CN1715974B - 包含光学组件和具有不同折射率的光学介质的光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明在于包含光学组件和具有不同折射率的光学介质的光学设备，把所述光学组件至少部分地浸入到所述光学介质中，该设备的特征在于，所述光学介质包含一种盐，该盐在所述光学组件使用和存储的温度范围内，即，在通常为-40℃到+200℃的温度范围内为液态。特别地，该光学组件可以是布拉格长周期光栅(LPG)或光子晶体光纤。
Description
技术领域
本发明涉及包含光学组件和具有不同折射率的光学介质的光学设备，其中光学组件的光学特性至少部分地依赖光学介质。光学组件可以是散件，或者将它们集成到诸如光纤或平面波导之类的波导中。光纤或平面波导可以是光子晶体类型。光学组件可以是例如，其传输线为直线或斜线的短周期或长周期布拉格光栅、耦合器、基于耦合器的马赫-曾德干涉仪、锥形光纤、或诸如光子晶体光纤段的特殊光纤段。下面在包含以下光学组件的光学设备的更具体的情况下，利用说明性的非限制示例描述本发明，其中上述光学组件是由在动态增益均衡器——特别地在均衡滤波器中使用的称为长周期光栅(LPG)的布拉格光栅组成的。
背景技术
波导通常包括光芯，光芯的作用是传输光信号(并在适当时放大光信号)，光芯被包层环绕，包层的作用是把光信号限制在光芯内。为此，光芯的折射率n1大于包层的折射率n2。光芯和包层共同构成波导。正如本领域所熟知的那样，单模波导中光信号的传播包括光芯引导的基模的传播以及由一定距离上的光芯和包层组合引导的称为包层模的高阶模的传播。包层本身被外部介质环绕，其折射率n3与n2不同。与外部介质关联的光芯和包层组合构成波导。
波导的光芯和/或包层可以掺杂，例如掺锗(Ge)，以便使它或它们具有感光性，来用于写入布拉格光栅。通常用于增益均衡的光栅为倾斜的布拉格光栅(SBG)或长周期光栅(LPG)，设计这些光栅使基模同包层模耦合。因此，它们构成在滤波波长没有反射的滤波器。
在长周期光栅(LPG)的情况中，滤波器的光谱响应依赖光芯引导的基模的有效折射率neffCore以及耦合包层模的有效折射率neffCladding。例如，用于长周期光栅的布拉格等式如下，其中Λ为LPG的周期：
λB＝Λ(neffCore-neffCladding)
长周期光栅的上述特性使它们特别适合可调滤波应用，因为光芯、包层和/或包层外面的介质上的局部作用可能引起其中一个有效折射率的改变，进而引起滤波器的布拉格长度或光谱形状的改变。此外，在此种类型的滤波器中的插入损耗较低，因为能够容易地把它焊接到另一个组件光纤上或直接焊接到传输光纤上，并且制造此类滤波器的公知方法产生非常低的极化相关损耗。
把称为增益扁平滤波器(GFF)的增益均衡滤波器，集成到与沿传输线路规则分布的光放大器关联的光学设备上。通常光放大器对所有波长并不进行相等的放大，这是有问题的，其在波分复用(WDM)传输的情况下尤其有问题，因为不同波长的多个信号都是在同一光纤上传输的，并且是用相同的放大器放大的。因此，必须把内嵌放大器和增益均衡滤波器联系起来，其中增益均衡滤波器消除或至少部分地减少光学系统的不同传输通道不一致的放大。
光学系统经常变化，并且对于诸如增益均衡器之类的光学组件的参数，处于不适于实际传输光谱的情况也并不少。例如，造成此类变化的原因可能是老化、温度变化、线路上的局部操作或者在安装该线路之后增加光学模块或光传输通道。这样，最初设置的光学系统的不同光学组件的参数变得不合适。
因此，必须能够更改光学组件的特性，以使它们适应该系统的其它组件的变化，并且必须制造出能够动态调整其光谱响应的光学组件，以便在更广的光谱范围内，在没有损耗的情况下，与包含这些光学组件的光学系统的运行条件的变化相适应。
通过把波导全部或部分浸入到折射率与包层的折射率不同的外部介质中，会引起包层和外部介质之间的交界条件的改变。LPG对它写入的波导包层的外部介质的改变特别敏感。
H.LABIDI等人的论文“Dynamic gain control of optical amplifierusing an all-fiber solution”，the 28th European Conference on Optics，8-12 September 2002，根据LPG的光学特性对在与波导之折射率不同的指定折射率的介质中浸入的依赖提出一种设备。实际上，装有指定折射率的液体的至少一个容器沿光栅滑动，以控制浸入到该液体中的长度。因此，能够根据将多少长周期光栅浸入到外部介质中来改变滤波器的光谱响应。
