带有被降低折射率的包层的光学波长滤波器 【技术领域】
本发明一般涉及光学波长滤波器，尤其是涉及具有折射率被压低的包层的无源和有源滤波器。
背景技术
光学波导被设计以一种受控方式来引导在一个波长范围内包含各种模式和偏振态的光线。单模光纤是最普通的用于光线长距离传输的波导，其它的波导，诸如扩散(diffused)波导、离子交换波导、带状加载(strip-loaded)波导、平面波导和聚合物波导被普遍用于短距离导光，特别是用来组合或分离不同波长的光线、在非线性光学材料中的混频、调制光线和将许多功能和作用集成到一个小空间中。
其实，波导就是一种通常称为光纤纤芯的高折射率材料浸没在一种通常称为包层的低折射率材料或结构中，这样，当光线射入接收锥体内的高折射率材料时，通常被限定通过它传播。这是因为在高折射率材料和低折射率材料之间的界面处，光线受到全内反射(TIR)而返回高折射率材料中。
在光纤包层方面的发展进一步导致了有源光纤元件的出现，如掺铒放大器和光纤激光器。例如，已经开发出一种光纤，它具有为“包层泵浦”而设计的截面，用来在单模光纤的有源纤芯中激发产生激光。这种光纤典型地具有一个纤芯、一个多模包层和一个最外包层。泵浦光被向内耦合到多模包层中，并且当其传播时混入纤芯，这样激发产生激光。不幸的是，一旦纤芯在所希望的发射波长上受激发射，由于受激拉曼散射，纤芯也能在所谓的“拉曼波长”产生不希望的信号，这种拉曼效应使发射波长频移至纤芯的第一斯托克斯波长，并且以高功率级别为主。因此，包层泵浦光纤激光器在所希望的输出波长处地输出功率受到限制。
当介质中的激活物质具有随所希望的波长一起受激的其他发射波长时会发生类似的问题。这一问题通常称为放大自发发射(ASE)，由于在非期望波长的放大自发发射(ASE)光强输出高得足以“淹没”期望的频率，可以妨碍激光器在期望波长的运转。当用钕光纤激光器工作时会遇到这种情况的例子，这种激光器具有双包层环包的掺钕纤心，并且用钕原子在4F3/2到4I9/2能级之间的跃迁来产生大约900nm的光。不幸的是，900nm的跃迁是三能态型的，而钕原子有更高的可能性在大概1050～1070nm发射光，此处的跃迁是四能态型的。非期望的1050nm的光轻易超过微弱的900nm发射，使得光纤激光器或放大器对于大多数实际目的来说是无用的。
因此，可靠的光纤装置(诸如光纤激光器，尤其是放大器)必须在非期望的长波长具有高损耗。在一个特例中，钕玻璃激光器或放大器要在900nm处发射或对光进行放大，必须在1050nm处获得非常高的损耗。这是因为900nm的光非常弱(它偏离880nm的发射峰值20nm)，并且1050nm的发射截面大约10倍于900nm的发射截面。也就是说，900nm的光应该放大约40分贝。不幸的是，随着900nm的光被放大约40分贝，1050nm的光也被放大了约400分贝，这样就完全超过了900nm的光。显然，1050nm的光必须衰减约400分贝或更多以消除这个问题。
另外，一旦光纤激光器或放大器产生1千瓦的功率，即使只有毫微秒或更少，除拉曼散射之外的许多非线性作用开始干扰900nm有用光的产生。这些现象包括诸如布里渊散射、自相位调制以及通过光纤材料的第三阶非线性磁化率χ(3)产生的一群另外的非线性光学混频和共轭。这些效应限制了用于这种光纤激光器和放大器的光纤长度。事实上，由于这些效应，光纤的长度应该在1米或更小的级别上，这意味着1050的光必须以大约400分贝/米的衰减率衰减。
鉴于上述原因，很明显，人们希望以非常高的衰减率(400分贝/米或更高)从光纤激光器或放大器中选择性地滤除非期望的波长。这对于诸如无源光纤、光纤激光器和光纤放大器这样的无源和有源波导均是重要的。
根据现有技术，波导通常被设计通过诸如瞬逝波向外耦合(隧道效应)、散射、弯曲损耗和漏模损耗这样的方法来防止入射光耦合出去。对这些方法的全面研究从诸如L.G.Cohen及其他著者的文献中可以了解到，如“在具有降低的折射率包层的单模波导中的辐射漏模损耗”，量子电子学IEEE杂志第QE-18卷，1982年10月第10期，第1467-1472页。在此篇文献里，作者叙述了光在多复层波导中的传播，这种波导设置有折射率不同的包层，也称为双包层波导。他们告诉我们，改变包层的截面形状可以改善波导模的各种质量参数，而同时又能维持低损耗。此外，他们还观察到，折射率被压低的包层在长波波长处会对基模产生高损耗。进而，他们确定，设有高折射率纤芯、低折射率内包层和中间折射率外包层的W形光纤具有一个确定的基模截止波长，在这个波长之上纤芯的基模损耗逐步升级。这些损耗不产生非常高的衰减率，而事实上，作者研究了接近该截止波长时光纤的波导特性，提出了减少损耗的方法。
