hauptreflexionsbandes. Dieser Mantelmode-Verlust für kurze Wellenlängen wird durch die Kopplung, die durch das Gitter induziert wird, aus dem Kernmode in sich rückwärts verbreitende Mantelmoden bewirkt. Der Mantelmode-Verlust wird in dem Übertragungsspektrum als scharfe Resonanzen an der kurzen Wellenlängenseite der Bragg-Resonanz gesehen. Die Größe der Verlustskalen zusammen mit dem Quadrat der Gitterstärke und der Verlust verschärfen sich dramatisch, wenn viele Gitter kaskadiert sind. Folglich legt er strenge Einschränkungen bezüglich der Bauweise der optischen Netzwerke auf, die auf Gittern basierende Technologien verwenden.
Lösungsvorschläge, um die Mantelmode-Verluste in optischen Bragg-Wellenleitergittern zu reduzieren, fallen in zwei Hauptkategorien. Die erste ist die Reduzierung der Kern-Mantel-Kopplung durch eine spezielle Bauweise des Kernbereichs. Solch eine Reduzierung kann durch die Bauweise mit vertieftem Mantel, die Bauweise mit hohem Delta und die lichtempfindliche Mantelbauweise erreicht werden. Die zweite Hauptkategorie betrifft das Anwenden von Polymer-Oberflächenbeschichtungen, um die scharfe resonante Struktur des Mantelmode-Spektrums zu glätten und stattdessen einen annähernd gleichmäßigen Hintergrundverlust zu erreichen.
Die Bauweise mit vertieftem Mantel wurde von Dong et al. in „Optical fibers with depressed claddings for suppression of coupling into cladding modes in fiber Bragg gratings", IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 9, pp. 64-66 (1997) vorgeschlagen. Ein herkömmlicher Wellenleiterkern wird von einem leichter dotierten Mantelbereich, das heißt, von einem Mantel mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben. Der vertiefte Mantelbereich unterdrückt die Überlappung von Mandelmoden niedrigerer Ordnung mit dem Kern. Die transversalen Schwingungen werden in dem vertieften Mantelbereich ausgedehnt, da der transversale Resonanzzustand mit der optischen Weglänge (Abstandszeiten-Brechungsindex) in Verbindung steht.
Dieser Ansatz hatte einen mäßigen Erfolg. Jedoch wird die Reduzierung durch die Menge begrenzt, in der der Index in dem vertieft Mantelbereich reduziert werden kann.
Die Bauweise mit hohem Delta betrifft das Erhöhen der Versetzung des Mantelmodes von der Bragg-Resonanz. Dies wird durch Erhöhen des effektiven Kernbrechungsindexes erreicht, so dass dieser im Wesentlichen über dem des Mantelmodes der niedrigsten Ordnung liegt. Das Ergebnis ist, dass die Mantelmode-Resonanzen von der Bragg-Resonanz versetzt sind. Mehrere Gruppen haben gezeigt, dass ein Wellenleiter mit Δ ~ 2 % und ein Kerndurchmesser von d ~ 2 μm zu einer Versetzung von 2 bis 5 nm führt. Obwohl das Prinzip des hohen Deltas bewiesen worden ist, wird die benutzbare Bandbreite nicht immer von dem Ansatz des Mantelmode-Verlustes eingeschränkt. Außerdem besteht aufgrund der Mode-Fehlzuordnung zwischen dem Gitterwellenleiter und dem Übertragungswellenleiter ein bedeutender Nachteil.
Die lichtempfindliche Mantelbauweise nimmt ein lichtempfindliches Material in den Mantel auf. Siehe E. Delevaque et al. „Optical fiber design for strong gratings photoimprinting with radiation mode suppression," OFC '95, PD5, (1995) und K. Oh et al, „Suppression of cladding mode coupling in Bragg grating using GeO₂B₂O₃ doped photosensitive cladding optical fiber," Electronic Letters, Vol. 35, pp. 423-424 (1999). Nach der UV-Bestrahlung erstreckt sich der Gitterbereich in den Mantel. Wenn der Kern und der Mantel die gleiche Empfindlichkeit aufweisen, es kein Leuchten gibt und die Bestrahlung durch den Wellenleiter gleichmäßig ist, dann weist das Gitter eine unbedeutende Kopplung an die Mantelmoden auf. Folglich ist der Mantelmode unbedeutend. Ein Nachteil dieses Schemas ist eine Nettoreduzierung in der Gitterstärke aufgrund der Absorption in dem lichtempfindlichen Mantelbereich. Es gibt aufgrund der erhöhten Asymmetrie in dem Bereich, in dem asymmetrische Moden eine große Mode-Feldstärke aufweisen, ebenfalls eine erhöhte Kopplung an diese Moden.
