CN100427984C - 单向光功率监视器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有出色的方向性特性的小尺寸单向光功率监视器。该监视器包括：GRIN透镜，具有抽头膜，所述抽头膜以预定比率透射和反射来自输入和输出光纤的光信号；和具有透镜的光电二极管，用于探测并测量透过抽头膜的光信号部分。GRIN透镜的抽头膜通过不透明的黑色套筒与光电二极管相连，所述套筒具有用作它们之间的内部光路的两个连续圆孔。两个圆孔彼此平行，它们的中心轴彼此偏离，两个圆孔通过位于套筒中间位置处的通孔彼此相通。来自一个光纤并透过抽头膜的光信号部分穿过两个圆孔和通孔并由光电二极管探测到。因为一个圆孔在套筒的中间位置处具有垂直的壁，所以来自另一个光纤并透过抽头膜的光信号被该壁阻挡，没有被光电二极管探测到。

Description

单向光功率监视器
技术领域
本发明主要涉及一种在光通信领域中使用的光功率监视器。
背景技术
信息通信技术(ICT)的技术革新最近已经有了显著的进步和发展，并且为了适应随着互联网的普及而产生的高通信速度需求和增加的信息量，正在从电信号通信向着光信号通信转移。从各种中继点收集大量信息的很多中继电缆正被光缆取代，因而具有显著提高的处理速度。今后将会重新评价光缆和用户终端之间的通信，因而对更加便宜和舒适的信息通信技术的环境设置的需求日益增强。
随着光通信网络的改进，可以以更高的速度来传送和接收大量信息。因而，新的应用正在开发，通过光通信网络交换的信息量进一步增加。为了增加由光纤处理的信息量，目前使用这样一种技术：通过使用高频信号并利用一根光纤同时传播具有涉及各种不同类型信息的各种波长的信号来增加每单位时间的信号量，这一技术被称作波长多路复用系统。为了形成精确和高可靠性的通信网络，必须确保与多个路径的多向连接，并且从维护的观点看必须使用多根光纤。
为了形成通过光纤传播多个信号的光通信电路，波分多路复用(以下称作“WDM”)系统是必需的，该波分多路复用系统将经过波长多路复用后的光信号分为各种波长，并反过来多路复用不同类型波长的光信号，然后进一步分支或插入光信号。因此，增加了信息量且将要处理的信息的重要性更加显著。如果光信号具有某种缺陷，则必须快速把握哪个光信号在哪里具有缺陷，并且除了确认光信号连接的存在之外，还要确认所需的光信号强度。此外，如果传输距离较长，则光信号强度发生衰减，从而需要用于放大光信号的掺铒光纤放大器，以下称作“EDFA”。EDFA需要准确地掌握从外部输入的光信号的强度和放大之后输出到外部的光信号的强度，以判断放大率。因而，为了开发具有高可靠性的光通信系统，这种精确的监视功能不可缺少。
WDM系统具有固定的光信号输入和输出方向。光信号的监视不需要特定的方向性。另一方面，EDFA接收抽运激光(pump laser)并在特殊光纤中传播该激光，从而放大光信号。因此，放大的光信号有时会逆流，为了准确确定光信号的放大级，需要下述功能，即仅仅探测来自输入光纤的光信号而不探测从输出光纤返回的光。
一般光信号的常规监视方法使用下述技术，即使用光耦合器使部分光信号分支并用光电二极管探测分支后的光信号。因此，需要熔融连接每个组件，从而妨碍了安装人力的减少。此外，光耦合器具有结构是，通过接近用作光纤的光信号传播部分的芯来将光信号分支，并且所述接近部分的长度是分支量的关键参数之一。这使得很难使每个产品小型化，从而妨碍了组件尺寸的减小。近年来，有很强的需求要降低EDFA装置的尺寸，不降低组件的尺寸会导致对EDFA装置的小型化和高封装密度产生制约。
