控制光纖折射率的方法和器件的制作方法

專利名稱：控制光纖折射率的方法和器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制光纖折射率的器件和方法及其應用。更具體地，本發明涉及對光纖芯部雙折射的控制。
背景技術：
借助光纖的信息傳輸能力的持續提高主要通過有關波分復用(WDM)技術的新光學元件的更好性能來推動。此領域中的革新為通信網絡提供了新的解決方案，并使光學更接近最終用戶。
從最初的無源傳輸角色開始，與其它技術相關的光纖現在商業應用于有源和無源光學元件。通過控制光纖折射率的大小和空間特性，可以提供許多重要的光學功能，例如開關和濾波功能。折射率的控制可以通過施加外部擾動來實現，該擾動例如是電或磁場、光、以及彈性張力。
申請號為10-238708的日本專利摘要“偏振控制元件”(Toshiaki)公開了一種元件，其中，在光纖的包層中相對光纖芯部對稱地布置了兩個導體。當電流同時流經這兩個導體時，獲得了靜電效應，該效應對光纖芯部施加應力或應變。如果電流以同一方向流經該兩個導體，則在兩個導體之間獲得吸引力；如果電流以相反的方向流經該兩個導體，則獲得排斥力。因此，根據電流流經導體的方向，對光纖芯部的作用可以為正或負。這樣，光纖芯部的折射率被認為得到了控制。
但是，以上所述的技術具有一些嚴重的缺點，該些缺點使得器件的實際執行非常不切實際，或者甚至不可能。兩個導體之間的力非常弱，除非采用大電流。此外，需要在光纖中具有至少兩個導體。理想地，上述器件不應當具有熱損耗，且導體應當具有極低的電阻。因此，為了實際應用的原因，這樣的器件將不會獲得任何商業成功。

發明內容
本發明的目的是提供一種控制光纖芯部折射率的器件和方法，其中消除了上述缺點。
此目的借助根據所附權利要求的方法和器件實現。
根據本發明，光纖芯部折射率的改變不取決于任何靜電效應，而是取決于沿所述芯部布置的縱向電極的熱膨脹，該膨脹對該芯部產生了機械壓力。通過將在以下說明的所謂的光彈性效應(photo-elastic effect)，芯部的折射率于是相應地得以改變。
當光在圓柱形光纖中行進時，這與在自由空間中傳播相反，其偏振狀態因光纖中通過例如熱應力、機械應力和光纖芯部的不規則性導致的隨機雙折射而被變形。因此，在沿光纖的任意給定點，光通常為橢圓偏振，具有不同程度的橢圓率和取向性。然而，光纖光學系統中的許多器件(例如電-光調制器)是偏振敏感的。因此，需要將隨機的偏振光轉換為所需的偏振狀態。
根據本發明，偏振的向所需狀態的此轉換通過具有至少一縱向電極的光纖的長度來實現，該縱向電極上流過電流，使得歐姆熱在該電極上獲得。電極的加熱導致壓縮光纖芯部的膨脹。因此，芯部的折射率通過光彈性效應改變。
本發明提供了一種電驅動偏振控制器的基礎、以及一種改變光纖折射率的方法，尤其是控制其雙折射。
本發明可以用于光纖芯部折射率的偏振相關調節(polarizationdependent adjustment)、以及用于其偏振獨立調節(polarization independentadjustment)。當需要對折射率的偏振相關影響時，電極被設置成使得在芯部中引發非對稱應力場。
此外，通過在芯部的隱失場(evanescent field)中布置一電極，可以使根據本發明的器件對具有特定偏振方向的光具有損耗，有效地提供一起偏器(polarizer)。
本發明可以用于各種情形和應用中，這將通過以下對優選實施例的詳細描述而得以了解。


當閱讀和理解優選實施例的詳細說明時，將了解本發明的進一步的方面和特征。在該說明中，參考以下附圖，其中
