CN101464545A - 监测光的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测射入单模光纤的纤芯中的激光的方法,包括将部分光直接射入纤芯周围的包层中。被射入该包层的光是被射入纤芯中的光的已知比例部分,并且可由放置在包层附近的探测器监测。被探测的光主要包括被射入该包层的光和通过该包层泄漏的光,被探测的光被用作纤芯内的光的已知比例部分,且可被用于控制激光源。这可通过单模光纤的直段完成,不需要弯曲光纤。有利地,大多数被射入纤芯的光作为被导向的光留在纤芯中。

Description

监测光的方法和装置

技术领域

[01]本发明主要涉及用于探测和监测被射入单模光纤包层中的光的方法和装置。

背景技术

[02]当激光在光纤中发射时,经常需要借助监测来估算进入光纤的光功率。 一般地,提取并探测已知比例的光,所探测的这部分光提供了在光纤中传播的总激光功率的指标。

[03]已经提出了很多方法和系统用来分接出一部分接收自激光器并在光纤中传播的光。这些方法中有一些实施起来复杂并且成本高。

[04]例如,已经转让给光通信产品有限公司(Optical Communication Products, Inc.)的Malone的美国专利6,778,585,这里通过引用并入本文,该文献主要涉及VCSEL。在使用VCSEL的光通信系统中,或者在光纤激光器系统或者二极管激光器系统中,控制正在传输的光学数据信号是很重要的。因为在当今光电产业中普遍使用的VCSEL发射出与形成表面正交的单向光束,所以,在没有衰减或没有破坏发射的光的完整性的情况下,对提供数据信号的VCSEL的输出光功率进行监测是非常困难的。为了控制VCSEL的输出光功率以及将光功率维持在所期望的水平,首先必须监测输出的光功率。根据监测到的输出光功率,可以对提供给VCSEL的电流信号进行调整,以控制提供数据信号的VCSEL的输出光功率。

[05]正如美国专利6,778,585中所描述,折射线耦合技术,也被称为"折射近场"技术,被用在光电子学领域,例如被用来表征光纤。特别地,这种技术在"通过折射线方法(折射近场扫描)所测定的光纤指数分布(Optical Fiber Index Profiles by theRefracted-Ray Method ( Refracted Near-Field Scanning )),,(应用光学20( 19 ), 3415-3421 ,1981年10月)中有论述,该文献的内容通过引用并入本文。

[06]在很多激光系统中,当光源(如激光)与光纤耦合时,优选地,大部分光作为被导向光线在光纤纤芯中传播。以大于临界角的角度进入纤芯的这部分光不是全部反射,而是有部分折射进入包层。这部分光的量取决于聚焦系统的数值孔径(NA)和光纤的NA之间的失配。折射进包层的光在包层和外部覆盖层之间的边界上再一次折射(部分反射),进入覆盖层,最后进入光纤外部的自由空间。残留在包层中的这部分光会建

4立高阶包层模式,但是由于这些模式的反射角小于临界角,因此,会在纤芯和外部严重泄露。因此,其传播距离非常短。美国专利6,778,585提出使用这种从包层折射最后传出光纤的光来监测光纤中的功率。其公开了 一种折射线耦合器形式的复杂且成本高的光收集系统,以作为监测离开纤芯和包层的光的装置。美国专利6,778,585中提出的这种设计,通过引用在此并入本文,该设计主要使用折射光线的特性。这些光线以有限的空间角被定向,并且仅能以离光纤输入端非常近的距离从光纤射出。

[07]在此提出一个很重要的方面,其在美国专利6,778,585中没有被论述,但被认为对于该装置的功能很重要。该方案是具有较大纤芯直径的多模光纤所特有的。具有大的纤芯对这种类型的光耦合以及对离开纤芯穿过包层的光的收集最实用。

发明内容

[08]相形之下,本发明提出了对单模光纤特别有用的一种方案,其中,监测一小部分从光纤的端部直接入射到包层并且以低阶模式在包层中传播的光,其中避免了对折射光线耦合器的需求。