Bezüglich des zweiten Hauptansatzes wird der Wellenleiter typischerweise mit einem verlustreichen Polymermaterial umgeben, das einen Brechungsindex nahe dem des Mantelglases aufweist. In diesem Fall erstreckt sich der Mandelmode in das Polymer, wo er absorbiert wird, so dass die Kernmantelmode-Kopplung verringert wird. Der Mantelmode-Verlust wird näher zu der Strahlungsgrenze verringert, typischerweise durch einen Faktor von 4 bis 5. Dieser Verlust ist für viele Anwendungen annehmbar, kann jedoch noch immer die Anzahl der Vorrichtungen begrenzen, die kaskadiert werden können. Dementsprechend besteht ein Bedarf an verbesserten Wellenleitergittern, die einen reduzierten Mantelmode-Verlust aufweisen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Filter mit optischem Bragg-Wellenleitergitter oder Dispersionskompensator zum Reflektieren von Licht bei einer Bragg-Wellenlänge mit reduziertem Verlust bereit, der durch die gitterinduzierte Kopplung von dem Kernmode in sich rückwärts verbreitende Mantelmoden bewirkt wird, wobei der Wellenleiterfilter oder Kompensator umfasst: einen längs verlaufenden Kern, der ein optisches Bragg-Gitter mit einer Bragg-Wellenlänge im Bereich von 1500 bis 1600 nm aufweist; einen Mantel, der den Kern peripher umgibt, eine integrierte Struktur mit dem Kern bildet und einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist, wobei eine äußere Fläche des Mantels mehrere zufällige Höhenstörungen aufweist, die den Gitterbereich überlagern, wobei jede zufällige Störung bezüglich des Kerns eine Höhe aufweist, die die Bragg-Wellenlänge des Gitters über einen Bereich der Fläche mindestens 0,1 Mal variiert, dessen seitliche Ausdehnung geringer als 100 Bragg- Wellenlängen ist, und wobei die Dichte der zufälligen Störungen auf der Fläche ausreichend ist, um Licht innerhalb des Gitters auf nicht kohärente Weise zu streuen.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Reduzieren des Mantelmode-Verlustes nach Anspruch 20 bereit.
Die Vorteile, Wesensart und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung werden nach Betrachtung der erläuternden Ausführungsbeispiele deutlicher, die nun in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben werden. Es zeigen in den Zeichnungen:
1 eine schematische Abbildung eines herkömmlichen Glasfasergitters;
2 eine grafische Darstellung der Übertragungseigenschaft des Glasfasergitters aus 1, die zum Verständnis des Problems nützlich ist, auf das sich die Erfindung bezieht;
3 eine Querschnittsansicht eines Glasfasergitters gemäß der Erfindung;
4 eine Ausführungsform, wobei der Wellenleiter eine Glasfaser ist;
5 eine Ausführungsform, in der der Wellenleiter ein planarer Wellenleiter ist;
6 eine Ausführungsform, wobei die Höhenstörungen Partikel sind;
7 eine Ausführungsform, in der die Höhenstörungen Vertiefungen sind;
8 eine Ausführungsform, wobei die Störungen Bereiche mit veränderter Höhe sind;
9 eine Glasfaser mit Störungen in Form von verjüngten Bereichen, die nicht erfindungsgemäß ist;
10A eine fotografische Abbildung eines verbesserten Glasfasergitters, das durch Ätzen aufgeraut worden ist;
10B ein Übertragungsspektrum des verbesserten Gitters aus 10A;
11 eine grafische Abbildung, die den Effekt der Wiederbeschichtung eines durch Ätzen aufgerauten Gitters mit einem schützenden Polymer darstellt;
12 einen schematischen Querschnitt eines verbesserten Glasfasergitters, das durch Laserablation aufgeraut worden ist;
13 einen Querschnitt eines Gitters, das durch Beschichten mit Partikeln aufgeraut worden ist;
14 eine fotografische Abbildung eines verbesserten Glasfasergitters, das durch Beschichten mit Partikeln aufgeraut worden ist;
15 ein Dispersionskompensationsmodul (DCM);
16 eine erste alternative Ausführungsform eines DCM;
17 eine zweite alternative Ausführungsform eines DCM; und
18 einen optischen Verstärker.
Es versteht sich, dass diese Zeichnungen zur Veranschaulichung der Konzepte der Erfindung dienen und abgesehen von den Schaubildern nicht maßstabsgetreu sind.
Diese Beschreibung wird in drei Teile aufgeteilt. Teil I beschreibt ein herkömmliches Gitter und das Problem, das sich auf die Erfindung bezieht. Teil II beschreibt verbesserte Gitter gemäß der Erfindung und Teil III beschreibt bevorzugte Anwendungen der verbesserten Gitter.
I. Mantelmode-Verlust in herkömmlichen Gittern
Bezüglich der Zeichnungen veranschaulicht 1, die den Stand der Technik darstellt, schematisch ein herkömmliches optisches Wellenleitergitter. Das beispielhafte Gitter umfasst eine Glasfaser 10A, die einen Kern 12 und einen peripher umgebenden Mantel 14 aufweist. Die äußere Fläche 18 des Mantels 14 ist glatt und hoch reflektierend. Der Kern ist typischerweise dotiertes Kieselglas und weist ein Gitter 16 auf, das mehrere Indexstörungen umfasst, die entlang seiner Länge zum Beispiel durch W-Strahlung induziert werden. Der Kernradius kann 3 μm betragen. Der Mantel ist typischerweise undotiertes Kieselglas. Er kann einen Durchmesser von 125 μm aufweisen und die Indexdifferenz zwischen dem Kern und dem Mantel kann Δn = 0,01 sein. Die Indexdifferenz zwischen dem Kern und einer Indexstörung befindet sich typischerweise in der Ordnung von 0,0001. Eine typische Gitterspanne befindet sich in der Ordnung von 531,9 nm und eine typische Gitterlänge beträgt 4 cm.