圖1示意性示出具有縱向切口的光纖預制棒(fiber preform)的剖面；圖2a示出了具有一個芯部和四個縱向孔的光纖剖面的視圖；圖2b示出了具有兩個芯部和兩個縱向孔的光纖剖面的視圖；圖2c示出了具有形成在其中的縱向孔的光纖的SEM照片；圖3示意性示出了用于在光纖中把液體電極材料引到縱向孔中的布置；圖4示出了具有兩個縱向電極的光纖的視圖；圖5示意性示出如何自光纖的一側向下研磨光纖的該側來露出電極；圖6示意性示出如何將外部電連接貼附到光纖內的縱向電極上；圖7為曲線圖，示出對于不同外加電流，施加在器件上的作為時間函數的電壓；圖8為示意圖，示出電極熱膨脹導致的應力；圖9示意性示出用于確定通過根據本發明的器件獲得的對偏振的影響的基本配置(set-up)；圖10是曲線圖，示出當在外部加熱時，根據圖9的配置測得的光強度；圖11示意性示出用于測量通過根據本發明的器件獲得的對偏振的影響的實際布置；圖12是曲線圖，示出對于實驗室參考坐標系(lab reference frame)與器件的本征軸(eigen axis)之間的不同角度α的輸出光強；圖13是曲線圖，示出當電流通過電極流動約3秒時的輸出光強和器件上的電壓；圖14是曲線圖，示出電極材料熔融時的效果；圖15是曲線圖，示出隨流經電極的電流增加到150mA，然后回到0，龐加萊球(Poincaré sphere)上的偏振狀態；圖16是曲線圖，示出當100mA電流流經電極時所觀察到的作為時間函數的相位差；圖17示意性示出根據本發明的器件如何用于激光二極管的發射光的偏振控制；圖18示意性示出采用三個根據本發明的器件的用于偏振控制的布置；圖19示意性示出根據本發明的器件的使用，其用于實現可變光衰減器；圖20示出如何能在光纖中實施起偏器的第一實施例；圖21示出如何能在光纖中實施起偏器的第二實施例；
圖22示意性顯示具有兩電極的光纖的端視圖，該電極可沿光纖在分離的部分中起作用；圖23示意性示出圖22的光纖的側視圖，其中每個電極布置來用于在兩個分離的部分中起作用；以及圖24顯示出根據本發明的器件如何用于穩定化馬赫-曾德爾干涉儀(mach-zehnder interferometer)、以及如何用于光開關。
具體實施例方式
以下，將更詳細地描述本發明的優選實施例。
具有沿光纖芯部延伸的縱向內部電極的光纖的制造在申請人的共同審理中的瑞典專利申請第0102381-1號中得以描述，該專利申請在此參考引用。
但是，為了完整起見，以下給出制造方法的概要。
具有平行于光纖芯部的縱向孔的光纖的制造是本領域公知的。制備預制棒使得所得光纖具有縱向孔的最簡單方法是以帶金剛石涂層的鉆頭(diamond coated drill)鉆該預制棒。此方法的缺點是可得到的光纖的長度有限，因為難以在玻璃中鉆出長于幾厘米的孔。取代鉆孔，通過平行于用于標準傳輸光纖的預制棒(preform)10的芯部12切割溝槽11，可以克服此缺點。這些溝槽11可以用帶金剛石涂層的刀片形成。這示意性示于圖1。此外，該預制棒通常被保護管13包圍。然后，在高溫(約2000℃)下將預制棒拉成125μm直徑的光纖。
圖2中示出3個完成的結構。圖2a和2b中圖片表示光纖的剖面。注意，預制棒中初始為方形且在徑向上敞開的孔在光纖的拉制之后變成了圓的，且在徑向上封閉。孔21的直徑約為40μm。圖2a顯示了具有一個芯部22和四個縱向孔21的光纖，圖2b顯示了具有兩芯22、兩孔21的光纖。
圖2c示出了一光纖的SEM照片(SEM為掃描電子顯微術)，該光纖具有形成在其包層中的一縱向孔。該光纖顯示為尚未在孔中引入電極材料。從圖片中還可看到光纖的相對于該縱向孔的外表面上的凹陷。此凹陷用于在后續階段中對準該光纖，并且對器件沒有光學影響。光纖的芯部在SEM照片上是不可見的。但是，該光纖包括通常的、居中的芯部。
具有孔的光纖的制造使得可以在光纖中插入電極。在這樣的光纖中，可以傳輸兩種不同的信號芯部中的光學信號和電極中的電信號。
在根據本發明的器件中，可將電極材料引入到這些孔中，使得孔在其徑向上被電極材料完全填充。這對于電極膨脹以在光纖芯部中產生應力是必要的。
為了插入電極，通常將細金屬絲引入到孔中。細金屬絲可以以不同的直徑商業提供，且由鋁、金、鎢或不銹鋼制成。然而，它們易于附著在孔的側壁上。這限制了所制造器件的長度為幾厘米。因為孔的直徑大于金屬絲的直徑，所以不能確保金屬絲均勻一致地沿光纖位于孔中。再者，金屬絲和光纖之間的額外空間阻礙了利用熱膨脹的金屬絲的壓力作為影響光纖折射率的一種方式。
為了解決此問題，開發了如上述共同審理中的申請中所公開的那樣的方案，其使用具有較低熔融溫度的合金，并在液相下將該合金插入到孔中。這是在下述實驗中一直使用的方法。
