CN1136464C - 光学元件及含此元件的滤波器、传感器、开关和耦合器 - Google Patents

光学元件及含此元件的滤波器、传感器、开关和耦合器 Download PDF

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Abstract

光学元件在多模型光纤段(13)中应用多模干涉，多模型光纤(13)具有一个环形或管状结构的纤芯(1′)。这样一种光纤(13)好比一个平板波导，该波导的纤芯绕着位于距纤芯某一距离的长轴已被弯成一个圆。通过与单模光纤(1″)的耦合，这种光纤可以受到光激励，激励中心在环形纤芯(1′)上的某一点或其附近的某一点。接着不同的光传播模式受到激发，它们的相位速度之间近似有一些规律的关系，这样，例如，对于光纤段(13)某一合适的长度，在光纤段(13)的另一端便能得到一种光强，该光强是光纤段输入端提供的光强的一个近似反射像。这样一种光学元件可以用作滤波器或一个无源1×N-耦合器，其中在后一种情况中要对光纤段的长度加以调整以便在光纤段的输出端获得输入光强的N重像。

Description

光学元件及含此元件的滤波器、传感器、开关和耦合器
技术领域
本发明一般涉及无源光学元件，以及由此光学元件构造的光学滤波器、光学传感器、光学开关和光学1×N耦合器元件。
背景技术
通过光纤或其它波导对信号进行光通信被越来越多地用在本地性的独立设备和作远距离通信用的类似各种网络的较大系统中。在这些设备和系统中，需要存在多种不同的光学元件对光信号进行各种处理。这类元件的一个例子包括用于将光信号从单独一个波导传输到两个不同波导的耦合器。在平板波导中，这种耦合器可以以多模干涉为基础，参见例如《光波技术杂志》第13卷，第四期，1995年4月，615～627页，L.B.Soldano和E.C.M.Pennings等人的一篇综述性文章“基于自成像的光学多模干涉器件：原理及应用”。在这些已知的器件中，横向多模波导在某一点处受激，由此引发大量的光学或等效电磁场传播模式。这些传播模式以不同的相位速度在波导中传输并位于波导的横截面上，它们构成了电磁场分布。而且，在光波导长度方向的不同位置处所截取的横截面上，场分布彼此间有很大差异。例如，你可以获得一个相当精确的激励分布的复制品，倒相分布，多个或多重分布等。例如，已揭示了一种由GaAs和InP为基础的波导制成的1×N耦合器，其N值在2和20之间。这类器件可能存在的一个缺点是波导的横向反射可能非常严重，并且在反射过程中很难避免产生损耗和/或不希望的相变。
在出版号为No.60-225804(申请号为No.59-083579)的日本专利申请中，揭示了为选择光纤4中传播的光模，如何将一根光纤6，6′耦合到另一根光纤4的两侧。光纤6，6′具有环形纤芯且为单模型，而光纤4则为普通的多模型。
在上述的专利申请和欧洲专利申请0 384 740中，光纤被揭示为具有环形纤芯。这些光纤被用于传播以单光模形式存在的光。
发明内容
本发明的目的是提供使用多模干涉的光学元件。这些元件具有简单的构造并且用比较简单的方法就能生产出来。
为产生多模干涉，使用了一根多模光纤，也就是说，在此光纤中，就预定的或所研究的波长而言，大量光模可以同时进行传播。原则上，这样一根多模光纤可以象平板波导中那样允许多模干涉的产生。但是，由于没有供横向反射使用的侧面或表面，因此并不存在由横向反射产生的不良后果。在优选方案中，多模光纤是一种具有环形纤芯的光纤或者等效地为一种管状结构。这种光纤可以说类似于这样一个平板波导，该波导被绕着长轴弯成一个圆管的一半并接着被弯成类似的圆管的另一半从而构成一个完整的圆管。环形纤芯的厚度原则上与相应的平板波导的纤芯厚度为同一数量级。当这种光纤受到光激励时，激励中心位于环形纤芯上的某一点或其附近的某一点，此时各种不同的光传播模式受到激发，这些光传播模式与相应的平板波导中的不同模式一样彼此间大体上具有相同的相位速度。
根据本发明的第一方面，提供一种光学元件，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像。
根据本发明的第二方面，提供一种光学滤波器，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中光纤段被设计连接到一个向光纤段提供多种波长的光的光源上，并且
其中连接器和输出器的定位及光纤段长度的选择是用这样一种方法进行的，以致于只有在限定范围内的波长的光才能被输出器接收。
根据本发明的第三方面，提供一种光学传感器，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中输出器包括一个单模光纤，且连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于只有在限定范围内的波长的光才能被输出器接收，而当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以一种改变后的强度被输出器接收。
根据本发明第三方面的光学传感器，还可以有，连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以大大减弱的强度被输出器接收。
根据本发明第四方面，提供一种光学开关元件，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中输出器包括一个单模型光纤，并且连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于只有在限定范围内的波长的光才能被输出器接收，而当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以一种改变后的强度被输出器接收。
根据本发明第四方面的光学开关元件，还可以有，连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以大大减弱的强度被输出器接收。
根据本发明第五方面，提供一种光学1×N-耦合器元件，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中连接器包括一个具有纤芯的第一单模型光纤，且输出器包括至少一个具有一个纤芯的第二单模型光纤，第一单模型光纤的纤芯连接到在输入端端面的横截面上露出的光纤段的环形纤芯上的第一位置，并且至少一个第二单模型光纤的纤芯连接到在输出端端面的横截面上露出的光纤段的环形纤芯上的第二位置，第一和第二位置在光纤段的轴方向上彼此不同。