Wenn bei Betrieb Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 1500 bis 1600 nm in das Gitter übertragen wird, wird eine Bragg-Resonanz-Wellenlänge stark reflektiert. Darüber hinaus wird es jedoch einen ungewollten Verlust von Wellenlängen geben, die aufgrund der Kopplung in sich rückwärts verteilende Mantelmoden kürzer als die Bragg-Resonanz sind.
2 veranschaulicht die Übertragungseigenschaft der herkömmlichen Vorrichtung aus 1 und stellt die Bragg-Hauptresonanz 2 und die Mantelverlust-Resonanzen 3 bei kurzer Wellenlänge dar. Es ist bemerkenswert, dass die nah beabstandeten Mantelmode-Resonanzen nur 2 nm unter der Bragg-Hauptresonanz 2 beginnen und sich auf unter 1.530 nm erstrecken. Diese Mantelmode-Verluste begrenzen die nützliche Bandbreite des Bragg-Filters. Bragg-Gitter in Planaren Wellenleitern treffen auf ähnliche Mantelmode-Verluste bei kurzer Wellenlänge.
II. Verbesserte Gitter der Erfindung
Gemäß der Erfindung werden optische Wellenleitergitter durch Aufrauen oder Konfigurieren der äußeren Fläche verbessert, um einfallendes Licht innerhalb des Wellenleiters auf nicht kohärente Weise zu streuen.
Um die Streuung herbeizuführen, wird die äußere Fläche des Wellenleiters mit Störungen in seinen optischen Eigenschaften bereitgestellt, die ausreichen, um Lichtwellenfronten innerhalb der Faser zu zerreißen. Die Störungen sind zufällige Zerrüttungen wie Ätzvertiefungen, Ablationsvertiefungen und Partikel, die optisch an die Fläche gekoppelt sind. Die Dichte der Störungen auf der Fläche sollte ausreichend sein, um solch ein Licht aus dem Gitter auf nicht kohärente Weise zu streuen.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines optischen Wellenleiters 10, der einen längs verlaufenden Kern 12 und eine Mantelschicht 14 aufweist, die den Kern 12 peripher umgibt. Der Kern 12 beherbergt ein optisches Bragg-Gitter 16. Der Kern 12 und die Mantelschicht 14 bilden eine integrierte Struktur, in der die Mantelschicht 14 einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Kern 12. Die Indexdifferenz bewirkt, dass sich Licht aufgrund der gesamten inneren Reflexion in dem Kern verteilt.
Eine äußere Fläche 18 des Mantels 14 weist mehrere Höhenstörungen 20 auf. Jede Störung 20 weist eine Flächenhöhe h, h' auf, die die Bragg-Wellenlänge des optischen Gitters 16 über die seitliche Ausdehnung w, w' der Störung 20 mindestens 0,1 Mal variiert. Benachbarte Höhenstörungen 20 weisen seitliche Trennungen von weniger als etwa dem 10fachen bis 100fachen der Bragg-Wellenlänge des Gitters 16 auf. Hierbei sind die Höhen als Abstände von Flächen bezüglich des Kerns 12 definiert. Die seitliche Ausdehnung w, w' jeder Störung 20 entlang der äußeren Fläche 18 und die Höhenvariation über der Störung liegen beide zwischen etwa dem 0,1fachen und 100fachen der Bragg-Wellenlänge.
Die Höhenstörungen 20 bewirken die Streuung von Lichteinfall auf die äußere Fläche 18 aus dem Inneren des Wellenleiters 10. Die Streuung reduziert optische Verluste, die von den optischen Moden der Mantelschicht 14 verursacht werden.
4 stellt eine Ausführungsform dar, in der der Wellenleiter eine Glasfaser 10' ist. Die Faser 10', der Kern 12 und die Mantelschicht 14 sind dotierte Kieselglasschichten der Faser 10', die unterschiedliche Brechungsindexe aufweisen. Der Kern 12 und die Mantelschicht 14 bilden die einstückige Kieselglasstruktur der Glasfaser 10'. Die Mantelschicht 14 kann eine oder mehrer Kieselglasschichten (nicht dargestellt) aufweisen und kann von einer schützenden Polymerschicht 21' bedeckt werden. In der Faser 10' wird die Höhe der Störung 20' durch den lokalen Radius der äußeren Fläche 18' bezüglich der Längsachse „a" der Faser 10' gemessen.