专利文献1公开了容易操作的小型化双向光功率监视器的例子。图6是所公开的监视器的结构。分别具有两个光纤51，52(分别为输入光纤51和输出光纤52)的多毛细管玻璃套圈53(相当于引线光纤(pig tail fiber))与GRIN(梯度折射率)透镜54通过预定的长度的空气间隙55彼此面对。在GRIN透镜的一个端面上设置有过滤器56(相当于抽头膜(tap film))，以使光通过GRIN透镜后反射或透射。通过过滤器透射的光穿过空气间隙57并由光电探测器58(相当于光电二极管)转换成电信号，由此测量输入到光纤的光强度。多毛细管玻璃套圈53和GRIN透镜54由玻璃管60，61保持。因为两个光纤51，52允许光输入和输出，所以该装置可以称作双向光功率监视器。GRIN透镜是玻璃柱，其折射系数从中心线向外表面方向辐射状地连续变化。越接近外表面折射系数越大，并且由于光向外表面扩宽，所以光的传播方向折向中心线方向，从而透射光聚集在过滤器中心周围。
从输入光纤51入射到空气间隙55的光通过GRIN透镜54，到达GRIN透镜端面上的过滤器56。到达过滤器56的光的大部分反射，穿过GRIN透镜54和空气间隙55，进入输出光纤52，从而产生输出光。到达过滤器56的光的一部分透过过滤器56，穿过空气间隙57，进入光电探测器58并被转换成用于输出的电信号。这一系列的光路由实线箭头表示。相反，当光从输出光纤52进入时，其具有与上述光路相同的通路，从而可从输入光纤51取出该光。透过过滤器56的光穿过空气间隙57，进入光电探测器58并被转换成用于输出的电信号。这一系列的光路由虚线箭头表示。
非专利文献1公开了具有单向性的光功率监视器的例子。图7图示出所公开的功率监视器的结构。部件的名称使用非专利文献1中使用的名称。具有分别被称作端口1和端口2的两根输入光纤81和输出光纤82的两芯套圈80(相当于引线光纤)顶在GRIN透镜83上。在GRIN透镜83的端面上形成介质镜(dielectric mirror)84(相当于抽头膜)来执行光的反射和透射。GRIN透镜的中心线被设置成从光电探测器85(相当于光电二极管)的中心线偏离。
下面解释光流。从输入光纤81(端口1)入射的光(输入光)穿过GRIN透镜83并利用介质镜84反射和透射。反射光通过GRIN透镜并进入输出光纤82(端口2)以产生输出光。透过介质镜的光进入光电探测器85，被转换成电信号并作为电信号输出。这一系列的光路用实线箭头表示。接下来，以下将描述来自输出光纤82(端口2)的光。来自输出光纤82的光穿过GRIN透镜83，被介质镜84反射和透过介质镜84。反射光再次穿过GRIN透镜并进入输入光纤81(端口1)，从而成为输出光。透过介质镜的光不进入光电探测器85，而是被释放到外面，因为GRIN透镜的光轴(中心线)从光电探测器85的光轴(中心线)偏移。因此，不可能测量到从输出光纤82(端口2)进入的光的强度。这一系列的光路用虚线箭头表示。换言之，这里使用了具有单向性的光功率监视器，即，具有下面的现象：可以测量从输入光纤81(端口1)进入的光的强度，而不可能测量从输出光纤82(端口2)进入的光的强度。
在单向光功率监视器的方向性特性中，在从输入光纤输入光时获得的光电二极管的光学灵敏度A(μA/w)与在从输出光纤输入相同的光时获得的光电二极管的光学灵敏度B(μA/w)之比以单位dB表示，并利用方向性特性＝10log10(A/B)来确定。单向光功率监视器需要至少25dB的方向性特性。
对于图7中示出的单向光功率监视器，描述了GRIN透镜的光轴与光电二极管的光轴之间的位置关系，但并没有描述GRIN透镜和光电二极管之间的光路的详细结构。单向光功率监视器要求用套筒或类似物来定位并固定GRIN透镜和光电二极管。如果GRIN透镜过多接近光电二极管，则甚至可探测到从任何光纤传播的光，因此，GRIN透镜应离开光电二极管至少一定的距离。
专利文献1：美国专利6,603,906
