专利名称：最佳双折射光纤开关的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤开关，尤其涉及具有较大有效面积和最小线性双折射的双折射光纤开关。
背景技术：
光纤开关包括一根具有双折射的光纤和一激光泵，该光纤可使输入信号保持在两条正交的偏振路径中的一条路径上，而激光泵与光纤耦合并产生一选通信号。光纤开关以下述方式工作在光纤中，输入信号以两种正交的偏振模式中的一种模式传播，直至选通信号以相同于输入信号传播的偏振模式输入光纤。如果选通信号具有足够的功率，那么该选通信号会在光纤中引起非线性的双折射，使输入信号切换取向并以另一种偏振模式传播。为保持偏振，需选择上述光纤开关中的光纤具有很强的双折射，即10-4或更大，而如果光纤的双折射很强，那么光纤具有较小的有效面积，即小于40微米2。
上述光纤开关的主要问题是，光纤开关中的输入信号会经受大小为不希望有的非线性效应，使输入信号劣化。非线性效应包括光纤熔融、因赖曼效应产生高阶孤立子(higher order soliton)，以及以下将作更详细说明的交叉相位调制，其中D.D.Davis和S.C.Mettler在1995年《光纤会刊》，WP17，第186-187页发表的“对光纤熔融的实验研究”一文对光纤熔融作了讨论，该论文的内容通过引用包括在此。非线性效应会因光纤较高的双折射、光纤较小的有效面积以及选通信号所需的较高功率值而产生。特别是，会因选通信号需要较高的功率值，切换输入信号而经受大小为不希望有的非线性效应。由于光纤具有较高的双折射，所以选通信号需要较高的功率值。
如上所述，输入信号所经受的且随选通信号功率值的增长而增大的一种非线性效应是交叉相位调制。输入信号所经受的交叉相位调制的大小可以通过下式来估算Δφ＝(2π/λ)*[L*N2*I]其中L是光纤的长度，N2是纤芯的折射率，而I是选通信号的功率值或强度，单位为瓦。由该式可见，当选通信号的功率值或强度增大时，输入信号所经受的交叉相位调制的大小也增大。因此，降低选通信号的功率值将降低交叉相位调制的大小。
发明内容
依照本发明的光纤开关包括光纤、选通信号发生系统和耦合系统。光纤的双折射在10-5和10-6之间，有效面积至少为40平方微米。发生系统产生一选通信号，其第一功率值会在光纤中引起非线性双折射，使光纤中的输入信号切换偏振模式。耦合系统将输入信号和选通信号耦合到光纤中。
设计光纤开关中的光纤，使劣化光纤开关中输入信号的非线性效应最小。特别是，通过使用这样的光纤，光纤开关能够降低诸如光纤熔融、产生高阶孤立子以及交叉相位调制等非线性效应，其中所述光纤具有保持偏振且确保偏振模式耦合较低所需的最小双折射，并且与前述现有技术的光纤开关相比，该光纤具有较大的有效面积，并要求选通信号以较小的功率值切换光纤中的输入信号。
附图概述
图1是依照本发明的最佳双折射光纤开关的方框图；而图2是最佳双折射光纤开关中的光纤的剖面图，该剖面图沿图1中的2-2直线截取而得。
本发明的详细描述图1示出了依照本发明的光纤开关10，该开关包括双折射在10-5和10-6之间、有效面积至少为40平方微米的光纤12、耦合器14以及激光泵18。将光纤开关10中的光纤12设计成可使劣化光纤开关10中输入信号的非线性效应降至最低。特别地，设计光纤开关10，降低选通信号能在光纤12中引起非线性效应并切换输入信号所需的功率值。具有较低功率值的选通信号与具有最小双折射和较大有效面积的光纤12的组合可以降低对光纤开关10中输入信号的不希望有的非线性作用的大小。
具体参照图1，光纤开关10包括光纤12，该光纤被设计成其双折射足够大，以在偏振在光纤12中保持第一和第二偏振模式，但又足够小，可使劣化光纤开关10中输入信号的非线性效应降至最低。最好，将光纤12的双折射设计在10-5和10-6的范围内，该范围是足以保持偏振且确保较低偏振模式耦合的最小范围。光纤12不需要具有与前述的现有光纤一样强的双折射，就能保持偏振。
