專利名稱：帶有被降低折射率的包層的光學(xué)波長濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學(xué)波長濾波器，尤其是涉及具有折射率被壓低的包層的無源和有源濾波器。
背景技術(shù)：
光學(xué)波導(dǎo)被設(shè)計以一種受控方式來引導(dǎo)在一個波長范圍內(nèi)包含各種模式和偏振態(tài)的光線。單模光纖是最普通的用于光線長距離傳輸?shù)牟▽?dǎo)，其它的波導(dǎo)，諸如擴散(diffused)波導(dǎo)、離子交換波導(dǎo)、帶狀加載(strip-loaded)波導(dǎo)、平面波導(dǎo)和聚合物波導(dǎo)被普遍用于短距離導(dǎo)光，特別是用來組合或分離不同波長的光線、在非線性光學(xué)材料中的混頻、調(diào)制光線和將許多功能和作用集成到一個小空間中。
其實，波導(dǎo)就是一種通常稱為光纖纖芯的高折射率材料浸沒在一種通常稱為包層的低折射率材料或結(jié)構(gòu)中，這樣，當(dāng)光線射入接收錐體內(nèi)的高折射率材料時，通常被限定通過它傳播。這是因為在高折射率材料和低折射率材料之間的界面處，光線受到全內(nèi)反射(TIR)而返回高折射率材料中。
在光纖包層方面的發(fā)展進一步導(dǎo)致了有源光纖元件的出現(xiàn)，如摻鉺放大器和光纖激光器。例如，已經(jīng)開發(fā)出一種光纖，它具有為“包層泵浦”而設(shè)計的截面，用來在單模光纖的有源纖芯中激發(fā)產(chǎn)生激光。這種光纖典型地具有一個纖芯、一個多模包層和一個最外包層。泵浦光被向內(nèi)耦合到多模包層中，并且當(dāng)其傳播時混入纖芯，這樣激發(fā)產(chǎn)生激光。不幸的是，一旦纖芯在所希望的發(fā)射波長上受激發(fā)射，由于受激拉曼散射，纖芯也能在所謂的“拉曼波長”產(chǎn)生不希望的信號，這種拉曼效應(yīng)使發(fā)射波長頻移至纖芯的第一斯托克斯波長，并且以高功率級別為主。因此，包層泵浦光纖激光器在所希望的輸出波長處的輸出功率受到限制。
當(dāng)介質(zhì)中的激活物質(zhì)具有隨所希望的波長一起受激的其他發(fā)射波長時會發(fā)生類似的問題。這一問題通常稱為放大自發(fā)發(fā)射(ASE)，由于在非期望波長的放大自發(fā)發(fā)射(ASE)光強輸出高得足以“淹沒”期望的頻率，可以妨礙激光器在期望波長的運轉(zhuǎn)。當(dāng)用釹光纖激光器工作時會遇到這種情況的例子，這種激光器具有雙包層環(huán)包的摻釹纖心，并且用釹原子在4F3/2到4I9/2能級之間的躍遷來產(chǎn)生大約900nm的光。不幸的是，900nm的躍遷是三能態(tài)型的，而釹原子有更高的可能性在大概1050～1070nm發(fā)射光，此處的躍遷是四能態(tài)型的。非期望的1050nm的光輕易超過微弱的900nm發(fā)射，使得光纖激光器或放大器對于大多數(shù)實際目的來說是無用的。
因此，可靠的光纖裝置(諸如光纖激光器，尤其是放大器)必須在非期望的長波長具有高損耗。在一個特例中，釹玻璃激光器或放大器要在900nm處發(fā)射或?qū)膺M行放大，必須在1050nm處獲得非常高的損耗。這是因為900nm的光非常弱(它偏離880nm的發(fā)射峰值20nm)，并且1050nm的發(fā)射截面大約10倍于900nm的發(fā)射截面。也就是說，900nm的光應(yīng)該放大約40分貝。不幸的是，隨著900nm的光被放大約40分貝，1050nm的光也被放大了約400分貝，這樣就完全超過了900nm的光。顯然，1050nm的光必須衰減約400分貝或更多以消除這個問題。
另外，一旦光纖激光器或放大器產(chǎn)生1千瓦的功率，即使只有毫微秒或更少，除拉曼散射之外的許多非線性作用開始干擾900nm有用光的產(chǎn)生。這些現(xiàn)象包括諸如布里淵散射、自相位調(diào)制以及通過光纖材料的第三階非線性磁化率χ(3)產(chǎn)生的一群另外的非線性光學(xué)混頻和共軛。這些效應(yīng)限制了用于這種光纖激光器和放大器的光纖長度。事實上，由于這些效應(yīng)，光纖的長度應(yīng)該在1米或更小的級別上，這意味著1050的光必須以大約400分貝/米的衰減率衰減。
鑒于上述原因，很明顯，人們希望以非常高的衰減率(400分貝/米或更高)從光纖激光器或放大器中選擇性地濾除非期望的波長。這對于諸如無源光纖、光纖激光器和光纖放大器這樣的無源和有源波導(dǎo)均是重要的。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，波導(dǎo)通常被設(shè)計通過諸如瞬逝波向外耦合(隧道效應(yīng))、散射、彎曲損耗和漏模損耗這樣的方法來防止入射光耦合出去。對這些方法的全面研究從諸如L.G.Cohen及其他著者的文獻中可以了解到，如“在具有降低的折射率包層的單模波導(dǎo)中的輻射漏模損耗”，量子電子學(xué)IEEE雜志第QE-18卷，1982年10月第10期，第1467-1472頁。在此篇文獻里，作者敘述了光在多復(fù)層波導(dǎo)中的傳播，這種波導(dǎo)設(shè)置有折射率不同的包層，也稱為雙包層波導(dǎo)。他們告訴我們，改變包層的截面形狀可以改善波導(dǎo)模的各種質(zhì)量參數(shù)，而同時又能維持低損耗。此外，他們還觀察到，折射率被壓低的包層在長波波長處會對基模產(chǎn)生高損耗。進而，他們確定，設(shè)有高折射率纖芯、低折射率內(nèi)包層和中間折射率外包層的W形光纖具有一個確定的基模截止波長，在這個波長之上纖芯的基模損耗逐步升級。這些損耗不產(chǎn)生非常高的衰減率，而事實上，作者研究了接近該截止波長時光纖的波導(dǎo)特性，提出了減少損耗的方法。
美國專利US 5,892,615和US 6,118,575告訴我們，使用與L.G.Cohen敘述的光纖即QC光纖相似的W形光纖來抑制非期望的頻率，這樣在包層泵浦激光器中獲得較高的輸出功率。如上所述，這樣的光纖自然會在長波長上漏光，并且比其它光纖對彎曲更敏感。事實上，彎曲時，曲率破壞了這種W或QC光纖通過全內(nèi)反射的導(dǎo)光性能。波長越長，穿出光纖纖芯的瞬逝場越深，光也越可能在這個波長從彎曲光纖的纖芯損耗掉。因此，可以將光纖彎曲，從而以每米幾百分貝的衰減率截止不希望的較低頻率(較長波長)，如拉曼散射波長。
不幸的是，定型光纖的彎曲不是獲得定義明確的截止損耗的可控和可再生的好方法。要獲得一個特殊的曲率，光纖必須被彎曲，例如，通過把光纖盤繞到一個具有合適半徑的卷軸上。不同時間制造的不同光纖在其折射率、截面形狀以及纖芯和包層的厚度上均呈現(xiàn)不同。因此，光纖合適的曲率半徑在各光纖之間是不同的。由此，這種獲得高衰減率的途徑在制造中是不實用的。
