專利名稱：狹帶馬赫-策德爾濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有狹峰及寬的峰間間隔的馬赫-策德爾(Mach-Zehnder)濾波器。
對(duì)于狹帶濾波器的需求正在呈現(xiàn)。為了在1550nm窗中變更鉺光纖放大器的增益譜(gain spectrum)需要這類裝置。它們也將廣泛用于干線以及光纖至用戶結(jié)構(gòu)中。
波長可調(diào)部件和固定波長部件均是需要的。例如，在所有光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中，該裝置可在接收機(jī)端調(diào)節(jié)以檢測期望的輸入信號(hào)。在第二種方式中，可調(diào)激光用于發(fā)送多個(gè)信號(hào)并通過應(yīng)用具有固定波長濾波器的接收機(jī)檢測期望的信號(hào)。在傳輸系統(tǒng)中，固定波長激光器和濾波器兩者也均能使用。這類濾波器的波長分隔能力需達(dá)幾十nm量級(jí)甚至小至1nm。而且，這些部件需要在使用環(huán)境中是穩(wěn)定的和非?？煽康?。
馬赫-策德爾濾波器，其狹帶波長性能是熟知的。已經(jīng)提出通過在兩個(gè)迅衰型耦合器(evanescent couplers)之間接入兩根長度不相等的光纖而形成具有通帶狹至1nm的濾波器。請(qǐng)參見光纖通信會(huì)議于1990年1月22日至26日舉行的小型討論會(huì)論文集256頁(由C.A.Brackett作的論文”致密WDM技術(shù)”的一部分)及P.E.Green的“光纖網(wǎng)絡(luò)”(Prentice Hall出版社1993，PP123)。


圖1表示常規(guī)馬赫-策德爾濾波器的示意圖。兩個(gè)耦合器C1和C2由光波導(dǎo)通路或光纖F1和F2連接。為簡便起見，通常討論光纖。對(duì)于這種常規(guī)馬赫-策德爾裝置，耦合器典型地是迅衰型耦合器且通常是3db耦合器，由此，提供給例如輸入端口2的光功率在耦合器C1的兩個(gè)輸出端口間被等分。馬赫-策德爾裝置也能應(yīng)用非迅衰的平面型耦合器，請(qǐng)參見S.I.Najafi的“玻璃集成光學(xué)導(dǎo)論”(Artech House出版社1992年，156-160頁)。對(duì)于某些類型的濾波器，一個(gè)或多個(gè)耦合器能不相等地分配輸入功率。一條光纖有光程差(OPLD)裝置以賦予它一個(gè)光程差使提供給耦合器C2的兩個(gè)輸入信號(hào)間有相移。相移能通過應(yīng)用具有不同長度或不同折射率分布的光纖，或通過把相移裝置插入波導(dǎo)通路之一而引起。
端口3處的功率輸出可寫成P＝COS2(π·△LP/λ)(1)式中△LP是連接二個(gè)耦合器的通路間的光程差(OPLD)。因而，該裝置響應(yīng)是波長倒數(shù)的周期函數(shù)，且其輸出功率譜類似圖2所示，如果△LP加倍，圖2中峰12間波長間隔將減半。
用于獲得一個(gè)OPLD的兩種常用技術(shù)是(1)提供具有不同長度的連接光纖F1和F2和/或(2)提供以不同速度傳播光的連接光纖F1和F2，通常通過提供具有不同纖芯的光纖來達(dá)到。對(duì)于情況(1)，即具有不同長度的相同光纖，等式(1)變成P＝COS2(π·n△L/λ)(2)式中n是光纖纖芯的折射率，而△L是在互連耦合器C1和C2的相移區(qū)中，光纖的長度差。光纖的光程可以通過加熱、變曲、延伸之類方法加以改變。用電光材料形成的平面型光波導(dǎo)通路的光程能通過施加于它的電場而改變。