使用的光学介质最好为液体介质。现有技术中的“CARGILLE”混合溶液不适合在电信领域中使用。首先，它们会因蒸发而快速老化(例如，室温下在一周内全部蒸发)；电信应用要求其使用寿命在陆地网络中至少为15年，在海底网络中至少为25年。其次，这些溶剂在低温和高温下不处于液态(它们在低温下凝固，在高温下蒸发)；光学通信组件暴露于在-40℃到+85℃之间变化或更大变化的温度中。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种光学设备，在该光学设备中通过使光学组件的光学特性适应该光学系统中其它组件之变化的方式，改变光学介质的折射率，从而至少部分地控制光学组件的光学特性，例如其光谱响应。
本发明在于包含光学组件和具有不同折射率的光学介质的光学设备，把所述光学组件至少部分地浸入在所述光学介质中，其中所述光学介质包含一种盐，所述盐在所述光学组件使用和存储的温度范围内为液态。
该盐为液态的温度最好为-40℃到+200℃。光学组件的工作温度通常从-10℃到+70℃变化，但是光学组件可以存储在-40℃到+85℃的温度中。因此，该盐必须在以上温度范围内为液态，并且该设备不会因盐的状态改变——特别是从液态到固态的改变而降级。
本发明的盐在包含室温在内的很宽的温度范围内保持液态，并被称为室温离子液体(RTIL)。它们被称为“离子液体”的原因在于，这 些盐或盐的混合物包含离子形式的游离核素(dissociated species)。
本发明使用的盐具有以下优点：较高的导电率、热稳定性和抗老化。它们既不易燃也不易挥发。它们没有沸点，因为当温度超过250℃时它们通常会分解，而不会变成气态。
这些盐中的大部分盐具有以下优点：毒性弱，并且会与制造过程中日常使用的洗涤剂混合。在存在水蒸汽的高温下(例如，在+85℃和85％的相对湿度下)，本发明的大部分盐的折射率(例如，在测试前后在1500纳米(nm)和在589nm测量的折射率)和粘性是稳定的。
本发明的光学介质最好包含至少两种盐的混合物。“混合物”的意思是：或者是每种均为液态的两种盐的相加性结合，或者是由关联的第一种液态盐和溶解在其中的最初为固态的第二种盐组成的溶液。该介质的折射率依赖于盐的混合物的成分，其优点是能够非常精确地获得所需的折射率，特别是在589nm在1.35到1.52的折射率范围内。
这些盐的折射率随温度变化，但是非常小。在某些情况中，该变化太小以至于不能引起光学组件的响应的变化。当通过改变光学组件的浸入改变所述光学组件的光谱响应时，这是特别有利的。这就是本文档中详细描述的LPG例子中的情况，其中利用该组件和该折射率介质之间的接触区域的位移，产生该折射率介质的适应性。在LPG的情况中，在使用陆地光学组件的条件下，亦即，在-10℃到+70℃的温度下(即，在80℃的温度范围内)，折射率随温度的变化并不影响滤波器的波形。在利用折射率为1.46或1.47的介质环绕的合适外形的光纤中写入的LPG滤波器的光谱响应没有显著差别。
然而，在某些情况中，光学介质的折射率随温度的变化足以改变光学组件的响应。例如，如果认为该折射率随温度(例如，从-20℃到120℃，即，在140℃的范围内)的变化较大，则可以根据光学介质的温度调整光子晶体光纤的外形，从而可以在光学组件中引起传输光谱变化。在基于光子晶体光纤的可调光学组件的情况中，对于其折射率从1.46到1.48变化的光学介质，已经观察到明显不同的光谱响应。
在本发明的优选实施方式中，盐包括阴离子和阳离子。
阴离子最好选自氟离子F-、氯离子Cl-、溴离子Br-、碘离子I-、高氯酸根ClO4-、高氯酸铝根AlClO4-、四氟硼酸根BF4-、六氟磷酸根PF6-、硫酸氢根HSO4-、三氟醋酸根CF3COO-、七氟-1-丁酸根C3F7COO-、三氟甲磺酸根CF3SO3-(或“triflate”TfO-)、九氟丁基磺酸根C4F9SO3-(或“nonaflate”NfO-)、二(三氟甲基磺酰)亚胺基(CF3SO2)2N-(或Tf2N-)以及二(三氟甲基磺酰)甲基C(CF3SO2)2 -(bis-trifluoromethanesulfonimide)(或Tf2C-)(bis-trifluoromethanesulfonemethide)(CF3SO2)2C-(或Tf2C-)。