現(xiàn)有技術(shù)也告訴我們，設(shè)有復(fù)包層結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)用于偏振控制還不如應(yīng)力引起的雙折射。例如，美國專利US 5,056,888發(fā)明人Messerly等人告訴我們一種單模、單偏振光纖，設(shè)有大體呈橢圓形的W形狀，這一徑向形狀分布使人們能在給定波長分離光的正交偏振。該分離的發(fā)生是因為一束偏振光將漏出纖芯，而與之正交的偏振光不會漏出。另外，關(guān)于這一課題的內(nèi)容還可以在Stolen及其他作者的論文中被發(fā)現(xiàn)，該論文被發(fā)表在Electronics Letter雜志1988年第24卷第524-525頁上，題為“短W-隧道光纖偏振器”。在授予發(fā)明人Howard及其他發(fā)明人的美國專利US4,515,436和其他參考文獻中都可找到這樣的內(nèi)容介紹。不幸的是，這樣的光纖波導(dǎo)不能獲得必要的衰減率。
鑒于以上所述，提供一種可批量生產(chǎn)的波長濾波器，使該濾波器在長于期望波長的非期望波長處具有非常高的衰減率(如400分貝或更高)，在現(xiàn)有技術(shù)中是一種技術(shù)上的進步。這種波長濾波器可用于無源和有源光學(xué)波導(dǎo)，如無源光纖、光纖激光器和光纖放大器。而提供一個對濾波器性能的精確調(diào)整，而無需在波導(dǎo)和光纖生產(chǎn)完畢之后進行彎曲或其他加工和調(diào)整，是一各種特別受到歡迎的技術(shù)進步。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，本發(fā)明的主要目的是提供一種在某種意義上說是簡單、可靠和可再生的具有高損耗的波長濾波器的設(shè)計方法。這種方法可在較長波長提供一個呈現(xiàn)400分貝/米或更高的損耗的波長濾波器(即短通濾波器)，而不需要對波導(dǎo)或光纖進行彎曲或另外加工或調(diào)整。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠應(yīng)用于諸如無源光纖、光纖激光器和光纖放大器等無源和有源波導(dǎo)的波長濾波方法。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種適合非線性光學(xué)裝置的波長濾波方法和濾波器。
在閱讀了詳細(xì)說明之后，本發(fā)明的這些優(yōu)點和許多其他的優(yōu)點就會變得更加明顯。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為提供一種用于從第二波長λ2分離第一波長λ1的裝置和方法，在此，λ1＜λ2，該裝置具有一個纖芯，該纖芯呈一定的芯截面，并具有折射率n0，所述的纖芯被壓低包層(即具有被壓低的折射率n1的包層)所環(huán)包，所述的壓低包層具有壓低包層截面，并且其自身被第二包層所環(huán)包，所述的第二包層具有折射率n2和第二包層截面，所述的裝置這樣設(shè)計，在纖芯中傳播的光的基模在第二波長λ2處損耗或截止，這是通過選擇纖芯截面、壓低包層截面、第二包層截面以及折射率n0、n1、n2以產(chǎn)生基模截止波長λc來實現(xiàn)的，此處，λ1＜λc＜λ2。在實際應(yīng)用中，折射率n0、n1、n2是相應(yīng)截面上求得的平均值。
所述的纖芯和包層的截面可以是任意形狀，例如，它們可以呈現(xiàn)出相同的圓柱對稱性。但是，在某些實施例中，圓柱對稱性不合適，而選擇另外的對稱方式。例如，在一些實施例中，纖芯可以具有橢圓截面。
根據(jù)本發(fā)明，截面和折射率的選擇確定了基模截止波長λc以及由基模截止波長λc以上的波長引起的損耗。具體說來，這些選擇確定了在第二波長λ2處的光損耗。在一些實施例中是這樣進行選擇的，即在第二波長λ2處產(chǎn)生至少100分貝/米的損耗。在一些實施例中，對第二波長λ2需要非常高的損耗，截面和折射率可以這樣選擇，即在第二波長λ2處的損耗至少是400分貝/米。
截面和折射率的選擇定則是由麥克斯韋爾方程給出的。而更具體地說，它可以方便地選擇折射率，即(n22-n12)/(n02-n22)≥0.224]]>在另一個實施例中，也可以方便地選擇折射率，即(n22-n12)/(n02-n22)≤3]]>當(dāng)纖芯具有一個截面半徑r0而壓低包層具有一個外徑r1時，它也可以方便地選擇折射率，即r1r0≥1+(n02-n22)/(n12-n12)]]>所述的裝置可以有一個設(shè)置有針對第一波長λ1的光學(xué)有源材料的纖芯。例如，光學(xué)有源材料是非線性光學(xué)材料，即在λ1處增益介質(zhì)具有第一增益。在某些情況下，所述的裝置可以進一步設(shè)置對于增益介質(zhì)的光學(xué)反饋，由此在λ1產(chǎn)生激光發(fā)射。這種激光器可以進一步設(shè)置一個環(huán)包外包層的第二包層，泵浦源光學(xué)耦合到第二包層為纖芯提供泵浦光。如果沒有反饋，所述的裝置可以用作光學(xué)放大器在λ1對光進行放大。在另一個實施例中，所述的裝置用作接近λ1的寬帶放大自發(fā)發(fā)射光源。
無論該裝置被設(shè)置作激光器還是放大器，所述的纖芯在第二波長λ2常常有一個第二增益，在這種情況下，選擇纖芯的截面和折射率，使其在第二波長λ2產(chǎn)生的損耗至少與第二增益相等。最好是在波長λ2的損耗至少等于100分貝/米乃至400分貝/米或更高。
增益介質(zhì)至少可以有選自釹、鐿、鉺、銩、鈥中的一種稀土原素。例如，當(dāng)用鉺作增益介質(zhì)且該裝置在波長λ1起光學(xué)放大器作用時，截止波長λc可以設(shè)置在S-波帶的中間，或者靠近長波端。這一結(jié)構(gòu)對在遠(yuǎn)程通訊上的應(yīng)用尤為有用。
在某些實施例中，所述的纖芯設(shè)置有光學(xué)有源材料，它能在波長λ2產(chǎn)生光，也即在λ2具有第二增益。在某些情況下，光學(xué)有源材料還可能在第三波長λ3呈現(xiàn)第三增益，此處，λc＜λ3。在這種裝置中，λ2和λ3均被濾出所述的纖芯。例如，當(dāng)?shù)诙鲆嬗晒鈱W(xué)有源材料或增益介質(zhì)在λ2的受激發(fā)射引起，而第三增益由λ1處的光的受激拉曼散射引起時，就會遇到這種情況。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該裝置可以提供偏振選擇性。例如，在波長λ1處的光可能有一個第一偏振光和一個第二偏振光，所述的第一偏振光與所述的第二偏振光相互垂直正交。在該實施例中可以進一步多次調(diào)整橫截面和折射率，以便使得對于第一偏振光為λ1＜λc，而對于第二偏振光為λ1＞λc。換言之，波長λ1處的第一偏振光隨第二波長λ2一起被纖芯截止。在同一個或另外的實施例中，纖芯、壓低包層和外包層可以構(gòu)成偏振保持光纖。
本發(fā)明還提供了一種從第二波長λ2的光中分離第一波長λ1的光的方法，此處λ1＜λ2。這種方法的實施是通過對纖芯、壓低包層和第二包層的橫截面以及它們的折射率進行設(shè)計，確保在這些波長處，光的基模的基本截止波長λc呈現(xiàn)λ1＜λc＜λ2。通過適當(dāng)選擇橫截面和折射率，可以將λ2處的損耗調(diào)整至100分貝/米乃至400分貝/米或更高。