美国专利US 5,892,615和US 6,118,575告诉我们，使用与L.G.Cohen叙述的光纤即QC光纤相似的W形光纤来抑制非期望的频率，这样在包层泵浦激光器中获得较高的输出功率。如上所述，这样的光纤自然会在长波长上漏光，并且比其它光纤对弯曲更敏感。事实上，弯曲时，曲率破坏了这种W或QC光纤通过全内反射的导光性能。波长越长，穿出光纤纤芯的瞬逝场越深，光也越可能在这个波长从弯曲光纤的纤芯损耗掉。因此，可以将光纤弯曲，从而以每米几百分贝的衰减率截止不希望的较低频率(较长波长)，如拉曼散射波长。
不幸的是，定型光纤的弯曲不是获得定义明确的截止损耗的可控和可再生的好方法。要获得一个特殊的曲率，光纤必须被弯曲，例如，通过把光纤盘绕到一个具有合适半径的卷轴上。不同时间制造的不同光纤在其折射率、截面形状以及纤芯和包层的厚度上均呈现不同。因此，光纤合适的曲率半径在各光纤之间是不同的。由此，这种获得高衰减率的途径在制造中是不实用的。
现有技术也告诉我们，设有复包层结构的波导用于偏振控制还不如应力引起的双折射。例如，美国专利US 5,056,888发明人Messerly等人告诉我们一种单模、单偏振光纤，设有大体呈椭圆形的W形状，这一径向形状分布使人们能在给定波长分离光的正交偏振。该分离的发生是因为一束偏振光将漏出纤芯，而与之正交的偏振光不会漏出。另外，关于这一课题的内容还可以在Stolen及其他作者的论文中被发现，该论文被发表在Electronics Letter杂志1988年第24卷第524-525页上，题为“短W-隧道光纤偏振器”。在授予发明人Howard及其他发明人的美国专利US4,515,436和其他参考文献中都可找到这样的内容介绍。不幸的是，这样的光纤波导不能获得必要的衰减率。
鉴于以上所述，提供一种可批量生产的波长滤波器，使该滤波器在长于期望波长的非期望波长处具有非常高的衰减率(如400分贝或更高)，在现有技术中是一种技术上的进步。这种波长滤波器可用于无源和有源光学波导，如无源光纤、光纤激光器和光纤放大器。而提供一个对滤波器性能的精确调整，而无需在波导和光纤生产完毕之后进行弯曲或其他加工和调整，是一各种特别受到欢迎的技术进步。
【发明内容】
如上所述，本发明的主要目的是提供一种在某种意义上说是简单、可靠和可再生的具有高损耗的波长滤波器的设计方法。这种方法可在较长波长提供一个呈现400分贝/米或更高的损耗的波长滤波器(即短通滤波器)，而不需要对波导或光纤进行弯曲或另外加工或调整。
本发明的另一个目的是提供一种能够应用于诸如无源光纤、光纤激光器和光纤放大器等无源和有源波导的波长滤波方法。
本发明的再一个目的是提供一种适合非线性光学装置的波长滤波方法和滤波器。
在阅读了详细说明之后，本发明的这些优点和许多其他的优点就会变得更加明显。
本发明所采用的技术方案为：提供一种用于从第二波长λ2分离第一波长λ1的装置和方法，在此，λ1＜λ2，该装置具有一个纤芯，该纤芯呈一定的芯截面，并具有折射率n0，所述的纤芯被压低包层(即具有被压低的折射率n1的包层)所环包，所述的压低包层具有压低包层截面，并且其自身被第二包层所环包，所述的第二包层具有折射率n2和第二包层截面，所述的装置这样设计，在纤芯中传播的光的基模在第二波长λ2处损耗或截止，这是通过选择纤芯截面、压低包层截面、第二包层截面以及折射率n0、n1、n2以产生基模截止波长λc来实现的，此处，λ1＜λc＜λ2。在实际应用中，折射率n0、n1、n2是相应截面上求得的平均值。
所述的纤芯和包层的截面可以是任意形状，例如，它们可以呈现出相同的圆柱对称性。但是，在某些实施例中，圆柱对称性不合适，而选择另外的对称方式。例如，在一些实施例中，纤芯可以具有椭圆截面。
根据本发明，截面和折射率的选择确定了基模截止波长λc以及由基模截止波长λc以上的波长引起的损耗。具体说来，这些选择确定了在第二波长λ2处的光损耗。在一些实施例中是这样进行选择的，即在第二波长λ2处产生至少100分贝/米的损耗。在一些实施例中，对第二波长λ2需要非常高的损耗，截面和折射率可以这样选择，即在第二波长λ2处的损耗至少是400分贝/米。
截面和折射率的选择定则是由麦克斯韦尔方程给出的。而更具体地说，它可以方便地选择折射率，即
(n22-n12)/(n02-n22)≥0.224]]>
在另一个实施例中，也可以方便地选择折射率，即
(n22-n12)/(n02-n22)≤3]]>
当纤芯具有一个截面半径r0而压低包层具有一个外径r1时，它也可以方便地选择折射率，即