根据本发明第五方面的光学1×N-耦合器元件，当所述1×N-耦合器为一个1×2耦合器时，还可以有，输出器包括两个单模型的D形光纤。
附图简述：
现在参照附图，将用非限定实施方案的形式对本发明进行更加细致地描述，其中：
-图1是一段标准型光多模光纤的透视简图，
-图2是一段具有环形纤芯的光多模光纤的透视简图，
-图3是一段具有环形纤芯的光多模光纤被耦合到标准型光单模光纤上的透视简图，
-图4是某一端面的局部视图，大略地给出了一个光强分布，
-图5所示与图3所示的视图相同，其中多模光纤被耦合到另一根标准型单模光纤上，
-图6给出图5所示的光纤被连成传感器时的工作情况，
-图7所示为一个1×2耦合器的立面简图，该耦合器由一多模光纤和两个单模型的D形光纤构成，
-图8是按照图7的耦合器的一个截面图和
-图9是一个1×4-耦合器的一个截面图。
优选实施方案的描述：
图1所示为-段多模型光纤。它包括位于中央的纤芯1，此纤芯一般为柱形对称且对于通信中常用的波长而言直径一般在例如大约20～100μm之间。纤芯1被包层3包裹着，包层3具有一个圆柱形的外表面，其材料具有的折射率略低于纤芯1的折射率。
当在光纤段的一端5处射入光时，光波可以沿着光纤段传播。光纤段上与在径向上不同限制面有关的特殊情况，即当从光纤段的几何轴向外传送时存在的折射率的改变，导致了光以确定的模式传播。对于合适的波长和合适的光纤段设计，可以激起大量的这类模式。不同的模式一般具有不同的传播速度。对于合适的边界条件，可以利用波动方程得出彼此间传播速度的总比率。通常，多种局域密集的光模同时在一根光纤中传播。因此光模的获得与半径的方向和/或圆周或经度都有关系。
减少可能出现的光模数量的一种方法是使用另一种结构的光纤纤芯，这种光纤纤芯限制某一方向上的模数量。用图2所示的具有环形纤芯的光纤就可以恰当地获得这种结构。此光纤中的纤芯1′一般可以具有与图1所示多模光纤纤芯一样的外直径，而内直径则要经过选择以便光纤为径向单模型。柱形纤芯1′的厚度与标准型单模光纤中纤芯的直径具有相同的数量级，当然一般是就某些波长或某些波长范围而言。纤芯1′的里面是一个柱形的内部区域，此区域基本上具有与环形纤芯1′以外的区域一样的折射率和组成。
象包括一个具有长方形横截面的薄波导纤芯的平板情况中一样，参见前面引用的L.B.Soldano等人的文章，对于不同的模式，其彼此间传播速度的总比率、相位速度总地来说似乎也有近似的规律。而且，这种规律导致了在横截面5处输入的模式图也将或多或少近似地出现在距第一个端面一定距离处的光纤段的某一个横截面上，假设在横截面7上，即图中光纤段的另一端。因此，这里整个横截面上便获得了一个与输入横截面上近似一样的光分布。实际情况中，图2所示的波导段有几厘米长，为清楚起见，本图以及下面的示图在尺寸上都不是实际尺寸而且光纤也被描绘成具有很大的直径。
而且，在位于光纤端面5和7之间的横截面9上，也获得了一个模式图，此模式图近似为输入端面5处模式图的镜像或反射像。镜面成像是在一个经过光纤段长轴的平面上形成的，并且此平面与入射光分布的一个对称平面垂直。用同样的方法，在位于上述各横截面之间的横截面上，例如图2所示的11上，也可以获得一个模式图，它是输入端处模式图的二重像或复制品。这里，二重像位置的倾斜程度也由上述输入端处模式图的对称面确定。
图3中描绘了一段光纤13，它具有一个环形纤芯并被耦合到一个标准型单模光纤15上。因此，标准光纤15具有一个小直径的纤芯1″。标准光纤15被耦合到具有环形纤芯的光纤段13上，结果标准光纤15的中央以及它的纤芯1″被连到或被定位到光纤段13中纤芯1′某一部分的对面。当光在标准光纤15中传播时，光连续地进入具有环形纤芯的光纤段13并沿着它继续传播。如果光纤段13具有适当的长度，就可以获得输入端面上光强的一个镜像或反射像，这种情况被示于图4的放大示图中，其中光分布被示意的用一个强光区或一个亮区17指出。
如图5所示，图3的结构可以进一步被耦合到另一根单模型光纤19中。耦合被做在具有环形纤芯的光纤段13某一端面的适当位置上，例如，在这样一个横截面上，其中模式图为输入端处模式图的镜像。如果现在光是由第一个标准型光纤15提供的，这种光可以进一步被发射到第二个单模型光纤19上，但只限于某个限定波长范围内的光。因此，图5所示的器件具有滤波特性。为了进一步增强滤波性能，可以把具有环形纤芯的多个光纤段13彼此间稍稍错位放置以便在各环形纤芯间获得恰当的耦合。
如果以某种方式使图5所示的具有环形纤芯的光纤段13产生机械变形，例如通过使其承受如箭头20所示的弯曲，这将影响该光纤段中光模的传播，并继而减少向另一单模型标准光纤19中的通信。传感操作便是用这种方法获得的。这种组合的应用在图6所示的一个传感装置中得到了说明。它包括一个光源21，此光源向光学单模光纤15发射具有限定波长的光。从第二个单模光纤19发出的光被一个光探测器23探测到。在多模型光纤13承受某种机械影响的情况下，例如变弯，光传输可以被改变，这种改变被探测器感觉到，之后探测器可以输出报警信号。
图7中解释了一个无源1×2-耦合器。这里配备了一根单模型光纤15，如图3和图5那样，此光纤被耦合到具有环形纤芯的光纤段13′上。现在对光纤段13′的长度进行选择，以便使在光纤段13′位于光纤15处的端面上出现的模式图能在光纤段13′的另一端面上形成二重像。在这个端面上安装了两个光学单模型D形光纤27，其平坦表面彼此相对。定位后的两个D形光纤27的纤芯彼此间隔着一段距离，此距离与光纤段13′环形纤芯的尺寸相对应，以便使两个D形光纤从光纤段13′得到光的耦合，另见图8中的截面图。一个D形光纤27的纤芯1大体上将与单模型光纤15对应放置，光从单模型光纤15发出。正如相对于光纤段13′所见到的，另一个D形光纤的纤芯具有一个截然相反的位置。D形光纤27的纤芯1就是这样被定位在环形纤芯两个相对应的区域，该对应区域位于环形光纤13′的直径方向上。
用相应的方法可以制成一个无源1×4-耦合器。所用的不再是D形光纤27而是横截面近似为四分之一圆的光纤29，即它的形状近似为四分之一圆，其中每根光纤的纤芯位于四分之一圆的一个顶点附近，如图9所示。

