光纤布拉格光栅偏振器的制作方法

专利名称：光纤布拉格光栅偏振器的制作方法
相关申请的交叉引用本申请依据U.S.C.119(e)第35条要求2001年6月14日提交的序列号为60/298,618的美国临时申请的权益。
背景技术：
发明领域本发明总体上涉及光偏振领域。更具体地说，不以限制的方式，本发明涉及在光纤中传播的光的偏振。
现有技术描述在许多应用中，在保持光在纤芯的引导的同时获得纯的光偏振状态是重要的。例如，在一个重要的应用中，在把光发送到外部光电调制器之前，需要调整光的偏振。
一个已知的在光纤中提供线性偏振光的途径是利用一种特殊光纤，例如，由3M制造的特殊偏振光纤。在这样的光纤中，一个偏振状态经受非常高的损耗，而其他的状态遭受相对低的损耗。根据其生产商，一段3米长的这种直的特殊光纤能够获得20dB的消光比，而将相同长度的光纤卷绕在直径为3cm的棒上能提供超过40dB的消光比。
用于提供嵌入式偏振器的其他途径采用这样一种技术，该技术用于制造精良光纤耦合器或D-形光纤。在这些可选择的途径中，光纤的平坦部分涂有不同的层，包括一个缓冲层和一个金属吸收层。
上述每一个途径都不是完全令人满意的。例如，利用3M的特殊偏振光纤的途径意味着使用若干米相当昂贵的光纤。此外，在电信领域中，对于基于使用特殊光纤的途径，通常的问题是光从标准电信光纤耦合至偏振光纤的耦合效率。利用制造精良光纤耦合器或D-形光纤的技术的途径所遭遇的问题是需要非常好地控制薄膜沉积和包层厚度。
在光纤中加入一个光栅以便偏振其中传播的光在本技术领域中也是已知的。例如，授予Meltz等人的美国专利5,546,481公开了一个包括非偏振预留光纤的单偏振光纤/放大器，该非偏振预留光纤中包含有光栅分接头。在Meltz等人的专利中的光栅分接头被描述为定向在一个预定的角度上，具有预定的光栅间距和光栅强度，以及具有一个大体上延伸至光纤的整个长度的光栅长度，以便在一个预定波长范围内，从光纤耦合出一个偏振的预定量，同时传递第二偏振作为光纤的输出光。
虽然Meltz等人提供了在普通光纤中导引的线性偏振光，而不是如上所述的在特殊光纤中导引的线性偏振光，但Meltz等人的偏振是通过布鲁斯特(Brewster)角度反射获得的。结果，Meltz等人的专利中存在一个缺点处于被抑制的偏振状态中的光被耦合至光纤之外，并且不能被使用。
发明概述本发明提供了一种用于偏振在光纤中传播的光的方法和设备，无需使用特殊光纤，并且提供了若干通常在已知光纤偏振器中没有发现的有利特性。
根据本发明，用于偏振在光纤中传播的光的设备包括一个具有预定长度的光纤布拉格光栅(FBG)部件的光纤，以及用于向光纤布拉格光栅部件的预定部分施加侧向力的施力机构。
已经发现，向光纤提供一光纤布拉格光栅部件，就可以通过向光纤布拉格光栅部件的预定部分施加侧向力来获得在光纤中传播的光的两种偏振状态的分离。结果，可以使用标准电信光纤或者可在其中获得很强折射率调制的其他光纤来获得偏振光，而无需使用更贵的特殊光纤。
根据本发明的一个实施例，通过改变施力机构施加力的位置或者通过控制所施加力的大小，可以调整光偏振。特别地，如果FBG的承压部分是整个光栅长度的一小部分，例如，光栅长度的百分之一左右，则在反射光谱中可能对于一个偏振出现带内光谱空洞，而对于其他偏振没有破坏性干扰。在这种情况下，所述的较小长度不足以独自呈现出明显的反射率，以至于所施加的力在由小的承压区域所分隔的光栅的两个长的部分之间引入相位差。另一方面，如果FGB的承压部分等于或大于光栅长度的大约百分之十，就可以观察到与承压区域的快轴和慢轴相对应的主损耗峰值和次损耗峰值。在此情况下，承压区域必须足够以便独自呈现出强的反射率；即，承压区域将起到不均匀光栅的作用。在一个实施例中，例如，可以提供均匀光栅并且对它全部长度施压。因此，通过在光栅长度的预定部分以受控的方式按压FBG，就可以容易地完成光纤中传播的光的偏振。