r1r0≥1+(n02-n22)/(n12-n12)]]>
所述的装置可以有一个设置有针对第一波长λ1的光学有源材料的纤芯。例如，光学有源材料是非线性光学材料，即在λ1处增益介质具有第一增益。在某些情况下，所述的装置可以进一步设置对于增益介质的光学反馈，由此在λ1产生激光发射。这种激光器可以进一步设置一个环包外包层的第二包层，泵浦源光学耦合到第二包层为纤芯提供泵浦光。如果没有反馈，所述的装置可以用作光学放大器在λ1对光进行放大。在另一个实施例中，所述的装置用作接近λ1的宽带放大自发发射光源。
无论该装置被设置作激光器还是放大器，所述的纤芯在第二波长λ2常常有一个第二增益，在这种情况下，选择纤芯的截面和折射率，使其在第二波长λ2产生的损耗至少与第二增益相等。最好是在波长λ2的损耗至少等于100分贝/米乃至400分贝/米或更高。
增益介质至少可以有选自钕、镱、铒、铥、钬中的一种稀土原素。例如，当用铒作增益介质且该装置在波长λ1起光学放大器作用时，截止波长λc可以设置在S-波带的中间，或者靠近长波端。这一结构对在远程通讯上的应用尤为有用。
在某些实施例中，所述的纤芯设置有光学有源材料，它能在波长λ2产生光，也即在λ2具有第二增益。在某些情况下，光学有源材料还可能在第三波长λ3呈现第三增益，此处，λc＜λ3。在这种装置中，λ2和λ3均被滤出所述的纤芯。例如，当第二增益由光学有源材料或增益介质在λ2的受激发射引起，而第三增益由λ1处的光的受激拉曼散射引起时，就会遇到这种情况。
根据本发明的另一个实施例，该装置可以提供偏振选择性。例如，在波长λ1处的光可能有一个第一偏振光和一个第二偏振光，所述的第一偏振光与所述的第二偏振光相互垂直正交。在该实施例中可以进一步多次调整横截面和折射率，以便使得对于第一偏振光为λ1＜λc，而对于第二偏振光为λ1＞λc。换言之，波长λ1处的第一偏振光随第二波长λ2一起被纤芯截止。在同一个或另外的实施例中，纤芯、压低包层和外包层可以构成偏振保持光纤。
本发明还提供了一种从第二波长λ2的光中分离第一波长λ1的光的方法，此处λ1＜λ2。这种方法的实施是通过对纤芯、压低包层和第二包层的横截面以及它们的折射率进行设计，确保在这些波长处，光的基模的基本截止波长λc呈现λ1＜λc＜λ2。通过适当选择横截面和折射率，可以将λ2处的损耗调整至100分贝/米乃至400分贝/米或更高。
或者采用另一种方法，也就是第二包层可以被一个外包层所环包，并能够与一个泵浦源光学耦合来引导激发纤芯中的增益介质的泵浦光。当这种方法被用于光纤放大器或光纤激光器时，对增益介质具有反馈作用的这种方法具有特殊的优点。
在那些情况下，一个在λ1处的光的特殊偏振必须随λ2一起截止，该方法进一步提供对横截面和/或折射率的调整方法。此外，在那些情况下，应力能够用于使所述的纤芯和/或压低包层具有偏振选择性。
本发明的详细叙述和最佳实施例以及几个可供选择的实施例在下文中将结合参考附图进行描述。
【附图说明】
图1是本发明的一种W-光纤的剖视图和归纳出的折射率的分布图：
图2是对于参数ρ的不同值x作为比率s函数的特性曲线图；
图3是掺钕玻璃的发射横截面作为波长函数的特性曲线图；
图4是对于不同的W-光纤损耗作为波长函数的特性曲线图；
图5是一个具有用作光学滤波器的W-光纤的光学系统的轴视图；
图6A是图5的W-光纤的侧视剖面图；
图6B-E是几种应用在本发明W-光纤的侧视剖面图；
图7A-B是W-光纤的第二包层的示范形状的剖面图；
图8是偏振选择性W-光纤的剖面图。
【具体实施方式】
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
首先回顾一下关于图1的某些结构和设计原理能够更好地理解本发明。图1的剖视图描述了一种装置10，它是设置有纤芯12的光纤，纤芯12的截面呈圆柱形。一个与纤芯12有关的区域I分布在0≤r≤r0，如r轴上表示的曲线14。事实上，曲线14描述了装背10的折射率分布，根据这一分布曲线，纤芯12在区域I(即从r＝0到r＝r0)具有平均折射率n0。理论上说，随着半径r和极角θ的变化，纤芯12内的折射率最好是常数。这一理论分布曲线用点划线A来表示。事实上，由于目前制造工艺的原因，区域I的折射率分布呈现出如曲线14所示的随半径的变化。然而，从本发明的目的来看，纤芯12沿半径变化的折射率具有一个等于n0的平均值就足够了。
纤芯12被压低包层16所环包，压低包层16的剖面也呈圆柱对称。压低包层16分布于r0≤r≤r1，并占据了区域II。压低包层16依次被有圆柱对称的第二包层18所环包。第二包层18占据一个分布于r≥r1的区域III。