非专利文献1：2002年3月28日在日本召开的电子信息通信工程师学会上发表的预备稿，演讲号C-3-51，第183页，图3。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异的方向性特性的小尺寸单向功率监视器，其具有输入光纤和输出光纤，其中从输入光纤入射的光信号的光学灵敏度较高，但来自输出光纤的光信号的光学灵敏度较低。
本发明的单向光功率监视器包括：
引线光纤，具有彼此平行且彼此相距较小距离的两个光纤，所述两个光纤在所述引线光纤的端面上分别具有开口端，所述开口端邻近所述的端面的中心；
柱形GRIN透镜，具有彼此相对的两个端面，其中一个端面面对所述引线光纤的端面，另一个端面在其上具有抽头膜；
设置有第一端和第二端的套筒，
所述套筒具有第一圆孔和第二圆孔，所述第一圆孔从所述第一端延伸到所述第一端和所述第二端之间的大约中间位置，所述第二圆孔从所述第二端延伸到所述大约中间位置并具有从所述第一圆孔的中心轴偏离的中心轴，
所述第一圆孔在所述大约中间位置具有与所述第二圆孔相通的通孔和中间壁；以及
光电二极管，定位于所述第二圆孔中、所述套筒的第二端处，并且在该光电二极管的前表面上具有面对通孔的透镜。所述GRIN透镜被定位于所述第一圆孔中，即来自所述两个光纤中的一个并透过所述抽头膜的光信号连续通过第一和第二圆孔并到达光电二极管，且来自所述两个光纤中的另一个并透过抽头膜的光信号的光路被套筒的中间壁阻挡。
在本发明的单向功率监视器中，套筒具有第一圆孔和第二圆孔，所述第二圆孔具有从第一圆孔的中心轴偏心的中心轴。因为柱形GRIN透镜定位在第一圆孔中、套筒的第一端处，具有透镜的光电二极管定位在第二圆孔中、套筒的第二端处，所以柱形GRIN透镜的光轴以对应于第一圆孔和第二圆孔之间的中心距离的偏心距离，从具有透镜的光电二极管的光轴、即设置在光电二极管的前表面上的透镜的光轴偏离。
来自两个光纤中可被称作“输入光纤”的光纤的光信号在该光纤的开口端辐射进引线光纤与GRIN透镜之间的空气间隙并进入GRIN透镜，从而扩展了其光束半径。在GRIN透镜中，当通过改变光行进方向使光信号变成大致平行的光束时，光信号到达抽头膜，并以预定的比率从抽头膜反射和部分地透过抽头膜。在抽头膜处反射的光再次通过GRIN透镜、行进、收敛其光束半径并辐射进入所述间隙。之后，光聚焦在可称作“输出光纤”的另一个光纤的开口端，来自输入光纤的光传播到输出光纤。另一方面，透过抽头膜的光通过套筒的第一圆孔、通孔和第二圆孔进入具有透镜的光电二极管，所述透镜被固定并具有从GRIN透镜的光轴偏心的光轴，从而可测量从输入光纤进入监视器的光量。
形成对照，从两个光纤的另一个光纤进入的光射进空气间隙，然后进入GRIN透镜。光的行进方向在GRIN透镜中改变并变成大致平行的光，该光被抽头膜以预定的比率反射和透射。被抽头膜反射的光通过GRIN透镜和空气间隙这一路径与输入光纤相连。透过抽头膜的光在相对于GRIN透镜的中心线对称的方向上行进，并被设置在套筒中(在大约中间位置处)的第一圆孔的里面的大致垂直的中间壁反射，从而被衰减并改变了行进方向。之后，该光进一步反复地从平行于第一圆孔的内壁反射而被衰减，并向GRIN透镜的方向返回，从而几乎不进入具有透镜的光电二极管。
本发明的单向光功率监视器的套筒可由不透明的黑色陶瓷、玻璃或塑料制成。通过由不透明材料形成套筒，可避免在多个光功率监视器之间发生相互干扰，从而可以提高光功率监视器的方向性特性。而且，劳动安全性方面也是理想的。