對(duì)于具有不同纖芯折射率的連接光纖F1和F2的情況(2)，等式(1)變成P＝COS2(π·L·△n/λ)(3)式中L是在互連耦合器C1和C2的相移區(qū)中的光纖F1和F2的長度，△n正比于兩光纖纖芯之間折射率差且約等于f·n1(△2-△1);其中，△1和△2分別是光纖F1和F2的△1-2值。△1-2項(xiàng)是給定光纖的纖芯和包層間的相對(duì)折射率差且等于(n21-n22)/(2n21);其中n1和n2分別是光纖纖芯和包層的折射率，系數(shù)f是由于考慮到相移正比于所謂“有效折射率”這一事實(shí)，后者取決于光纖的△1-2值及纖芯直徑。等式(3)然后變成P＝COS2(π·L·f·n1(△2-△1)/λ)(4)式中，n1是纖芯折射率且如果纖芯直徑基本相等則f·n1值可近似取為1。對(duì)于單級(jí)馬赫-策德爾濾波器，等式4圖示于圖2，在該濾波器中，光纖F1的△1-2值是0.3%而光纖F2的△1-2值是1.0%，光程L(耦合器C1和C2間光纖F1和F2中每根的長度)是2cm。
在美國專利申請(qǐng)S.N.08/038，244和B.Malo等人的“非平衡不相似光纖馬赫-策德爾干擾儀作為濾波器的應(yīng)用“文中(電子學(xué)通信，1989年10月12日，25卷，No.21，1416-1417頁)揭示了一種馬赫-策德爾裝置，其中可通過應(yīng)用兩根相同長度但不同纖芯折射率的連接光纖F1和F2而獲得光程差。如果多重裝置如圖3所示依次級(jí)聯(lián)，則總響應(yīng)只是等式(1)、(3)或(4)中那些項(xiàng)的乘積。如果這些裝置之一的光程差選擇成為另一個(gè)的倍數(shù)，例如，如果OPLD-2是OPLD-1的倍數(shù)，則導(dǎo)致狹帶濾波器響應(yīng)。如圖4所示，隔一個(gè)峰被保持，介于峰間的波長實(shí)質(zhì)上被消除，圖4是對(duì)兩光纖、兩級(jí)馬赫-策德爾裝置(其中，△1是0.003，△2是0.01，L1是1cm和L2是2cm)算得的輸出功率圖。附加的馬赫-策德爾裝置的級(jí)聯(lián)增加了峰間的波長間隔。通過具有最大光程差的馬赫-策德爾裝置可控制峰的銳度。因而，較大的OPLD提供較尖銳的峰。峰間的距離是級(jí)聯(lián)的裝置數(shù)和每級(jí)中相對(duì)光程差的函數(shù)。與圖1所示裝置比較，由圖3所示裝置而得到的濾波特性的改進(jìn)，即，圖4所示濾波特性與圖2所示濾波特性比較而取得的改進(jìn)被認(rèn)為“細(xì)度”(finesse)，它定義為相鄰峰間的波長間隔與峰寬度的比值，當(dāng)級(jí)聯(lián)的馬赫-策德爾裝置數(shù)增加時(shí)，獲得較大的細(xì)度。
示于圖1和圖3類型的馬赫-策德爾濾波器是可調(diào)的。其峰通過改變OPLD而移動(dòng)，因而，這種裝置可用于調(diào)整到各種光波長就如無線電接收機(jī)被調(diào)諧至無線電波長那樣。
本發(fā)明的目的是提供一種比現(xiàn)有裝置呈現(xiàn)更大每級(jí)細(xì)度的馬赫-策德爾裝置。
簡言之，本發(fā)明涉及一種具有把一個(gè)輸入信號(hào)分成N個(gè)相等輸出信號(hào)的輸入耦合器裝置的馬赫-策德爾濾波器，其中N＞2。進(jìn)而，它提供一個(gè)用于把N個(gè)光信號(hào)合成為一個(gè)輸出信號(hào)的裝置。一個(gè)光波導(dǎo)通路把N個(gè)耦合器裝置的輸出的每一個(gè)連結(jié)到組合裝置。N個(gè)光波導(dǎo)通路中的每一個(gè)使穿過其中傳播的光經(jīng)受一個(gè)延遲，該延遲對(duì)于各個(gè)光波導(dǎo)通路各不相同。
圖1是馬赫-策德爾裝置的示意圖。
圖2是對(duì)于單級(jí)兩光纖的馬赫-策德爾濾波器計(jì)算得的輸出功率對(duì)于波長的曲線圖。