或者采用另一種方法，也就是第二包層可以被一個外包層所環(huán)包，并能夠與一個泵浦源光學(xué)耦合來引導(dǎo)激發(fā)纖芯中的增益介質(zhì)的泵浦光。當(dāng)這種方法被用于光纖放大器或光纖激光器時，對增益介質(zhì)具有反饋作用的這種方法具有特殊的優(yōu)點。
在那些情況下，一個在λ1處的光的特殊偏振必須隨λ2一起截止，該方法進一步提供對橫截面和/或折射率的調(diào)整方法。此外，在那些情況下，應(yīng)力能夠用于使所述的纖芯和/或壓低包層具有偏振選擇性。
本發(fā)明的詳細(xì)敘述和最佳實施例以及幾個可供選擇的實施例在下文中將結(jié)合參考附圖進行描述。


圖1是本發(fā)明的一種W-光纖的剖視圖和歸納出的折射率的分布圖圖2是對于參數(shù)ρ的不同值x作為比率s函數(shù)的特性曲線圖；圖3是摻釹玻璃的發(fā)射橫截面作為波長函數(shù)的特性曲線圖；圖4是對于不同的W-光纖損耗作為波長函數(shù)的特性曲線圖；圖5是一個具有用作光學(xué)濾波器的W-光纖的光學(xué)系統(tǒng)的軸視圖；圖6A是圖5的W-光纖的側(cè)視剖面圖；
圖6B-E是幾種應(yīng)用在本發(fā)明W-光纖的側(cè)視剖面圖；圖7A-B是W-光纖的第二包層的示范形狀的剖面圖；圖8是偏振選擇性W-光纖的剖面圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
首先回顧一下關(guān)于圖1的某些結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理能夠更好地理解本發(fā)明。圖1的剖視圖描述了一種裝置10，它是設(shè)置有纖芯12的光纖，纖芯12的截面呈圓柱形。一個與纖芯12有關(guān)的區(qū)域I分布在0≤r≤r0，如r軸上表示的曲線14。事實上，曲線14描述了裝背10的折射率分布，根據(jù)這一分布曲線，纖芯12在區(qū)域I(即從r＝0到r＝r0)具有平均折射率n0。理論上說，隨著半徑r和極角θ的變化，纖芯12內(nèi)的折射率最好是常數(shù)。這一理論分布曲線用點劃線A來表示。事實上，由于目前制造工藝的原因，區(qū)域I的折射率分布呈現(xiàn)出如曲線14所示的隨半徑的變化。然而，從本發(fā)明的目的來看，纖芯12沿半徑變化的折射率具有一個等于n0的平均值就足夠了。
纖芯12被壓低包層16所環(huán)包，壓低包層16的剖面也呈圓柱對稱。壓低包層16分布于r0≤r≤r1，并占據(jù)了區(qū)域II。壓低包層16依次被有圓柱對稱的第二包層18所環(huán)包。第二包層18占據(jù)一個分布于r≥r1的區(qū)域III。
從曲線14可明顯看出，壓低包層16被選擇具有比纖芯12的平均折射率n0和第二包層18的平均折射率n2更低的平均折射率n1。再說明一次，平均折射率值用點劃線A表示，而典型制造工藝獲得的實際折射率分布用曲線14表示。在光纖10中的陰影區(qū)域表示界面區(qū)域，在那里，折射率的值在區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III的平均值之間轉(zhuǎn)變。曲線14表示的折射率分布象字母W(從線A表示的理論分布來看更清楚)。因此，光纖10常稱為W-光纖或W形的光纖。再者，從本發(fā)明的目的來看，在與壓低包層16和第二包層18有關(guān)的區(qū)域II和區(qū)域III中，徑向變化的折射率具有平均值n0和n2就足夠了。值得注意的是，還可以提供一個環(huán)包第二包層18的外包層(未顯示)，該外包層為了下面所解釋的目的能夠?qū)⒈闷衷瘩詈系焦饫w中。
根據(jù)本發(fā)明，以曲線14表示的W-形分布被設(shè)計以保證第一波長λ1的光在纖芯12中通過全內(nèi)反射傳播。同時，長于λ1的第二波長λ2(λ1＜λ2)的光在纖芯12中以一個高的損耗或衰減率損耗或截止。說得更具體點，W-分布形狀被設(shè)計具有基模截止波長λc，這樣，在λ1的基模光保留在纖芯12中，而在λ2的基模光在短距離內(nèi)被損耗到第二包層18，如虛線B所示。這一目的是通過對W-分布形狀進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計來實現(xiàn)的，而不是采用彎曲光纖10或其它的機械調(diào)整方法。
W-光纖10的截止波長λc是這樣一個波長，在這個波長處，纖芯12中的基模(LP01模)從低損耗突然變?yōu)楦邠p耗，即在纖芯12中截止。截止波長λc被選擇在所要的波長λ1和不要的波長λ2之間，即λ1＜λc＜λ2。
原則上，為了確定W-光纖的截止波長λc，橫截面和折射率n0、n1和n2的選擇定則是從麥克斯韋爾方程中推導(dǎo)出來的。用弱引導(dǎo)近似法(當(dāng)纖芯12和包層16、18的折射率全部互相接近時，它是有效的)，麥克斯韋爾矢量方程可由標(biāo)量方程替代。標(biāo)量Ψ表示光纖中橫向電場的強度。更具體的信息請見例如G.Agrawal，《非線性光纖光學(xué)》(Acadenuc，圣地亞哥，1995)，D.Marcuse，《光的傳輸光學(xué)》(Van Nostrand，普林斯頓，1972)和D.Marcuse，《電介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)理論》(Academic，紐約，1974)。
為了方便起見，讓我們對以下參數(shù)進行定義u0=n02-n22]]>和u1=n22-n12---(1)]]>光纖內(nèi)的標(biāo)量場Ψ滿足一個波形方程，它的解是貝塞爾函數(shù)和修正的貝塞爾函數(shù)。對于光纖10支持的基模，在纖芯12內(nèi)是滿足Ψ＝J0(κr)，0≤r≤r0(區(qū)域I) (2)這里κ是一個待定的本征值，J0是零階貝塞爾函數(shù)。
在壓低包層16中，標(biāo)量場Ψ為Ψ＝AK0(βr)+BI0(βr)，r0≤r≤r1(區(qū)域II)(3)這里A和B是待定的常數(shù)，β2＝(u02+u12)(2π/λ)2-κ2，而K0和I0是修正的貝塞爾函數(shù)。這里的λ是光在真空中的波長。
在第二包層18中，我們得到Ψ＝CK0(γr)，r≥r1(區(qū)域III) (4)在此，C是另一個常數(shù)，而γ2＝u02(2π/λ)2-κ2。A，B，C和κ通過邊界條件得出，這就要求Ψ和它的一階導(dǎo)數(shù)在r0和r1處都是連續(xù)的。
可以證明，基模截止波長λc是γ＝0時的波長λ。(見例如Cohen等人的文章，IEEE J.《量子.電子》.OE-18(1982)第1467-1472頁)。
為另外的方便起見，讓我們對下列參數(shù)進行定義x=2πu0r0λc,ρ=u1/u0,s=r1/r0.(5)]]>現(xiàn)在，如果參數(shù)x被確定，就可以確定截止波長λc。由于參數(shù)x是以下方程的根，本行業(yè)技術(shù)人員能夠借助于公知的代數(shù)方法來確定ρJ0(x)K1(ρx)I1(ρsx)-ρJ0(x)I1(ρx)K1(ρsx)-J1(x)K1(ρsx)I0(ρx)-J1(x)I1(ρsx)K0(ρx)＝0。