在本发明中，通过对光纤的FBG部件的一部分施加力来在每一个偏振状态的布拉格波长中引入差异，从而获得偏振光。结果，处在被抑制的偏振状态的光被引导回光纤中，而不是被耦合至光纤之外。因此，如果希望，就可以利用本发明使得对被抑制的偏振状态的光加以使用成为可能。此外，根据本发明，用于偏振光的设备在两个光谱带上工作，并且对于每一个偏振状态具有相反的效应。换句话说，有了本发明，在第一工作带中，偏振状态Y穿过，而偏振状态X将被反射，而在第二工作带中，效果相反，其中xy平面垂直于光纤的传播轴z，而x被定义为沿着所施加的力的方向。
根据本发明另外一个实施例，既然偏振取决于施加到FBG部分的力，所以可以通过简单地施加或撤销力而方便地接通或断开偏振设备。
根据本发明的其他实施例，FBG可以是均匀的或啁啾的。当FBG是均匀的，操作范围是几纳米，而中心波长具有某一受限的可调性。当FBG是啁啾的，偏振效应在一个窄的波长窗口发生，但它可以沿着啁啾光栅反射光谱被连续地调整。
根据本发明的另一个实施例，光纤可以包括高度双折射光纤。虽然当使用这样的光纤时耦合效率稍微有些减少，但是持久的双折射允许以零作用力或与使用标准电信光纤所需的力相比更小的力来使用该设备。
有了根据本发明的光偏振设备，就可能使用标准光纤而不使用特殊光纤。光纤可以是标准电信光纤或在其中可产生强折射率调制的其他光纤。该设备也适合于大规模生产过程。
结合下列对当前优选实施例的详细说明，本发明的其他目的、特征和优势将在下文中变得明显。
附图简要说明

图1示意地说明了根据本发明当前优选实施例的用于偏振在光纤中传播的光的设备；图2A-2C是说明根据本发明的一个实施例具有l＝0.2mm的承压区域的未切趾的啁啾FBG的传输光谱的曲线图，分别对应于没有作用力的两个偏振状态，具有一个作用力的x偏振，以及具有一个作用力的y偏振；图3是说明在图2的条件下的偏振系数F(F＝Tx-Ty)的曲线图4A-4C是说明根据本发明另一个实施例的具有l＝10mm的承压区域的未切趾的啁啾FBG的传输光谱的曲线图，分别地对应于没有作用力的两个偏振状态，具有一个作用力的x偏振，以及具有一个作用力的y偏振；图5是说明图4中的条件下的偏振系数F(F＝Tx-Ty)的曲线图；并且图6是说明根据本发明另一个实施例的用于偏振在光纤中传播的光的方法的流程图。
当前优选实施例详细描述图1示意地说明了根据本发明当前优选实施例的用于偏振在光纤中传播的光的设备。总地用附图标记10标明该设备，并且该设备包括其中具有FBG部件14的光纤12。光纤12包括输入端16，如箭头18所示的，光从该输入端16输入至光纤中，光纤12还包括输出端22，如箭头24所示，通过光纤传播的光从该输出端22输出光纤。
光纤12可以具有适合于特殊应用的任何长度和直径，并且优选地包括标准光纤，例如标准电信光纤或能够很好地耦合至标准电信光纤并在其中产生很强的折射率调制的其他光纤。光纤12的FBG部件14包括预定长度的部件，将在下文中更完整地描述。
还是如图1所示，设备10进一步包括施力机构26，用于可控制地向FBG部件14的预定部分施加侧向力。施力机构26可以包括多种机构中的任何一个，并且优选地包括压电元件或磁致伸缩元件或其他的元件，通过这些元件可以相对容易地控制装置所施加力的大小。施力机构的功能是引入在光纤中传播的光的每一个偏振状态的布拉格波长差。从光纤的顶部到底部或以一些其他方式施加力，以便提供产生偏振效应所需的不对称。此外，正如将在下文中更完整地解释的，为了改变由施力机构所施加力的位置，提供了一个移动装置，例如小发动机等。该移动装置在图1中由箭头28示意性地表示，并且可以被设计用于移动光纤和/或施力机构。