5 stellt eine Ausführungsform dar, in der das Wellenleitergitter 10 aus 3 ein planarer Wellenleiter 10'' ist. In dem Planaren Wellenleiter 10'' ist der Kern 12 ein Streifen und die Mantelschichten 14 sind Planare Schichten, die auf einem Substrat 15'' konstruiert sind. Der Kern 12, die Mantelschicht 14 und das Substrat können zum Beispiel Schichten aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindexen sein. Für den i Planaren Wellenleiter 10'' wird die Höhe einer Störung 20'' auf äußeren Flächen 18'' durch den lokalen senkrechten Abstand h'' der Störung 20'' von einer imaginären Ebene 21 aus gemessen. Die Ebene 21 halbiert den Kern 12 und ist zu der Schnittstelle zwischen dem Kern 12 und der Mantelschicht 14 parallel.
6 bis 8 stellen mehrere Ausführungsformen für die Höhenstörungen 20 dar.
6 stellt eine Ausführungsform 22 des Wellenleiters 10 aus 3 dar, in der die Höhenstörungen 20 Partikel 24 sind, die auf der äußeren Fläche 18 angeordnet und daran gebunden sind. Die Größen und Trennungen zwischen den Partikeln 24 liegen i zwischen dem 0,1fachen und 100fachen der Bragg-Wellenlänge des optischen Gitters 16. In mehreren Ausführungsformen weisen die Partikel 24 eine pseudozufällige Verteilung auf der äußeren Fläche 18 auf.
Hierbei wird eine pseudozufällige Verteilung definiert durch einen Mittelwert und durch entweder eine Abweichung des Mittelwerts oder durch eine Halbwertsbreite. Der Mittelwert stellt eine Längenskala für die Verteilung bereit, zum Beispiel eine > durchschnittliche Partikel-/Vertiefungsgröße oder einen durchschnittlichen Abstand zwischen Partikeln/ Vertiefungen. In einer pseudo-zufälligen Verteilung ist die Abweichung oder Halbwertsbreite größer als das 1fache der Bragg-Wellenlänge des Gitters und kann einen Wert zwischen 1 und kleiner als dem 100fachen der Bragg-Wellenlänge haben oder 20 Prozent des Durchmessers des Wellenleiters, zum Beispiel einer Faser.
7 stellt eine Ausführungsform 26 des Wellenleiters 10 aus 3 dar, in der die Höhenstörungen Vertiefungen 28 in der äußeren Fläche 18 sind. Die seitliche Ausdehnung w, w' der Vertiefungen 28 und die Abstände zwischen den Vertiefungen 28 liegen zwischen dem 0,1fachen und dem 100fachen der Bragg-Wellenlänge des optischen Gitters 16. In verschiedenen Ausführungsformen haben die Vertiefungen 28 entweder eine pseudo-zufällige Verteilung der Größen oder eine pseudo-zufällige Verteilung auf der äußeren Fläche 18.
8 stellt eine anderen Ausführungsform 30 des Wellenleiters 10 aus 3 dar, in der die Höhenstörungen Bereiche 32 von veränderter Höhe auf der äußeren Fläche 18 sind. Ein Bereich 32 weist eine Höhenveränderung bezüglich der durchschnittlichen Flächenhöhe 34 von zwischen dem 0,1fachen bis 100fachen der Bragg-Wellenlänge des Gitters 16 auf. Der maximale Abstand Nm zwischen Punkten auf dem Bereich 32, an denen die Höhe der durchschnittlichen Flächenhöhe 34 oder 34' gleicht, liegt zwischen dem 0,1fachen und dem 100fachen der Bragg-Wellenlänge.
9 stellt einen Gitterwellenleiter 34 (nicht gemäß der beanspruchten Erfindung) dar, für den Höhenstörungen 20 aus 3 Bereiche 36 der äußeren Fläche 18 sind, die bezüglich des Kerns 12 eine geneigte Höhe aufweisen. Wenn der Wellenleiter 34 eine Glasfaser ist, wird die Neigung durch eine Verjüngung des äußeren Durchmessers der Faser bewirkt. Auf dem sich neigenden Bereich 36 verändert sich die Flächenhöhe „h" bezüglich des Kerns 12 um etwa das 0,1fache bis 100fache der Bragg-Wellenlänge des Gitters 16 über eine Länge „d" von etwa dem 0,5fachen der Länge L des Gitters 16. Folglich beträgt die Neigung der Fläche 18 bezüglich des Kerns 12 etwa 0,05 bis 50 Bragg-Wellenlängen pro Länge L des Gitters 16. Hierbei werden Variationen, die Neigungsbereiche 36 sind, als Bereiche mit einer seitlichen Ausdehnung von weniger als das 100fache der Bragg-Wellenlänge des Gitters 16 definiert. Die Fläche 18 kann mehrere Neigungsbereiche 36 aufweisen, die durch weniger als etwa das 100fache der Bragg-Wellenlänge verbunden oder getrennt werden. Wenn die Neigungsbereiche 36 verbunden werden, um einen größeren verjüngten Bereich zu bilden, beträgt dieser Bereich weniger als etwa 1 oder 10 cm und weist eine Ausdehnung von weniger als das 1fache bis 10fache der Länge L des Gitters 16 auf.