為了將熔融金屬(該合金)引入孔中，采用一種“泵送技術(pumptechnique)”。在加熱爐(oven)中設置壓力室。在壓力室內，光纖的一端被浸入熔融金屬中。光纖的另一端在加熱爐外，處于環境壓力和溫度下(見圖3)。壓力差將熔融金屬推入孔中。
采用熔點為137℃的Sn-Bi合金。加熱爐的溫度通常為170℃，且壓力室內的壓力為4巴(Bar)。
通過將一個光纖端部保持在加熱爐之外，金屬在抵達該遠端之前凝固。因自另一端施加的高壓，熔融金屬隨著其凝固而處于受壓狀態下。將一光纖端部保持在加熱爐之外具有另一優點，即保持該光纖端部沒有金屬，以便于稍后接合到另一光纖上。為了使光纖的該端部沒有金屬，該光纖端部可以升離熔融金屬，并經受幾秒鐘高壓，使得電極進一步移動到光纖內。
圖4中表明，具有插入的電極41的光纖以上述方法實現。
所需的電接觸可以自光纖的側面設置，使得光纖端部可以被接合。這些接觸可以通過使用具有旋轉的砂紙片(2400目)的拋光機來實現。
待拋光的光纖被放置在底板(base)上，使得金屬電極是垂直的(見圖5)；其上擱置光纖的該底板由具有光滑表面的玻璃制造，該光滑表面防止了對光纖的損傷。通過兩個光纖夾式固定器(clip-on holder)將該光纖保持筆直。由于光纖的橫向運動將使之斷裂，所以對此最后一點應當非常仔細。拋光機設置有傳感器，使得旋轉在砂紙中的不連續(discontinuity)接近光纖時被中斷。于是，旋轉在順時針和逆時針之間振蕩。此外，支撐光纖的部分可以調整，以防止使用砂紙的單線條。此拋光機在約2分鐘之后露出電極，如圖5的示意性顯示。
如圖6示意性顯示的那樣，電線65于是可以用導電環氧樹脂63(電工粘接導電環氧樹脂)(Circuit Works Adhesive Conductive Epoxy CW2400)與電極61連接。如圖中所示，電極61布置在光纖的包層內與芯部62相鄰，以在通過歐姆熱熱膨脹時在所述芯部62中引發應力場。用于下述實驗中的電線65由帶銀涂層的銅制成。電線簡單地放置在露出的電極61上，并借助粘接導電環氧樹脂63固定。室溫干燥可在6小時內達到，但是，為了達到更快的干燥時間，可以將該連接加熱到一百攝氏度持續10分鐘，然后使環氧樹脂冷卻到室溫。在幾種情形中測試的另一種方法由使用電極金屬自身焊接非常細的電線構成。在顯微鏡下，可以通過使用烙鐵加熱暴露的電極來將電線引入到熔融的金屬中。雖然此連接更適合于高頻應用，但是環氧樹脂是優選的，因為所形成的連接更牢固且更易于操作。
具有不同值的電流流經上述器件，并記錄下整個元件中形成電壓的時間變化(見圖7)。
我們將t視為以秒計的時間。對于圖7所示的三個電流，即160mA、150mA和140mA，在t＝0時的初始快速瞬變之后觀察到類似的變化。在開始的幾十秒中，電壓緩慢增加。此升高揭示了歐姆加熱下金屬電阻的溫度相關性。隨著溫度抵達熔點(138℃)，電壓突然下降，這反映了合金的相變。熔融金屬的電阻率似乎比其固體金屬的低。注意，金屬在其熔融時依然導電。如所預期的那樣，電流越高，則熔點越快達到。
更明確地，如可在圖7中見到的那樣，對于160mA的電流，電阻自t＝2秒時的32.25Ω至t＝36秒時(相應于相變開始的點)的34Ω增加了5.4％。
假設所用的合金的溫度系數為4.6×10-3℃-1(與純錫和純鉍相同)，則5.4％的電阻率變化相應于溫升ΔT＝12℃。
t＝2秒和熔點之間測得的較小的△T值表明，早期(2秒以前)金屬的溫度已經高至約125℃。假設室溫為25℃，則這表明，最初兩秒內的溫度變化為ΔT＝100℃。此變化相應于自電阻起始值至t＝2秒時的R＝32.25Ω的46％的電阻變化。
因此，室溫下的起始電阻應當等于22Ω。這與電阻的理論值符合，但與測量值不一致。
以下，將總體上參照圖8來闡明本發明的物理現象。
流經光纖中的縱向內部電極的電流因焦耳效應(歐姆加熱)導致加熱。可以假設加熱導致的溫度是均勻的。這對于大于若干毫秒的時間量程而言通常是成立的。