[09]此外,本发明不需要弯曲光纤来分接光线。但是,可以使用弯曲半径小于20mm的光纤段监测光纤中的光。

[10]因此,本发明的目的是提供一种监测射入包层的光的方法,通过使用设置在沿光纤一侧且与其相邻设置的探测器对射入包层的光的部分进行直接探测,该方法利用了从包层散射的光的空间均匀分布。

[11]本发明的另一个目的是利用光电二极管对单模光纤承载的光进行监测,设置所述光电二极管的位置,使得离开光纤的光仅在传播通过光纤和光电二极管之间的自由空间之后被探测。

[12]根据本发明的一个方面,提供了一种监测光的方法,包括:[13]将光束射入单模光纤的端部,所述单模光纤包括:折射率为m的纤芯和折射率为n2的围绕所述纤芯的包层,其中n^n2,其中射入所述单模光纤的端部的光束的第一部分P!在所述光纤的第一端面被射入所述纤芯中,所述光束的第二部分P2在所述光纤的第一端面被直接射入所述包层中,其中P2/Pi〉0.05;在所述光纤的所述端部附近的第一位置处,沿所述光纤一侧靠近所述包层,用沿所述光纤一侧设置的光电探测器探测射入所述光纤的一部分光P3,其中所述部分光包括超过0.5%的P2和不超过0.003%的P!。[14]根据本发明进一步提供了一种监测被射入单模光纤的包层中的光的方法,包括以下步骤:

将光电探测器设置在单模光纤的发射端的下游的第 一位置处;

将光功率为P的光束射入所述光纤的所述发射端,其中功率为P2的部分光束被射

入所述光纤的所述发射端的包层内,功率为Pi的部分光束被射入所述光纤的所述发射

端的纤芯中;以及

将所述光电探测器设置在邻近所述包层的位置进行探测,使用所述光电探测器所探测的功率为P2的光束部分的量大于功率为P,的光束部分。

附图说明

[15]现结合附图,详细描述示例性的实施例,其中:

[16]图1示出了一种耦合装置光路图,所述耦合装置具有准直和聚焦透镜,用于准直离开激光器的光并用于在光纤端部聚焦经准直的光,以便在纤芯和包层中发生耦合。

[17]图2示出了一种耦合装置的光路图,所述耦合装置具有单透镜,用于确保将由激光器发出的发散光以优选的比率聚焦到该光纤的纤芯和包层中。

[18]图3示出了 一种耦合装置的光路图,其中采用直接耦合或者对接耦合以将激光耦合到光纤的纤芯和包层中。

[19]图4是类似图2的耦合装置的光路图,所述耦合装置具有被设置在所述光纤和^:测器之间的用来过滤预定的光波长的滤波器。

[20]图5是类似图2的耦合装置的光路图,其中使用了耦合透镜,且包括后反射器,用来将离开所述包层的 一 些光反射向所述^:测器。

具体实施方式

[21]在来自激光器的光被有效地耦合到单模光纤中的理想的装置中,从激光器射出的光100%被耦合到单模光纤的纤芯,从而被沿纤芯导向,且被所述包层限制在纤芯中,以被传送到光学元件或者光接收器。如果激光器光束的一部分被发射且耦合到光纤的包层中,该被耦合到包层的光一般会散射且离开包层进入外部涂层,然后在光纤的外部环境中传播。如果光源和单模光纤之间的耦合长期稳定,可以假定射出包层的光成比例地代表射入纤芯中的光,或者至少在逸出包层的光功率量和纤芯中的光功率量之间有可预

6测的关系。

[22]本发明利用这种现象,提供一个从直接射入到包层的光中提取的反馈信号, 以指示在纤芯中传播的光的功率。

[23]前述现有技术利用逸出纤芯并通过包层离开光纤的光(其被很好地限定并具 有很窄的空间分布)来估算纤芯内的光功率,与其相反,本发明主要利用通过单模光纤 的一端部直接射入包层的光(所述光以低阶模式穿过包层传播且主要由于散射而逸出包 层),并且在这些光离开包层且进入所迷单模光纤的周边的自由空间后,监测这些光的 一部分。因此,已经示出,由邻近光纤一侧的探测器探测到的大部分光,是在光纤的端 部直接射入包层中的光,而不是射入纤芯中的光。

