CN1031601C - 一种电可调谐光纤 - Google Patents

Abstract

电可调谐光纤包括一段光纤，它包含位于共同包层中以构成两个光导路径的两个均匀隔开的光芯，至少光芯的光学特性不同，以使两路径的传播常数不同并在预定波长上重合，这样该波长上的光能将不断地从一个光芯转移到另一光芯，特征在于，两电极位于包层内，并把至少一个光芯夹在中间以便向它施加电场，利用电-光效应改变其传播常数并因此改变该波长，从而使该结构可调谐。还公开了这一光纤的制造方法。

Description

一种电可调谐光纤

本发明涉及一种电可调谐光纤

人们已经知道，当两根相同的单模光芯位于一个共同的包层中(光芯材料的折射率高于包层的折射率)，并且光芯相距得足够近的话，在两个光芯间就会产生光耦合。当光能被引入其中一根光芯时，它主要地在该芯本身中传播，但是在有限程度上也向紧包着它的包层中传播，所以实际上光芯提供了一条侧向超出光芯本身的光导路径。当光芯靠得足够近时，它们的光导路径相迭加，以至原来在其中一个光导路径中传播的光进入另一个光导路径。所有的，或实际上所有的光能通过这种方式从一个光导路径转移到另一个光导路径，以至在这种光纤中经过一段长度在两个光导路径中传播的能量的比例不断摆动，有时100％在一个路径中，有时100％在另一路径中。所有能量从一个路径传到另一路径，然后又回到前一路径所经过的距离常被称为“拍长”，它的典型长度从几毫米到几厘米。拍长是波长的函数，因此，如果不止一种波长的光被引入这种光纤的话，那么在光纤上沿着向前方向等于许多拍长的著一位置，这些波长的光中有一种波长的光将百分之百地在一个光导路径中传播，而所有其他波长光中至少有一定比例进入另一光导路径。因此，在这点端接光纤就可以把一种波长从其他波长中过滤出来。

这一原理已被用来制造一个光纤结构波长滤光器(发表于K.Okamoto和J.Noda的论文，Electronics Letters1986.2.13，卷22，第4号)，方法是把双芯光纤和单芯光纤间歇地衔接，单芯光纤的各段用于把优先过滤的光从双芯光芯的上一段输出中传送到双芯光芯后一段中的一个光芯中。双芯光纤的每一段都优先地把同一波长转移或过滤，所以每一段双芯光纤都有效地去掉一定量其他波长而只保留某一种波长。因此，如果双芯光纤的段数足够大的话，从组合滤光器一端到另一端的通频带相当窄。然而，这些滤光器的结构相当复杂，也相当昂贵。联系先有的光纤结构波长滤光器叙述的把光能从一个光导路径向另一个光导路径重复和完全的转移，只在两个光导路径的传播常数相同的情况下才能产生。

单模光导路径的传播常数表示光在该路径中的传播速度，它是光芯本身和紧包着它的包层的各参数的函数。对一种给定的结构，传播常数随波长变化。人们也已知道，通过适当地选择芯材料、芯直径、包层材料，和芯及紧包着它的包层的折射率分布，就可以在一定程度上确定对于某一具体波长的传播常数以及传播常数作为波长的函数变化的速率。

在刚叙述过的先有结构中，因为两个光导路径完全相同，所以对于所有波长来说，两路径的传播常数相同。

1985年1月的美国光学学会期刊第84页上题为“两芯光纤：实验”的文章中，建议了一种两芯结构，它们的传播常数只在某一具体波长才相同。因此，所有其他波长都留在被最初引进的光导路径中，而只有设计用该结构过滤出的这个预定的波长在两个路径中摆动，并且可以与其他波长分离开，方法是在某一点端接光纤结构，在这一点，预定波长的大多数能量与其他能量分开进入相对的路径中。这一预定波长由光纤的物理构成确定。

可用电的方法改变或调谐其通频带中心波长的光学波长过滤器公开在1978年7月15日Applied Physics Letters33(2)中R.C.Alferness和R.V.Schmidt发表的论文中。这种滤波器使用了不能用在光纤型结构中的集成光学技术。