阳离子最好选自铵根离子NH4 +，锍离子HSO3 +，鏻离子PH4 +，锂离子Li+，吡啶鎓离子C5H5NH+，有机鏻咪唑鎓阳离子(C3H6N2X1X2) +，有机铵阳离子(X1X2X3X4N4)+，有机锍阳离子(X1X2X3S)+，有机鏻阳离子(X1X2X3X4p)+以及有机吡啶鎓阳离子(X1C5H4NX2)+，其中X1，X2，X3，X4代表芳基或脂族基。
在本发明的优选实施方式中，盐最好是从咪唑鎓盐中选择的。盐的阳离子最好为带有以下通式的N，N′二烷基咪唑鎓离子：
其中R1和R2为与抗衡离子(如阴离子)配位的脂族基或芳基。R1和R2可以相同或不同，并且包含从F-、Cl-、Br-、I-、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、ClO4 -、AlClO4-、CF3COO-、C3F7COO-、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、(CF3SO2)2N-、(CF3SO2)2C-等中选择的阴离子。以下为脂族基的例子：甲基-CH3、乙基-C2H6、丙基-C3H7和丁基-C4H9。
在这种情况中，盐包含最好从Cl-、Br-、PF6-、BF4-、(CF3SO2)2N-和C4F9SO3-中选择的阴离子。
根据基R1和R2以及缔合阴离子的特性，盐具有不同的液化温度。因此，能够选择在光学组件的使用和存储温度下为液态的盐族。
此外，通过改变R1和/和R2基或缔合阴离子，可以调整盐的物理化学特性，特别是其折射率。特别地，众所周知，通过在阳离子和阴离子的结构中插入氟原子可以降低折射率。然而，诸如Br-、Cl-和I-之类的卤化阴离子的存在会增加盐的折射率。因此，通过混合至少两种盐，或者通过在工作温度下为液体的一种盐中溶解另一种固态盐，获得折射率的大量选择。已经证明此类混合物的生产以及所获得的混合物的同种性是可再现的。
在一种特定实施方式中，光学组件是布拉格长周期光栅(LPG)。在此种情况中，最好通过改变浸入部分来调整光栅。和本发明的介质接触的光栅的光学响应在光学组件的使用范围内基本恒定，其中使用范围为-10℃到+70℃。
在另一种实施方式中，光学组件为一段光子晶体光纤。在此种情况中，最好借助温度变化(最好在-20℃到+120℃的范围内)改变介质的折射率，来调整光纤的响应。
附图说明
通过参照附图，在下面的利用说明性的非限制示例给出的本发明的各种实施方式的描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中附图为：
图1说明根据构成室温下为液体的两种盐的混合物的其中一种盐的质量M的百分比，在波长λ为589nm时测量的折射率RI的变化；
图2说明根据构成溶液的其中一种盐的质量M的百分比，在波长λ为589nm时测量的折射率RI的变化，该溶液是室温下为液体的盐中的在室温下为固体的盐；
图3表示对于同一混合物，根据以摄氏度为单位的温度T，在波长λ为589nm时测量的折射率RI的变化；
图4是浸入在本发明的可调折射率介质中的长周期光栅LPG的一种实施方式的简图；以及
图5表示根据长周期光栅LPG在本发明的可调折射率介质中的浸入，长周期光栅LPG的传输光谱响应；其中在纵坐标轴上绘制以dBm为单位的归一化功率P并在横坐标轴绘制以nm为单位的波长λ。
具体实施方式
例1-9
以下示例涉及两种盐的混合物的成分对该混合物的折射率的影响。
在图1中，曲线10表示利用在室温下为液体的两种盐的可变成分混合物可获得的折射率的变化。该混合物包括第一种盐HMIM，Cl和第二种盐BMIM，BF4。折射率IR的变化表现为第一种盐HMIM，Cl的质量M的函数，第一种盐HMIM，Cl的质量M用占该混合物的重量百分比表示。线性变化表示两种盐的溶混性(miscibility)是正确的。当以上述曲线为基础选择该混合物的最适合成分时，这些混合物在包含室温的温度范围内提供从1.46到1.48的折射率。