圖3是說明兩個(gè)級(jí)聯(lián)的兩光纖馬赫-策德爾裝置的示意圖。
圖4是對(duì)于圖3的馬赫-策德爾裝置，計(jì)算得的輸出功率對(duì)波長的曲線圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的馬赫-策德爾裝置的示意圖。
圖6是具有三根連接光纖的整體包覆的(monolithic overclad)馬赫-策德爾裝置的剖面圖。
圖7是耦合器預(yù)制件的部分剖面圖。
圖8是用于收縮裹緊(collapse)光纖上的毛細(xì)管及延伸該毛細(xì)管以形成耦合區(qū)的裝置的示意圖。
圖9和圖10是耦合器預(yù)制件的部分剖面圖。
圖11至15是對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施例計(jì)算得的輸出功率對(duì)于波長的曲線圖。
這些圖并不企圖表示于其中的部件的尺度或相對(duì)比例。
根據(jù)本發(fā)明的馬赫-策德爾裝置示意性地示于圖5。耦合器20具有至少一個(gè)輸入端口21和至少三個(gè)輸出端口22、23和24。耦合器20的功能是把輸入信號(hào)分成相等功率的N個(gè)輸出信號(hào)(N＞2)。耦合器28具有至少三個(gè)輸入端口29、30和31及至少一個(gè)輸出端口32。輸出端口22、23和24分別通過光波導(dǎo)通路25、26和27與輸入端口29、30和31分別連結(jié)，該光波導(dǎo)通路是光纖、平面型結(jié)構(gòu)之類。耦合器28用作組合來自耦合器20的N個(gè)輸出信號(hào)的組合裝置。連結(jié)波導(dǎo)的特性是使這些來自耦合器20的N個(gè)輸出信號(hào)被不相同地延遲，即，波導(dǎo)通路25、26和27中每一個(gè)具有不同的光程。如上所述，這可以通過應(yīng)用不同長度的光纖、使用相同長度但具有不同折射率分布的光纖或在至少一個(gè)光纖中插入光延遲裝置來達(dá)到。下面討論確定各種延遲間關(guān)系的方法。連接波導(dǎo)以三根連結(jié)光纖為例加以說明，也可使用四根或更多的這樣的光纖，以增加好處。耦合器20和28必須適于容納多根連結(jié)光纖。
耦合器20和28可以是熔合的雙錐形漸變式、外覆蓋(overclad)或平面型的迅衰型耦合器，或它們可以是在前面提到的尼杰費(fèi)(Najafi)文章中討論的非迅衰耦合器。在美國專利No.4902324，4983195和5017206中揭示了適用的外覆蓋耦合器。
本發(fā)明的馬赫-策德爾裝置有利地形成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)(圖6)，它包含通過相移區(qū)域44連接的外覆蓋耦合器41和42。該裝置是通過把光纖F1、F2、F3和F4插入基質(zhì)玻璃管(matrix glass)49的內(nèi)孔48中形成的耦合器預(yù)制件而構(gòu)成的。如圖7所示，光纖F1、F2和F3等間隔地圍繞光纖F4。每根光纖有一個(gè)由包層環(huán)繞的纖芯，該包層的折射率低于纖芯的折射率。光纖F1、F2和F3的纖芯可以分別具有不同折射率n1-1，n1-2，n1-3或這些光纖包層可分別具有不同折射率n2-1，n2-2和n2-3。最好是光纖纖芯具有不同折射率，因?yàn)槔w芯的折射率對(duì)于相移區(qū)域44中的傳播常數(shù)(也對(duì)經(jīng)光纖的傳播速度)有較大影響而對(duì)耦合區(qū)域的光纖傳播常數(shù)影響較小。通過使用具有不同纖芯直徑的光纖F1，F(xiàn)2和F3能獲得相同的效果。鄰近光纖的基質(zhì)玻璃管部分的折射率n3小于任一光纖包層的最低折射率?？稍诿恳欢税褍?nèi)孔做成漏斗狀(未示出)以便于插入光纖。
