專利名稱：最佳雙折射光纖開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及光纖開關，尤其涉及具有較大有效面積和最小線性雙折射的雙折射光纖開關。
背景技術：
光纖開關包括一根具有雙折射的光纖和一激光泵，該光纖可使輸入信號保持在兩條正交的偏振路徑中的一條路徑上，而激光泵與光纖耦合并產生一選通信號。光纖開關以下述方式工作在光纖中，輸入信號以兩種正交的偏振模式中的一種模式傳播，直至選通信號以相同于輸入信號傳播的偏振模式輸入光纖。如果選通信號具有足夠的功率，那么該選通信號會在光纖中引起非線性的雙折射，使輸入信號切換取向并以另一種偏振模式傳播。為保持偏振，需選擇上述光纖開關中的光纖具有很強的雙折射，即10-4或更大，而如果光纖的雙折射很強，那么光纖具有較小的有效面積，即小于40微米2。
上述光纖開關的主要問題是，光纖開關中的輸入信號會經受大小為不希望有的非線性效應，使輸入信號劣化。非線性效應包括光纖熔融、因賴曼效應產生高階孤立子(higher order soliton)，以及以下將作更詳細說明的交叉相位調制，其中D.D.Davis和S.C.Mettler在1995年《光纖會刊》，WP17，第186-187頁發(fā)表的“對光纖熔融的實驗研究”一文對光纖熔融作了討論，該論文的內容通過引用包括在此。非線性效應會因光纖較高的雙折射、光纖較小的有效面積以及選通信號所需的較高功率值而產生。特別是，會因選通信號需要較高的功率值，切換輸入信號而經受大小為不希望有的非線性效應。由于光纖具有較高的雙折射，所以選通信號需要較高的功率值。
如上所述，輸入信號所經受的且隨選通信號功率值的增長而增大的一種非線性效應是交叉相位調制。輸入信號所經受的交叉相位調制的大小可以通過下式來估算Δφ＝(2π/λ)*[L*N2*I]其中L是光纖的長度，N2是纖芯的折射率，而I是選通信號的功率值或強度，單位為瓦。由該式可見，當選通信號的功率值或強度增大時，輸入信號所經受的交叉相位調制的大小也增大。因此，降低選通信號的功率值將降低交叉相位調制的大小。

發(fā)明內容
依照本發(fā)明的光纖開關包括光纖、選通信號發(fā)生系統(tǒng)和耦合系統(tǒng)。光纖的雙折射在10-5和10-6之間，有效面積至少為40平方微米。發(fā)生系統(tǒng)產生一選通信號，其第一功率值會在光纖中引起非線性雙折射，使光纖中的輸入信號切換偏振模式。耦合系統(tǒng)將輸入信號和選通信號耦合到光纖中。
設計光纖開關中的光纖，使劣化光纖開關中輸入信號的非線性效應最小。特別是，通過使用這樣的光纖，光纖開關能夠降低諸如光纖熔融、產生高階孤立子以及交叉相位調制等非線性效應，其中所述光纖具有保持偏振且確保偏振模式耦合較低所需的最小雙折射，并且與前述現(xiàn)有技術的光纖開關相比，該光纖具有較大的有效面積，并要求選通信號以較小的功率值切換光纖中的輸入信號。
附圖概述

圖1是依照本發(fā)明的最佳雙折射光纖開關的方框圖；而圖2是最佳雙折射光纖開關中的光纖的剖面圖，該剖面圖沿圖1中的2-2直線截取而得。
本發(fā)明的詳細描述圖1示出了依照本發(fā)明的光纖開關10，該開關包括雙折射在10-5和10-6之間、有效面積至少為40平方微米的光纖12、耦合器14以及激光泵18。將光纖開關10中的光纖12設計成可使劣化光纖開關10中輸入信號的非線性效應降至最低。特別地，設計光纖開關10，降低選通信號能在光纖12中引起非線性效應并切換輸入信號所需的功率值。具有較低功率值的選通信號與具有最小雙折射和較大有效面積的光纖12的組合可以降低對光纖開關10中輸入信號的不希望有的非線性作用的大小。
具體參照圖1，光纖開關10包括光纖12，該光纖被設計成其雙折射足夠大，以在偏振在光纖12中保持第一和第二偏振模式，但又足夠小，可使劣化光纖開關10中輸入信號的非線性效應降至最低。最好，將光纖12的雙折射設計在10-5和10-6的范圍內，該范圍是足以保持偏振且確保較低偏振模式耦合的最小范圍。光纖12不需要具有與前述的現(xiàn)有光纖一樣強的雙折射，就能保持偏振。