Einige Ausführungsformen kombinieren mehrere Typen von Störungen 20 der äußeren Fläche 18, dargestellt in 3. Zum Beispiel weisen die Störungen in einer Ausführungsform Vertiefungen in der Fläche 18, Partikel auf der Fläche 18 und verjüngte Bereiche der Fläche 18 auf.
Ein beispielhafter Aufrauungsprozess betrifft das Anordnen eines Wellenleitergitters für 20 Minuten in einem Ätzbad, das Flusssäure wie #15-0275 Etch Bath umfasst, das von Armour Products Co., Wyckoff, NJ 07481 vermarktet wird. Nach dem Ätzen und Spülen wies die äußere Fläche 18 die Höhenstörungen auf, die in 10A fotografisch abgebildet sind.
10B ist eine grafische Abbildung, die den Übertragungskoeffizient vor und nach dem Aufrauen der äußeren Fläche des Mantels eines Wellenleitergitters darstellt. Die gestrichelte Linie stellt die Mantelmode-Resonanzen vor dem Ätzen dar. Die durchgezogene Linie stellte die Mantelmode-Resonanzen nach dem Ätzen dar. Die Stärke der Mantelmoden wird auf die Hälfte ihres Grades vor dem Ätzen verringert.
11 ist eine grafische Abbildung, die die Wirkung auf den Übertragungskoeffizient einer Wiederbeschichtung eines aufgerauten Gitters mit einem schützenden, auf Acrylat basierenden Polymer darstellt. Die gestrichelte Linie stellt die Mantelmode-Resonanzen nach dem Ätzen dar. Die durchgezogene Linie stellt die Mantelmode-Resonanzen nach dem Wiederbeschichten dar. Die Stärke der Absorptionsresonanz, die durch die Mantelmoden bewirkt wird, wird wieder verringert.
In einigen Ausführungsformen werden Metallbeschichtungen auf die Wellenleitergitter aufgebracht, um die Gitter durch Widerstandsheizung abstimmbar zu machen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre Kompatibilität mit nachfolgenden Metallbeschichtungen. Die Absorptionsresonanzen, die durch das Ätzen der Fläche unterdrückt werden, bleiben auch nach der Metallbeschichtung unterdrückt.
Der Mantelmodus-Verlust in einem Bragg-Wellenleitergitter kann auch durch Aufrauen der äußeren Fläche des Mantels durch Laserablation reduziert werden. Wie in 12 dargestellt, können zufällige Muster rauer Vertiefungen 70 auf einer Kieselgut-Faser 71 durch Fokussieren eines Impulslasers 72 von hoher Stärke mit einer Ultraviolett- (zum Beispiel 157-nm-Wellenlänge) oder Infrarot- (Zum Beispiel 10,6-μm-Wellenlänge) Emission auf der Oberfläche erreicht werden. Aufgrund der Absorption bei diesen Wellenlängen wird eine extreme Hitze an der Oberfläche erzeugt, wodurch Atome oder Cluster von Atomen 73 von der Faserfläche abgetragen werden. Der Rauheitsgrad kann durch die Impulsrate und die Fluenz des Lasers gesteuert werden. Darüber hinaus können die Größen und Formen der Punkte der Laserimpulse auf die Fläche der Faser ähnlich der Laserstrahlbearbeitung manipuliert werden, um geordnete Rauheitsmuster zu bilden.
Alternativ kann, wie in 13 dargestellt, die Ablagerung von Partikeln 80 die Oberfläche eines Wellenleiters 71 zufällig aufrauen. Die Partikel 80 können durch Spray-Pyrolyse chemischer Vorstufen wie anorganischer Nitrate aufgetragen werden, in denen eine Quelle 81 ein Aerosol aus Oxidpartikeln herstellt, das dann auf den Wellenleiter aufgetragen wird. Der Partikel 80 kann auch durch Eintauchen eines Wellenleiters in eine kolloide Lösung (Sol) und nachfolgende Wärmebehandlung aufgetragen werden, um eine raue Fläche herzustellen. Die Partikel brauchen nicht die gleiche chemische Zusammensetzung wie der Wellenleiter zu haben. Zum Beispiel kann das Kolloid ein organisches Polymer oder ein anorganisches Oxid enthalten.
Die Partikel können aus einem Material gefertigt sein, das weicher als das Mantelmaterial ist, um mechanische Schäden an dem Mantel zu verhindern. Sie sollten einen Brechungsindex aufweisen, der sich ausreichend von dem des Mantels unterscheidet, um eine effektive Streuung zu bewirken. Polymerpartikel sind für diese Anwendung geeignet, insbesondere wenn der Wellenleiter einen auf Kieselglas basierenden Mantel aufweist (zum Beispiel eine Glasfaser), da Polymerpartikel weicher als Glas sind und die meisten Polymer einen anderen Brechungsindex als Kieselglas haben.