从曲线14可明显看出，压低包层16被选择具有比纤芯12的平均折射率n0和第二包层18的平均折射率n2更低的平均折射率n1。再说明一次，平均折射率值用点划线A表示，而典型制造工艺获得的实际折射率分布用曲线14表示。在光纤10中的阴影区域表示界面区域，在那里，折射率的值在区域I、区域II和区域III的平均值之间转变。曲线14表示的折射率分布象字母W(从线A表示的理论分布来看更清楚)。因此，光纤10常称为W-光纤或W形的光纤。再者，从本发明的目的来看，在与压低包层16和第二包层18有关的区域II和区域III中，径向变化的折射率具有平均值n0和n2就足够了。值得注意的是，还可以提供一个环包第二包层18的外包层(未显示)，该外包层为了下面所解释的目的能够将泵浦源耦合到光纤中。
根据本发明，以曲线14表示的W-形分布被设计以保证第一波长λ1的光在纤芯12中通过全内反射传播。同时，长于λ1的第二波长λ2(λ1＜λ2)的光在纤芯12中以一个高的损耗或衰减率损耗或截止。说得更具体点，W-分布形状被设计具有基模截止波长λc，这样，在λ1的基模光保留在纤芯12中，而在λ2的基模光在短距离内被损耗到第二包层18，如虚线B所示。这一目的是通过对W-分布形状进行适当的设计来实现的，而不是采用弯曲光纤10或其它的机械调整方法。
W-光纤10的截止波长λc是这样一个波长，在这个波长处，纤芯12中的基模(LP01模)从低损耗突然变为高损耗，即在纤芯12中截止。截止波长λc被选择在所要的波长λ1和不要的波长λ2之间，即λ1＜λc＜λ2。
原则上，为了确定W-光纤的截止波长λc，横截面和折射率n0、n1和n2的选择定则是从麦克斯韦尔方程中推导出来的。用弱引导近似法(当纤芯12和包层16、18的折射率全部互相接近时，它是有效的)，麦克斯韦尔矢量方程可由标量方程替代。标量Ψ表示光纤中横向电场的强度。更具体的信息请见例如G.Agrawal，《非线性光纤光学》(Acadenuc，圣地亚哥，1995)，D.Marcuse，《光的传输光学》(Van Nostrand，普林斯顿，1972)和D.Marcuse，《电介质光学波导理论》(Academic，纽约，1974)。
为了方便起见，让我们对以下参数进行定义：
u0=n02-n22]]>和u1=n22-n12---(1)]]>
光纤内的标量场Ψ满足一个波形方程，它的解是贝塞尔函数和修正的贝塞尔函数。对于光纤10支持的基模，在纤芯12内是满足：
Ψ＝J0(κr)，0≤r≤r0(区域I) (2)
这里κ是一个待定的本征值，J0是零阶贝塞尔函数。
在压低包层16中，标量场Ψ为：
Ψ＝AK0(βr)+BI0(βr)，r0≤r≤r1(区域II) (3)
这里A和B是待定的常数，β2＝(u02+u12)(2π/λ)2-κ2，而K0和I0是修正的贝塞尔函数。这里的λ是光在真空中的波长。
在第二包层18中，我们得到
Ψ＝CK0(γr)，r≥r1(区域III) (4)
在此，C是另一个常数，而γ2＝u02(2π/λ)2-κ2。A，B，C和κ通过边界条件得出，这就要求Ψ和它的一阶导数在r0和r1处都是连续的。
可以证明，基模截止波长λc是γ＝0时的波长λ。(见例如Cohen等人的文章，IEEE J.《量子.电子》.OE-18(1982)第1467-1472页)。
为另外的方便起见，让我们对下列参数进行定义：
x=2πu0r0λc,ρ=u1/u0,s=r1/r0.(5)]]>
现在，如果参数x被确定，就可以确定截止波长λc。由于参数x是以下方程的根，本行业技术人员能够借助于公知的代数方法来确定：
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)的一些解在图2中用曲线表示，图中可以看到，对于参数ρ的不同值，x与比率s的函数曲线。
关于参数x有三点需要注意。
第一，并非所有的s和ρ值都存在x，例如，ρ＝1和s≤2]]>时，就没有x会满足方程(6)。这意味着在这种状态下，所有波长均被导入纤芯12。方程(6)有解的判据是：
s2≥1+1/ρ2 (7)
第二，在实际应用中x不能太小。这是因为，根据方程(5)，参数x与纤芯12的半径r0成比例。而这个半径必须大的足以使光易于耦合入纤芯12和耦合出纤芯12。(较小的纤芯12还会使非线性效应增强，这通常是一个缺点)。纤芯12的半径r0最好为2μm或更大。u0和λc的典型值分别为0.1和1μm。因此，由于x＝2πu0 r0/λc 最好是x≥1，则意味着ρ≥0.224，或者用折射率表示成(n22-n12)/(n02-n22)≥0.224.]]>