下面的表1给出根据两种液态盐HMIM，Cl和BMIM，BF4的混合物的两个组分的重量比例，在589nm和20.0℃测量的两种液态盐HMIM，Cl和BMIM，BF4的混合物的折射率值。把每种盐的量表示为重量的百分比。请注意折射率IR和二成分混合物的组分比例之间的正确的线性关系。
表1
| 例 | HMIM，Cl (百分比) | BMIM，BF4 (百分比) | IR |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | 87.9 74.5 62.1 50.5 50.6 40.1 32.4 22.8 12.3 | 12.1 25.5 37.9 49.5 49.4 59.9 67.6 77.2 87.7 | 1.5027 1.4932 1.4831 1.4714 1.4711 1.4623 1.4559 1.4463 1.4345 |
例10
以下示例涉及在液态盐BMIM，BF4中溶解的最初为固体的盐BMIM，Br的混合物。图2中的曲线20表示根据二成分混合物BMIM，BF4/BMIM，Br的成分，折射率的变化。
请注意折射率和二成分混合物的组分比例之间的正确的线性关系。
例11和12
以下示例涉及温度对两种液态盐的混合物的折射率的影响。
图3涉及两种液态盐的两种混合物11和12，根据温度，测量这两种混合物的折射率变化。
混合物11(曲线30)包含48.2％(按重量计算)的盐HMIM，Cl和51.8％(按重量计算)的来自SOLVENT INNOVATION公司的盐BMIM，PF6。在波长为589nm时，混合物A在温度为20℃时折射率为1.4659，在温度为0℃时折射率为1.4773。
混合物12(曲线31)包含50.5％(按重量计算)的盐HMIM，Cl和49.5％(按重量计算)的基准盐BMIM，BF4。在波长为589nm时，混合物B在温度为20℃时折射率为1.4714，在温度为0℃时折射率为1.4741。
请注意，在这两种情况中，变化都是线性的，并且随温度的增加而降低，斜率dn/dT的数量级为-3×10-4。
例13-17
暴露在湿热中的、根据本发明的盐或盐的混合物的折射率的稳定性是在高温(+85℃)和潮湿(85％的相对湿度)环境中测试的。
下面的表2表示上述结果。折射率IR是在589nm和20.0°在测试前后测量的。样品的重量是在测试前后测量的，并利用质量变化的百分比Δm表示上述重量跟踪，定义如下：
表2
| 例 | 公式 | Δm | IR(测试前) | IR(测试后) |
| 13 14 15 16 17 | BMIM，PF6 BzMIM，BF4/BzBMIM，Br BMIM，BF4/BzMIM，BF4 BMIM，BF4/BMIM，Br BMIM，NfO | 0.3％ 0.7％ 0.3％ 0.7％ - | 1.4108 1.4742 1.4632 1.4610 1.4038 | 1.4103 1.4744 1.4683 1.4596 1.4034 |
请注意，折射率在测试前后保持不变，就像盐或盐的混合物的表面张力和粘性一样。此外，在潮湿和高温环境中，这些离子液体表现出优良的稳定性，因为质量的增加量很低(Δm＜1％)。这些盐吸收的水分非常适中，并且不会引起物理化学上和光学特性上的任何改变。
例18
在本发明的一个特定实施方式中，光学介质可以包含例如与BF4-阴离子配位的N，N’二烷基咪唑的盐，其中BF4-阴离子的R1和R2基分别是甲基和丁基。因此，其结晶温度为-80℃。此种盐具有抗静电特性，对电信设想的应用特别有益。通过比较，如果用乙基或丁基替换甲基，则盐的结晶温度变成+15℃，从而使它难以使用。
例19
以下示例涉及在本发明的液体介质中浸入长周期光栅LPG的影响。特别地，可以利用由H.LABIDI等人在论文″Dynamic gain controlof optical amplifier using an all-fiber solution″，the 28th EuropeanConference on Optics，8-12 September 2002中描述的设备类似的设备，来改变该LPG在该介质中的浸入。