為了改變光纖中傳播的光的偏振，本發明教導采用彈性應力場。當光沿光纖傳播時，此應力產生以下將要描述的所謂的光彈性效應。此彈性應力場通過加熱插入的電極產生，這將在以下更詳細地說明。
當材料受到彈性應力場作用時，其局部密度發生改變，因而其光學性能也發生改變。
在玻璃(其為線性各向同性介質)的特定情形下，且當不存在扭矩時，折射率的改變通過以下關系式直接與所加的應力場相關，該關系式為(1)---Δ[1ni2]=pijdj;(i,j=1,...,6)]]>其中，ni為折射率橢球(ellipsoid of the indices)的系數，pij為光彈性矩陣(photo-elastic matrix)的系數，dj為應力場導致的形變矢量的分量(componentof the deformation vector)。
例如考慮在Oy方向上施加到折射率為n的光纖的芯部上的均勻應力d的情形。光的傳播方向為Oz。如果將以上表達式推導至第一階，則新的折射率由下式給出 平行于Ox偏振的光不具有與平行于Oy偏振的光相同的折射率。正是這兩個數值之間的差是雙折射(birefringence)Δn概念的由來。
在此情形下，所導致的雙折射正比于應力(3)---Δn=|nx-ny|=12n3(p12-p11)d]]>
于是，光彈性效應的一個最重要的結果是線性雙折射的出現。兩個平面偏振波可以在Ox和Oy方向上傳播而沒有任何偏振形式的變形。Ox和Oy通常被稱為光纖的本征軸。平行于各該軸偏振的光的相速度不同，該相位差通過以下關系式給出(4)---Φ=2πλΔn*l]]>其中，Ф為相位差，λ為傳播光的波長，Δn為雙折射，1為傳播距離。
雙折射是介質中局部應力的函數。于是，通過控制所施加的應力，可以控制誘導雙折射，于是控制該相位差，該相位差確定了輸出光的偏振狀態。
于是，表明，只要應力場施加到光纖芯部上，誘導雙折射就會出現。在本發明的優選實施例中，具有鉍-錫合金插入電極的特定構造的光纖得以使用，以產生此應力場。通過在一電極上注入電流，插入的金屬因焦耳效應(歐姆加熱)而被加熱。在加熱的過程中，金屬膨脹(見表I的鉍-錫合金的熱性質)，且壓力施加到光纖芯部上，即應力場。此情形示意性示于圖8中。
表I(鉍-錫58-42的物理性質)

應當注意，膨脹的金屬持續地處于來自鄰近該被加熱區的電極的固體冷卻區域的壓力下。如果該金屬熔化，則其收縮(所用合金的特殊性質-見表I)，這導致應力誘導的折射率變化。
此外，應當注意，具有縱向電極的光纖因其中布置有該電極的孔的存在而可能已經具有雙折射。但是，當器件被加熱時，對雙折射的任何這樣的影響將保持恒定。
焦耳效應(歐姆加熱)隨電流增加。溫度越高，金屬膨脹越大，且作用到芯部上的壓力越大。應力在Ox和Oy方向上不同時，流經電極的電流導致額外的雙折射，其大小直接與注入的電流的數值相關。
以下，將給出測定光纖芯部折射率變化的理論框架。
現在參見圖9所示的配置。對于在Oz方向上傳播的單色波，本征軸為Ox′和Oy′。在流經縱向電極的電流和電極的熱膨脹的影響下，光纖在沿Ox′和Oy′的線性偏振狀態之間產生了相位差Ф。光纖作為波片(wave plate)。此光纖位于起偏器和正交取向的檢偏器(交叉偏振光鏡)之間，起偏器與Oy軸對齊，于是通過平行于此軸偏振的光。
單色波的偏振狀態可以用被稱作瓊斯矢量(Jones vector)的矢量V表示。考慮改變偏振狀態的光器件，諸如起偏器和移相板，形式上它們均通過被稱為瓊斯矩陣的矩陣來表述。
令Oxyz為實驗室坐標系。當體系用波的強度I0說明時，新出現的瓊斯矢量V′如下表示(5)---V′=I02PxMPy11=I02isin2αsinΦ20]]>其中Py=0001,]]>且Px=1000]]>分別為起偏器和檢偏器的瓊斯矩陣。
實驗室系中，光纖的瓊斯矩陣如下給出(6)---M=cosΦ2+icos2αsinΦ2isin2αsinΦ2isin2αsinΦ2cosΦ2-icos2αsinΦ2]]>其中，Ф為光纖導致的相位差，α為本征軸與實驗室坐標系之間確定的角。
于是，傳輸的強度I如下給出(7)---I=I02sin22αsin2Φ2]]>等式10表明，傳輸的光的強度具有器件中出現的光的相位信息。