特别地，当光纤侧面受压时，通过光纤的光通路由于折射率和光纤长度的变化而改变。如果承压区域包含FBG，这些作用导致产生布拉格波长的定量局部移动。如果所施加的应力(ε)不是各向同性的，该布拉格波长移动量可取决于偏振。
在应力与在FBG中的反射波长中引入的变化之间的关系(光纤轴与z方向平行)可以由下列等式表达ΔλBx=λBϵz-neff2λB2[P11ϵx+P12(ϵz+ϵy)]--(1a)]]>ΔλBy=λBϵz-neff2λB2[P11ϵy+P12(ϵz+ϵx)]--(1b)]]>其中下标x，y和z表示三个笛卡儿(Cartesian)坐标轴(参见图1)，neff是光纤中的有效折射率，P11和P12是电光张量的矩阵元素(例如，对于硅，P11＝0.113以及P12＝0.252)。通过使用在下述论文中提出的模型，应力εi和受影响的长度可以与作用力相联系，该论文为C J S de Matos，P Torres，L CG Valente，W Margulis以及R Stubbe于2001年8月在《光波技术杂志(Journalof Lightwave Technology》第19卷第8期第1206-1211页发表的“布拉格光栅(FGB)特性和通过局部压力的成形(Fiber Bragg Grating(FGB)Characterization and Shaping by Local Pressure)”(下文中称为“JLT”论文)。
平面应力εz-0等式被简化为ΔλBx=-neff2λB2[P11ϵx+P12ϵy],--(2a)]]>ΔλBy=-neff2λB2[P11ϵy+P12ϵx],--(2b)]]>如果εx＝-2εy，如在JLT论文中提出的，我们获得下列关系ΔλBxΔλBy=2P11-P122P12-P11=-0.0665--(3)]]>此等式证实了在R.Gafsi和M A El-Sherif在《光纤技术(Optical FiberTechnology》2000年第6期第299-323页发表的论文“对于在光纤布拉格光栅上引入的双折射效应的分析(Analysis of Induced Birefringence Effects onFiber Bragg Gratings)”中描述的模拟结果。
为了为局部承压的FBG建立模型，调整一个偏振的ΔλB值，直到达到希望的传输条件。因此，通过使用等式(3) 也可以模拟对于其他偏振的ΔλB。
假定一个具有折射率变化为2.5×10-4以及啁啾为-45pm/mm的4cm长的未切趾强光栅。纤芯的有效折射率取neff＝1.46，并且设计波长取1530nm。在这些条件下，光栅具有带宽~1.49nm。考虑光纤轴平行于z方向，而且力沿着x-轴施加。这样，从等式(1a)和(1b)中，ΔλBy＞ΔλBx，。利用相位光罩或全息的途径可以容易地制造所使用的光栅结构。
为了调查如何传输(或反射)每一个偏振，定义了一个偏振系数F＝Tx-Ty，(4)其中Tx和Ty分别是对于x和y轴上的光偏振的光栅的传输。如果F＝0，则光栅完全独立于偏振。当F为正时，对于x偏振光的传输比对于y偏振光的传输更大。当F为负时，则在传输模式中该光栅是适合y偏振光的。