耦合器預(yù)制件可進(jìn)一步在圖8所示的拉絲裝置(draw apparatus)中處理。預(yù)制件61經(jīng)環(huán)形燃燒器64插入并夾持于安裝在由電動(dòng)機(jī)控制的移動(dòng)臺(tái)75和76上的拉伸夾具62和63上。光纖F穿過真空附件71和71′，該附件然后密封于預(yù)制件61未端。典型的真空附件在美國專利5011251中揭示，該專利在此援引為參考文獻(xiàn)。經(jīng)管道72把真空附件71抽成真空。一段薄橡膠管73的一端附于真空附件71與預(yù)制件61相對(duì)的一端;橡膠管的另一端在管子夾持裝置(未圖示)內(nèi)延伸。上方的真空附件71′相似地與管道72′，橡皮管73′和管子夾持裝置相關(guān)聯(lián)。光纖F的包覆部分自導(dǎo)管73和73′延伸，在管中a、b兩點(diǎn)間的光纖部分未被包覆。當(dāng)空氣壓力如箭頭74，74′所示被導(dǎo)向?qū)Ч?3和73′以相對(duì)于在其中延伸的光纖而夾緊導(dǎo)管時(shí)，內(nèi)孔48經(jīng)管道72和72′被抽成真空。
在一個(gè)實(shí)施例中，點(diǎn)a和b之間的管子部分起始被收縮裹緊到光纖上。在預(yù)制件固定至夾具62和63且管子內(nèi)孔被抽成真空后，則管子在近第一端53處加熱以使它在供熱區(qū)收縮裹緊。夾具62和63相對(duì)于燃燒器移動(dòng)預(yù)制件以向端54逐漸延伸裹緊區(qū)域，直到獲得期望的裹緊管(collapsed tube)長度。
在另一種方法中，可固定夾具62和63，而把燃燒器64安裝在由電機(jī)控制的移動(dòng)平臺(tái)65上。燃燒器64起始位于近端53處以使它收縮裹緊;臺(tái)65相對(duì)于預(yù)制件移動(dòng)燃燒器以向端54延伸裹緊區(qū)。
此后，通過加熱管子區(qū)域和以與被加熱區(qū)相反的方向移動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制的臺(tái)75和76以延伸加熱區(qū)而在接近管端53處形成耦合器41。管子延伸操作能按照美國專利5011251所述的實(shí)行。畫出的區(qū)域51具有一個(gè)恒定的直徑，雖然其中略有錐度，由此，區(qū)域51的縱向中央呈現(xiàn)最小直徑。從所周知，形成的耦合器的耦合特性由基質(zhì)玻璃49和光纖F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3和F4的光學(xué)和機(jī)械特性及耦合器參數(shù)諸如長度、收細(xì)(neckdown)形狀和漸變區(qū)域等所確定。
當(dāng)延伸管以形成原型耦合器時(shí)，光功率可耦合到一個(gè)輸入光纖且來自耦合器的輸出信號(hào)可被監(jiān)視以控制耦合器制造工藝中的工藝步驟。把原型耦合器開始拉長一段根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)所確定的距離。測量形成的裝置的光學(xué)特性，調(diào)節(jié)隨后制得的耦合器延伸或拉長的距離以更接近于獲得期望的特性。通過這樣的過程，可獲得最佳的延伸距離。
為了取得更好的濾濾器性能，耦合器41和42具有實(shí)質(zhì)上相同的耦合特性。因而最好通過使管的適當(dāng)區(qū)域以與用于形成第一個(gè)耦合器相同的延伸條件在近管端54處形成第二個(gè)耦合器42。
在應(yīng)用于本發(fā)明的外覆蓋和熔合雙錐形漸變耦合器中，功率應(yīng)從輸入光纖良好地耦合至輸出光纖，但輸出光纖應(yīng)實(shí)際上是彼此隔離的。參見圖7，圍繞光纖F1，F(xiàn)2和F3等間距圍繞中央光纖F4且與光纖F4接觸。因而每個(gè)圍繞光纖與光纖F4耦合良好但不耦合至鄰近的圍繞光纖。