(6)方程(6)的一些解在圖2中用曲線表示，圖中可以看到，對于參數(shù)ρ的不同值，x與比率s的函數(shù)曲線。
關(guān)于參數(shù)x有三點需要注意。
第一，并非所有的s和ρ值都存在x，例如，ρ＝1和s≤2]]>時，就沒有x會滿足方程(6)。這意味著在這種狀態(tài)下，所有波長均被導(dǎo)入纖芯12。方程(6)有解的判據(jù)是s2≥1+1/ρ2(7)第二，在實際應(yīng)用中x不能太小。這是因為，根據(jù)方程(5)，參數(shù)x與纖芯12的半徑r0成比例。而這個半徑必須大的足以使光易于耦合入纖芯12和耦合出纖芯12。(較小的纖芯12還會使非線性效應(yīng)增強，這通常是一個缺點)。纖芯12的半徑r0最好為2μm或更大。u0和λc的典型值分別為0.1和1μm。因此，由于x＝2πu0r0/λc最好是x≥1，則意味著ρ≥0.224，或者用折射率表示成(n22-n12)/(n02-n22)≥0.224.]]>第三，從圖2中可明顯看出，對于較大的s值，x值僅僅微弱的取決于s。由于制造缺陷產(chǎn)生的s值的誤差對截止波長λc的數(shù)值影響較小，這樣，有一個在此參數(shù)空間區(qū)域內(nèi)的光纖就是一個優(yōu)點。因此，使用該定則s≥1+1/ρ非常方便，或者表示為折射率r1r0≥1+(n02-n22)/(n22-n12)---(8)]]>纖芯12、壓低包層16和外包層18的橫截面和折射率的選擇是通過在上述定則中設(shè)定合適的基模截止波長λc來完成的。首先，選擇λc，使λ1＜λc＜λ2，然后對u0和r0選擇合適的值。在上述選擇的基礎(chǔ)上，從方程(5)中算出x，合適的值是x≥1，(否則可以調(diào)整前面的選擇)。然后，可以從方程(6)中得到合適的ρ值和s值。期望的λc能得出一組ρ值和s值。典型的，所有的ρ值均大于0.224。此外，方程(8)的定則被用于進一步縮小合適的ρ值和s值的范圍。
總之，ρ值和s值有一個附加的限制，即它們必須進行選擇，使光纖10的纖芯12在我們所不希望的波長λ2上有一個足夠大的損耗，例如100分貝/米乃至400分貝/米或更高。為了求出波長λ2的損耗，需要光在波長λ＞λc時的光纖模式。
方程(2)、(3)和(4)確定了λ＜λc時的基模。當(dāng)λ＞λc時，在第二包層18中的函數(shù)Ψ是振蕩的，而不是呈指數(shù)衰減。因此，當(dāng)λ＞λc時，方程(4)由下式替代Ψ＝CJ0(qr)+DN0(qr)，r≥r1(區(qū)域III)(9)在此，N0(也被稱為Y0)是零階紐曼函數(shù)，q2＝κ2-u02(2π/λ)2，而C和D是待定常數(shù)。關(guān)于λ＞λc時的光纖模式，要注意兩條關(guān)鍵之處。
第一，存在五個未知數(shù)(A、B、C、D和κ)和四個邊界條件(Ψ和dΨ/dr在r0和r1處具有連續(xù)性)。該方程是開放式的，κ值可以選擇0和(2π/λ) 之間的任意值。這樣，對應(yīng)于κ可能有的連續(xù)值，在λ＞λc的每一處都存在狀態(tài)的連續(xù)性。這種情況完全不同于λ＜λc的情況，在那里有四個未知數(shù)被四個邊界條件所固定，導(dǎo)致了是在每一λ處具有唯一值的獨立的本征值。
第二，方程(2)、(3)和(9)確定的模式是W光纖的本征模，然而，這些模式不同于物理上認(rèn)識的情況。結(jié)果是方程(9)包含有入射光波和出射光波，而實際上僅呈現(xiàn)出射光波(原先在纖芯12中傳播的波長為λ2的光輻射出了纖芯)。
盡管如此，方程(2)、(3)和(9)的模式仍可用來對大于λc的波長處的損耗進行估算。首先，對于給出的波長λ，求出一個κ值，使C2+D2為最小值，這對應(yīng)于纖芯內(nèi)最長壽命的模式。(可以通過在光纖中對于標(biāo)量Ψ的波方程和勢井中對于粒子的量子力學(xué)方程之間進行類推，然后可借用量子力學(xué)的結(jié)果。見例如David Bohm《量子理論》，多佛，1989年，第12章，第14-22。)其次，一旦以上述方法求得κ，從方程(9)中可以計算出輸出光波。這些輸出光波給出了一個從纖芯12進入第二包層18的損耗的合理估算，即使此時未出現(xiàn)入射光波。這些輸出光波會引起在纖芯12中傳播的波長在λ＞λc的光束沿光纖的長度方向被衰減。如果該光束具有功率P，那么，功率P沿光纖隨距離z的變化由下述方程表示dPdz=-ΛP---(10)]]>系數(shù)Λ給出的損耗是近似為Λ=λ4π2n0-C2+D2∫0r0rdrΨ*Ψ---(11)]]>具有單位m-1的損耗Λ能夠轉(zhuǎn)換為以分貝/米為單位的損耗β，其關(guān)系式為β＝log10(e)·Λ(12)這里，術(shù)語“損耗”指的是漏出纖芯12進入第二包層18的輻射。事實上，如果該輻射保留在第二包層18中，它可能不是來自光纖10自身的真實損耗。在某些情況下，這是足夠了。如果必要，在另一些情況下，第二包層18的光可以被向外耦合出去。
依照本發(fā)明制造的光纖10可以用于濾出波長λ2，通過對一個具體例子的研究，我們對這一方法會有清楚的理解。為此目的，圖3顯示了一個摻釹玻璃(即釹玻璃)的發(fā)射截面的特性曲線，它是出現(xiàn)在纖芯12中的波長的函數(shù)。保留在纖芯12中的所希望的波長λ1大約是880nm，而從纖芯12中截止的不希望的波長λ2大約為1050m。實際上，波長λ1的首選值為900nm，因為它所要求的獲得凈增益的泵浦光強較小。然而，在900nm處的發(fā)射光強較低，并且存在一個峰值在1050nm附近的競爭躍遷。如背景技術(shù)部分討論過的，釹玻璃顯示它具有優(yōu)先在1050nm而不是在900nm發(fā)射光的趨勢。因此，希望在1050nm處具有約400分貝/米或更高的損耗，而(泵浦時)在900nm處具有40分貝/米的增益。
圖4表示一個對不同的參數(shù)ρ和s，損耗相對于波長的特性曲線。每一種情況的基模截止波長均為940nm，與λ1＜λc＜λ2的要求一致。這個要求是在1050nm的損耗至少為大約400分貝/米，而在900nm的損耗為零。參見圖4可見，要滿足這些要求，以及使方程(7)的不等式s≥1+1/ρ，參數(shù)ρ必須小于或等于近似3，或用折射率表示(n22-n12)/(n02-n22)≤3.]]>在本例中，由ρ＝1和s＝2給出了高于400分貝/米的損耗。
另一計算損耗的方法包括對W光纖10的漏出基模的復(fù)傳播常數(shù)的計算。漏模的問題在例如D.Marcuse的文章中被討論，《電介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)的理論》Academic，紐約，1974年，第1章。損耗與漏模的復(fù)傳播常數(shù)的虛部有關(guān)。復(fù)傳播常數(shù)，或者其等同物(指復(fù)有效折射率)可以用有商業(yè)價值的軟件來計算，例如，它可以從位于加拿大Nepean的光波公司獲得。