在不透明材料中，黑色材料对于套筒是更加理想的。因为黑色材料一般具有较低的反射率，通过反复地在内壁或内部圆形表面反射，来自输出光纤的光可几乎衰减为零。对于黑色材料，可使用陶瓷、玻璃或塑料。氧化铝、氧化锆、金刚砂、氮化硅、氮化铝、软性铁氧体和硬性铁氧体适宜用作黑色陶瓷。作为黑色玻璃材料，可以使用由硅石、氧化铝或氧化钛及其合成材料制成的玻璃材料。对于黑色塑料，环氧树脂、液晶聚合物、聚苯树脂、聚乙烯树脂、聚丙稀树脂、聚丁烯树脂、偶氮化合物树脂和聚酯树脂是适宜的。碳系材料也可期望具有足够高的相似效果来使用。当使用软性铁氧体和硬性铁氧体时，可期望能够使本发明的单向功率监视器排列整齐或可很容易的将其吸附到磁体或磁性材料上。
本发明的单向光功率监视器优选满足下列方程：
D≥2L≥1.517R+D/2
其中L是GRIN透镜的光轴与光电二极管的光轴之间的光轴距离，R是透过抽头膜的光的高斯光束半径，D是具有透镜的光电二极管的透镜直径。
光在光束的垂直截面上没有显现出均匀的强度，而是光在光束中心最强，并具有光在光束的半径方向上衰减的分布。该分布被称作“高斯分布”，它是光束行进方向的函数。由于高斯分布，光束在行进过程中逐渐扩展并同时衰减。已知的是，在垂直于光束行进方向的任何截面上都保持高斯分布。尽管通过在其位置处对所述光进行电转换可获得光束强度，但必须具有相对于光束扩展程度的指标。因此，光强度衰减到光的中心强度的1/e2时的半径是指示光束扩展尺寸的指标，该指标被称作“高斯光束半径”，其中“e”是自然对数的底数。
对于本发明的单向光功率监视器，如下是必要的：光电二极管仅仅测量到来自一个光纤并透过抽头膜的光、而光电二极管没有测量到来自另一个光纤并透过抽头膜的光。为了实现该效果，GRIN透镜的光轴和光电二极管的光轴之间的光轴距离是很重要的。通过使高斯光束半径乘以1.517可以计算光强度衰减到光束中心强度的1％时的位置。为了使GRIN透镜和光电二极管以下述关系设置：衰减到1％的光不会进入具有透镜的光电二极管，则最好使光轴距离的两倍大于高斯光束半径的1.517倍加上光电二极管透镜直径的一半的和。通过建立该关系，当由来自输入光纤的光产生的光电二极管输出被称作“输出A”、由来自输出光纤的光产生的光电二极管输出被称作“输出B”时，可使输出B小于输出A，并具有两位或两位以上的差。
另一方面，最好使光轴距离L小于光电二极管透镜直径D的一半。如果光轴距离L大于光电二极管透镜直径D的一半，则光学灵敏度快速降低，从而应增加所使用的套筒的外径，从而导致操作的不便和制造的难度。
本发明提供了一种小尺寸的、具有较高方向性特性的高性能单向功率监视器。由于本发明的单向光功率监视器具有由黑色不透明材料制成的套筒，并且该套筒使GRIN透镜和光电二极管光轴偏心地固定，所以来自输出光纤并透过抽头膜的光信号部分被套筒内壁衰减，从而提高了方向性特性。
附图说明
图1是表示本发明例子1的单向光功率监视器的截面图；
图2是表示本发明例子6的单向光功率监视器的截面图；
图3是表示光学灵敏度和方向性特性与光轴间距离的关系的图表；
图4A、4B和4C是本发明例子7的单向光功率监视器的截面图；
图5是表示对比例的单向光功率监视器的截面图；
图6是现有的双向光功率监视器的截面图；和
图7是非专利文献1中所示的单向光功率监视器的截面图。
具体实施方式
例子1
图1是表示本发明例子1的单向光功率监视器的截面图。单向光功率监视器包括：具有两个光纤(输入光纤3和输出光纤4)的引线光纤2；具有抽头膜8的柱形GRIN透镜7；光电二极管10；和在GRIN透镜与光电二极管之间形成光路的套筒9。两个光纤3，4以较小的间隔(两个光纤之间的间距：大约250μm)彼此平行设置并被模铸形成引线光纤2。在引线光纤2的一个端面上，两个光纤3，4在其中心周围分别具有开口端。柱形GRIN透镜7具有彼此面对的两个端面，其中一个以较小的空气间隙5(100到300μm)面对具有两个光纤的两个开口端的引线光纤的端面，另一个在其上具有抽头膜8。引线光纤2和柱形GRIN透镜7使它们的光轴基本设置成一条直线。引线光纤面对GRIN透镜的端面和GRIN透镜面对引线光纤的端面相对于光轴分别具有大约8°的倾斜角，因而阻止了在相对面上的反射。