一種增強(qiáng)鄰近圍繞光纖隔離度的方法在圖9中加以說明。圍繞光纖80和中心光纖81被插入管83的內(nèi)孔84中以形成預(yù)制件。每個(gè)光纖80或81包括一纖芯及包層。假光纖(dummy fiber)82設(shè)置于相鄰圍繞光纖間。該假光纖可以完全由玻璃例如含有摻雜物(如氟)的SiO2組成，該摻雜物用于減小相對(duì)于圍繞光纖80的包層的折射率。在形成的耦合器中，每個(gè)低折射率的假光纖形成一個(gè)玻璃區(qū)域，其功能是用作阻止相鄰圍繞光纖間耦合的阻擋層。這個(gè)玻璃區(qū)域可以具有與管83相同的折射率。
四個(gè)或更多的圍繞光纖87可以等間隔地設(shè)置在中央光纖88周圍，如圖10所示，圓柱形的內(nèi)管89備有一個(gè)容納光纖88的孔90。外管91有一個(gè)容納向內(nèi)突出、等距設(shè)置、縱向延伸的突起93的孔92。光纖87和假光纖94交替地設(shè)置在突起93之間。
低折射率阻擋層也可以通過在保持鄰近圍繞光纖間空隙的條件下拉伸耦合器而形成。例如，如果當(dāng)耦合器拉伸時(shí)，管89和91間的某些區(qū)域不收縮裹緊，則形成的空間將起鄰近圍繞光纖87間附加低折射率區(qū)域的功能。
雖然耦合器41和42可以是消色差或WDM型，如果使用消色差耦合器，馬赫-策德爾裝置將在寬波長范圍內(nèi)有用。多種技術(shù)可用于獲得消色差性。
根據(jù)美國專利申請(qǐng)SN913390“消色差外包覆光纖耦合器”(1992年7月15日遞交)，如果環(huán)繞耦合器區(qū)域的基質(zhì)玻璃體的折射率n3比n2低這樣一個(gè)值，使得△2-3小于0.125%(△2-3＝(n22-n23)/2n22)，則耦合器可制成消色差的。如果光纖包層具有不同折射率，最低的包層折射率被用于確定△2-3的值。
馬赫-策德爾濾波器只有一根光纖需要從裝置每端延伸。裝置形成后，從該裝置延伸的光纖的不需要的部分可以切斷。切斷端最好備有抗反射終端。根據(jù)美國專利4979972所述的技術(shù)，在形成耦合器預(yù)制件前，可在光纖F1，F(xiàn)2和F3的每一端形成抗反射終端，每個(gè)光纖可切成比毛細(xì)管長度稍長的長度，且它能完全剝離包覆材料。通過把火焰引至光纖端附近及拉并切斷受熱區(qū)的光纖可形成抗反射終端。加熱區(qū)域頂部由燃燒器火焰加熱使玻璃后縮且形成圓的端面，其直徑等于或稍小于原未包覆的光纖直徑?？狗瓷浣K端在光纖兩端形成后，它的長度稍短于毛細(xì)管。已經(jīng)被剝除其中心部分包層的光纖F4穿過基質(zhì)玻璃毛細(xì)管的孔、沿光纖F1、F2和F3的短區(qū)段插入。此后，如上所述，形成裝置。光纖F4的一端用作輸入端口，其另一端用作做成的裝置的輸出端口。
在示于圖5的馬赫-策德爾裝置中，如果裝置使用具有不同△1-2值的相等長度連接光纖，則相鄰峰間的波長間隔由最接近的纖芯的增量確定;或如果裝置應(yīng)用具有不同長度的連接光纖，則它由光纖間的最短長度差確定。較長的長度差和較大的空間增量給出譜的較高的頻率成分且確定峰的寬度。尤其，最大的纖芯增量間隔和最長的長度級(jí)確定峰的半寬度。