第三，从图2中可明显看出，对于较大的s值，x值仅仅微弱的取决于s。由于制造缺陷产生的s值的误差对截止波长λc的数值影响较小，这样，有一个在此参数空间区域内的光纤就是一个优点。因此，使用该定则s≥1+1/ρ非常方便，或者表示为折射率：
r1r0≥1+(n02-n22)/(n22-n12)---(8)]]>
纤芯12、压低包层16和外包层18的横截面和折射率的选择是通过在上述定则中设定合适的基模截止波长λc来完成的。首先，选择λc，使λ1＜λc＜λ2，然后对u0和r0选择合适的值。在上述选择的基础上，从方程(5)中算出x，合适的值是x≥1，(否则可以调整前面的选择)。然后，可以从方程(6)中得到合适的ρ值和s值。期望的λc能得出一组ρ值和s值。典型的，所有的ρ值均大于0.224。此外，方程(8)的定则被用于进一步缩小合适的ρ值和s值的范围。
总之，ρ值和s值有一个附加的限制，即它们必须进行选择，使光纤10的纤芯12在我们所不希望的波长λ2上有一个足够大的损耗，例如100分贝/米乃至400分贝/米或更高。为了求出波长λ2的损耗，需要光在波长λ＞λc时的光纤模式。
方程(2)、(3)和(4)确定了λ＜λc时的基模。当λ＞λc时，在第二包层18中的函数Ψ是振荡的，而不是呈指数衰减。因此，当λ＞λc时，方程(4)由下式替代：
Ψ＝CJ0(qr)+DN0(qr)，r≥r1(区域III) (9)
在此，N0(也被称为Y0)是零阶纽曼函数，q2＝κ2-u02(2π/λ)2，而C和D是待定常数。关于λ＞λc时的光纤模式，要注意两条关键之处。
第一，存在五个未知数(A、B、C、D和κ)和四个边界条件(Ψ和dΨ/dr在r0和r1处具有连续性)。该方程是开放式的，κ值可以选择0和(2π/λ)之间的任意值。这样，对应于κ可能有的连续值，在λ＞λc的每一处都存在状态的连续性。这种情况完全不同于λ＜λc的情况，在那里有四个未知数被四个边界条件所固定，导致了是在每一λ处具有唯一值的独立的本征值。
第二，方程(2)、(3)和(9)确定的模式是W光纤的本征模，然而，这些模式不同于物理上认识的情况。结果是方程(9)包含有入射光波和出射光波，而实际上仅呈现出射光波(原先在纤芯12中传播的波长为λ2的光辐射出了纤芯)。
尽管如此，方程(2)、(3)和(9)的模式仍可用来对大于λc的波长处的损耗进行估算。首先，对于给出的波长λ，求出一个κ值，使C2+D2为最小值，这对应于纤芯内最长寿命的模式。(可以通过在光纤中对于标量Ψ的波方程和势井中对于粒子的量子力学方程之间进行类推，然后可借用量子力学的结果。见例如David Bohm《量子理论》，多佛，1989年，第12章，第14-22。)
其次，一旦以上述方法求得κ，从方程(9)中可以计算出输出光波。这些输出光波给出了一个从纤芯12进入第二包层18的损耗的合理估算，即使此时未出现入射光波。这些输出光波会引起在纤芯12中传播的波长在λ＞λc的光束沿光纤的长度方向被衰减。如果该光束具有功率P，那么，功率P沿光纤随距离z的变化由下述方程表示：
dPdz=-ΛP---(10)]]>
系数Λ给出的损耗是近似为：
Λ=λ4π2n0-C2+D2∫0r0rdrΨ*Ψ---(11)]]>
具有单位m-1的损耗Λ能够转换为以分贝/米为单位的损耗β，其关系式为：
β＝log10(e)·Λ (12)
这里，术语“损耗”指的是漏出纤芯12进入第二包层18的辐射。事实上，如果该辐射保留在第二包层18中，它可能不是来自光纤10自身的真实损耗。在某些情况下，这是足够了。如果必要，在另一些情况下，第二包层18的光可以被向外耦合出去。
依照本发明制造的光纤10可以用于滤出波长λ2，通过对一个具体例子的研究，我们对这一方法会有清楚的理解。为此目的，图3显示了一个掺钕玻璃(即钕玻璃)的发射截面的特性曲线，它是出现在纤芯12中的波长的函数。保留在纤芯12中的所希望的波长λ1大约是880nm，而从纤芯12中截止的不希望的波长λ2大约为1050m。实际上，波长λ1的首选值为900nm，因为它所要求的获得净增益的泵浦光强较小。然而，在900nm处的发射光强较低，并且存在一个峰值在1050nm附近的竞争跃迁。如背景技术部分讨论过的，钕玻璃显示它具有优先在1050nm而不是在900nm发射光的趋势。因此，希望在1050nm处具有约400分贝/米或更高的损耗，而(泵浦时)在900nm处具有40分贝/米的增益。