直到目前，还不能生产出一种在结构完成后还可以调谐或调节两个光芯间耦合波长的光纤结构。

本发明的一个目的是提供一种这样的光纤。

按照本发明提供了一种电可调谐光纤结构，它包括一段由两个位于共同包层中并且互相均匀隔开的单模光芯组成以提供两个光导路径的光纤，光芯的光学特性不同，因此，两个光导路径的传播常数也不同，它们的值在某一预定波长重迭，这样等于该波长的光能就能不断地从一个芯转移到另一个芯，其特征在于，在包层中有两个电极，并且至少有一个光芯位于两电极之间以便将电场作用在芯上，从而凭借电-光效应改变其传播常数并因此改变该波长，于是使结构成为可调谐的。

由于把电极做在光纤体中，并且与光芯非常接近，所以即使电极间的电压相当低，也可以形成一个跨过光芯的适当强的电场。即使考虑到对光纤中所用材料的限制，由于满足了实现理想的光学性能和能在光纤中构成的需要，所以能够改变一个或两个光芯的传播常数，因此可使中心耦合波长出现可检出的移动。

用软玻璃制造可调谐光芯和包层可以增加波长的可移动量，这将在后面叙述。

在按照本发明的一个结构中，这样确定光纤的长度，即当预定波长的光能从光芯一端进入一根光芯，它能在光纤的另一端基本上进入另一根光芯，这样的结构就可以作为一个过滤频率电可调谐的波长滤光器使用。

因此，由于有了这种滤光器的光纤结构，第一次提供了能很容易地与光纤信号操纵系统的元件对接的电可调谐的波长滤光器。

实际上，与滤光器设计波长紧邻的波长多少也通过滤光器。然而，通过使两个光导路径的传播常数在其实际交点波长两边急剧分离，可以减小通带宽度。还有，因为对于除预定波长外所有波长，小于100％的能量不断在两个光导路径间转移，所以增加滤光器输入和输出之间出现的能量转移次数或拍数也可以减小带宽。这可以简单地通过增加光纤长度或减小光芯间距(它减小了拍长并且因而增加了每单位长度的拍数)来实现。为了容易制造，最好是增加光纤长度以便使带宽变窄，因为这样对所需光纤长度的公差要求可以放宽(由于拍长比较长)，而且光芯的放置精度不需增加，如果用使光芯放置更近的方法实现同样效果，放置精度就必须提高。然而，实际考虑限制了滤光器的理想最大长度，而且要进一步减小带宽，就需要减小光芯的距离。

另一方面，本发明提供了一种制造电可调谐的光纤结构的方法，它包括准备两个含有理想的不同光学特性的光芯的芯杆，把它们插入内包层体的孔中，在插入之前或之后使内包层体的外表成非圆形，用一个内圆管把该体套住，使接近该体非圆部分处产生空隙，放下所得到的组装物，用电极材料充填内包层体和管之间的空间。

为了更好地理解本发明，将参照附图叙述几个实施例。

图1是本发明电可调谐光纤结构的剖视图。

图2(a)和2(b)显示了作为波长函数的传播常数，它可适用于图1的结构。

图3说明了分别使用图2(a)和图2(b)中的传播常数，就能弄宽或弄窄传播常数。

图4(a)和(b)具有图1结构的滤光器的传播常数和带宽是怎样被改变的。

图5说明图1所示光纤结构制造的一个阶段。

图6显示了本发明电可调谐结构的另一种型式。

示于图1的光纤有两个位于一个共同包层4中的光芯1和2。在光芯的整个长度上，光芯1和2均匀地隔开。如前所述，每一光芯有一个向芯每一侧面侧向扩展的光导路径，并且两芯之间间隔足够的小使它们的光导路径互相迭合，以便如已所述的那样允许光能在光芯之间转移。

每个光芯的材料，直径和折射率分布以和单根光芯的选择方式一样的方式选择，使两光芯具有不同的传播常数。图2a表示一种情况，在这种情况下，光芯的传播常数(波长的函数)在波长λc重合，但在它两侧分离得不很急剧。反之，图2(b)所示的情况下，两个传播常数在波长λc重合，但在它两侧急剧地互相分开。