Claims (8)

1.一种光学元件，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
其特征在于：
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像。
2.一种光学滤波器，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
其特征在于：
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中光纤段被设计连接到一个向光纤段提供多种波长的光的光源上，并且
其中连接器和输出器的定位及光纤段长度的选择是用这样一种方法进行的，以致于只有在限定范围内的波长的光才能被输出器接收。
3.一种光学传感器，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
其特征在于：
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中输出器包括一个单模光纤，且连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于只有在限定范围内的波长的光才能被输出器接收，而当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以一种改变后的强度被输出器接收。
4.按照权利要求3的光学传感器，其特征在于连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以大大减弱的强度被输出器接收。
5.一种光学开关元件，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
其特征在于：
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中输出器包括一个单模型光纤，并且连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于只有在限定范围内的波长的光才能被输出器接收，而当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以一种改变后的强度被输出器接收。
6.按照权利要求5的光学开关元件，其特征在于连接器和输出器的定位及初始状态下光纤段长度和形状的调整是用这样一种方法进行的，以致于当光纤段的长度和/或形状从初始状态发生变化时，在限定波长范围内的光将以大大减弱的强度被输出器接收。
7.一种光学1×N-耦合器元件，包括：
一个光纤段，该光纤段具有大体上为圆柱形的纤芯和一个围在所述纤芯周围的大体上为圆柱形的包层；
一个与位于该光纤段输入端的光源相接的连接器，以便使光源发出的光通过该光纤段；和
一个位于该光纤段输出端的输出器，用于接收和/或检测从该光纤段中传来的光，以便将其提供给其它光学装置；
其特征在于：
该光纤段的所述纤芯为环形纤芯，使得该光纤段在一圆形方向上为多模型，该圆形方向被定义为垂直于光纤段轴线的圆，且该圆的圆心位于轴线上，同时，该光纤段在径向为单模型，所述径向是指从光纤段的轴垂直伸出的方向；
该光纤段与所述连接器的连接可使得当被接到光源时，该光纤段中能激起大量的光模；
该光纤段的长度是这样截取的，对某些频率的光，当被接到光源时，在该光纤段输出端面的横截面上出现的模式图是在输入端面的横截面上出现的模式图的像；
其中连接器包括一个具有纤芯的第一单模型光纤，且输出器包括至少一个具有一个纤芯的第二单模型光纤，第一单模型光纤的纤芯连接到在输入端端面的横截面上露出的光纤段的环形纤芯上的第一位置，并且至少一个第二单模型光纤的纤芯连接到在输出端端面的横截面上露出的光纤段的环形纤芯上的第二位置，第一和第二位置在光纤段的轴方向上彼此不同。
8.按照权利要求7的光学1×N-耦合器元件，当所述1×N-耦合器为一个1×2耦合器时，所述输出器包括两个单模型的D形光纤。
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