考虑L2＝0.2mm，为具有受扰小部件的啁啾FBG建立模型。在图2A-2C中示出了传输光谱。图2A中的曲线表示没有作用力的两个偏振状态，图2B中的曲线表示具有一个作用力的x-偏振，而图2C中的曲线表示具有一个作用力的y-偏振。这种情况考虑了波长增加ΔλBy＝2nm；使用等式1(a)和1(b)计算其他偏振。可以看到，对于y-偏振光，可以通过以ΔλBy＝2nm增加承压部分的布拉格波长来获得传输上的很大增加。估计320gf的侧向力可达到此波长增加。x-偏振光经历布拉格波长的一个小的变化，该变化不足以带来引起显著的破怀性干扰所需的相位。Y-偏振光以~22pm的谱线宽度在窄频带上发射。根据对于此情况的相应偏振系数F(等式4)，即，根据图3中的曲线，y-偏振光实际上是仅有的以固定波长发射的光。通过此特征，该局部受压的FBG可以被用作高度选择性的偏振器。此实例中，通过以与应力相同的强度沿着光栅扫描施力装置，可能在整个光栅光谱上对操作进行调整，在这个例子中是～1.9nm。
当受扰部分L2＝10mm时，在图4A-4C和图5中说明了第二种条件下的结果。图4A中的曲线表示两个没有作用力的偏振状态，图4B中的曲线表示具有一个作用力的x-偏振，而图4C中的曲线表示具有一个作用力的y-偏振。可以看到，主损耗峰值和次损耗峰值对应于在光谱响应中的承压区域的快速和慢轴，其中偏振分离为～2nm以及谱线宽度为～620pm。在此情况下，考虑的长度是L2＝10mm，并且波长以ΔλBy＝2nm增加。通过应用等式(1a)和(1b)可计算其他偏振。相应的偏振系数F(图5)指示对于每一个光偏振接近100％的传输(反射系数)。通过这些特征，在图5中，光栅在F接近于+/-1的波长上可很好地作为偏振器使用。很明显，该配置中的操作模式完全不同于第一种情形的操作模式。在该配置中，为了具有将在其中发生的很强的偏振效应的侧面凸起，需要由光栅的承压区域引起的很大强度的反射。由于第二损耗峰值的位置是作用力的函数，所以将通过改变作用力来完成光谱调谐。然而，可以按照惯例制造具有超过10nm带宽的啁啾光栅。
最后，通过控制作用力，通过由施力机构简单地施加或撤销作用力，可以容易地为期望的波长接通或断开模型偏振器。可达到的最终带宽由偏振分离(polarization splitting)来限制，这与作用力直接有关。
图6是一个流程图，其示意地说明根据本发明实施例的用于偏振在包括预定长度的光纤布拉格光栅的光纤中传播的光的方法40。开始，如步骤42所示，将力施加到预定长度的FBG的预定百分比上以接通偏振器。控制作用力以便偏振在光纤中传播的光(步骤44)。最终，如步骤46所示，可通过撤销作用力来断开偏振器。
使用标准光纤——例如标准电信光纤，可以容易地构建根据本发明的用于偏振在光纤中传播的光的设备；并且如上所述，相比依赖于使用特殊光纤的偏振器具有显著的优势，包括更经济以及当连接到标准光纤时提供更大耦合效率。另外，在本发明中，由于被抑制的偏振状态中的光被引导回光纤中，所以如果希望，这个光能够被使用。例如，如果设备被用于探测光的偏振状态，用户将需要关于光在每一个偏振中的相对量的信息，而不仅仅是在现有技术设备中获得的在一个偏振状态中的光的数量(其中丢失了一个偏振的信息)。根据本发明的设备也适于大规模生产技术。
根据本发明的FBG可以是均匀的或啁啾的。对于均匀的FBG，操作范围可以高达几个纳米，并且中心波长具有一些有限的可调性。对于啁啾FBG，偏振效应仅在相对窄的波长上发生；但是，它可以沿着啁啾光栅反射光谱被连续地调整。因此，对于啁啾FBG，设备可作为可调的偏振选择性窄带传输滤波器进行操作。如果希望，也可使用高度双折射光纤取代电信光纤。在这种情况下，耦合效率会降低，但是，持久的双折射允许以零作用力或与使用标准电言光纤制造的设备的情形相比更小的力来使用该设备。