假定一个宽波长分布被从光纤的一端引入一个光芯，例如光芯1，然后按照前面已说明过的光芯间的耦合原理，在进入点后面等于波长λc的拍长整数倍的光纤上某一点在“过滤的”光芯2中的波长分布将如图3所示。虚线表示对于图2(a)的情况(此时两光芯的传播常数在较宽的波长带中比较接近)被滤入光芯2的较宽的波长分布。实线表示传播常数如图2(b)所示那样随波长变化而急剧分离的情况下产生的较窄的通带。

通带的宽度不但取决于两个传播常数间的关系；而且也取决于两个光芯间的间隔，和(当光纤结构在光纤系统中要形成一个分立的滤光器件时)组成滤光器的光纤的总长度，所有这些变量都被设定在能得到理想的性能而又最易制造的数值。

关于可调谐性，两个金属电极6和8被加入光纤结构中。两个光芯1和2都位于两个电极之间。虽然光芯1和2的玻璃材料对于所施加的电场只显示出相当小的电光效应，尽管如此，把电极加入到光纤本身中仍然可以使与电极间的电压有关的场强相当高。当在电极间加上电压时，电光效应使每个光芯的折射率发生变化，并且结果使两个光芯的传播常数改变，如图4(a)所示。结果，滤光通带的中心频率也相应变化，如图5(b)所示。

实际上，电一光效应使在垂直于电极的偏振光和平行于电极的偏振光之间的折射率产生差动变化(即如图1所示的与光纤垂直和水平平)。偏振平面与电极垂直的光的折射率移动较大，利用这一点，可以最初只把这种偏振光引入光纤。平行于电极偏振的光可以用一个检偏振器在滤光器的输出端滤出，因此只留下垂直于电极偏振的光。

为了增加可得到的最大频移，可以使用软玻璃(例如铅玻璃)制造光芯和包层，许多软玻璃的电-光效应比通常用于光纤芯和包层的硬玻璃的电-光效应大许多倍。为了进一步增大频移，最好选择一种具有正电-光系数的玻璃制造一个光芯，而选择一种具有负电-光系数的玻璃制造第二个光芯，因为对于一定的偏振平面，这将使两个光芯的折射率和传播系数在同一电场作用下朝相反方向移动。

应该注意，给定的滤光器光纤长度只适宜滤出一个特定的中心波长。因此，当中心过滤波长被用电的方法改变时，光芯的长度在某种程度上变得不合适。这可用增加拍长即使光芯离得远些的方法来缓和。

图5可以用来说明图1所示的光纤结构的制造。可以用一种改进的化学蒸汽沉积法(MCVD)在相应的二氧化硅支持管中沉积具有对具体的光芯合适的特性的玻璃材料，这样来制造两光芯杆。然后把大部分支持管材料腐蚀掉以便在中央光芯材料上留下相当少的包层材料，因为光芯需要靠得很近。然后，光芯杆在电炉中一边被加热一边被伸长，并且被拉到直径只有几毫米。

在圆截面的高纯度二氧化硅杆10上削出相对的平面12，并沿轴向超声加工出两个孔14和16。然后把直径被拉细到分别与孔14和16相匹配的两根芯杆塞入这些孔并把这个组装件插入一个二氧化硅管18中。然后把整个装配件拉细到直径足够小，以保证在滤光器全部扫描波长范围内进行单模操作。

为构成更灵敏的滤光器，用软玻璃制成光芯，并把它们插入折射率较低的软玻璃包层杆的孔中，然后用一个软玻璃管把它们全套起来。

所得到的光纤如图1所示，但所示的电极6和8处为空白空间。这些空间用伍德金属或铟/镓混合物这样的低熔点金属填充，作法是，把光芯段的一端装在一个加热的盒子中的液态金属中，同时在光芯的该端施加压力，而在另一端抽真空。这样把液态金属泵吸到这些空间中，当光纤冷却时液态金属就固化而形成电极6和8。