由于在使用期间，光纤12仍可能被扭绞和弯曲，所以光纤12之双折射的最小范围(最好为10-5至10-6)必须足以防止在弯曲和扭绞光纤12期间光纤12中的偏振模式之间发生耦合。如以下所说明的，光纤12的双折射在10-5至10-6范围内足以防止光纤12中的偏振模式因弯曲和扭绞而耦合。
R.Dandliker在1992年Elseview出版社出版的《在各向异性和非线性光波导中光纤的偏振旋转效应》一书中讨论了光纤中因弯曲而引起的双折射，其内容通过引用包含在此。如Dandliker所讨论的，光纤12中因弯曲而引起的双折射可由下式确定η＝2π/λ
＝(2π/λ)Δn弯曲其中λ是输入信号的波长，r是光纤的半径，而R是弯曲的半径。因此，如果已知光纤12的双折射范围且已知光纤的半径，那么就可以确定光纤12可被弯曲而不会导致偏振模式之间发生耦合的半径R。
作为举例，对于光纤12，即使Δn弯曲＝10-7，那么R2＝(0.0685×107)(r2)。如果2r＝0.0625毫米，那么运用上述等式，R＝5厘米，且弯曲的直径为10厘米。因此，如该例所示，可使光纤12弯曲，以绕在10厘米直径的卷盘上(这样适于组装)，而偏振模式之间不会发生耦合。
光纤12的扭绞也会产生问题，并影响所能使用的最小双折射。R.Dandliker在1992年Elseview出版社出版的《在各向异性和非线性光波导中光纤的偏振旋转效应》一书中讨论了在光纤中因光纤扭绞而从一种偏振模式耦合至另一种模式的功率大小，其内容通过引用包含在此。如Dandliker所讨论的，光纤中两种偏振模式中的功率大小可以用下述矩阵确定P1P2=cosγd+iηγsinγd-σγsinγdσγsinγdcosγd-inγsinγd10]]>在此分析中，n是光纤12固有的双折射，σ是扭绞引起的双折射，γ是总的双折射，d是光纤的长度，而i是-1.]]>扭绞引起的双折射σ也可由下式给出σ＝0.16T/2其中T是扭绞率，单位为弧度/米。总的双折射为γ=σ2+η2.]]>以dB为单位的耦合功率为PdB＝10log10[σ/γ(sinγd)/(cosγd+i(η/γ)sinγd)]作为举例，对固有双折射Δn＝10-6、扭绞率为0.628弧度/米的10米长的光纤12进行计算，获得交叉耦合为-20db，该值为足够小。因此，10-5至10-6的最小双折射范围是可接受的。
光纤12还具有比光纤开关中现有光纤更大的有效面积。最好，光纤12的有效面积为40平方微米或更大。本领域的技术人员熟知，增大光纤12的有效面积有助于降低对光纤12中任何输入信号的非线性作用。
参照图2，光纤12具有椭圆形的截面形状，具有短或快轴20以及长或慢轴22。光纤12的椭圆形截面使光纤12具有某一双折射，并且光纤12的特定的椭圆形截面确定了双折射的大小。第二长度与第一长度的比大约为2∶1。最好，长轴22与短轴20的长度之比大约为1.5至1，以便获得10-5和10-6范围内的双折射。如果光纤12的截面形状太椭圆了，即长轴22比短轴20长得多，那么选通信号将需要较大的功率来切换输入信号。如果光纤12的截面形状太圆了，即长轴22和短轴20的长度大致相等，那么光纤12将不能保持偏振，从而不能在光纤开关10中使用。尽管具有椭圆形截面的光纤12获得了所希望的双折射，但也可使用其它类型的光纤，诸如双折射在所需范围内的具有应力棒的光纤。
参照图1，光纤开关10还包括激光泵18、耦合器14和滤光器24。激光泵18产生可在光纤12中引起非线性双折射从而使输入信号在偏振模式之间切换的选通信号。激光泵18输出的选通信号可以具有某一范围功率值。由于光纤12的双折射比现有光纤弱，所以选通信号可以使用较低的功率值。尽管该特殊的实施例使用了泵激光器18，但还可使用所产生具有所需功率值的选通信号任何类型的系统。耦合器14将任何输入信号和任何选通信号耦合至光纤12中，耦合器14位于光纤26和光纤12之一端28之间。在一较佳实施例中，耦合器14是波分多路复用器(WDM)耦合器。尽管只示出了一个耦合器14，但可用多个分立的耦合器输入输入信号和选通信号。滤光器24与光纤12的另一端32耦合，并在切换输入信号之后滤除不希望有的波长，包括剩下的任何选通信号。
