CN1471657A - 恒定输出光衰减器和恒定输出光衰减方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种恒定输出光衰减器和一种衰减方法，它采用了一个非线性光学材料部和一个孔径部，并设置它们在输入用光纤维和输出用光纤维之间的光轴上，非线性光学材料部接收来自输入用光纤维的入射光并且折射后出射；孔径部有一个一定半径的圆形窗口，它接收来自非线性光学材料部的出射光并且只允许该一定半径内的光通过。只要最优化地设置非线性光学材料部的二次非线性折射率及厚度、该材料部和孔径部之间的距离、该孔径部的窗口的半径等这些变量，就能够获得不依赖于输入光强度而具有所希望的恒定强度的输出光。
Description
本发明涉及一种不依赖于输入光的强度而能够获得几乎恒定的输出光强度的光衰减器和光衰减方法。
在光通信网络或者是光设备中，衰减器被用来调节的光强度。特别是最近，伴随着高密度波長分割多重方式(DWDM：Dense Wavelength DivisionMultiplexing)的传输系统的发展，衰减器的使用也越来越被增加。具体地说，衰减器不仅适用于光通信网络的中继器中的光强度调整装置或者光放大器中，而且，也适用于象使用激光二极管这样的光源的光设备中的光强度调整装置中，另外也适用于为了保护用于检测高强度光的光检测器的一种装置中。
在用于光强度调整的衰减器中，目前知道的有固定型和可变型两种。
一方面，固定型衰减器因为是利用衰减滤波器、或者是利用被添加了衰减掺杂剂的光纤维来获得一定的衰减量，所以它根据衰减量的大小分成几个种类。
另一方面，可变型衰减器有机械式的和非机械式的两种。
在机械式的可变型衰减器中，有利用空间传送光波然后进行衰减的这种类型、也有利用在光路中插入可动式的衰减滤波器的这种类型、还有利用微动本来光轴一致的光纤维，使两光轴产生偏差而引起衰减的这种类型。
在非机械式的可变型衰减器中，有法拉第效应型的、有波导型的、有利用热光效应的聚合物波导型的、还有马赫--曾德波导型的等等。
但是，在上述的现有技术中，有着一个必须解决的问题。
比如在光通信网络中，因为进行了施工而使得传输路中的光强度发生变化时，就必须变更衰减器衰减量，使它符合在传输路中所希望的量。但是，固定型衰减器的衰减量因为是一定的，所以为了得到必须的衰减量，就必须与具有恰当衰减量的衰减器进行交换。这样，就存在着不能迅速地应付传输路中急剧的光强度的变动这样一个问题。
针对这样的问题，可以使用可变型衰减器来消除，但是，目前使用的可变型衰减器因为需要电控制所以就存在着消耗电力的问题。而且，在使用时会出现发热等现象，特别是因为需要一种为了控制衰减量的驱动而导致了必须使用大型化的驱动控制装置这样一个问题。
本发明的目的在于消除上述现有技术中存在的问题，提供一种既不需要电控制也不依赖于输入光强度而能取得恒定输出光强度的衰减器和衰减方法。
本发明的恒定输出光衰减器包括一个它的折射率是依据输入光的强度而变化的非线性光学材料部，和一个接收来自非线性光学材料的输出光并且只允许以光轴为中心的一定半径内的光通过的孔径部。这样，在利用本发明的衰减器的衰减方法中，也就可以不依赖于输入光强度而能取得恒定输出光强度。本发明的这种衰减器和衰减方法通过采用下述的各种技术手段实现了上述的目的。
(1)本发明的恒定输出光衰减器包括一个其折射率是依据输入光的强度而变化的非线性光学材料部，其特征在于：它还包括一个接收来自所述非线性光学材料部的输出光并且只允许以光轴为中心的一定半径内的光通过的孔径部。
在本发明的恒定输出光衰减器中：
(2)所述的非线性光学材料部可以由微粒分散玻璃、光学陶瓷和有机高分子材料中的一种形成。
(3)所述的非线性光学材料部可以有一个光的入射面和一个光的放射面，所述的入射面垂直于光轴，所述的放射面倾斜于光轴并与光轴成一个预定的角度。
(4)在所述的非线性光学材料部的入射侧的光轴上可以设置一个凸透镜。
(5)或者，在所述的非线性光学材料部的入射侧可以设置一个狭缝部，该狭缝部的长轴的中心和光轴有一个偏差。
(6)或者，在所述的非线性光学材料部的入射侧可以设置一个凸透镜和一个狭缝部，该凸透镜可以设置在光轴上，该狭缝部可以设置在它的长轴的中心和光轴有一个偏差的位置。
(7)所述的非线性光学材料部可以由光纤维构成，该光纤维还有一个具有非线性光效应的核心部分。
(8)所述的核心部分可以由微粒分散玻璃形成。