GRIN透镜是指梯度折射率透镜，其具有从其中心轴向外表面连续变大的折射率。在远离GRIN透镜中心轴的位置上平行于透镜中心轴传播的光在透镜的中心方向上弯曲，从而从GRIN透镜的一个端面入射的光从另一个端面的中心周围出射。这里使用的GRIN透镜7的中心轴中的折射率为1.590，折射率梯度常数为0.326。设置在GRIN透镜端面上的抽头膜8是通过周期性层叠SiO2和TiO2形成的介电多层膜，并且表示光透射率的抽头百分比是1％。在透过GRIN透镜之后到达抽头膜的大部分光在抽头膜的表面上反射，一部分光透过抽头膜。
在本实施例中，引线光纤2和GRIN透镜7的直径是1.8mm，并用环氧树脂粘结剂固定在管6的通孔内，管6由不透明的黑色圆柱形玻璃构成，其外径为2.8mm，内径为1.9mm。在以较小的空气间隙5将引线光纤2和GRIN透镜7固定在管6的通孔内时，当用光学万用表监视从引线光纤的一个光纤入射并从另一个光纤出射的光信号时，调节空气间隙5的大小，从而光信号的强度可以变为最大。
在GRIN透镜7与光电二极管10之间形成光路的套筒9具有第一端和第二端，并包括分别从第一端大约开口到第一端和第二端之间的中间位置的第一圆孔91、和从第二端大约开口到中间位置的第二圆孔92。第二圆孔92从第一圆孔91偏心，第一圆孔91在其里端、即大约中间位置处具有中间壁93和与第二圆孔连接的通孔94。在该实施例中，套筒9由黑色氧化铝陶瓷制成。套筒9的长度、或从第一端到第二端的长度为14.0mm。第一圆孔和第二圆孔的内径为2.0mm，第一圆孔的中心轴和第二圆孔的中心轴彼此平行并具有0.9mm的中心轴距。从套筒一端到大约中心位置的距离是7.0mm。在大约中间位置处垂直于第一圆孔中心轴的平面内，具有通孔94和中间壁93。GRIN透镜7的设置有GRIN透镜7的抽头膜的一侧上的端部从套筒的第一端被插入第一圆孔内2.0mm，并用粘结剂固定。GRIN透镜7的抽头膜8与中间壁93之间的距离为5.0mm。
在前端上具有透镜(直径为1.9mm)的光电二极管(直径为2.0mm)从套筒的第二端被插入第二圆孔中并固定。光电二极管的光电转换元件使用在光通信波段具有较高灵敏度的InGaAs。在第二圆孔中从大约中间位置到光电二极管10的透镜前端的距离为5.0mm。
利用该单向光功率监视器，来自光纤3的光信号从位于引线光纤2端部的光纤3的开口端传播到GRIN透镜7，光信号中的大部分被设置在GRIN透镜7的末端的抽头膜8反射，并通过光纤4而传播。来自光纤3并到达抽头膜8的光信号的一部分透过抽头膜，并且如实线箭头所示经由通孔94从第一圆孔91通过第二圆孔92，然后利用光电二极管10探测其强度。
来自光纤4的大部分光信号被位于引线光纤2一端的抽头膜8反射，并通过光纤3传播。来自光纤4并到达抽头膜8的光信号的一部分透过抽头膜，但透过的光信号如虚线箭头所示打在第一圆孔91的里端的中间壁93上，在那里大部分光被吸收，其一部分在中间壁93上反射。来自光纤4的光信号中，只有很少一部分通过第二圆孔92并达到光电二极管10。结果，在来自光纤3的光信号中，由光功率监视器测量到的光量大，而在来自光纤4的光信号中，由光功率监视器测量到的光量少。换言之，光功率监视器具有出色的单向性。
对单向光功率监视器的光学特性和电特性进行了评价。当从光纤3输入波长为1,550nm、光强度为0dBm的光时，插入损耗为0.31dB，光电二极管的光学灵敏度为9.8mA/w。当从光纤4输入相同的光时，插入损耗为0.31dB，光电二极管的光学灵敏度为24.1μA/w。单向光功率监视器的方向性特性为26.1dB，大于25dB的要求水平。