图4表示一个对不同的参数ρ和s，损耗相对于波长的特性曲线。每一种情况的基模截止波长均为940nm，与λ1＜λc＜λ2的要求一致。这个要求是在1050nm的损耗至少为大约400分贝/米，而在900nm的损耗为零。参见图4可见，要满足这些要求，以及使方程(7)的不等式s≥1+1/ρ，参数ρ必须小于或等于近似3，或用折射率表示(n22-n12)/(n02-n22)≤3.]]>在本例中，由ρ＝1和s＝2给出了高于400分贝/米的损耗。
另一计算损耗的方法包括对W光纤10的漏出基模的复传播常数的计算。漏模的问题在例如D.Marcuse的文章中被讨论，《电介质光学波导的理论》Academic，纽约，1974年，第1章。损耗与漏模的复传播常数的虚部有关。复传播常数，或者其等同物(指复有效折射率)可以用有商业价值的软件来计算，例如，它可以从位于加拿大Nepean的光波公司获得。
在某些情况下，对一个给定的W光纤模式，最好采用数字解法而不是使用上述的贝塞尔函数逼近法。因为真实的光纤没有如图1中点划线A所表示的理想的阶梯形折射率形状，而是如曲线14所示的折射率形状那样与理想状态是有偏差的。实际上，现在最普通的单模光纤的制造方法包括MOCVD工艺，它典型地在纤芯的中央留下一个折射率的下降。考虑到作为半径函数的折射率的实际变化，数值解法可以比上述方法更方便。这样的数值计算可以再一次给出截止波长λc和作为光纤参数函数的光纤损耗，这些参数包括横截面和折射率，允许光纤10被设计来呈现出所希望的特性。
当方程(11)被用于估算损耗时，由于实际的折射率作为半径的函数会稍有变化，折射率n0、n1和n2一般是平均折射率。
折射率n不必径向对称。如果光纤10的横截面用极坐标r和θ来表示(如图1所示)，折射率将取决于角度θ以及半径r。从而，n＝n(r，θ)。这样的一种非对称光纤可能对诸如偏振的保持来说是所希望的。
这里是光纤具有截止波长λc的必要条件。令R为一个足够大的半径，在半径R处的折射率是实质性地趋近于n2的值。那么，如果(见B.Simon，Ann《物理学》97(1976年)，第279页)
∫02πdθ∫0Rrdr(n2(r,θ)-n22)≤0---(13)]]>
则光纤10具有截止波长λc。
注意图1给出的形状，方程(13)变成：
πr02u02-π(r12-r02)u12≤0， (14)
这是与上述方程(7)等同的。截止波长λc是最大的波长，其在区域I定域有一个本征模。在截止波长以上的波长处的损耗可以通过以下几种方式来确定：
(i)解出一个未被定域但包含入射光波和出射光波的模式，(ii)对每个波长找出具有最小输出光强的模式，并且(iii)用该输出光强来估算损耗。如上述所讨论的，本领域的技术人员也能用另外的方法来计算损耗。
总的来说，具有所希望的截止波长λc和损耗的光纤10可以通过调整n(r，θ)的形状来设计，这相当于调整纤芯12、压低包层16和第二包层18的横截面和折射率。
上述讨论的发明原理可以被用于制作图1中描述的那种W光纤。本发明的W光纤可以应用于光学滤波器(短通滤波器)，光学放大器，激光器或非线性光学开关。
诸如特种玻璃、光纤布拉格光阵列路由器和分光镜之类的光学滤波器，常用于在光学部件中传播一个波长而对其它波长进行衰减和偏转。图5是本发明的光学系统20的轴视图，它设置有一个作为光学滤波器的W光纤，用于传输第一波长λ1和衰减所不希望的较长的第二波长λ2。装置20是无源的，因为纤芯24不包含任何光学有源材料，并且在光纤22中，无论是λ1还是λ2均没有增益。
光学系统20具有一具光源26，它发送包含的第一波长λ1和第二波长λ2的光28，第二波长λ2要以高损耗(即在短距离L内)滤出。一个光学耦合器30(这里是一个透镜)，被用来将光28向内耦合到W光纤22的纤芯24中。
光纤22具有被压低包层32环包的纤芯24，并且具有环包压低包层32的第二包层34。一个外套36被提供用来保护光纤22免受外界干扰。纤芯24和包层32、34的横截面均为圆柱对称。光纤22的参数分别用纤芯24和包层32、34的折射率n0、n1、n2和半径r0、r1来表示。根据本发明，选择这些参数用以在波长λ1到λ2之间的合适间隔内产生纤芯24中的基模截止波长λc，并且在波长λ2产生所希望的损耗。因此，在通过光纤22传播一段距离L之后，大部分波长为λ2的光被纤芯24截止，并传递到第二包层34，如图所示。在这个实施例中，波长λ2的损耗为100分贝/米或更小就足够了。为了更好地形象化理解，图6A显示了一个图5所示的光学系统20的W光纤22的剖面侧视图。