在某些情況下，對一個給定的W光纖模式，最好采用數(shù)字解法而不是使用上述的貝塞爾函數(shù)逼近法。因為真實的光纖沒有如圖1中點劃線A所表示的理想的階梯形折射率形狀，而是如曲線14所示的折射率形狀那樣與理想狀態(tài)是有偏差的。實際上，現(xiàn)在最普通的單模光纖的制造方法包括MOCVD工藝，它典型地在纖芯的中央留下一個折射率的下降?？紤]到作為半徑函數(shù)的折射率的實際變化，數(shù)值解法可以比上述方法更方便。這樣的數(shù)值計算可以再一次給出截止波長λc和作為光纖參數(shù)函數(shù)的光纖損耗，這些參數(shù)包括橫截面和折射率，允許光纖10被設(shè)計來呈現(xiàn)出所希望的特性。
當(dāng)方程(11)被用于估算損耗時，由于實際的折射率作為半徑的函數(shù)會稍有變化，折射率n0、n1和n2一般是平均折射率。
折射率n不必徑向?qū)ΨQ。如果光纖10的橫截面用極坐標(biāo)r和θ來表示(如圖1所示)，折射率將取決于角度θ以及半徑r。從而，n＝n(r，θ)。這樣的一種非對稱光纖可能對諸如偏振的保持來說是所希望的。
這里是光纖具有截止波長λc的必要條件。令R為一個足夠大的半徑，在半徑R處的折射率是實質(zhì)性地趨近于n2的值。那么，如果(見B.Simon，Ann《物理學(xué)》97(1976年)，第279頁)∫02πdθ∫0Rrdr(n2(r,θ)-n22)≤0---(13)]]>則光纖10具有截止波長λc。
注意圖1給出的形狀，方程(13)變成πr02u02-π(r12-r02)u12≤0， (14)這是與上述方程(7)等同的。截止波長λc是最大的波長，其在區(qū)域I定域有一個本征模。在截止波長以上的波長處的損耗可以通過以下幾種方式來確定(i)解出一個未被定域但包含入射光波和出射光波的模式，(ii)對每個波長找出具有最小輸出光強的模式，并且(iii)用該輸出光強來估算損耗。如上述所討論的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也能用另外的方法來計算損耗。
總的來說，具有所希望的截止波長λc和損耗的光纖10可以通過調(diào)整n(r，θ)的形狀來設(shè)計，這相當(dāng)于調(diào)整纖芯12、壓低包層16和第二包層18的橫截面和折射率。
上述討論的發(fā)明原理可以被用于制作圖1中描述的那種W光纖。本發(fā)明的W光纖可以應(yīng)用于光學(xué)濾波器(短通濾波器)，光學(xué)放大器，激光器或非線性光學(xué)開關(guān)。
諸如特種玻璃、光纖布拉格光陣列路由器和分光鏡之類的光學(xué)濾波器，常用于在光學(xué)部件中傳播一個波長而對其它波長進行衰減和偏轉(zhuǎn)。圖5是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)20的軸視圖，它設(shè)置有一個作為光學(xué)濾波器的W光纖，用于傳輸?shù)谝徊ㄩLλ1和衰減所不希望的較長的第二波長λ2。裝置20是無源的，因為纖芯24不包含任何光學(xué)有源材料，并且在光纖22中，無論是λ1還是λ2均沒有增益。
光學(xué)系統(tǒng)20具有一具光源26，它發(fā)送包含的第一波長λ1和第二波長λ2的光28，第二波長λ2要以高損耗(即在短距離L內(nèi))濾出。一個光學(xué)耦合器30(這里是一個透鏡)，被用來將光28向內(nèi)耦合到W光纖22的纖芯24中。
光纖22具有被壓低包層32環(huán)包的纖芯24，并且具有環(huán)包壓低包層32的第二包層34。一個外套36被提供用來保護光纖22免受外界干擾。纖芯24和包層32、34的橫截面均為圓柱對稱。光纖22的參數(shù)分別用纖芯24和包層32、34的折射率n0、n1、n2和半徑r0、r1來表示。根據(jù)本發(fā)明，選擇這些參數(shù)用以在波長λ1到λ2之間的合適間隔內(nèi)產(chǎn)生纖芯24中的基模截止波長λc，并且在波長λ2產(chǎn)生所希望的損耗。因此，在通過光纖22傳播一段距離L之后，大部分波長為λ2的光被纖芯24截止，并傳遞到第二包層34，如圖所示。在這個實施例中，波長λ2的損耗為100分貝/米或更小就足夠了。為了更好地形象化理解，圖6A顯示了一個圖5所示的光學(xué)系統(tǒng)20的W光纖22的剖面?zhèn)纫晥D。
如圖6B中側(cè)剖圖所示的一個實施例，具有纖芯40、壓低包層42和第二包層44的W光纖38被設(shè)計用作光學(xué)放大器。光纖38的纖芯40具有一個光學(xué)有源材料46(諸如一種合適的增益介質(zhì))。例如，增益介質(zhì)46可以是一種稀土元素，即釹、鐿、鉺、銩、鈥或這些元素的組合物，用來在第一波長λ1產(chǎn)生第一增益，為的是對其進行放大。如圖6B所示，波長為λ1的光被耦合進入W光纖38的纖芯40。泵浦光(未顯示)被耦合進入纖芯40去激勵光學(xué)有源材料46。纖芯40內(nèi)的光學(xué)有源材料46由于非線性散射(如受激拉曼散射)的作用，在不希望的波長λ2上還呈現(xiàn)出一個第二增益，這里，λ1＜λ2。由于只有λ1的光要放大，因而由于在λ2的增益產(chǎn)生的光是不希望的。這樣，根據(jù)本發(fā)明，選擇光纖38的參數(shù)，在纖芯40內(nèi)產(chǎn)生一個介于λ1和λ2之間的基模截止波長λc(即λ1＜λc＜λ2)，并在λ2產(chǎn)生一個所希望的損耗。在該實施例中，100分貝/米或更高的損耗是我們所希望的。
圖6C顯示了一個本發(fā)明的設(shè)置有纖芯52、壓低包層54和第二包層56的W光纖50。另外，具有折射率n3的外包層58環(huán)包第二包層56，在此，n3＜n2。選擇光纖50的參數(shù)以產(chǎn)生一個基模截止波長λc，并且有λ1＜λc＜λ2。波長為λ3的泵浦光被向內(nèi)耦合穿過第二包層56進入光纖50。波長為λ3的光被用于對纖芯52中的波長為λ1的光進行激勵發(fā)射。典型的情況是λ3＜λc，以便有效地內(nèi)耦合進入纖芯52或混入纖芯52。
纖芯52包含有一種稀土增益材料60，它在所希望的波長λ1呈現(xiàn)第一增益，而在不希望的第二波長λ2呈現(xiàn)第二增益。這樣，根據(jù)本發(fā)明，光纖50要被設(shè)計在λ2具有一個損耗，它大到足以使由于材料60的稀土原子引起的λ2的增益不會壓過λ1的信號。特殊情況下，最好在λ2的損耗大于或等于在λ2的增益。在某些情況下，在λ2的損耗要求大于或等于100分貝/米。在一些情況下會要求非常高的損耗，在λ2的損耗要求大于或等于400分貝/米。光纖50可被用作波長為λ1的光的有效光學(xué)放大器。
事實上，圖6C的光學(xué)放大器50可以被容易地轉(zhuǎn)變成光纖激光器，如圖6E所示。因為這個目的，一個光學(xué)反饋元件53(這里用的是反射鏡)被提供用對纖芯54中的增益介質(zhì)60提供光學(xué)反饋。本技術(shù)領(lǐng)域公知的別的反射鏡和別的反饋元件可被用來在光纖50中在增益介質(zhì)60的周圍設(shè)置一個合適的諧振腔。