Polymerpartikel können zum Beispiel unter Anwendung von Emulsionspolymerisierung synthetisiert werden. Polystyrol-Mikrokugeln mit gut definierten Größen im Bereich von 0,1 bis zu mehreren Mikrometern sind im Handel bei Polysciences Inc., Warrington, PA, erhältlich. Polymer-Kugeln von einem Mikrometer sind geeignet, wenn die Bragg-Wellenlänge des Gitters etwa 1,0 bis 1,6 Mikrometer beträgt. Polystyrol-Mikrokugeln werden als eine Latexemulsion in Wasser geliefert. Die Mikrokugeln können auf ein Substrat wie eine (nackte) Glasfaser einfach durch Eintauchen der Faser in das Latex und nachfolgendes Trocknen aufgetragen werden.
Die Mikrokugeln haften an der Faser vermutlich durch elektrostatische Wechselwirkungen. Die Endbindung der Mikrokugeln kann durch Behandeln der Faser mit einem Silan-Bindemittel und nachfolgendem Eintauchen der behandelten Faser in eine Emulsion mit den funktionalisierten Mikrokugeln erreicht werden. Die funktionelle Gruppe in den Mikrokugeln wird derart gewählt, dass sie mit der funktionellen Gruppe des Silan-Bindemittels reagiert. Alternativ können Mikrokugeln mit reaktiven Gruppen verwendet werden, die direkt mit der Kieselglasfläche reagieren. Die Mikrokugeln können eine ausgewählte Größe oder eine Verteilung von Größen aufweisen.
Als spezifisches Beispiel wurde eine Bindemittellösung durch Auflösen von 0,5 % eines 3-Glycidoxypropyltrimethylmethoxysilans in entionisiertem Wasser hergestellt, dessen pH-Wert vorher durch Zugabe von Essigsäure auf 4 eingestellt wurde. Die schützenden Polymerbeschichtungen einer im Handel erhältlichen Telekommunikationsfaser wurden durch einminütiges Eintauchen in eine heiße Schwefelsäure (185 °C) und nachfolgendes Spülen der Faser in Methanol abgezogen. Der abgezogene Bereich dieser Faser wurde dann eine Minute in die Bindemittellösung eingetaucht. Die Faser wurde 10 Minuten bei 110 °C getrocknet. Die Bindemittellösung enthält Silanolmoleküle (die Methoxygruppen in dem Silan hydrolisieren die Silanolgruppen in dem gesäuerten Wasser). Die Silanolgruppen und die Methoxygruppen reagieren mit der Kieselglasfläche der Faser, um starke Silikon-Sauerstoff-Silikon-Bindungen zu schaffen. Solch eine Reaktion stellt eine Kieselglasfaser her, die von Silannmolekülen beschichtet ist, die kovalent an das Glas gebunden sind. Die behandelte Faser wird dann mit einem Latex in Kontakt gebracht, das Aminfunktionalisierte Polystyrol-Mikrokugeln (Durchmesser von 1 Mikrometer) enthält. Die Amingruppen auf der Oberfläche der Polystyrol-Mikrokugeln reagieren mit den Glycidylgruppen des Silans auf der Faser, um die Kugeln kovalent durch die Bindemittelmoleküle an die Glasfläche zu binden.
14 ist eine Fotografie mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops einer wie oben beschrieben behandelten Faser. Sie zeigt die ausgezeichnete Abdeckung der Fasermantelfläche durch die Mikrokugeln.
Alternativ kann der Mantel mit einem durch Mikrophase getrennten System wie einer durch Mikrophase getrennten Polymermischung oder einem Copolymer beschichtet werden. Die Zusammensetzungsfluktuationen des durch Mikrophase getrennten Systems streuen Licht, wenn sich Brechungsindexe der Bestandteile des Systems ausreichend voneinander unterscheiden. Es ist möglich, die Morphologie und die Bereichsgröße dieser polymeren Systeme zu steuern, um die gewünschten optischen Ergebnisse zu erreichen. Zum Beispiel weiß der Fachmann, dass sie die Morphologie und Bereichsgröße der durch Mikrophase getrennten Systeme durch Verwenden von Blockcopolymeren mit unterschiedlicher Blockgröße, Molekulargewichten und Wechselwirkungsparametern modifizieren können.
III. Anwendungen
Die verbesserten Gitter können als festgelegte oder abstimmbare, gezirpte oder nicht gezirpte Gitter durch Techniken hergestellt werden, die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind. Es wird in Betracht gezogen, dass die Gitter bedeutende Anwendungen in optischen Kommunikationssystemen haben werden, insbesondere bei der Kompensation chromatischer Dispersion. 15 bis 18 veranschaulichen schematisch optische Kommunikationssysteme, die die verbesserten Wellenleitergitter umfassen, zum Beispiel die Wellenleitergitter aus 3 bis 9.