例子2
本发明例子2的单向光功率监视器与图1中所示例子1的单向光功率监视器具有下述不同：安装在引线光纤2上的两个光纤3，4之间的距离为125μm，套筒9的长度为24mm，抽头膜8与具有透镜的光电二极管10之间的距离为20mm。例子2的单向光功率监视器的其他结构与图1中所示的例子1的单向光功率监视器的结构相同。
在单向光功率监视器中，当从输入光纤3输入光信号时获得的光电二极管的光学灵敏度为6.7mA/w。因为单向光功率监视器的抽头膜与具有透镜的光电二极管之间的距离比例子1长，所以透过抽头膜并向光电二极管传播的光束扩宽，高斯光束半径变为大于例子1，因而与例子1相比降低了光学灵敏度。
在从输出光纤4输入光信号时获得的光电二极管的光学灵敏度为20.6μA/m，单向光功率监视器可获得25.1dB的方向性特性。例子2的两个光纤之间的距离较小，因此来自光纤并透过GRIN透镜的光信号与GRIN透镜的轴所成的角度较小。然而，因为GRIN透镜的抽头膜和光电二极管之间的距离较长，所以可获得出色的方向性特性。然而，两个光纤之间的距离较小的例子2需要更长的套筒。为了获得出色的方向性特性，光功率监视器不可避免地需要较大的容量。
例子3
例子3的单向光功率监视器使用在中心轴具有1.634的折射率、0.417的折射率梯度常数的GRIN透镜。折射率和折射率梯度常数比例子1的GRIN透镜的大。在使用具有这种高折射率的GRIN透镜的单向光功率监视器中，来自输入光纤3并透过GRIN透镜的光与来自输出光纤4并透过GRIN透镜的光所成的角度比例子1中的大。因此，抽头膜与具有透镜的光电二极管之间的距离可减少至8mm，比例子1中的短。此外，高折射率允许光在GRIN透镜内快速会聚，由此减小了其高斯光束半径并利于通过具有透镜的光电二极管来收集光。
当从输入光纤3输入光信号时利用单向光功率监视器获得的光电二极管的光学灵敏度为10.2mA/w，而当从输出光纤4输入光信号时利用单向光功率监视器获得的光电二极管的光学灵敏度为19.2μA/w。单向光功率监视器的方向性特性为27.3dB，是非常令人满意的。
例子4
例子4的单向光功率监视器使用由SiO2和Ta2O5膜组成的层叠膜，来代替例子1的单向光功率监视器的抽头膜。其抽头百分比为1％，与例子1中的相同。单向光功率监视器的其他结构与例子1中的相同。当从输入光纤输入光信号时利用单向光功率监视器获得的光电二极管的光学灵敏度为9.8mA/w，而当从输出光纤输入光信号时利用单向光功率监视器获得的光电二极管的光学灵敏度为21.4μA/w。单向光功率监视器的方向性特性为26.6dB。例子4表明由SiO2和Ta2O5膜组成的层叠膜可用作抽头膜。
例子5
对于在例子1的单向光功率监视器中、仅使套筒材料为表1中所示的各种材料的光功率监视器M1到M17中的每一个，表1示出光电二极管对从输入光纤输入的光信号的光学灵敏度、光电二极管对从输出光纤输入的光信号的光学灵敏度、所测量的方向性特性和暗电流。因为暗电流是在从输入光纤或输出光纤都没有光输入的状态下光电二极管的输出电流，所以意味着探测到通过套筒壁从外部入射的光。在任何一个光功率监视器中，暗电流是0.043到0.077nA，令人满意地在0.1nA以下。
表1
  样品号   套筒材料   对从输入光纤入射的光信号的光学灵敏度(mA/w)  对从输出光纤入射的光信号的光学灵敏度(μA/w)   方向性特性(dB)   暗电流(nA)
  M1   氧化铝   9.80  24.1   26.1   0.043
  M2   氧化锆   9.90  22.3   26.5   0.055
  M3   金刚砂   10.20  20.5   27.0   0.048