注意·代表傳輸的光的強度的函數對于Ф是以2π為周期的。
·如果α＝π/2或α＝0，則sin2α＝0。此時，由于所傳輸的光的強度于是等于0，有關Ф的信息不能獲得。此外，在此情形下，所導致的相位差因光纖的本征軸與起偏器對準而總是等于0，且器件不能通過附加的雙折射來旋轉光偏振。
實驗結果發明原理利用圖9所示的裝置檢測。
進行初步研究，其中，借助珀耳帖(Peltier)加熱元件對具有兩個內部金屬電極的光纖進行外加熱。圖10示出了如檢測器中測量所得的溫度和光強的時間變化。
注意，光信號受到珀耳帖導致的溫度變化的影響。通過加熱光纖，電極被加熱，其試圖膨脹并向光纖芯部施加壓力。這導致了相位差的變化，并且解釋了光強的改變。
即使可以認為通過外部加熱影響折射率的方式會不具有與通過內部熱膨脹電極影響折射率的方式相同的特性，但是此結果表明，光輸出信號對溫度擾動是高度敏感的。
用于這些初步實驗的光源為可見的氦-氖激光(λ＝632nm)，這使得光具座的對齊變得容易。該裝置示意性示于圖11中。為輸入光束設置起偏器，該輸入光束以可調方向的線性偏振。借助透鏡將該光束耦合到光纖中。光穿過具有縱向電極的光纖，通過第二透鏡準直(collimate)在檢測器上。在檢測器前方，設置第二起偏器，以分析輸出波的相位。
恒流源給出對注入光纖的電極內的電流的可調節的控制。
光學和電學的兩種信號可同時顯示在數字示波器(Tektronix-TDS 784A型)的屏幕上。
當電流流經光纖中的電極時，發現所傳輸的光的強度的顯著變化。
圖12示出了采用120mA電流時對于三種不同角度α設置(與圖9相比)的結果，該電流流經5cm長的器件的一個電極。當光纖器件未受到任何擾動時，三種輸出波的(偏振分量之間的)起始相位差是相同的。但是因為對它們每一個α值是不相同的，所以三個起始光強度不相同。當在t＝0時施加電流時，附加的雙折射被引發，因此相位差Ф改變。在理想情況下，三條曲線應當顯示出正弦變化，但是由于溫度未隨時間線性增高，所以誘導的相位差與時間不是線性的。相反，觀察到的曲線顯示出線性調頻正弦變化(chirped sinusoidal variation)。
α值越接近π/4，所傳輸的光的強度變化越大。因此，由于此角度下的測量是最敏感的，所以優選的是對角度α采取此特定的設置。
t＝0時所觀察到的三個負峰既不彼此相等，也不等于0。其原因在于所用的檢測器不夠快。
如圖13所示，表明的是大的相位差可以以低的施加功率來獲得。當電流接通時，金屬的溫度在幾分之一秒內升高至100℃，產生壓力并在光纖芯部導致附加的雙折射。在一秒鐘以后，溫度變化小且慢，并且直到t＝3.2秒電流斷開時，光信號僅略微變化。此時，相反的現象發生了，這使得相位差幾乎回到了其初始位置。在以上情形中，導致了相位差使光強度回到并經過其起始值。這表明，通過小于0.3W的電功率，導致了超過2π的相位差。
一個可以提出的顯然的問題是，所導致的雙折射是源自電極中膨脹的金屬施加的壓力，還是直接源自溫度變化。為了對此進行測試，進行相似的測量，但是現在等到金屬熔化。對光信號的影響得以記錄，并在圖14中示出。聯想到固態向液態的相變在沒有任何溫度變化的情況下發生，于是這樣的實驗允許研究壓力單獨的作用。
考慮代表元件中電壓變化即與其電阻成正比的電信號。其具有與已經示于圖7中的時間變化相同的時間變化在電流接通后迅速到達了第一高度，且在t＝38秒時再突然下降，該突然下降表明金屬已經熔化。這兩點確定了光信號的變化。如前所述，電流大小導致了相位差的改變。第二點顯示了僅壓力在引發雙折射中產生的影響。當金屬熔化時，溫度保持恒定。因此，可以解釋光信號的突然變化的唯一現象是電極材料熔點下壓力的突然變化。如上所述，當合金熔化時，其收縮，于是其受到的壓力降至0。這消除了應力誘導的折射率變化。
注意，假設系統是絕熱的，且合金的熔化熱為56.5J.g-1(純鉍的熔化熱與純錫的熔化熱之間的適當比例(proportional ratio))，則計算表明需要用50ms來熔化全部合金。但是由圖14可以看到，此轉變以前的時間至少在t＝38秒和t＝45秒之間。此長時間的轉變揭示了因在環境中(進入光纖中)耗散熱導致的能量損耗。