在圖7A-B中描述了光纖50的兩個可供選擇的橫截面。在這些實施例中，第二包層56具有一個非圓截面，用以保證波長為λ3的光被有效地導(dǎo)引混入纖芯52。在這兩個例子中，第二包層56有一個花的形狀和一個不規(guī)則的多邊形。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認(rèn)識到，用其它的形狀也可以實現(xiàn)這個目的。另外，在圖7B中，纖芯52和壓低包層54的橫截面不呈現(xiàn)圓柱對稱。如現(xiàn)有技術(shù)中公知的，應(yīng)用應(yīng)力或合適的制造技術(shù)，可以被用來獲得這樣的橫截面。這些橫截面對于提供光纖50的偏振選擇性是有用的。
以下是描述光纖50作為光學(xué)放大器的一些特別應(yīng)用的幾個例子。
例1摻釹光纖放大器。
該放大器包含W光纖，它具有如上所述的纖芯、壓低包層和第二包層。用釹離子摻入纖芯(例如，按照每立方厘米1020個離子的數(shù)量級)，而第二包層被外包層所環(huán)包，外包層具有折射率n3，在此，n3＜n2。第二包層被用于導(dǎo)引激勵釹原子的泵浦光。典型的第二包層具有一個在40μm到80μm之間的平均直徑。
第二包層被光學(xué)耦合到具有808nm上下波長的激光二極管。在纖芯中，發(fā)自這些激光二極管的光在900nm附近和1050nm附近均產(chǎn)生增益。900nm的光被射入纖芯并被放大。由釹原子的四能態(tài)躍遷產(chǎn)生1050nm的光，而這是所不希望的。舉例說，被放大的光具有一個914nm的波長，它對應(yīng)于發(fā)自激光器的光，該激光器包括一個摻釹釩酸釔晶體。
這樣，在這個例子中，λ1＝914nm而λ2＝1050nm。折射率n0、n1和n2以及半徑r0和r1被選擇在λ1和λ2之間給出一個截止波長λc。再舉一個例子，r0＝3μm，r1＝6μm。第二包層是具有折射率n2＝1.458的熔氧化硅。外包層是一種聚合物包層。纖芯的特點是具有n0-n2＝0.0022，而壓低包層具有折射率n1，它由n2-n1＝0.0022給出。依照ρ≈1和s＝2，從方程(6)得出，對應(yīng)于截止波長λc＝975nm，x＝1.549。在λ2的損耗約為1400分貝/米。
例2摻鐿光纖放大器。
本例類似于例1所述的摻釹光纖放大器。第二包層再次成為泵浦包層。纖芯摻有鐿原子。當(dāng)用920nm的光泵浦時，鐿會在980nm和1050nm附近同時呈現(xiàn)增益。在本例中，λ1＝980nm，λ2＝1050nm。如前面解釋的那樣調(diào)整W光纖的參數(shù)，給出一個在980nm和1050nm之間的截止波長λc，在1050nm具有合適的損耗。
圖6D顯示了一個W光纖70，它被用作一個應(yīng)用拉曼效應(yīng)的光學(xué)放大器。波長為λ0和λ1的光被耦合到W光纖70的纖芯72中。纖芯72包含有光學(xué)有源材料74。在這種情況下，光學(xué)有源材料74是光纖70本身的二氧化硅。纖芯72進一步被壓低包層74和第二包層78所環(huán)包。
在拉曼散射過程中，波長為λ0的光子被吸收，而同時波長為λ1的光子被發(fā)射。入射光子和出射光子之間的能量差超過了分子振動激發(fā)值。拉曼作用有一個增益，它意味著拉曼效應(yīng)發(fā)生的可能性是與波長為λ0的入射光強和發(fā)射波長為λ1的光強成比例的。一個光纖拉曼放大器利用了玻璃中拉曼效應(yīng)的優(yōu)點，在那里，由拉曼效應(yīng)引起的能量轉(zhuǎn)換典型的約為440cm-1。波長為λ0的泵浦光和波長為λ1的信號光在光纖70中傳播，在那里，泵浦光子具有大于信號光子大約440cm-1的能量。然后，拉曼效應(yīng)將波長為λ0的泵浦光轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柟?，因此而放大波長為λ1的光。
然而，信號光本身可以因拉曼效應(yīng)而進一步降級為λ2，在此，λ1和λ2之間的能量差再次接近于440cm-1。因此，拉曼放大器在λ1和λ2上均有增益，但在λ2上的增益是我們所不希望的。因此，選擇W光纖70的參數(shù)，在λ1和λ2之間產(chǎn)生截止波長λc，使其在λ2有足夠大的損耗以防止波長為λ1的信號光明顯降級。λ2的損耗最好大于或等于λ2的拉曼增益。
例如，作為一個在光纖70中傳播的峰值功率為1千瓦的脈沖信號，當(dāng)纖芯72具有35μm2的纖芯面積時，在λ2的增益大約是13分貝/米。因此，W光纖70在λ2的損耗最好大于或等于13分貝/米。然而，這樣大的損耗不總是必需的，因為波長為λ2的光必須由自發(fā)發(fā)射來建立。波長為λ2的光在達到所謂的“拉曼臨界值”之前，可以被放大7個數(shù)量級，或70分貝，此后波長為λ1的光被迅速轉(zhuǎn)換成波長為λ2的光。這樣，只要始終未達到拉曼閾值，W光纖具有一個小于拉曼增益的損耗是可以接受的。
可供選擇的方案還有，一種包層泵浦光纖放大器，它有一個如以上例1和例2所描述的摻有稀土元素的纖芯，它可以用一種類似于圖6D的例子的方式來抑制不希望的拉曼增益。這種抑制在具有高峰值功率的放大器中是尤其所希望的，因為否則的話信號光(波長為λ1)會由于拉曼效應(yīng)不小心轉(zhuǎn)換為別的波長。
圖1中的W光纖也可用于非線性光學(xué)開關(guān)。許多光纖光學(xué)開關(guān)依賴于光纖折射率的光強相關(guān)性。折射率給信號光一個光強相關(guān)的相位，然后用一個公知技術(shù)的合適的結(jié)構(gòu)(例如馬赫-曾德爾干涉儀)，將信號光對準(zhǔn)若干個輸出端口之一。由干涉條件來確定信號光對準(zhǔn)的輸出端口，它取決于外加的相位。該相位可以僅由信號光強引起，或者可以由與信號光共同傳輸?shù)牡诙馐墓鈴娨?。然而，光強對于改變折射率足夠高時，它也高得足以允許拉曼轉(zhuǎn)換的發(fā)生。事實就是這樣，波長為λ1的光在光纖中傳播，該光纖在λ1沒有增益，但是由于拉曼效應(yīng)的原因在λ2具有增益。因此，W光纖的參數(shù)被選擇在λ1和λ2之間產(chǎn)生截止波長λc，并使λ2的損耗足夠大，以抑制如上所述的拉曼效應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，還有另一個可供選擇的W光纖80的橫截面在圖8中被描述。在此，為了具有偏振選擇性，纖芯82是橢圓形的。纖芯82被壓低包層84和第二包層86所環(huán)包。在這個實施例中，第一波長λ1的光具有第一偏振光p和垂直于第一偏振光的第二偏振光s。因為纖芯82和包層84、86的橫截面全部不呈現(xiàn)圓柱對稱，可以用上述的設(shè)計原理進行設(shè)計，使得沿s偏振光和p偏振光的軸向上的截止波長λc是各不相同的。此時能夠方便地調(diào)整光纖80，使得對于p偏振光λ1＜λc，而對于s偏振光λ1＞λc。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會明白，包層84、86的橫截面也可以被選擇成非圓柱形以幫助這一過程。還有折射率的形狀也可以作為極角θ的函數(shù)變化，以進一步幫助這一偏振選擇過程。事實上，本發(fā)明的W光纖可以用于偏振保持光纖，即對光纖適當(dāng)施加應(yīng)力以使其具有偏振選擇性。