图4是已经在其一部分41上写入长周期光栅LPG的光纤40的简图。可以把上述部分41的至少一部分浸入到本发明的介质中，该介质包含液态盐并且装在适合于沿光纤40移动的容器42中。这里，把容器42表示为位于初始位置43，在该位置上，不把承载光栅的部分 41浸入该介质中(零点位移)。可以沿箭头44代表的“前进”方向移动容器42，以便把部分41逐渐浸入到容器42所装的介质中。也可以沿箭头45代表的相反方向或“返回”方向移动容器42。
图5表示在室温(20℃)下折射率为1.404的介质中浸入总长为30mm的长周期光栅LPG的光谱响应。曲线50和51对应于零点位移(初始位置)，并且分别表示沿前进和返回方向测量的响应。曲线52和53对应于距离初始位置4mm的位移，并且分别表示沿前进方向位移期间和沿返回方向位移期间到达该位置时测量的响应。曲线54和55对应于距离初始位置8mm的位移，并且分别表示沿前进方向和沿返回方向测量的响应。可以看到，通过移动写入的长周期光栅的浸入区域，对照的连续和可逆变化在布拉格波长方面没有变化。
Claims (16)
1.一种包括光学组件和具有不同折射率的光学介质的光学设备，将所述光学组件至少部分地浸入到所述光学介质中，所述光学设备能够在光学系统中使用，该设备的特征在于，所述光学介质包含一种液态盐或液态盐混合物，该液态盐或液态盐混合物在没有溶剂的情况下，其自身在所述光学组件使用和存储的温度范围内为液态，其中所述温度范围是-10℃到+70℃，以及
其中所述液态盐或液态盐混合物包含阴离子和阳离子，
所述阴离子选自氟离子F-、氯离子Cl-、溴离子Br-、碘离子I-、高氯酸铝根AlClO4-、高氯酸根ClO4-、四氟硼酸根BF4-、六氟磷酸根PF6-、六氟砷酸根AsF6-、硫酸氢根HSO4-、三氟醋酸根CF3COO-、七氟-1-丁酸根C3F7COO-、三氟甲磺酸根CF3SO3-、九氟丁基磺酸根C4F9SO3、二(三氟甲基磺酰)亚胺基N(CF3SO2)2-以及二(三氟甲基磺酰)甲基C(CF3SO2)2-；
所述阳离子选自铵根离子NH4 +、锍离子HSO3 +、鏻离子PH4 +、锂离子Li+、吡啶鎓离子C5H5NH+、有机鏻咪唑鎓阳离子(C3H6N2X1X2)+、有机铵阳离子(X1X2X3X4N4)+、有机锍阳离子(X1X2X3S)+、有机鏻阳离子(X1X2X3X4P)+以及有机吡啶鎓阳离子(X1C5H4NX2)+，其中X1、X2、X3、X4代表芳基或脂族基；或者
所述阳离子具有带有以下通式的N，N′二烷基咪唑鎓离子，其中R1和R2为包含阴离子的脂族基或芳基：
2.根据权利要求1的设备，其中所述温度范围是-40℃到+200℃。
3.根据权利要求1的设备，其中所述温度范围是-40℃到+85℃。
4.根据权利要求1的设备，其中所述温度范围是-20℃到+120℃。
5.根据权利要求1的设备，其中所述混合物包含处于液态的第一种盐和溶解在所述第一种盐中的第二种盐。
6.根据权利要求1的设备，其中所述混合物的成分随时间保持稳定。
7.根据权利要求1的设备，其中R1和R2相同或不同，并且每个包含从F-、Cl-、Br-、I-、BF4-、PF6-、AsF6-、ClO4-、AlClO4-、CF3COO-、C3F7COO-、CF3SO3-、C4F9SO3-、(CF3SO2)2N-、(CF3SO2)2C-中选择的阴离子。
8.根据权利要求1的设备，其中R1和R2相同或不同，并且是从甲基-CH3、乙基-C2H6、丙基-C3H7和丁基-C4H9中选择的脂族基。
9.根据权利要求8的设备，其中所述R1和R2包含从Cl-、Br-、PF6-、BF4-、(CF3SO2)2N-和C4F9SO3-中选择的阴离子。
10.根据权利要求1的设备，其中所述光学组件是布拉格长周期光栅。
11.根据权利要求10的设备，其中通过改变所述光学组件在所述介质中的所述浸入，调整所述光栅。
12.根据权利要求10的设备，其中所述光栅的光学响应在所述光学组件的使用范围内基本恒定。
13.根据权利要求12的设备，其中所述光学组件使用的范围是-10℃到+70℃。
14.根据权利要求1的设备，其中所述光学组件是一段光子晶体光纤。
15.根据权利要求14的设备，包括用于控制该介质的折射率值的温度控制部件。
16.根据权利要求15的设备，其中该温度控制部件适合于使所述介质承受-20℃到+120℃的温度。
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