使用偏光計的實驗使用商業化的偏光計(Profile PAN 9009型)來進一步測試根據本發明的器件。
用于以下測試的光纖是雙孔雙芯光纖(見圖2b)。非故意地，僅一個孔填充有金屬。器件的長度(即沿縱向電極的兩個外部接點之間的距離)為約2cm。這樣形成的器件的所測電阻為11.6Ω。疊接標準單模光纖(splicedstandard single mode optical fiber)用于將輸入光耦合進入該雙芯光纖的一個芯部內。所測光纖段的總長度為30cm。
注意，此光纖芯部中心之間的距離約為26μm，且一個芯部的中心與金屬表面之間的最短距離為13μm。在此實驗中沒有觀察到芯部之間的光耦合。
使用1550nm光的結果在不同電流值下測試光纖器件。此實驗中探測光(probing light)的波長為1550nm。該光由可調外腔型激光二極管(Photonetics-Tunics Purity)提供。輸入該光纖器件中的光是高度偏振的。
當電流高達160mA時，所觀察到的最大相位差為15°。該30cm長的光纖用作起偏器。這通過測量該光纖段的偏振相關損失(Polarization DependentLoss)(PDL)來檢證。PDL被定義為所有可能輸入的偏振狀態的最大和最小插入損失(insertion loss)之間的差。例如，起偏器具有非常高的PDL，且偏振無關分量的PDL接近0。我們獲得測量達40dB的PDL，即104的消光比。一種偏振狀態的非常大的衰減可歸因于芯部附近孔中金屬(電極)的存在。在1550nm下，電磁場不限于芯部，而是有一部分進入到光纖的包層中。于是，在平行于由電極定義的軸的方向(圖9中的Oy′)上的偏振的波因金屬的存在而被吸收。
結論在此特定情況下，即芯部中心至金屬的距離為15μm，波長為1550nm，且金屬填充的光纖長度為30cm時，不可能證明對偏振的電控制。
相反，隱失場與內部電極的相互作用在1550nm下對于所有測試電流值產生了優異的光纖起偏器。
使用808nm光的結果為了驗證通過使用以上所述的交叉偏振器和氦-氖激光的實驗裝置獲得的結果，采用其波長接近氦-氖激光波長的激光來進行測量。該波長大于所采用的偏光計的短波長截止波長(700nm)。工作在808nm的無偏振光纖耦合激光二極管源是可得到的(Opto Power Corporation-OPC D010 808HBHS)，且最大功率輸出的非常小的一部分用于測量(約0.1mW)。在此情形下，如在氦-氖激光的情形中那樣，電磁場應當更多地限于光纖芯部，所以在衰減方面非常小地受到電極存在的干擾。
隨著流經光纖器件的電流緩慢增大，在龐加萊球上代表偏振狀態的點以一種富有意義的方式移動。
圖15示出了隨著電流增加到150mA，然后降到0，龐加萊球上偏振狀態的路徑。
由于對于系統應用而言主要的興趣在于短于50ms的響應時間，所以具有良好時間分辨功能的偏光計用于確定通過該器件提供的偏振控制的實際速度。當采用100mA的電流時，觀察到圖16所示的結果。
發現了存在快速部分，其以不足20ms的10-90％上升時間將偏振狀態改變了180°。發現，在50ms以內，完成了95％的改變，且最后的5％會耗費超過1秒的時間。
結論如通過先前利用氦-氖激光的實驗所預期的那樣，可以以小的電功率來誘發大的相位變化。此外，這可以通過快的響應時間來實現。
因此，已經表明了光纖中光的偏振電控制的可能性。此控制可以以根據本發明的器件來實現，該器件包括具有內部縱向電極的光纖。該器件基于光彈性效應。這以低的施加功率實現，且可獲得快速響應時間。
為了使本發明的器件在1550nm下工作，可以使用短的金屬填充的光纖段(而不是此處所用的30cm長的段)。應當指出，這與使用更短的接觸器件(此處其僅約2cm長)不混淆，其是指具有電極的光纖的實際長度。替代地，光纖的芯部和電極間的距離可以增大。這兩種方案都測試過，且都給出優異的結果。例如，測得波長1530nm和1570nm間全工器件(fullyoperational device)的偏振相關損耗小于0.1dB。