  M4   氮化硅   10.10  18.5   27.4   0.062
  M5   氮化铝   9.90  21.9   26.6   0.077
  M6   石英玻璃   9.60  29.7   25.1   0.065
  M7   氧化铝玻璃   9.80  28.5   25.4   0.063
  M8   氧化钛玻璃   10.00  29.1   25.4   0.072
  M9   环氧树脂   10.10  25.3   26.0   0.046
  M10   液晶聚合物   9.80  22.7   26.4   0.059
  M11   聚苯树脂   9.50  26.2   25.6   0.056
  M12   聚乙烯树脂   9.40  24.8   25.8   0.049
  M13   聚丙烯树脂   10.20  23.3   26.4   0.044
  M14   聚丁烯树脂   9.70  26.3   25.7   0.051
  M15   偶氮化合物树脂   9.80  27.1   25.6   0.057
  M16   聚酯树脂   9.90  25.9   25.8   0.061
  M17   碳   10.30  17.8   27.6   0.048
从表1可以看出，在光功率监视器M1到M17的任何一个中都获得了25dB或25dB以上的方向性特性。尤其在使用陶瓷套筒的M1到M5中，获得了26dB或26dB以上的方向性特性。
例子6
对向小尺寸的单向光功率监视器提供了高光学灵敏度和高方向性特性的GRIN透镜和光电二极管的光轴间的光轴距离L进行了研究。该单向光功率监视器是图2中所示的光功率监视器，其中仅将例子1的单向光功率监视器中的套筒9在纵向上分为两部分。该光功率监视器构成为通过使两个分离后的套筒18和19相对移动来改变光轴距离L。光电二极管10的透镜直径为1.9mm。用光束剖面仪(beamprofiler)测量到的透过抽头膜8的光的高斯光束半径R为0.38mm。
图3是表示在改变光轴距离L的同时从输入光纤3输入光时获得的光电二极管10的光学灵敏度和方向性特性的结果的图表。当光轴距离L被设为小于0.8mm或大于0.95mm时，光学灵敏度和方向性特性降低。可以认为，当光轴距离L小于特定值时，光学灵敏度降低，因为来自输入光纤3的光很难输入光电二极管10中，并且方向性特性也降低，因为来自输出光纤4并被光电二极管10探测到的光量增加。因为光在光束内是按照高斯分布进行强度分布，所以可用高斯光束半径R来计算在特定光轴距离L处的光强度。具有透镜的光电二极管进行的光探测限于光被输入光电二极管的透镜中的情形，因而表明存在下列关系：2L≥1.517R+D/2，其中L是GRIN透镜7和具有透镜的光电二极管10的光轴之间的光轴距离，R是透过抽头膜8的光的高斯光束半径，D是光电二极管的透镜直径。如果将例子6的值输入到该表达式中，则当光轴距离L为0.763mm或更大时，方向性特性为25dB。
另一方面，如图3中所示，当光轴距离L超过0.95mm时，光学灵敏度快速降低，而方向性特性在0.95到1.0mm的光轴距离L内缓慢降低。可以认为，当光轴距离L增加时，第一圆孔和第二圆孔之间的通孔变小，并且来自输入光纤、透过抽头膜并被引导向光电二极管的透镜、然后穿过通孔的输入光的一部分变小。因此，光轴距离L必须减小到0.95mm或更小，即为光电二极管的透镜直径D的1/2倍或更小。
由于上面提到的原因，光轴距离L需要满足使用高斯光束半径R和透镜直径D的下列不等式：D≥2L≥1.517R+D/2。
例子7