本發(fā)明的W光纖可以為遠(yuǎn)程通訊的目的用作短通濾波器、放大器或激光器。例如，W光纖可以在S-波段用作一個光纖放大器，并且使用鉺作為增益介質(zhì)。在這種應(yīng)用上，要產(chǎn)生的所希望的波長可能是1520nm，而要濾除的不希望的波長可能是1530nm。為了實現(xiàn)這一點，設(shè)計W光纖，使之在S-波段(例如在1525和1530nm之間)具有基模截止波長。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的具有W分布形狀的光纖能夠在纖芯中使用各種光學(xué)有源材料。這樣的有源材料包括摻稀土元素的玻璃或只是用于制造光纖的二氧化硅。還可以使用現(xiàn)有技術(shù)中的其它材料或摻雜物以及其它呈現(xiàn)各種非線性磁化率的非線性材料。
本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都清楚，上述的實施例可以不離開本發(fā)明的范圍按許多種方法作改變。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該按以下的權(quán)利要求和法律上的等同替代物來被確定。
權(quán)利要求
1.一種用于將第一波長λ1的光從第二波長λ2的光中分離的裝置。在此λ1＜λ2，所述的裝置包括a)一種纖芯，它具有一個纖芯橫截面和折射率n0，所述的纖芯包含有一種在第一波長λ1具有第一增益的光學(xué)有源材料；b)一個環(huán)包所述的纖芯的壓低包層，所述的壓低包層具有一個壓低包層橫截面和折射率n1；和c)一個環(huán)包所述的壓低包層的第二包層，所述的第二包層具有一個第二包層橫截面和折射率n2；其特征在于，所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇用來產(chǎn)生一個基模截止波長λc，這里，λ1＜λc＜λ2。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面和所述的第二包層橫截面具有圓柱對稱性。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生一個至少100分貝/米的損耗。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇使其在所述的第二波長λ2的損耗至少為400分貝/米。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于(n22-n12)/(n02-n22)≥0.224]]>
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于(n22-n12)/(n02-n22)≤3]]>
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的纖芯橫截面具有半徑r0，所述的壓低包層橫截面具有外半徑r1，并且其特征在于r1r0≥1+(n02-n22)/(n22-n12)]]>
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料在所述的第二波長λ2具有第二增益，所述的第二增益是由受激拉曼散射引起的。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料是一種在所述的第一波長λ1具有第一增益的增益介質(zhì)，而所述的裝置進一步包含有對所述的增益介質(zhì)的光學(xué)反饋，即所述的裝置包含有一個在所述的第一波長λ1的激光發(fā)射。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2產(chǎn)生第二增益，而所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生一個至少等于所述的第二增益的損耗。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2產(chǎn)生第二增益，而所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生一個至少100分貝/米的損耗。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料是一種對所述的第一波長λ1的光進行放大的增益介質(zhì)，即，所述的裝置包含有一個光學(xué)放大器。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2具有第二增益，而所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生一個至少等于第二增益的損耗。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2具有第二增益，所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生一個至少100分貝/米的損耗。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料包括一種非線性光學(xué)材料。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料包括至少一種選自釹、鐿、鉺、銩和鈥中的稀土元素，以便在所述的第一波長λ1產(chǎn)生增益。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料包括鉺，所述的裝置是一種光學(xué)放大器，并且所述的截止波長λc大體上被設(shè)置在1525nm和1530nm之間。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的纖芯包含有在所述的第二波長λ2產(chǎn)生光的光學(xué)有源材料。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，它進一步包括一個環(huán)包所述的第二包層的外包層和一個光學(xué)耦合到所述的第二包層的泵浦源。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的折射率n0、n1、n2是分別分布在所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面和所述的第二包層橫截面上的平均值。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的纖芯包含有所述的光學(xué)有源材料，它在所述的第二波長λ2具有第二增益，而在所述的第三波長λ3具有第三增益，在此λc＜λ3。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述的第二增益是由所述的光學(xué)有源材料在所述的第二波長λ2上的受激發(fā)射產(chǎn)生的，而所述的第三增益是由所述的第一波長λ1的光的受激拉曼散射引起的。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的第一波長λ1的光包含有一個第一偏振光和一個垂直于所述的第一偏振光的第二偏振光，其特征還在于所述的纖芯橫面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2中至少一項被進一步調(diào)整，即對于所述的第一偏振光為λ1＜λc，而對于所述的第二偏振光為λ1＞λc。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的纖芯、所述的壓低包層和所述的外包層包括一個偏振保持光纖。