雖然偏振控制以單一的器件作了說明，但是不可能以單一的元件掃描整個偏振空間。為此，可以采用為λ/4、λ/2和λ/4調整而設置的三個控制器(采用與機械偏振控制器相同的原理)。但是，其它組合也是可以的。
本發明的其它實施例將利用具有更大熱膨脹值的其它金屬合金，以提高器件的效率。
有利地，根據本發明的器件可以用于控制來自激光二極管(LD)的發射光的偏振狀態，如圖17示意性所示。為了實現對來自激光二極管的偏振的充分控制的一種方法，通常需要三個根據本發明的偏振控制器件(PCD)。第一個維持線性偏振并可以將其調節至所需方向，第二和第三個通過正交軸上的作用將該偏振狀態轉換成圓的。但是，有諸多其它的方式來實現此控制，以上所述僅是一示例。此示例示意性示于圖18。
此外，利用根據本發明的PCD并且還包括起偏器，可以實現一種可變光衰減器，如圖19所示。該起偏器可以以接近光纖芯部的導體(圖20)的形式實施，或者可以借助光纖中的錐形孔(圖21)實施。
具有多個設置在芯部周圍的電極的光纖可用于不同方向的偏振的選擇性控制。在此情形下，電流流經在光纖不同部分不同的一個或多個選定的電極。這樣，可以實現諸如微分器件、偏振倒頻器、調制器等的元件。
圖22中，示出尤其有吸引力的布置。例如當電流在如圖2a所示的光纖中的4個電極中的一個中流動時，電極開始加熱并膨脹，導致光纖中雙折射的增加。當來自此電流驅動的電極的熱抵達光纖中的其它3個電極時，它們也膨脹，且總的雙折射強烈地減小，幾乎回到無任何電流時測量的值。于是，雙折射可以增大和減小而不用等到光纖冷卻回到室溫。該器件光學地響應電流信號的不同。在所示情形下，光纖包括兩個縱向內部電極，該兩個電極相對于光纖芯部正交地設置。這意味著，當電極根據本發明熱膨脹時，電極將在兩個不同且正交的方向上在光纖內導致雙折射。如果這兩個電極同時被激勵，則所得的應力場將通過矢量相加獲得。圖中，此應力場將具有向下且向左的方向。但是，如果這兩個電極在光纖的不同部分中起作用，由于不導致矢量相加，所以效果不同。相反，第一電極(在上游區)的效果將基本被第二電極(在下游)所抵銷。具有這種串聯加熱的布置示意性示于圖23中。所示的示例對每個電極包括兩個加熱部分231(1)a、231(1)b和231(2)a、231(2)b。外部電連接示作每個電極端部處的電短線。注意，電極的加熱僅在連在電極上的供電線之間實現，因為電流僅流過電極的此部分。
圖22和23中示意性顯示的原理可用于獲得更快的開關。應當想到，電流接通時器件的上升時間是非常快的，但是當電流斷開時下降慢得多。但是，通過使用如圖22和23所示的兩個串聯且正交的電極，第一電極的作用可被第二電極的作用抵銷。通過在啟動第一電極之后短時間內啟動第二電極，獲得快速的開關。也就是說，電流開始時的快的上升時間既用于導致雙折射又用于消除雙折射。通過以偽隨機電流信號(pseudo-randomcurrent signal)驅動這樣的元件，偏振狀態在PCD的上升時間所給定的時間量程即小于毫秒上被倒頻(scramble)。
根據本發明的器件還可以用于穩定馬赫-曾德爾干涉儀的輸出。在此情形下，該器件被包含在一個干涉儀臂(interferometer arm)中，且干涉儀的輸出受到監測。于是，向PCD驅動裝置的反饋提供了所需的輸出(將光強度最大化或最小化)。這示于圖24中。
本發明的器件還可以以與圖24所示相似的方式用于與馬赫-曾德爾干涉儀的接合中，以提供光開關。通過在干涉儀的一個臂內包含根據本發明的光器件，可以誘發相位變化，且輸出可以電調節，以在選定的輸出端發生。優選地，在此情形下，該器件與一反饋裝置一起使用，該反饋裝置探測自一個或兩個輸出端發射的光功率，并控制該器件的驅動裝置。這樣，所需的功率可自該器件的所需輸出端發出。通過在光纖芯部附近布置電極，如圖24所示的開關可被制成是偏振的，或者通過將電極布置得充分遠離芯部以位于芯部的隱失場之外，該開關可被制成是基本偏振無關的。
本領域技術人員將認識到，在可采用根據本發明的器件和方法的場合有許多其它的應用。在所附權利要求限定的范圍內，還可以有各種變化。所述和所示的實施例僅是本發明可如何實施的優選示例。