图4A到4C示出例子7，与例子1的不同之处在于套筒形状。在与例子1的图1相同的位置处设置中间壁，以便由中间壁吸收和在其上反射来自光纤4并到达抽头膜8的光的一部分(由虚线箭头表示)。来自光纤3并透过抽头膜8的光(由实线箭头表示)通过第一圆孔和第二圆孔到达光电二极管10。因为第一圆孔和第二圆孔的内壁不会妨碍由实线箭头表示的光路，所以可采用具有如图4A到4C中所示形状的套筒。使用金刚石砂轮从圆柱形黑色氧化铝陶瓷的两端来处理图4A和4B中所示的套筒9，使第一圆孔和第二圆孔的中心轴彼此偏移。通过使用金刚石砂轮附加地对成型并烧结成在其内侧具有斜坡的圆筒形黑色氧化铝陶瓷加工圆孔，来获得图4C中所示的套筒9。使用这些套筒制造的单向光功率监视器的方向性特性为26.1dB，与例子1的相同。
对比例
除了套筒的结构之外，作为图5中的截面图所示的对比例的单向功率监视器具有与例子1的单向光功率监视器相同的结构。在图5中，使用与图1相同组件的部分具有与图1相同的附图标记。GRIN透镜7的抽头膜8与光电二极管10的透镜之间的距离设定为10mm，与例子1的相同。连接GRIN透镜7与光电二极管10的套筒38用褐色玻璃制成，在玻璃套筒的大约中心处设置缓和的斜坡，并且GRIN透镜和光电二极管的轴之间的光轴距离为0.9mm。
从输入光纤3进入GRIN透镜7的光信号的一部分透过抽头膜8并如图中实线箭头所示被光电二极管10探测到。从输出光纤4进入GRIN透镜7并透过抽头膜8的光信号的一部分如图中虚线箭头43所示，透过玻璃套筒38的壁并被释放到监视器外部，从而没有被光电二极管10探测到。该单向功率监视器的方向性特性为23到24dB，并不是那么令人满意。这可能是因为玻璃套筒的壁接收一部分光的反射或允许外部光进入套筒，因而这些光可被光电二极管探测到。
工业实用性
本发明提供了一种监视装置，尤其适用于测量光信号强度的、具有EDFA等的放大电路。本发明的单向光功率监视器仅探测并测量来自应测量光信号强度方向的光信号，不测量来自相反方向的光信号，因而可以准确地测量应测量的光信号的强度。此外，该单向功率监视器是小尺寸型的，因而减小了整个光通信电路的尺寸。

Claims (4)

1.一种单向光功率监视器，包括：
引线光纤，具有彼此平行且彼此相距较小距离的两个光纤，
所述两个光纤在所述引线光纤的端面上分别具有开口端，所述开口端邻近所述端面的中心；
柱形GRIN透镜，具有彼此相对的两个端面，其中一个端面面对所述引线光纤的端面，另一个端面在其上具有抽头膜；
设置有第一端和第二端的套筒，
所述套筒具有第一圆孔和第二圆孔，所述第一圆孔从所述第一端延伸到所述第一端和所述第二端之间的大约中间位置，所述第二圆孔从所述第二端延伸到所述大约中间位置并具有与所述第一圆孔的中心轴平行、且从所述第一圆孔的中心轴偏离的中心轴，
所述第一圆孔在所述大约中间位置具有与所述第二圆孔相通的通孔和中间壁；以及
光电二极管，定位于所述第二圆孔中、所述套筒的第二端处，并且在该光电二极管的前表面上具有面对通孔的透镜，
其中所述GRIN透镜被定位于所述第一圆孔中，使来自所述两个光纤中的一个并透过所述抽头膜的光信号通过第一和第二圆孔并到达光电二极管，且来自所述两个光纤中的另一个并透过抽头膜的光信号的光路被套筒的中间壁阻挡。
2.根据权利要求1所述的单向光功率监视器，其中套筒和中间壁由不透明的陶瓷、玻璃或塑料制成。
3.根据权利要求2所述的单向光功率监视器，其中套筒是黑色的。
4.根据权利要求1所述的单向光功率监视器，其中单向光功率监视器满足下列方程：
D≥2L≥1.517R+D/2
其中L是GRIN透镜与在所述前表面上具有透镜的光电二极管之间的光轴距离，R是透过抽头膜的光的高斯光束半径，D是光电二极管的透镜直径。
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