再次參見圖5，當(dāng)所有的功率從耦合器20的輸入波導(dǎo)被相等地耦合到其輸出波導(dǎo)時(shí)，獲得最佳濾波。耦合器28類似于耦合器20，但只有一個(gè)端口用作輸出端口，這種裝置的輸出端口32處呈現(xiàn)的輸出譜可由疊加波的場幅值獲得。如果裝置是這樣一種類型，其中相移區(qū)包含相等長度但不同折射率分布的光纖，則在輸出光纖中，N個(gè)這種波的場幅度是ε＝(1+Σ2｛COS[2π(△N-△1)L/λ]+sin[2π(△N-△1)L/λ]｝)/N(5)其中△值，L和λ如下所述確定。選擇相移區(qū)長度，最好不長于約2厘米以保持整個(gè)裝置小型及把熱效應(yīng)減至最小。為了便于制造，它應(yīng)至少0.5厘米長，如果相移區(qū)的長度位于最佳范圍0.5-2.0cm之外，該裝置顯然仍是可工作的。本申請(qǐng)確定峰的波長間隔，光纖F1可使用標(biāo)準(zhǔn)的電信光纖，由此，△1值已知。由于長度L，波長間隔和△1已知，則由等式(4)可求解△2?！鱥的值由下式給出△i＝△1+(i-1)(△2-△1)(6)例如，如果△1和△2分別是0.3%和1.0%，則△3計(jì)算得為1.7%。對(duì)于這一特定裝置，其中有三根連接光纖，N是3且△N是1.7%。
參見圖6和7，等式(5)中的△值分別是光纖F1，F(xiàn)2和F3的纖芯/包層增量△1，△2和△3。因?yàn)樵诠饫wF4相移區(qū)中無功率傳播，因此它的△值不是方程式(5)和(6)中的系數(shù)且可以方便地與其它光纖之一相同，例如可以是△1。
歸一化輸出由下式給出PF＝ε·ε＊(7)式中，ε和ε＊分別是電場和復(fù)共軛電場。為了進(jìn)一步討論馬赫一策德爾歸一化輸出，參見上面引用的“光纖網(wǎng)絡(luò)”第124頁。對(duì)兩根光纖的情況使用等式(5)，得到與等式(4)的簡單余弦表達(dá)式所預(yù)期的相同的譜。
等式(5)基于這樣的假設(shè)，即，基本上所有光從輸入光纖F4耦合至輸出光纖F1，F(xiàn)2和F3(圖6和7)。對(duì)耦合器41，耦合功率和波長間的關(guān)系示于圖11。曲線96表示由輸入光纖F4耦合出的功率。如果濾波器響應(yīng)曲線的中央峰(例如圖12的峰98)的中心位于波長λ，則曲線96的最大點(diǎn)λMAX應(yīng)是波長λ。曲線96的斜率應(yīng)使耦合的功率在有興趣的全部波長區(qū)域降低至不低于約90%。在這種情況下，有興趣的區(qū)域是大約70nm寬的波段B。用通常的耦合器容易達(dá)到這樣的斜率。
方程式(5)繪制于圖12，它顯示對(duì)于三根連接光纖，具有1.0cm長的相移區(qū)域的單級(jí)馬赫-策德爾濾波器，計(jì)算得的輸出功率對(duì)波長的曲線?！?、△2和△3的值分別是0.3%、1.0%和1.7%。波長間隔選為35nm。圖12說明當(dāng)與示于圖2的兩根連接光纖，單級(jí)裝置輸出比較時(shí)，在細(xì)度上有明顯的改進(jìn)。峰的寬度由提供最大延遲的連接光纖，即由具有最大△值的光纖確定。
圖13顯示對(duì)于三根連接光纖，具有上述△值和1.0cm和2.0cm長的相移區(qū)的兩級(jí)馬赫-策德爾濾波器，計(jì)算得的輸出功率對(duì)于波長的曲線。
圖14顯示對(duì)于四根連接光纖，單級(jí)馬赫-策德爾濾波器，計(jì)算得的輸出功率對(duì)于波長的曲線。連接光纖中的三根具有上面給定的△值，而第四根連接光纖的△4是0.024%，相移區(qū)域的長度是1cm。
圖15顯示對(duì)于四根連接光纖，雙級(jí)馬赫-策德爾濾波器，計(jì)算得的輸出功率對(duì)波長的曲線?！髦蹬c上例相同。相移區(qū)域長度是1cm和2cm。
在峰98(參見圖12)，濾波器的功率輸出與兩峰之間譜區(qū)域中輸出功率99之比稱為“反差比”。某些應(yīng)用要求比圖12的濾波器響應(yīng)曲線小的反差比。例如，希望保持圖12中區(qū)域99的峰間的功率為峰值功率的某一特定百分比，例如33%或50%。對(duì)于這樣的應(yīng)用，必須在圖6的耦合器41的輸入光纖F4中保持某些輸入功率。概言之，不是所有提供至圖5端口21的功率均耦合到端口23、24和25。等式(5)不能應(yīng)用于這樣的馬赫-策德爾濾波器;在等式(5)中必須要增加一些附加項(xiàng)以覆蓋這種類型的工作。函數(shù)將是類似的但反差比會(huì)改變。