如图6B中侧剖图所示的一个实施例，具有纤芯40、压低包层42和第二包层44的W光纤38被设计用作光学放大器。光纤38的纤芯40具有一个光学有源材料46(诸如一种合适的增益介质)。例如，增益介质46可以是一种稀土元素，即钕、镱、铒、铥、钬或这些元素的组合物，用来在第一波长λ1产生第一增益，为的是对其进行放大。如图6B所示，波长为λ1的光被耦合进入W光纤38的纤芯40。泵浦光(未显示)被耦合进入纤芯40去激励光学有源材料46。纤芯40内的光学有源材料46由于非线性散射(如受激拉曼散射)的作用，在不希望的波长λ2上还呈现出一个第二增益，这里，λ1＜λ2。由于只有λ1的光要放大，因而由于在λ2的增益产生的光是不希望的。这样，根据本发明，选择光纤38的参数，在纤芯40内产生一个介于λ1和λ2之间的基模截止波长λc(即λ1＜λc＜λ2)，并在λ2产生一个所希望的损耗。在该实施例中，100分贝/米或更高的损耗是我们所希望的。
图6C显示了一个本发明的设置有纤芯52、压低包层54和第二包层56的W光纤50。另外，具有折射率n3的外包层58环包第二包层56，在此，n3＜n2。选择光纤50的参数以产生一个基模截止波长λc，并且有λ1＜λc＜λ2。波长为λ3的泵浦光被向内耦合穿过第二包层56进入光纤50。波长为λ3的光被用于对纤芯52中的波长为λ1的光进行激励发射。典型的情况是λ3＜λc，以便有效地内耦合进入纤芯52或混入纤芯52。
纤芯52包含有一种稀土增益材料60，它在所希望的波长λ1呈现第一增益，而在不希望的第二波长λ2呈现第二增益。这样，根据本发明，光纤50要被设计在λ2具有一个损耗，它大到足以使由于材料60的稀土原子引起的λ2的增益不会压过λ1的信号。特殊情况下，最好在λ2的损耗大于或等于在λ2的增益。在某些情况下，在λ2的损耗要求大于或等于100分贝/米。在一些情况下会要求非常高的损耗，在λ2的损耗要求大于或等于400分贝/米。光纤50可被用作波长为λ1的光的有效光学放大器。
事实上，图6C的光学放大器50可以被容易地转变成光纤激光器，如图6E所示。因为这个目的，一个光学反馈元件53(这里用的是反射镜)被提供用对纤芯54中的增益介质60提供光学反馈。本技术领域公知的别的反射镜和别的反馈元件可被用来在光纤50中在增益介质60的周围设置一个合适的谐振腔。
在图7A-B中描述了光纤50的两个可供选择的横截面。在这些实施例中，第二包层56具有一个非圆截面，用以保证波长为λ3的光被有效地导引混入纤芯52。在这两个例子中，第二包层56有一个花的形状和一个不规则的多边形。本领域的技术人员会认识到，用其它的形状也可以实现这个目的。另外，在图7B中，纤芯52和压低包层54的横截面不呈现圆柱对称。如现有技术中公知的，应用应力或合适的制造技术，可以被用来获得这样的横截面。这些横截面对于提供光纤50的偏振选择性是有用的。
以下是描述光纤50作为光学放大器的一些特别应用的几个例子。
例1：掺钕光纤放大器。
该放大器包含W光纤，它具有如上所述的纤芯、压低包层和第二包层。用钕离子掺入纤芯(例如，按照每立方厘米1020个离子的数量级)，而第二包层被外包层所环包，外包层具有折射率n3，在此，n3＜n2。第二包层被用于导引激励钕原子的泵浦光。典型的第二包层具有一个在40μm到80μm之间的平均直径。
第二包层被光学耦合到具有808nm上下波长的激光二极管。在纤芯中，发自这些激光二极管的光在900nm附近和1050nm附近均产生增益。900nm的光被射入纤芯并被放大。由钕原子的四能态跃迁产生1050nm的光，而这是所不希望的。举例说，被放大的光具有一个914nm的波长，它对应于发自激光器的光，该激光器包括一个掺钕钒酸钇晶体。
这样，在这个例子中，λ1＝914nm而λ2＝1050nm。折射率n0、n1和n2以及半径r0和r1被选择在λ1和λ2之间给出一个截止波长λc。再举一个例子，r0＝3μm，r1＝6μm。第二包层是具有折射率n2＝1.458的熔氧化硅。外包层是一种聚合物包层。纤芯的特点是具有n0-n2＝0.0022，而压低包层具有折射率n1，它由n2-n1＝0.0022给出。依照ρ≈1和s＝2，从方程(6)得出，对应于截止波长λc＝975nm，x＝1.549。在λ2的损耗约为1400分贝/米。
例2：掺镱光纤放大器。
本例类似于例1所述的掺钕光纤放大器。第二包层再次成为泵浦包层。纤芯掺有镱原子。当用920nm的光泵浦时，镱会在980nm和1050nm附近同时呈现增益。在本例中，λ1＝980nm，λ2＝1050nm。如前面解释的那样调整W光纤的参数，给出一个在980nm和1050nm之间的截止波长λc，在1050nm具有合适的损耗。