(9)所述的核心部分也可以由另外一种材料形成，这种材料的二次非线性折射率依赖于波长的大小。
(10)所述的核心部分可以由其二次非线性折射率是正的材料形成。
(11)所述的核心部分也可以由其二次非线性折射率是负的材料形成。
(12)本发明的恒定输出光衰减方法包括一个步骤：让输入光通过一个其折射率是依据所述输入光的强度而变化的非线性光学材料部并且输出通过的光，其特征在于：它还包括其他步骤：在所述非线性光学材料的输出光的光轴上设置一个孔径部接收来自所述非线性光学材料的输出光；然后在接收的光中只允许以所述光轴为中心的一定半径以内的光通过所述孔径部以衰减所述接收的光。
在本发明的恒定输出光衰减方法中：
(13)所述的非线性光学材料部可以由微粒分散玻璃、光学陶瓷和有机高分子材料中的一种形成。
(14)所述的非线性光学材料部可以有一个光的入射面和一个光的放射面，所述的入射面垂直于光轴，所述的放射面倾斜于光轴并与光轴成一个预定的角度。
(15)还可以包括其他步骤：在所述的非线性光学材料部的入射侧的光轴上设置一个凸透镜；让光首先通过所述凸透镜然后再作为所述非线性光学材料部的输入光通过该非线性光学材料部。
(16)或者，可以包括这些步骤：在所述的非线性光学材料部的入射侧设置一个狭缝部在一个其长轴的中心和光轴有一个偏差的位置；让光首先通过所述狭缝部然后再作为所述非线性光学材料部的输入光通过该非线性光学材料部。
(17)或者，可以包括这些步骤：在所述的非线性光学材料部的入射侧可以设置一个凸透镜和一个狭缝部，该凸透镜可以设置在光轴上，该狭缝部可以设置在它的长轴的中心和光轴有一个偏差的位置；让光首先通过所述凸透镜和所述狭缝部然后再作为所述非线性光学材料部的输入光通过该非线性光学材料部。
(18)所述的非线性光学材料部可以由光纤维构成，该光纤维还有一个具有非线性光效应的核心部分。
(19)所述的核心部分可以由微粒分散玻璃形成。
(20)所述的核心部分也可以由另外一种材料形成，这种材料的二次非线性折射率依赖于波长的大小。
(21)所述的核心部分可以由其二次非线性折射率是正的材料形成。
(22)所述的核心部分也可以由其二次非线性折射率是负的材料形成。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是显示一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
图2是显示本发明的光衰减器的特性的说明图。
图3是显示另一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
图4是显示又一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
图5是显示再另一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
图6是显示再又一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
图7是显示更加另一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
下面说明本发明的实施形态。
图1是显示一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
如图1所示，本发明的光衰减器包括一个非线性材料部1和孔径部2，这两者和输入用光纤维3和输出用光纤维4一起设置在同一光轴上。从输入用光纤维3输出的光首先被输入非线性材料部1然后通过该非线性材料部1。通过非线性材料不1的光向着以光轴为中心的半径方向传播。在向着半径方向传播的光中，孔径部2只允许一定半径内的光通过。通过孔径部2的光被输入到输出用光纤维4。在这样的场合，只要最适当地设置后记的几种变量就能够得到一定强度的输出光。
如上所述，本发明的目的在于：提供一种光衰减器和一种光衰减方法，它们能够不依赖于输入光的强度而得到恒定的输出光强度。本发明以采用非线性材料部和孔径部的组合实现了这个目的。
非线性材料部1是其折射率依赖于输入光的强度而变化的一种物质，它的折射率由下列表达式来表示：
n＝n0+n2|E|2
其中n0表示不依赖于光强度的折射率，n2表示二次非线性折射率，E表示光的电场强度。