耦合功率的減少不應(yīng)通過在遠(yuǎn)離最大耦合功率點(diǎn)λMAX、其耦合功率是足夠低的曲線96(圖11)的某一點(diǎn)處工作而獲得。更確切地，如果希望有X%(例如80%)的輸入功率自耦合器的輸入光纖被耦合，耦合器應(yīng)設(shè)計(jì)成具有如圖11曲線97所示的、在波長λMAX處具有X%耦合功率的譜耦合功率曲線97。如前面結(jié)合曲線96，97所討論的，耦合功率在波段B將只有相當(dāng)小的減少。
為了獲得自耦合器的輸入波導(dǎo)至輸出波導(dǎo)的小于100%的功率轉(zhuǎn)移，如曲線97所說明的，中心輸入光纖的包層或圍繞它的輸出光纖的包層(圖7)可包含如氯等的摻雜以改變其折射率。也可以通過使用用具有與中央光纖不同的包層直徑的圍繞光纖來獲得低于100%的功率轉(zhuǎn)移。無論何種情況，耦合區(qū)中，中央光纖的傳播常數(shù)不同于耦合區(qū)域中圍繞光纖的傳播常數(shù)。
如果光纖具有相同的折射率分布(相同的光傳播速度)，則必須應(yīng)用某些技術(shù)以對(duì)兩個(gè)耦合器間的連接區(qū)域中傳播的信號(hào)移相。例如，在該區(qū)域光纖可具有不同長度。對(duì)本實(shí)施例，在輸出光纖中N個(gè)疊加波的場振幅為ε＝(1+Σ2｛COS[2πn(Li-Li)/λ]+sin[2πn(Li-Li)/λ]｝)/N(8)式中n是光纖纖芯的折射率。相移區(qū)光纖長度參見圖5確定如下。最短光纖25的長度L1和次短光纖26的長度L2通過在兩個(gè)期望峰值所位于的相鄰波長上對(duì)△L解方程(2)而被最初選定。對(duì)每個(gè)波長獲得多個(gè)解。選擇對(duì)每個(gè)波長都是最短的△L值。這在馬赫-策德爾技術(shù)領(lǐng)域中是熟知的。其它任一光纖的Li值由下式給出Li＝L1+(i-1)(L2-L1)(9)在相移區(qū)，最長的連接光纖的長度LN確定峰的半寬度。
如圖11所證實(shí)的，按本發(fā)明所構(gòu)成的馬赫-策德爾裝置比以往的裝置每級(jí)呈現(xiàn)更大的細(xì)度。
通過在每一連接光纖25、26和27中包含調(diào)節(jié)相移裝置，可調(diào)節(jié)圖5的裝置。如果在一個(gè)通路中相移被調(diào)節(jié)，則剩余的所有(而不是一個(gè))通路的相移將都需調(diào)節(jié)以使相移保持上述關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種用于通過其波長譜中心位于波長λf附近的信號(hào)的馬赫-策德爾濾波器，其特征在于包括用于把一個(gè)輸入信號(hào)分成N個(gè)相等輸出信號(hào)的輸入耦合器裝置，其中N＞2；把N個(gè)光信號(hào)組合成一個(gè)單一輸出信號(hào)的組合裝置；用于把所述N個(gè)輸出連接至所述組合裝置的N個(gè)光波導(dǎo)通路，所述N個(gè)光波導(dǎo)的每一個(gè)使經(jīng)過其傳播的光經(jīng)受一個(gè)延遲，該延遲不同于經(jīng)過其它任一光波導(dǎo)所經(jīng)受的延遲。
2.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述波導(dǎo)通路具有不同長度，或具有相同長度和不同折射率分布，或具有相同長度和不同纖芯直徑。