由于在使用期間，光纖12仍可能被扭絞和彎曲，所以光纖12之雙折射的最小范圍(最好為10-5至10-6)必須足以防止在彎曲和扭絞光纖12期間光纖12中的偏振模式之間發(fā)生耦合。如以下所說明的，光纖12的雙折射在10-5至10-6范圍內足以防止光纖12中的偏振模式因彎曲和扭絞而耦合。
R.Dandliker在1992年Elseview出版社出版的《在各向異性和非線性光波導中光纖的偏振旋轉效應》一書中討論了光纖中因彎曲而引起的雙折射，其內容通過引用包含在此。如Dandliker所討論的，光纖12中因彎曲而引起的雙折射可由下式確定η＝2π/λ
＝(2π/λ)Δn彎曲其中λ是輸入信號的波長，r是光纖的半徑，而R是彎曲的半徑。因此，如果已知光纖12的雙折射范圍且已知光纖的半徑，那么就可以確定光纖12可被彎曲而不會導致偏振模式之間發(fā)生耦合的半徑R。
作為舉例，對于光纖12，即使Δn彎曲＝10-7，那么R2＝(0.0685×107)(r2)。如果2r＝0.0625毫米，那么運用上述等式，R＝5厘米，且彎曲的直徑為10厘米。因此，如該例所示，可使光纖12彎曲，以繞在10厘米直徑的卷盤上(這樣適于組裝)，而偏振模式之間不會發(fā)生耦合。
光纖12的扭絞也會產生問題，并影響所能使用的最小雙折射。R.Dandliker在1992年Elseview出版社出版的《在各向異性和非線性光波導中光纖的偏振旋轉效應》一書中討論了在光纖中因光纖扭絞而從一種偏振模式耦合至另一種模式的功率大小，其內容通過引用包含在此。如Dandliker所討論的，光纖中兩種偏振模式中的功率大小可以用下述矩陣確定P1P2=cosγd+iηγsinγd-σγsinγdσγsinγdcosγd-inγsinγd10]]>在此分析中，n是光纖12固有的雙折射，σ是扭絞引起的雙折射，γ是總的雙折射，d是光纖的長度，而i是-1.]]>扭絞引起的雙折射σ也可由下式給出σ＝0.16T/2其中T是扭絞率，單位為弧度/米?？偟碾p折射為γ=σ2+η2.]]>以dB為單位的耦合功率為PdB＝10log10[σ/γ(sinγd)/(cosγd+i(η/γ)sinγd)]作為舉例，對固有雙折射Δn＝10-6、扭絞率為0.628弧度/米的10米長的光纖12進行計算，獲得交叉耦合為-20db，該值為足夠小。因此，10-5至10-6的最小雙折射范圍是可接受的。
光纖12還具有比光纖開關中現(xiàn)有光纖更大的有效面積。最好，光纖12的有效面積為40平方微米或更大。本領域的技術人員熟知，增大光纖12的有效面積有助于降低對光纖12中任何輸入信號的非線性作用。
參照圖2，光纖12具有橢圓形的截面形狀，具有短或快軸20以及長或慢軸22。光纖12的橢圓形截面使光纖12具有某一雙折射，并且光纖12的特定的橢圓形截面確定了雙折射的大小。第二長度與第一長度的比大約為2∶1。最好，長軸22與短軸20的長度之比大約為1.5至1，以便獲得10-5和10-6范圍內的雙折射。如果光纖12的截面形狀太橢圓了，即長軸22比短軸20長得多，那么選通信號將需要較大的功率來切換輸入信號。如果光纖12的截面形狀太圓了，即長軸22和短軸20的長度大致相等，那么光纖12將不能保持偏振，從而不能在光纖開關10中使用。盡管具有橢圓形截面的光纖12獲得了所希望的雙折射，但也可使用其它類型的光纖，諸如雙折射在所需范圍內的具有應力棒的光纖。
參照圖1，光纖開關10還包括激光泵18、耦合器14和濾光器24。激光泵18產生可在光纖12中引起非線性雙折射從而使輸入信號在偏振模式之間切換的選通信號。激光泵18輸出的選通信號可以具有某一范圍功率值。由于光纖12的雙折射比現(xiàn)有光纖弱，所以選通信號可以使用較低的功率值。盡管該特殊的實施例使用了泵激光器18，但還可使用所產生具有所需功率值的選通信號任何類型的系統(tǒng)。耦合器14將任何輸入信號和任何選通信號耦合至光纖12中，耦合器14位于光纖26和光纖12之一端28之間。在一較佳實施例中，耦合器14是波分多路復用器(WDM)耦合器。盡管只示出了一個耦合器14，但可用多個分立的耦合器輸入輸入信號和選通信號。濾光器24與光纖12的另一端32耦合，并在切換輸入信號之后濾除不希望有的波長，包括剩下的任何選通信號。