15 veranschaulicht schematisch ein verbessertes optisches Kommunikationssystem 99, das ein Dispersionskompensationsmodul (DCM) in dem in dem Kasten dargestellten Bereich 100 verwendet. Das DCM 100 umfasst einen optischen Zirkulator 101 und eine Faser 102, die eine Anzahl „n" von verbesserten Gittern 106 aufweist. Jedes Gitter weist eine damit verbundene Bragg-Reflexionswellenlänge λ₁, λ₂, ... λ_n auf. Die Reihenfolge, in der die Gitter in der Faser 102 angeordnet werden, hängt von der chromatischen Dispersion ab, die sich durch Licht vor Erreichen des DCM angesammelt hat. Wenn zum Beispiel die angesammelte Dispersion A_D(λ) für Licht mit Wellenlänge λ₁ größer ist als die von Licht mit Wellenlänge λ_n, das heißt, A_D(λ₁) ^> A_D(λ_n), dann werden die Gitter derart angeordnet, dass einfallendes Licht zuerst auf das kompensierende Gitter des DCM mit Bragg-Wellenlänge λ₁ trifft und zuletzt auf das Gitter mit Bragg-Wellenlänge λ_n trifft. Wenn die angesammelte Dispersion für Kanal 1 bei Wellenlänge λ₁ geringer ist als die von Kanal n bei λ_n, A_D(λ₁) < A_D(λ_n), dann weisen die Gitter bezüglich der dargestellten Reihenfolge eine umgekehrte Reihenfolge auf, das heißt, das erste getroffene, kompensierende Gitter des DCM liegt bei λ_n und das letzte Gitter weist eine Bragg-Wellenlänge λ₁ auf. Dieses DCM kann einen Teil eines dichten WDM-Systems (DWDM) umfassen, das ferner einen optischen Multiwellenlängen-Sender 103, eine Länge eines Wellenleiters mit optischer Übertragung (Glasfaser) 104 und einen optischen Multiwellenlängen-Empfänger 105 umfasst.
In der alternativen Ausführungsform aus 16 umfasst das DCM 110 ein einzelnes abstimmbares, dispersionskompensierendes, gezirptes Fasergitter 111 statt des dispersionskompensierenden Gitters 106 mit der Anzahl „n" . Die Richtung des Zirpens hängt von der angesammelten chromatischen Dispersion ab.
17 veranschaulicht schematisch ein System, in dem ein DCM 120 einen optischen Zirkulator 121, eine Länge einer dispersionskompensierenden Faser (DCF) 122 und ein einzelnes, abstimmbares, dispersionskompensierendes, gezirptes Fasergitter 123 umfasst. Als Alternative zu der einzelnen, gezirpten Gittervorrichtung 123 können mehrere, unabhängig voneinander abstimmbare, dispersionskompensierende Gitter benutzt werden. In diesem Fall wird der Großteil der chromatischen Dispersionskompensation von der DCF 122 ausgeführt. Der Rest der chromatischen Dispersion in jedem Kanal wird aufgrund einer Fehlanordnung der Dispersionsneigung zwischen dem idealen Kompensator und der DCF unter Benutzung des kompensierenden, gezirpten Gitters 123 kompensiert. Es gelten die gleichen Prinzipien, die oben bezüglich 15 betreffend die Richtung des gezirpten Dispersionsgitters oder die Anordnung der Gitter beschrieben worden sind. Auch kann dieses DCM 120 zu einem DWDM gehören, der ferner einen Multiwellenlängen-Sender 103, eine Länge einer Glasfaser 104 und einen Multiwellenlängen-Empfänger 105 aufweist.
18 stellt schematisch einen Verstärker 130 dar, der mit Dispersionskompensation bereitgestellt wird. Der Verstärker 130 umfasst einen Einlass-Isolator 131, eine erste Länge einer mit Seltenerde dotierten Faser 132a, eine erste Pumpe 133a zum optischen Pumpen der ersten Länge der Faser 132a, eine zweite Länge einer mit Seltenerde dotierten Faser 132b, eine zweite Pumpe 133b zum optischen Pumpen der zweiten Länge der Faser 132b, einen Auslass-Isolator 134, einen Zirkulator 135 und unabhängig voneinander abstimmbare, dispersionskompensierende Gitter 136, die in einer Reihenfolge n angeordnet sind. Der optische Verstärker stellt den Vorteil bereit, das er nicht nur die chromatische Dispersion kompensiert, sondern auch die Signale der Versetzungsverluste verstärkt, die von den Gittern 136 eingeführt werden. Optional kann eine dispersionskompensierende Faser ähnlich 17 benutzt werden.
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichenden Charakter von nur wenigen der vielen spezifischen Ausführungsformen haben, die die Anwendungen der Prinzipien der Erfindung darstellen können. Der Fachmann kann zahlreiche und verschiedene andere Anordnungen entwickeln, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.