应当理解，此说明书中使用的术语“包括/包含”被用于说明所指出的特征、整体、步骤或组件等的存在；但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或它们的组的出现或增加。
尽管这里所说明的内容构成了本发明现有的优选实施例，但是应当理解，在不背离本发明范围的情况下，本发明可以以各种方式进行变化。因此，应当认识到，本发明应当被限制在下列权利要求的范围所要求的范围中。
权利要求
1.一种用于偏振在光纤中传播的光的设备，包括具有预定长度的光纤布拉格光栅部件的光纤；以及用于向光纤布拉格光栅部件的预定部分施加侧向力的施力机构。
2.根据权利要求1的设备，其中，所述预定部分包括光纤布拉格光栅部件的预定百分比的预定长度。
3.根据权利要求2的设备，其中，所述预定百分比是总光栅长度的一小部分。
4.根据权利要求3的设备，其中，所述预定百分比包括大约1％。
5.根据权利要求2的设备，其中，所述预定百分比等于或大于大约10％，其中实现光的光谱调整。
6.根据权利要求1的设备，其中，所述光纤布拉格光栅部件是均匀的，并且所述设备具有几纳米可调的操作范围。
7.根据权利要求1的设备，其中，所述光纤布拉格光栅是啁啾的，并且其中所述设备可以沿着啁啾光栅反射光谱连续地调整。
8.根据权利要求1的设备，其中，所述光纤包括电信光纤。
9.根据权利要求1的设备，其中，所述光纤包括具有高感光灵敏度的光纤。
10.根据权利要求1的设备，其中，所述光纤包括高度双折射光纤。
11.根据权利要求1的设备，进一步包括用于改变所述施力机构施加所述力的位置的移动装置。
12.一种用于偏振在光纤中传播的光的方法，包括提供具有预定长度的光纤布拉格光栅部件的光纤；以及向所述光纤布拉格光栅部件的预定部分施加侧向力，以便偏振在所述光纤中传播的光。
13.根据权利要求12的方法，进一步包括为了断开所述光偏振而撤销所施加的侧向力的步骤。
14.根据权利要求12的方法，其中，向所述光纤布拉格光栅部件的预定部分施加侧向力的步骤包括向所述光纤布拉格光栅部件的预定百分比的预定长度施加侧向力。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述预定百分比包含总光栅长度的一小部分。
16.根据权利要求15的方法，其中，所述预定百分比包括大约1％。
17.根据权利要求14的方法，其中，所述预定百分比包括大约10％或更大。
18.一种控制用于偏振在光纤中传播的光的设备的方法，包括提供具有预定长度的光纤布拉格光栅部件的光纤；通过向所述预定长度的预定部分施加侧向力来接通所述设备；通过控制施加到所述预定部分的力的位置和大小中的一者或两者来偏振在所述光纤中传播的所述光；并且通过撤销所述侧向力来断开所述设备。
全文摘要
用于偏振在光纤中传播的光的方法和设备。该设备中包括其中具有预定长度的光纤布拉格光栅(FBG)部件的光纤，以及用于向FBG部件的预定部分施加侧向力的施力装置。预定部分包括预定百分比的预定长度。当预定百分比等于或大于大约10％，可以获得通过光纤的光的两个偏振状态。当预定百分比占光栅长度的一小部分时，例如，占啁啾光栅长度的大约1％时，提供一个可微调的光纤偏振器。该设备可以使用标准光纤，诸如电信光纤，并且提供了各种优点，其中包括通过简单地施加和撤消侧向力来接通和断开所述设备的能力。
文档编号G02B6/02GK1527955SQ02811768
公开日2004年9月8日 申请日期2002年5月6日 优先权日2001年6月14日
发明者P·I·T·特鲁吉洛, L·C·G·瓦伦特, G 瓦伦特, P I T 特鲁吉洛 申请人:艾利森电讯公司