一方面，如图1(a)所示，在输入光强度弱的场合，因为可以无视上述表达式中的第二项的影响，所以非线性材料部1就成了其折射率是一定的物质。这样，从输入用光纤维3输出的平行光线就通过非线性材料部1然后入射到输出用光纤维4。所以，如果无视非线性材料中光的衰减，从输入用光纤维3输出的平行光线几乎在没有被衰减的状态下入射到输出用光纤维4。
另一方面，如图1(b)所示，在输入光强度弱的场合，上述表达式中的第二项的影响就变大。也就是，因为非线性材料部1的折射率依赖于输入光强度而产生了变化，输入到非线性材料部1的光如其强度变强就会被折射然后输出。这时，非线性材料部1实际上起到了一个凸透镜的作用。从非线性材料部1输出的光线在非线性材料部1和孔径部2之间相交形成焦点，然后以此焦点为起点向着半径方向以放射状扩展。
可是，因为扩展到外围侧的这部分光被孔径部2所遮断，所以向着孔径部2入射的光就受到了限制，也就是，只有以光轴为中心的一定半径内通过的光才会入射到输出用光纤维4。所以，在输入光强度强的场合，入射到输出用光纤维4的光量就会减少。这样，从输入用光纤维3输出的光就会被自动地衰减然后入射到输出用光纤维4。
通过如上所述的构成，输入光越强其衰减量也就越大。另外，这里所说的孔径部2有一个其中心位于光轴的圆形的窗口，根据其半径的大小，允许一定粗的光束通过，超过其半径以上被扩展的光线将会被遮断。
作为在本实施例中被利用的非线性材料部，可以采用如分散铜或者氯化铜的微粒子(cluster)而形成的微粒子分散玻璃、PLZT(铅和镧的氧化物及锆和钛的氧化物的固溶体)等等的光学陶瓷、或者也可以采用聚合物(polydiacetylene)等的有机高分子材料。
图2显示了在非线性材料部和孔径部之间的距离L有种种变化的场合输入光强度和输出光强度的关系。这时的非线性材料部由其折射率n0＝1.5、其二次非线性折射率n2＝1.8×10-8cm2/watt、其厚度t＝20mm的材料形成。孔径部的窗口的直径设定为φ＝10μm。在这样的场合，为了持有光学一致性，在输入用光纤维3和非线性材料部1的端面间充填了匹配油脂。这里使用的非线性材料部是由铜微粒子分散碱化硅酸盐玻璃材料形成的。
图2显示了当距离L＝12.5mm时输出光强度并不依赖于输入光强度而是恒定的这样一种场合。在此例中，通过最适当地组合二次非线性折射率n2、非线性材料部的厚度t、非线性材料部和孔径部之间的距离L以及孔径部的窗口的直径φ的这些变量，就能够得到一个不依赖于输入光的强度而能使输出光恒定的衰减器。
图3是显示另一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
在本实施例中，如图3(b)所示，非线性光学材料部11有一个入射端面和一个出射端面。入射端面垂直于光轴并且接收来自输入用光纤维3的光，出射端面和垂直于光轴的面成一个θ角度倾斜于光轴。这里0°＜θ＜90°。从非线性光学材料部11的内部向着孔径部2出射的光在倾斜的出射端面根据该非线性光学材料部11的折射率以一个角度被折射。如果角度θ为0，从非线性光学材料部11的内部向外出射的光束将对称于光轴。
在本实施例中，如图3(a)所示，从倾斜一个角度θ的出射端面出射的光束将不对称于光轴。这样就能够得到一个具有和图1所示的实施例1不同的对应特性的衰减器。
如图3(a)显示了输入光强度是强的场合的例子。在这个例子中，输入光强度即使比图1(b)所示的例子中的强，因为从非线性光学材料部11出射时被较大地折射，所以被孔径部2遮断的光的比例相对就大。对于输出用光纤维4来说，它仅仅接收通过孔径部2的窗口、也即、一定半径内的光。
在本例中，通过最适当地组合二次非线性折射率n2、非线性材料部的厚度t、非线性材料部的出射端面的倾斜角度θ、非线性材料部和孔径部之间的距离L以及孔径部的窗口的直径φ的这些变量，就能够得到一个不依赖于输入光的强度而能使输出光恒定的衰减器。
图4是显示又一个实施例中光纤维和光衰减器的位置关系的纵剖视图。
在图4(a)所示的实施例中利用了如图3所示形状的非线性光学材料部11，另外还设置了一个凸透镜5在输入用光纤维3和非线性光学材料11之间的光轴上。如图所示，该凸透镜5的折射率和厚度设定成能够让光束聚焦于具有一个倾斜角度θ的出射端面和光轴之交点。这样，向着倾斜的出射端面的入射光被凸透镜5所聚焦，上记表达式中的|E|2这一项的值会变大而使得光的衰减量增大。
以下对在设置一个如图4(b)所示的狭缝部的场合进行说明。
在狭缝部6上，让光通过的部分的形状是长方形。如图4(c)所示，这个长方形部分的长轴的中心c(用虚线表示)和点划线表示的光轴之间有一个偏差。