權利要求
1.一種改變光纖芯部折射率的方法，所述光纖具有沿所述芯部布置在該光纖內的至少一個縱向電極，該方法包括特征步驟使電流流經所述電極以誘發其歐姆加熱，所述加熱導致該電極的熱膨脹，該熱膨脹使光纖芯部受應力作用。
2.如權利要求1所述的方法，其中，該光纖芯部受到非對稱應力，使得在該光纖芯部誘發雙折射。
3.如權利要求2所述的方法，其中，使電流選擇性流過多個縱向電極中的一個或多個。
4.如權利要求3所述的方法，其中，首先將電流接通而流過第一電極，然后接通流過第二電極，所述第一和第二電極在該光纖芯部周圍正交布置，使得第一電極的啟動轉變偏振狀態，且隨后第二電極的啟動重置該偏振狀態。
5.如前述權利要求中的任何一項所述的方法，其中，電流流經光纖中的電極的有限長度，從而熱膨脹僅在所述的有限長度上實現。
6.如權利要求3所述的方法，其中，在光纖的不同長度和不同方向上誘導出該芯部中的應力。
7.一種光器件，包括具有芯部和包層的光纖；形成在該光纖內的至少一個縱向電極；以及用于驅動經過所述至少一個縱向電極的電流的驅動裝置，其中，所述電極和所述驅動裝置適合通過借助該電極的熱膨脹產生熱誘導應力而在該光纖的芯部內誘發折射率變化，所述熱膨脹通過來自流經該電極的電流的歐姆加熱誘導。
8.如權利要求7所述的器件，其中，該電極或每個電極設置在該光纖的包層中鄰近該芯部。
9.如權利要求7所述的器件，其中，該縱向電極或每個縱向電極設置在該光纖中的縱向孔內，使得所述孔在徑向上完全被電極材料所填充。
10.如權利要求7至9中的任意一項所述的器件，其中，該電極或每個電極包括Sn-Bi合金。
11.如權利要求7至10中的任意一項所述的器件，其中，該電極和該驅動裝置適合在該光纖的該芯部內誘發非對稱應力場，從而在該芯部中誘發雙折射。
12.如權利要求7至11中的任意一項所述的器件，包括設置在該光纖的該芯部周圍的多條縱向電極，使得電流可選擇性地沿所述多個電極中的一個或多個通過，以控制該芯部內誘發的該應力。
13.如權利要求12所述的器件，其中，外部電線連接至該電極或每個電極以供給電流，所述電線限定了電極的被加熱的長度。
14.如權利要求7至13中的任意一項所述的器件，其中，該光纖包括使部分光纖漏光的散射中心，使得其中傳播的一些光可耦合出并被分析。
15.如權利要求14所述的器件，其中，該散射中心包括光纖幾何形狀的局部失常。
16.如權利要求14所述的器件，其中，該散射中心包括該光纖的彎曲。
17.如權利要求7至16中的任意一項所述的器件，還包括該光纖內的固定起偏器，籍此，通過控制流經該電極的電流可獲得可變的光衰減。
18.如權利要求7至17中的任意一項所述的器件的應用，其用于激光二極管的光發射的偏振控制，其中，來自該激光二極管的該光經過該器件，且所述器件受到控制，以獲得所需的偏振。
19.如權利要求7至17中的任意一項所述的器件的應用，其用于光纖中傳播的光信號的可變的光衰減，其中，該光還被引導經過一起偏器。
20.如權利要求7至17中的任意一項所述的器件的應用，其用于穩定馬赫-曾德爾干涉儀的輸出，其中，該器件布置在該干涉儀的一個臂內，且向該器件提供反饋。
21.如權利要求7至17中的任意一項所述的器件的應用，該器件包含在馬赫-曾德爾干涉儀的一個臂內以用于提供一光開關，在該光開關中，輸出可以得以控制以自選定的輸出端發生。
全文摘要
本發明涉及控制光纖芯部折射率的方法和器件。根據本發明，光纖設置有沿光纖芯部延伸的縱向電極。電流流經該電極以導致歐姆加熱，引發熱膨脹，并隨后引發對光纖芯部的壓縮力。對芯部的該壓縮在壓縮力的方向上導致折射率的變化，因此引起或改變芯部中的雙折射。
文檔編號C03C17/00GK1549940SQ02817040
公開日2004年11月24日 申請日期2002年7月2日 優先權日2001年7月2日
發明者邁克爾·福金, 拉斯-埃里克·尼爾森, 阿薩·克萊森, 沃爾特·馬古利斯, 利夫·謝爾伯格, 哈尼亞·阿薩萊恩, 佩德羅·托里斯, ＠錕恕つ岫 , 托里斯, 阿薩萊恩, 馬古利斯, 克萊森, 謝爾伯格, 邁克爾 福金 申請人:阿克里奧公司