當通過耦合器14將輸入信號耦合至光纖12中，以一種偏振模式傳播時，光纖開關10工作。光纖12的雙折射在10-5至10-6范圍內，其足以保持偏振并確保較低的偏振模式耦合。當以相同的偏振模式通過第二耦合器16將一選通信號輸入光纖12中時，如果選通信號的功率值足夠大，那么該選通信號將在光纖12中引起非線性雙折射，使輸入信號切換并以另一種偏振模式傳播。
如前所述，選通信號在光纖12中引起非線性雙折射并使輸入信號切換偏振模式所需的功率值依賴于光纖12的雙折射。如M.N.Islam在1992年劍橋大學出版社出版的《超快光纖開關器件和系統(tǒng)》一書中所討論的(其內容通過引用包括在此)，光纖12的雙折射可以由下式確定ΔN＝0.33N2(Ix-Iy)其中ΔN是非線性雙折射，N2是光纖12之纖芯的非線性折射率，Ix是輸入信號沿x軸的強度，而Iy是輸入信號沿y軸的強度。為進行討論，假設偏振模式沿x軸和y軸伸展，并且Iy為零。Ix可被進一步定義為Ix＝Px/Ax其中Px為選通信號輸入的功率值，而Ax是光纖12的有效面積。將上式代入用于計算光纖12之雙折射的式子，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，如果如前所述將光纖12的雙折射設計得比光纖開關中現(xiàn)有光纖來得低，即范圍在10-5和10-6之間，那么由該式可以看出，選通信號的功率Px將也是較小的。最好，選通信號的功率在0.1和10千瓦范圍內。如前所述的，光纖12中輸入信號交叉相位調制的大小依賴于選通信號的功率。降低選通信號所需的功率大小可降低交叉相位調制的大小。
由用于計算光纖12之雙折射的式子可見，降低光纖12的雙折射還允許增大有效面積。就有效面積Ax，解用于計算光纖12之雙折射的式子，得到下式Ax＝(0.33N2Px)/ΔN因此，如果如上所述將光纖12的雙折射設計在10-5和10-6的范圍內，那么由該等式可見，光纖12的有效面積將更大。最好，光纖12的有效面積為40微米2或更大。如本領域技術人員所熟知的，增大光纖12的有效面積將減少不希望有的對輸入信號的非線性作用。因此，通過降低雙折射、增大有效面積和降低選通信號所需的功率，光纖開關10能夠減少非線性效應，特別是光纖熔融和通過賴曼效應產生的高階孤立子。
以上描述了該行為的基本概念，本領域的技術人員顯而易見，上述詳細說明僅作為舉例而敘述，而不是限制性的。盡管這里沒有作清楚的表述，但本領域的技術人員可以進行各種變化、改進和改變。這些改變、變化和改進試圖由此提出，并且它們處于本發(fā)明的精神范圍內。因此，本發(fā)明僅受下述權利要求書及其等同物的限制。
權利要求
1.一種光纖開關，其特征在于，包括一根光纖，其雙折射在10-5和10-6范圍內，可使輸入信號以兩種偏振模式中的一種模式偏振，所述光纖的有效面積至少為40平方微米；一選通信號發(fā)生系統(tǒng)，所述發(fā)生系統(tǒng)產生一選通信號，所述選通信號具有第一功率值，可在所述光纖中引起非線性雙折射，使所述光纖中的輸入信號切換至另一種偏振模式；和一耦合系統(tǒng)，用于將所述輸入信號和所述選通信號耦合到所述光纖中。
2.如權利要求1所述的光纖開關，其特征在于，所述選通信號發(fā)生系統(tǒng)是一泵激光器。
3.如權利要求1所述的光纖開關，其特征在于，所述耦合系統(tǒng)還包括一波分多路復用器耦合器。
4.如權利要求1所述的光纖開關，其特征在于，還包括一濾光器，它與所述光纖的一端耦合，所述濾光器濾除任何不希望有的波長。
5.如權利要求1所述的光纖開關，其特征在于，所述光纖具有橢圓形的截面，具有第一長度的短軸和第二長度的長軸。
6.如權利要求5所述的光纖開關，其特征在于，第二長度與第一長度的比大約為2.0∶1。
7.如權利要求5所述的光纖開關，其特征在于，第二長度與第一長度的比大約為1.5∶1。
全文摘要
依照本發(fā)明的光纖開關(10)包括光纖(12)、選通信號發(fā)生系統(tǒng)(18)和耦合系統(tǒng)(14)。光纖(12)的雙折射在10
文檔編號G02F1/01GK1196801SQ97190820
公開日1998年10月21日 申請日期1997年7月1日 優(yōu)先權日1996年7月9日
發(fā)明者伊戈爾·V·阿列克薩諾夫, 艾內達·V·涅斯捷羅娃, 丹尼爾·A·諾蘭 申請人:康寧股份有限公司