应该注意，在图1中表示光芯的圆圈1和2表示高折射率光芯材料。当用参照图5所叙述的杆一管方法形成光纤时，使用在支持管中用MCVD方法形成的芯杆，杆的外表面(拉长形式)实际上稍稍处在表示光芯1和2的圆圈之外。

图6显示了本发明电可调谐光纤的另一种形式。其中只有光芯1位于电极20中间。可以用与图5的方法相似的方法制造之，但是，不在杆10上加工出平面12，而是在孔14的两侧再超声加工出两个通孔。然后当光纤被拉成后，用金属填充以形成电极20。对这种结构，在电极20之间加上电压，只把一个传播常数移动到图4(a)所示的虚线位置，所以，与图1所示的结构相比，对于给定电压，能得到不同和更大的中心波长移动。参照图2(a)和图2(b)，应该注意，当传播常数曲线如图2(a)那样分离较慢而不象图2(b)那样分离较快时，可以得到更大的波长移动范围，但是将伴随着通带展宽。最好，在这种结构中芯材料是正电-光系数玻璃，而包层是负电-光系数玻璃，因为这将使电场中的光芯和包层的折射率沿相反方向改变，这样将比单靠改变芯的折射率的方法更大地改变传播常数。使用负系数光芯和正系数包层也可得到同样的效果。

为了在图1的电极6和8或图6中的20上加上电压，光纤包层的一部分要用氢氟酸局部腐蚀直到裸露出电极表面，然后把细导线22超声焊在电极上，见图6所示，其中用虚线表示出被腐蚀去掉的包层部分。

图6中还用虚线显示了第二对电极24，它们可位于第二光芯2的两侧，这样，如果需要的话，可以分别单独地控制两个光芯的传播常数。

可以期望，用高泡克耳(Pockel)系数单晶材料制造光芯和/或包层可获得更大的频移，因为泡克耳效应(发生在这些材料中)比克耳效应(Kerr effect)更强。

Claims (10)

1.一种电可调谐光纤，它包括两根在一个共同的包层(4)中提供两个光导路径的均匀隔开的单模光芯(1，2)，至少光芯的光学特性不相同以便使两个光导路径具有不同的传播常数并且它们在一预定波长处互相重合，以便在该波长上的光能不断地从一个光芯转移到另一光芯，其特征在于，在包层中有两个电极(6，8，20)并且至少有一根光芯位于它们之间以便把电场加到该光芯上，以此利用电—光效应来改变其传播常数，并因此而改变该波长，从而使该结构成为可调谐的。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，光纤的长度这样确定，当预定波长的光能被从光纤一端引入一个光芯时，光能将在光纤的另一端进入另一光芯，借此使该结构成为一个过滤频率电可调谐的波长滤光器。

3.如权利要求1或2所述的光纤，其中两个电极(6，8)把两个光芯(1，2)夹在它们中间。

4.如权利要求3所述的光纤，其中一个光芯的电—光系数是正的，而另一个光芯的电—光系数是负的。

5.如权利要求1所述的光纤，其中两个电极(20)只把一个光芯(1)夹在当中。

6.如权利要求5所述的光纤，其中位于电极(20)之间的光芯(1)具有正电—光系数，而包层(4)具有负电—光系数，或者反过来。

7.如权利要求5所述的光纤，包括两个另外的电极(24)，它们把另一个芯(2)夹在中间。

8.如权利要求1所述的光纤，其中至少该一个光芯是由有相当大电—光效应的软玻璃制成的。

9.如权利要求8所述的光纤，其中共同的包层(4)是由有相当大电—光效应的软玻璃制成的。

10.制造如权利要求1中所述的光纤的方法，其特征是：包括：准备两个含有所需的不同光学特性的光芯的光芯杆，把它们插入一个内包层体(10)上的孔(14，16)中，在该插入过程之前或之后把该体加工成非圆形(12)，用内圆管(18)套住该体以在接近该体的非圆部分处形成空间，拉长所得到的组装物，并用电极材料填充拉伸后的内包层体和管之间的空间。

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