3.如權(quán)利要求2所述的濾波器，其特征在于，所述每一個(gè)波導(dǎo)通路包括由折射率為n2的包層所圍繞的折射率為n1的纖芯區(qū)域，波導(dǎo)通路的纖芯和包層的折射率差有如下特征△＝(n21-n22)/(2n21)，第一通路和第二通路的△值分別是△1和△2，第i通路的△值△i滿足關(guān)系△i＝△1+(i-1)(△2-△1);或所有所述通路的△值相等且第一通路和第二通路的長度分別是L1和L2，則第i通路的長度Li滿足關(guān)系式Li＝L1+(i-1)(L2-L1)。
4.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述輸入耦合器裝置包括熔合光纖耦合器，其中輸入光纖被N個(gè)等間距輸出光纖所圍繞，所述輸入光纖和所述輸出光纖在耦合區(qū)是熔合在一起且是漸變的，其特性使在所述輸入光纖中傳播的波長為λ1的光實(shí)質(zhì)上完全耦合至所述輸出光纖。
5.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述輸入耦合器裝置包括熔合光纖耦合器，其中，一根輸入光纖由N根等間距的輸出光纖所圍繞，所述輸入光纖和所述輸出光纖在耦合區(qū)是熔合在一起且是漸變的，其特性使在該輸入光纖中傳播的波長為λf的光不完全耦合至所述輸出光纖。
6.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述輸入耦合器包括一熔合光纖耦合器，其中，一根輸入光纖由N根等間距輸出光纖圍繞，所述輸入光纖和所述輸出光纖是熔合在一起且在耦合區(qū)是漸變的，該耦合器包括防止相鄰所述輸出光纖間耦合的裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的濾波器，其特征在于，所述防止耦合的裝置包括其折射率低于所述光纖包層的玻璃區(qū)域。
8.如權(quán)利要求6所述的濾波器，其特征在于，所述防止耦合的裝置包括空氣隙。
9.一種用于通過其波長譜中心位于波長λf附近的信號(hào)的馬赫-策德爾濾波器，其特征在于，該濾波器包括一個(gè)基質(zhì)玻璃的拉長體;穿過該拉長體縱向延伸的至少第一、第二和第三不相似的光纖;在所述拉長體中的相移區(qū)，其中所有光纖具有不同傳播常數(shù)，由此，在所述相移區(qū)，光信號(hào)以不同速度經(jīng)所述光纖傳輸;在所述拉長體中，位于所述相移區(qū)相對(duì)端的兩個(gè)分隔開的耦合區(qū)，在該耦合區(qū)中的所述拉長體的直徑和所述光纖的直徑小于其在所述相移區(qū)的直徑。
10.如權(quán)利要求9所述的濾波器，其特征在于，所有光纖具有不同折射率分布。
全文摘要
一種馬赫-策德爾濾波器，包括一個(gè)把輸入信號(hào)等分成N個(gè)輸出信號(hào)的輸入耦合器，其中N＞2和一個(gè)把N個(gè)光信號(hào)組合成一個(gè)輸出信號(hào)的信號(hào)組合耦合器；它進(jìn)一步包括用于把來自輸入耦合器的N個(gè)輸出連接到信號(hào)組合耦合器的N根光波導(dǎo)光纖；N根光纖的每一根使經(jīng)過其間傳播的光經(jīng)受一個(gè)延遲，該延遲不同于經(jīng)過其它任一光纖而傳播的光所經(jīng)受的延遲。該馬赫-策德爾濾波器比以往的濾波器每級(jí)呈現(xiàn)更高的細(xì)度，細(xì)度是相鄰峰的波長間隔與峰寬度之比。
文檔編號(hào)H04B10/02GK1098506SQ9410422
公開日1995年2月8日 申請(qǐng)日期1994年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月29日
發(fā)明者威廉·J·米勒, 丹尼爾·A·諾蘭 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司