[24]现参见图1,示出了根据本发明的一个实施例的装置1,其中激光二极管3形 式的光发射器向单模光纤7的端部提供光束5。当光束从激光二极管3发射时,从近似 的点光源扩散。使用准直透镜和聚焦透镜将该光耦合进光纤的端部,使得大部分光被耦 合进光纤的纤芯8中,剩余的较小部分被耦合进纤芯周围的包层9中。在包层上有覆盖 层(未显示),逸出包层的光穿过保护覆盖层逸出。所显示的自纤芯发出的箭头指示在 整个纤芯周围的区域中逸出包层和涂层的光。为了接收和探测这些光的一小部分,如图 所示,在光被射入的光纤的端部的附近的纤芯周围设置有光电二极管探测器16 。理想地, 该光电二极管应当足够靠近, 一般尽可能靠近地设置,以最大化立体角,且将工作面沿 光纤定向。优选地,将光电探测器16放置在包层周围的光发射最强的地方,例如靠近 单模光纤的发射端。在这个位置,从包层的散射也较强,从而避免了对电子增益电路的 需求。散射随着离光纤的发射端的距离增加而成指数降低。光电探测器16的电输出信 号被电耦合到激光控制器17,以通过普通的电子控制回路或者反馈回路来稳定功率。有 利地,通过光纤的保护覆盖层可探测光,避免了移除覆盖层的需要及对光纤的潜在损坏。 通过将光电二极管设置在光纤附近,用射入光纤包层的基本上直接穿过光纤上的保护覆 盖层的光来监测发射器,其中,纤芯的光基本保持被导向,这一发现使本发明人可以很 经济地监测射入光纤中的激光,并且可以很方便地根据所探测到的射入包层且逸出包层 的光的强度来控制发射器3。

[25]现参见图2,其示出与图l类似的装置,但是,使用光纤透镜22将光耦合进 纤芯和包层中,以取代图1中使用的准直和聚焦透镜。

[26]图3所示的实施例是将激光二极管3发出的光直接耦合进光纤的端部,使得 所需要的部分光束以有用的流动比率耦合进包层和纤芯中。这种耦合方案已知为直接或

7者对接耦合方案。

[27]图4所示为本发明的可替换的实施例,其中,功率监测器包括滤波器50,该 滤波器被设置在光纤7和探测器16之间。例如,发射器或者光源可实现波长转换,并 且可以将两个波长耦合到光纤7中。该透射性光滤波器仅允许预定的波长穿过以便探测。 在已描述的实施例中,不需要引入散射元件来将光散射到光电二极管上。但是,如果在 光电二极管16处需要额外的光,在包层周围可以提供后反射镜62,如图5中所示,从 而在光电二极管探测器16处提供更强的信号以用于探测。

估算从纤芯和包层的射出 纤芯:

[28]在一个示例性的实施例中,所使用的单模光纤具有特定的纤芯损耗为 30dB/Km。包层中的损耗没有特定。出于计算的目的,如果假定射入纤芯中的所有的光 被散射且没有被吸收,这就给出了在光传播时由纤芯射入包层的光辐射的上限。为了配 准,使用一个面积大概在25mii^的光电二级管,其距离单模光纤大约5mm放置。鉴于 光纤发射光的圆柱对称性,在5mm长光纤段的1弧度范围内收集光,该弧度范围是该 光发射的整个空间角度的1/2ti * 0.16 。 5 mm长光纤的纤芯的损耗是 30dB/1000/200=1.5*l(T4 dB - 3.5*1(T5。如果将20 mW的光射入光纤的端部,5mm段 的光辐射为20*3.5*1(T5mW = 0.7 nW,探测器探测该辐射的16%。Pc。re=0.7*0.16 nW«0.1 pW。探测器的灵敏度大约是0.04i^A/nW。因此,在探测器中由纤芯的辐射所产生的电 流大约是Ic。re= 0.1*0.04 |^A= 4*10-3 ^A。

[29]我们所做的假定是,在纤芯中的所有损耗是辐射,然而这是不精确的。纤芯 中大部分损耗是因为吸收。因此,实际探测到的信号应该比上面估算的要低几倍。 包层:

[30]由于包层不被认为是光导向介质,因此我们无法找到所使用的单模光纤的包层 中的损耗的规范;包层的目的在于提供一种环境,在这种环境下,在纤芯中发生的基本 上是全内反射。我们的粗略估算是,在包层中的损耗(以光的形式主要传播进入围绕包 层的自由空间中)是30-100 dB/m。如果采用下限30 dB/m,釆用与纤芯相同的计算方法 得出,5mm长的包层中的损耗=30 dB/200 = 0.15 dB-0.035。

[31] —般地,当用非理想模式匹配耦合来自光发射器的光时,例如来自半导体激光 器、波导等,耦合效率小于100%。典型的水平是60-80%。考虑到纤芯直径是几个微米,,近IR的为6-8微米,且包层直径超过100微米,剩余的光被 耦合到包层中。

[32]假定耦合效率最多是80%。将20%的耦合光耦合到包层中会产生大约4 mW。 5mm的包层将辐射4*0.035 mW = 140 pW。因此,探测器将探测Pdad= 140*0.16 - 22 ^W, 产生电流Iclad= 22*0.04 « 0.9 pA。

[33]该估算与实验数据一致。在我们的系统中典型的PD电流从0.2nA变化至3pA。 该信号比从纤芯发射的信号强,其大小至少是2-3个数量级。

[34]令人惊讶地,探测射入包层的非常少量的光,可提供在单模光纤的纤芯中传播 的光的量的指标。 一旦已知纤芯至包层的光的比率,就可监测逸出包层的区域的光以控 制光发射二极管3。这样避免了以前使用的复杂的监测方案。

Claims (11)

1、一种监测光的方法,包括:将光束射入单模光纤的端部,所述单模光纤包括:折射率为n1的纤芯和折射率为n2的围绕所述纤芯的包层,其中n1>n2,其中射入所述单模光纤的端部的光束的第一部分P1在所述光纤的第一端面被射入所述纤芯中,所述光束的第二部分P2在所述光纤的第一端面被直接射入所述包层中,其中P2/P1>0.05;在所述光纤的所述端部附近的第一位置处,沿所述光纤一侧靠近所述包层,用沿所述光纤一侧设置的光电探测器探测射入所述光纤的一部分光P3,其中所述部分光包括超过0.5%的P2和不超过0.003%的P1。
2、 根据权利要求1所述的方法,其中,将所述光束射入所述单模光纤的端部中的所述步骤,包括将激光二极管的输出端和所述单模光纤的所述端部光耦合的步骤。
3、 根据权利要求2所述的方法,还包括,将与所述光电探测器探测的光成比例的输出信号提供给控制电路,所述控制电路与所述激光二极管电连接,用于控制被射入所述单模光纤的端部的光束。
4、 根据权利要求2所述的方法,其中,所述光电探测器被设置在距离所述单模光纤的所述端部小于20cm处。
5、 根据权利要求4所述的方法,其中,被射入单模光纤的所述端部的所述光束的至少60%进入所述光纤的所述纤芯。
6、 根据权利要求5所述的方法,其中,在所述光纤和所述光电探测器之间没有放置任何光学元件。
7、 根据权利要求5所述的方法,其中,在所述光纤和所述光电探测器之间设置有滤波器。
8、 根据权利要求4所述的方法,其中,在最接近所述光电探测器位置的区域内的所述包层上的保护覆盖层没有被移除。
9、 一种监测光的方法,包括以下步骤:将光电探测器设置在单模光纤的发射端的下游的第 一位置处;将光功率为P的光束射入所述光纤的所述发射端,其中功率为P2的所述光束的小部分被射入所述光纤的所述发射端的包层内,功率为P!的所述光束的大部分被射入所述光纤的所述发射端的纤芯中;以及将所述光电探测器设置在邻近所述包层的位置处进行探测,使用所述光电探测器所探测的射入所述包层的光束部分的量大于射入所述纤芯的光束部分。
10、 根据权利要求9所述的方法,其中,在所述光电探测器周围的所述光纤的区域的弯曲半径小于或者等于20mm。
11、根据权利要求9所述的方法,其中,在所述光电探测器周围的所述光纤的区域的弯曲半径大于20mm。
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