图6D显示了一个W光纤70，它被用作一个应用拉曼效应的光学放大器。波长为λ0和λ1的光被耦合到W光纤70的纤芯72中。纤芯72包含有光学有源材料74。在这种情况下，光学有源材料74是光纤70本身的二氧化硅。纤芯72进一步被压低包层74和第二包层78所环包。
在拉曼散射过程中，波长为λ0的光子被吸收，而同时波长为λ1的光子被发射。入射光子和出射光子之间的能量差超过了分子振动激发值。拉曼作用有一个增益，它意味着拉曼效应发生的可能性是与波长为λ0的入射光强和发射波长为λ1的光强成比例的。一个光纤拉曼放大器利用了玻璃中拉曼效应的优点，在那里，由拉曼效应引起的能量转换典型的约为440cm-1。波长为λ0的泵浦光和波长为λ1的信号光在光纤70中传播，在那里，泵浦光子具有大于信号光子大约440cm-1的能量。然后，拉曼效应将波长为λ0的泵浦光转变为信号光，因此而放大波长为λ1的光。
然而，信号光本身可以因拉曼效应而进一步降级为λ2，在此，λ1和λ2之间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上的增益是我们所不希望的。因此，选择W光纤70的参数，在λ1和λ2之间产生截止波长λc，使其在λ2有足够大的损耗以防止波长为λ1的信号光明显降级。λ2的损耗最好大于或等于λ2的拉曼增益。
例如，作为一个在光纤70中传播的峰值功率为1千瓦的脉冲信号，当纤芯72具有35μm2的纤芯面积时，在λ2的增益大约是13分贝/米。因此，W光纤70在λ2的损耗最好大于或等于13分贝/米。然而，这样大的损耗不总是必需的，因为波长为λ2的光必须由自发发射来建立。波长为λ2的光在达到所谓的“拉曼临界值”之前，可以被放大7个数量级，或70分贝，此后波长为λ1的光被迅速转换成波长为λ2的光。这样，只要始终未达到拉曼阈值，W光纤具有一个小于拉曼增益的损耗是可以接受的。
可供选择的方案还有，一种包层泵浦光纤放大器，它有一个如以上例1和例2所描述的掺有稀土元素的纤芯，它可以用一种类似于图6D的例子的方式来抑制不希望的拉曼增益。这种抑制在具有高峰值功率的放大器中是尤其所希望的，因为否则的话信号光(波长为λ1)会由于拉曼效应不小心转换为别的波长。
图1中的W光纤也可用于非线性光学开关。许多光纤光学开关依赖于光纤折射率的光强相关性。折射率给信号光一个光强相关的相位，然后用一个公知技术的合适的结构(例如马赫-曾德尔干涉仪)，将信号光对准若干个输出端口之一。由干涉条件来确定信号光对准的输出端口，它取决于外加的相位。该相位可以仅由信号光强引起，或者可以由与信号光共同传输的第二光束的光强引起。然而，光强对于改变折射率足够高时，它也高得足以允许拉曼转换的发生。事实就是这样，波长为λ1的光在光纤中传播，该光纤在λ1没有增益，但是由于拉曼效应的原因在λ2具有增益。因此，W光纤的参数被选择在λ1和λ2之间产生截止波长λc，并使λ2的损耗足够大，以抑制如上所述的拉曼效应。
根据本发明，还有另一个可供选择的W光纤80的横截面在图8中被描述。在此，为了具有偏振选择性，纤芯82是椭圆形的。纤芯82被压低包层84和第二包层86所环包。在这个实施例中，第一波长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。因为纤芯82和包层84、86的横截面全部不呈现圆柱对称，可以用上述的设计原理进行设计，使得沿s偏振光和p偏振光的轴向上的截止波长λc是各不相同的。此时能够方便地调整光纤80，使得对于p偏振光λ1＜λc，而对于s偏振光λ1＞λc。
本领域的技术人员将会明白，包层84、86的横截面也可以被选择成非圆柱形以帮助这一过程。还有折射率的形状也可以作为极角θ的函数变化，以进一步帮助这一偏振选择过程。事实上，本发明的W光纤可以用于偏振保持光纤，即对光纤适当施加应力以使其具有偏振选择性。
本发明的W光纤可以为远程通讯的目的用作短通滤波器、放大器或激光器。例如，W光纤可以在S-波段用作一个光纤放大器，并且使用铒作为增益介质。在这种应用上，要产生的所希望的波长可能是1520nm，而要滤除的不希望的波长可能是1530nm。为了实现这一点，设计W光纤，使之在S-波段(例如在1525和1530nm之间)具有基模截止波长。
根据本发明设计的具有W分布形状的光纤能够在纤芯中使用各种光学有源材料。这样的有源材料包括掺稀土元素的玻璃或只是用于制造光纤的二氧化硅。还可以使用现有技术中的其它材料或掺杂物以及其它呈现各种非线性磁化率的非线性材料。
本技术领域的普通技术人员都清楚，上述的实施例可以不离开本发明的范围按许多种方法作改变。因此，本发明的保护范围应该按以下的权利要求和法律上的等同替代物来被确定。