当通过耦合器14将输入信号耦合至光纤12中，以一种偏振模式传播时，光纤开关10工作。光纤12的双折射在10-5至10-6范围内，其足以保持偏振并确保较低的偏振模式耦合。当以相同的偏振模式通过第二耦合器16将一选通信号输入光纤12中时，如果选通信号的功率值足够大，那么该选通信号将在光纤12中引起非线性双折射，使输入信号切换并以另一种偏振模式传播。
如前所述，选通信号在光纤12中引起非线性双折射并使输入信号切换偏振模式所需的功率值依赖于光纤12的双折射。如M.N.Islam在1992年剑桥大学出版社出版的《超快光纤开关器件和系统》一书中所讨论的(其内容通过引用包括在此)，光纤12的双折射可以由下式确定ΔN＝0.33N2(Ix-Iy)其中ΔN是非线性双折射，N2是光纤12之纤芯的非线性折射率，Ix是输入信号沿x轴的强度，而Iy是输入信号沿y轴的强度。为进行讨论，假设偏振模式沿x轴和y轴伸展，并且Iy为零。Ix可被进一步定义为Ix＝Px/Ax其中Px为选通信号输入的功率值，而Ax是光纤12的有效面积。将上式代入用于计算光纤12之双折射的式子，得到下式ΔN＝0.33N2Px/Ax就Px解上述方程，得到下式Px＝(ΔN*Ax)/0.33N2因此，如果如前所述将光纤12的双折射设计得比光纤开关中现有光纤来得低，即范围在10-5和10-6之间，那么由该式可以看出，选通信号的功率Px将也是较小的。最好，选通信号的功率在0.1和10千瓦范围内。如前所述的，光纤12中输入信号交叉相位调制的大小依赖于选通信号的功率。降低选通信号所需的功率大小可降低交叉相位调制的大小。
由用于计算光纤12之双折射的式子可见，降低光纤12的双折射还允许增大有效面积。就有效面积Ax，解用于计算光纤12之双折射的式子，得到下式Ax＝(0.33N2Px)/ΔN因此，如果如上所述将光纤12的双折射设计在10-5和10-6的范围内，那么由该等式可见，光纤12的有效面积将更大。最好，光纤12的有效面积为40微米2或更大。如本领域技术人员所熟知的，增大光纤12的有效面积将减少不希望有的对输入信号的非线性作用。因此，通过降低双折射、增大有效面积和降低选通信号所需的功率，光纤开关10能够减少非线性效应，特别是光纤熔融和通过赖曼效应产生的高阶孤立子。
以上描述了该行为的基本概念，本领域的技术人员显而易见，上述详细说明仅作为举例而叙述，而不是限制性的。尽管这里没有作清楚的表述，但本领域的技术人员可以进行各种变化、改进和改变。这些改变、变化和改进试图由此提出，并且它们处于本发明的精神范围内。因此，本发明仅受下述权利要求书及其等同物的限制。
权利要求
1.一种光纤开关，其特征在于，包括一根光纤，其双折射在10-5和10-6范围内，可使输入信号以两种偏振模式中的一种模式偏振，所述光纤的有效面积至少为40平方微米；一选通信号发生系统，所述发生系统产生一选通信号，所述选通信号具有第一功率值，可在所述光纤中引起非线性双折射，使所述光纤中的输入信号切换至另一种偏振模式；和一耦合系统，用于将所述输入信号和所述选通信号耦合到所述光纤中。
2.如权利要求1所述的光纤开关，其特征在于，所述选通信号发生系统是一泵激光器。
3.如权利要求1所述的光纤开关，其特征在于，所述耦合系统还包括一波分多路复用器耦合器。
4.如权利要求1所述的光纤开关，其特征在于，还包括一滤光器，它与所述光纤的一端耦合，所述滤光器滤除任何不希望有的波长。
5.如权利要求1所述的光纤开关，其特征在于，所述光纤具有椭圆形的截面，具有第一长度的短轴和第二长度的长轴。
6.如权利要求5所述的光纤开关，其特征在于，第二长度与第一长度的比大约为2.0∶1。
7.如权利要求5所述的光纤开关，其特征在于，第二长度与第一长度的比大约为1.5∶1。
全文摘要
依照本发明的光纤开关(10)包括光纤(12)、选通信号发生系统(18)和耦合系统(14)。光纤(12)的双折射在10
文档编号G02F1/01GK1196801SQ97190820
公开日1998年10月21日 申请日期1997年7月1日 优先权日1996年7月9日
发明者伊戈尔·V·阿列克萨诺夫, 艾内达·V·涅斯捷罗娃, 丹尼尔·A·诺兰 申请人:康宁股份有限公司