这样，在通过狭缝部6后，输入光的强度分布就从近似于正规分布的形状变成了上下哪一个边缘部分被切掉的非对称的形状。具有这种分布形状的光入射到非线性光学材料部11被较大地折射后再通过孔径部2。在图示的例中，被狭缝部6切掉一个边缘部分的上半部分的光将通过孔径部2，但是没有被狭缝部6切掉一个边缘部分的下半部分的光将被孔径部2遮断。这样因为使用狭缝部而使得输入光的强度分布变得不对称，所以就能够得到对应性大的衰减效果。
另外，本发明并不限定非线性光学材料、凸透镜和狭缝部之间的组合。也即、作为非线性光学部，可以采用图1所示的形状；对于凸透镜和狭缝部，可以分别单独设置；也可以组合两者。
图5显示了组合非线性光学材料、凸透镜和狭缝部的一个实施例。所以只要选择最适宜的组合就能够得到恒定的输出光。
图6显示了一个用光纤维作为非线性光学材料部的例子。
在图6中，光纤维12是由多成分系列的玻璃构成的。位于中心的具有高折射率的核心部分因为上记的铜或者氯化铜的微粒子(cluster)分散在其中所以具有非线性光学效果。从输入用光纤维3出射的光通过匹配油脂进入光纤维12。因为光纤维12具有上述的非线性光学效果，所以其核心部分的折射率会随入射光的强度而产生变化。
在本实施例中使用的光纤维12可以由其折射率为正的非线性光学材料形成，这种材料的上记表达式中的二次非线性折射率n2因为有波长依存性所以在一定波长就变成正值。这种场合光纤维起到了凸透镜的作用，这样出射的光将会被折射聚焦于焦点。然后以这个焦点为中心，和光轴几乎对称的出射方向扩展，再通过设置在同一光轴上的孔径部2。孔径部2如上所述只允许在以光轴为中心扩展的光中的在一定半径内的这部分光通过。只要和上述它的变量一起最适宜地设定孔径部2的窗口的半径，就能够输出恒定强度的输出光到输出用光纤维4。
应用上述非线性光学材料部的入射端面和出射端面的折射等等的方法，就能够调节被衰减的光量，这样就能够得到一个能输出所望的恒定光的衰减器。
这里，当光纤维作为非线性光学材料部被使用的场合，它的长度相对可以自由选定，而且它和如棱镜一样的元件相比能够取得比较长的非线性相互作用长，因此这种场合实质上就能够得到比较大的非线性光学效果。另外，如图1和3所示的非线性光学材料部需要对它的入射端面和出射端面进行研磨，但是在光纤维作为非线性光学材料部的场合，这样的研磨就没有必要进行，所以也就能够简略有些工程。
图7显示了光纤维作为非线性光学材料部被使用的另外一个实施例。
在本实施例中，和图6显示的例子不同，光纤维作为非线性光学材料部，使用了其二次非线性折射率n2在一定的波长成为负值的材料。
在图7显示的例子中，因为对在光纤维13中具有非线性光学特性的核心部分应用了二次折射率n2为负的非线性光学材料，所以光强度越强就使得该核心部分和覆盖包层之间的折射率差Δ越小。这样被关闭在核心部分的光就会漏向覆盖包层而使得传输光的衰减量变大。然后，为了让从光纤维13输出的光的一部分被设置在光轴上孔径部所遮断，进行一定的控制以能够得到恒定输出的强度的光。
Claims (22)
1、一种恒定输出光衰减器，它包括一个其折射率是依据输入光的强度而变化的非线性光学材料部，其特征在于：它还包括一个接收来自所述非线性光学材料部的输出光并且只允许以光轴为中心的一定半径内的光通过的孔径部。
2、按照权利要求1所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：所述的非线性光学材料部由微粒分散玻璃、光学陶瓷和有机高分子材料中的一种形成。
3、按照权利要求1所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：所述的非线性光学材料部有一个光的入射面和一个光的放射面，所述的入射面垂直于光轴，所述的放射面倾斜于光轴并与光轴成一个预定的角度。
4、按照权利要求1所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：在所述的非线性光学材料部的入射侧的光轴上设置了一个凸透镜。
5、按照权利要求1所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：在所述的非线性光学材料部的入射侧设置了一个狭缝部，该狭缝部的长轴的中心和光轴有一个偏差。
6、按照权利要求1所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：在所述的非线性光学材料部的入射侧设置了一个凸透镜和一个狭缝部，该凸透镜设置在光轴上，该狭缝部设置在其长轴的中心和光轴有一个偏差的位置。