Claims

Filter mit optischem Bragg-Wellenleitergitter oder Dispersionskompensator zum Reflektieren von Licht bei einer Bragg-Wellenlänge mit reduziertem Verlust, der durch die gitterinduzierte Kopplung von dem Kernmodus in sich rückwärts verbreitende Mantelmodi bewirkt wird, wobei der Wellenleiterfilter oder Kompensator umfasst: einen längs verlaufenden Kern (12), der ein optisches Bragg-Gitter (16) mit einer Bragg-Wellenlänge im Bereich von 1500 bis 1600 nm aufweist; einen Mantel (14), der den Kern (12) peripher umgibt, eine integrierte Struktur (10) mit dem Kern bildet und einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist, wobei eine äußere Fläche (18) des Mantels mehrere zufällige Höhenstörungen (20, 21 und 36) aufweist, die den Gitterbereich überlagern, wobei jede zufällige Störung bezüglich des Kerns eine Höhe aufweist, die die Bragg-Wellenlänge des Gitters über einen Bereich der Fläche mindestens 0,1 Mal variiert, dessen seitliche Ausdehnung geringer als 100 Bragg-Wellenlängen ist, und wobei die Dichte der zufälligen Störungen auf der Fläche ausreichend ist, um Licht innerhalb des Gitters auf nicht kohärente Weise zu streuen.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die Abstände zwischen den Störungen geringer als etwa 100 Bragg-Wellenlängen sind.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 2, wobei der Mantel (14) und der Kern (12) eine Glasfaser (10) bilden.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, wobei die zufälligen Störungen pseudozufällige Glättevariationen (32) der äußeren Fläche der Faser aufweisen.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, wobei die zufälligen Störungen eine partikelförmige Materie (24) aufweisen, die auf der äußeren Fläche angeordnet ist.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 5, wobei die partikelförmige Materie (24) ein Polymer enthält.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, wobei die zufälligen Störungen Vertiefungen (28) aufweisen, die in der äußeren Fläche angeordnet sind.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, wobei ein Abschnitt der zufälligen Störungen Abstandsvariationen der äußeren Fläche von dem Kern von mindestens einer Bragg-Wellenlänge des Gitters erzeugt.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 2, wobei der Kern und der Mantel einen planaren Wellenleiter (5) bilden.
Wellenleiter nach Anspruch 9, wobei die zufälligen Störungen (20 aus 5) pseudo-zufällige Abstandsvariationen mindestens einer äußeren Fläche des Mantels von einer zentralen Ebene aufweisen, die den Kern halbiert.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 9, wobei die zufälligen Störungen eine partikelförmige Materie aufweisen, die auf der einen äußeren Fläche angeordnet ist.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 11, wobei die partikelförmige Materie ein Polymer enthält.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 9, wobei die zufälligen Störungen Vertiefungen aufweisen, die in der einen äußeren Fläche angeordnet sind.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 8, wobei ein Abschnitt der zufälligen Störungen Abstandsvariationen zwischen der einen äußeren Fläche und der halbierenden Ebene erzeugt, die mindestens so groß wie eine Bragg-Wellenlänge des Gitters sind.
Vorrichtung, die aufweist: einen optischen Zirkulator (101), der mindestens drei Tore aufweist; und einen optischen Wellenleiter nach Anspruch 1, der mit einem der Tore (Tor 2 von 101) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Wellenleiter eine Glasfaser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen zweiten optischen Wellenleiter (132a), der mit einem der anderen Tore (Tor 1) des Zirkulators (135) verbunden ist und konfiguriert ist, um Licht aus einer Pumpenlichtquelle (133a) und aus einer externen Quelle zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen optischen Multiplexer (103) und einen optischen Demultiplexer (105), wobei der optische Multiplexer und der optische Demultiplexer mit einem der anderen Tore des Zirkulators verbunden sind.
Optisches Wellenleiter-Kommunikationssystem, das einen optischen Sender, eine Länge eines optischen Übertragungswellenleiters, mindestens ein Bragg-Wellenleitergitter und einen optischen Empfänger umfasst, wobei das Bragg-Wellenleitergitter einen optischen Wellenleiter nach Anspruch 1 aufweist.
Verfahren zum Reduzieren des Mantelmode-Verlustes in einem optischen Bragg-Wellenleitergitter, wobei der Wellenleiter einen längs verlaufenden Kern, der ein optisches Bragg-Gitter aufweist, das durch eine Bragg-Wellenlänge gekennzeichnet ist, und einen Mantel umfasst, der den Kern peripher umgibt und einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern und eine äußere Fläche aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen des optischen Bragg-Wellenleitergitters; und Bereitstellen der äußeren Fläche des Mantels mit mehreren zufälligen Höhenvariationen bezüglich des Kerns, wobei jede Höhenvariation bezüglich des Kerns eine Höhe aufweist, die mindestens 0,1 Mal eine Bragg-Wellenlänge des Gitters über einen Bereich der äußeren Fläche variiert, dessen seitliche Ausdehnung geringer als etwa 100 Bragg-Wellenlängen der zufälligen Variationen ist, die auf der Fläche mit einer ausreichenden Dichte bereitgestellt werden, um Licht innerhalb des Gitters auf eine nicht kohärente Weise zu streuen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bereitstellen der einen oder mehreren Höhenvariationen das Bilden von mehreren zufälligen Höhenstörungen umfasst, wobei die Abstände zwischen den benachbarten Störungen geringer als etwa 100 Bragg-Wellenlängen sind.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bereitstellen des optischen Wellenleiters das Bereitstellen eines Bragg-Glasfasergitters umfasst.