25.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的纖芯橫截面是橢圓。
26.一種從第二波長λ2的光中分離第一波長λ1的光的方法，在此λ1＜λ2，所述的方法包括a)提供一個具有纖芯橫截面和折射率n0的纖芯，所述的包含有光學(xué)有源材料的纖芯在所述的第一波長λ1具有第一增益；b)提供一個環(huán)包所述的纖芯的壓低包層，所述的壓低包層具有壓低包層橫截面和折射率n1；和c)提供一個環(huán)包所述的壓低包層的第二包層，所述的第二包層具有第二包層橫截面和折射率n2；和d)選擇所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2用來產(chǎn)生一個基模截止波長λc，這里λ1＜λc＜λ2。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2的選擇步驟被執(zhí)行，使得在所述的第二波長λ2的損耗至少為100分貝/米。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2的選擇步驟被執(zhí)行，使得在所述的第二波長λ2的損耗至少為400分貝/米。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于折射率n0、n1、n2這樣選擇(n22-n12)/(n02-n22)≥0.224]]>
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于(n22-n12)/(n02-n22)≤3]]>
31.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述的纖芯橫截面具有半徑r0，所述的壓低包層橫截面具有一個外半徑r1，并且所述的折射率被這樣選擇r1r0≥1+(n02-n22)/(n22-n12)]]>
32.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述的光學(xué)有源材料在所述的第二波長λ2具有第二增益，而所述的第二增益是由受激拉曼散射引起的。
33.如權(quán)利要求26所述的方法，它進一步提供了一個對所述的光學(xué)有源材料的光學(xué)反饋，其特征在于所述的光學(xué)有源材料是一個在所述的第一波長λ1具有第一增益的增益介質(zhì)，即所述的纖芯在所述的第一波長λ1發(fā)射光。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2具有第二增益，而所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生至少等于所述的第二增益的損耗。
35.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2具有第二增益，而所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生一個至少100分貝/米的損耗。
36.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述的光學(xué)有源材料對所述的第一波長λ1的光進行放大。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2具有第二增益，而所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生至少等于所述的第二增益的損耗。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于所述的纖芯在所述的第二波長λ2具有第二增益，而所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2被選擇在所述的第二波長λ2產(chǎn)生一個至少100分貝/米的損耗。
39.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述的第一波長λ1的光包含有一個第一偏振光和一個垂直于所述的第一偏振光的第二偏振光，其特征還在于所述的纖芯橫截面、所述的壓低包層橫截面、所述的第二包層橫截面和所述的折射率n0、n1、n2中至少一項被進一步調(diào)整，即對于所述的第一偏振光為λ1＜λc，而對于所述的第二偏振光為λ1＞λc。
40.如權(quán)利要求26所述的方法，它進一步包括在所述的纖芯和所述的壓低包層二者之一上施加應(yīng)力。
41.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料包括二氧化硅。
42.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料包括釹，所述的第一波長λ1大體上為914nm，而所述的第二波長λ2大體上為1050nm。
43.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料包括鐿，所述的第一波長λ1大體上為980nm，而所述的第二波長λ2大體上為1050nm。
44.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述的光學(xué)有源材料包括鉺，所述的第一波長λ1大體上為1520nm，而所述的第二波長λ2大體上為1530nm。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種在波導(dǎo)(例如光纖)中從第二波長λ
文檔編號G02B6/00GK1509417SQ02807293
公開日2004年6月30日 申請日期2002年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月2日
發(fā)明者格雷戈里·L·基頓, 馬克·A·阿波爾, 托馬斯·J·凱恩, J 凱恩, A 阿波爾, 格雷戈里 L 基頓 申請人:光波電子公司