7、按照权利要求1所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：所述的非线性光学材料部由光纤维构成，该光纤维有一个具有非线性光效应的核心部分。
8、按照权利要求7所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：所述的核心部分由微粒子分散玻璃形成。
9、按照权利要求7所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：所述的核心部分也由一种其二次非线性折射率依赖于波长的大小之材料形成。
10、按照权利要求9所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：所述的核心部分由其二次非线性折射率是正的材料形成。
11、按照权利要求9所述的恒定输出光衰减器，其特征在于：所述的核心部分由其二次非线性折射率是负的材料形成。
12、一种恒定输出光衰减方法，它包括一个步骤：让输入光通过一个其折射率是依据所述输入光的强度而变化的非线性光学材料部并且输出通过的光，其特征在于：它还包括其他步骤：在所述非线性光学材料的输出光的光轴上设置一个孔径部接收来自所述非线性光学材料的输出光；然后在接收的光中只允许以所述光轴为中心的一定半径以内的光通过所述孔径部以衰减所述接收的光。
13、按照权利要求12所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：所述的非线性光学材料部由微粒分散玻璃、光学陶瓷和有机高分子材料中的一种形成。
14、按照权利要求12所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：所述的非线性光学材料部有一个光的入射面和一个光的放射面，所述的入射面垂直于光轴，所述的放射面倾斜于光轴并与光轴成一个预定的角度。
15、按照权利要求12所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：还包括其他步骤：在所述的非线性光学材料部的入射侧的光轴上设置一个凸透镜；让光首先通过所述凸透镜然后再作为所述非线性光学材料部的输入光通过该非线性光学材料部。
16、按照权利要求12所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：还包括其他步骤：在所述的非线性光学材料部的入射侧设置一个狭缝部在一个其长轴的中心和光轴有一个偏差的位置；让光首先通过所述狭缝部然后再作为所述非线性光学材料部的输入光通过该非线性光学材料部。
17、按照权利要求12所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：还包括其他步骤：在所述的非线性光学材料部的入射侧设置一个凸透镜和一个狭缝部，该凸透镜设置在光轴上，该狭缝部设置在其长轴的中心和光轴有一个偏差的位置；让光首先通过所述凸透镜和所述狭缝部然后再作为所述非线性光学材料部的输入光通过该非线性光学材料部。
18、按照权利要求12所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：所述的非线性光学材料部由光纤维构成，该光纤维有一个具有非线性光效应的核心部分。
19、按照权利要求18所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：所述的核心部分由微粒子分散玻璃形成。
20、按照权利要求18所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：所述的核心部分由另外一种材料形成，这种材料的二次非线性折射率依赖于波长的大小。
21、按照权利要求20所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：所述的核心部分由其二次非线性折射率是正的材料形成。
22、按照权利要求20所述的恒定输出光衰减方法，其特征在于：所述的核心部分由其二次非线性折射率是负的材料形成。
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