控制光纤折射率的方法和器件的制作方法

专利名称：控制光纤折射率的方法和器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制光纤折射率的器件和方法及其应用。更具体地，本发明涉及对光纤芯部双折射的控制。
背景技术：
借助光纤的信息传输能力的持续提高主要通过有关波分复用(WDM)技术的新光学元件的更好性能来推动。此领域中的革新为通信网络提供了新的解决方案，并使光学更接近最终用户。
从最初的无源传输角色开始，与其它技术相关的光纤现在商业应用于有源和无源光学元件。通过控制光纤折射率的大小和空间特性，可以提供许多重要的光学功能，例如开关和滤波功能。折射率的控制可以通过施加外部扰动来实现，该扰动例如是电或磁场、光、以及弹性张力。
申请号为10-238708的日本专利摘要“偏振控制元件”(Toshiaki)公开了一种元件，其中，在光纤的包层中相对光纤芯部对称地布置了两个导体。当电流同时流经这两个导体时，获得了静电效应，该效应对光纤芯部施加应力或应变。如果电流以同一方向流经该两个导体，则在两个导体之间获得吸引力；如果电流以相反的方向流经该两个导体，则获得排斥力。因此，根据电流流经导体的方向，对光纤芯部的作用可以为正或负。这样，光纤芯部的折射率被认为得到了控制。
但是，以上所述的技术具有一些严重的缺点，该些缺点使得器件的实际执行非常不切实际，或者甚至不可能。两个导体之间的力非常弱，除非采用大电流。此外，需要在光纤中具有至少两个导体。理想地，上述器件不应当具有热损耗，且导体应当具有极低的电阻。因此，为了实际应用的原因，这样的器件将不会获得任何商业成功。

发明内容
本发明的目的是提供一种控制光纤芯部折射率的器件和方法，其中消除了上述缺点。
此目的借助根据所附权利要求的方法和器件实现。
根据本发明，光纤芯部折射率的改变不取决于任何静电效应，而是取决于沿所述芯部布置的纵向电极的热膨胀，该膨胀对该芯部产生了机械压力。通过将在以下说明的所谓的光弹性效应(photo-elastic effect)，芯部的折射率于是相应地得以改变。
当光在圆柱形光纤中行进时，这与在自由空间中传播相反，其偏振状态因光纤中通过例如热应力、机械应力和光纤芯部的不规则性导致的随机双折射而被变形。因此，在沿光纤的任意给定点，光通常为椭圆偏振，具有不同程度的椭圆率和取向性。然而，光纤光学系统中的许多器件(例如电-光调制器)是偏振敏感的。因此，需要将随机的偏振光转换为所需的偏振状态。
根据本发明，偏振的向所需状态的此转换通过具有至少一纵向电极的光纤的长度来实现，该纵向电极上流过电流，使得欧姆热在该电极上获得。电极的加热导致压缩光纤芯部的膨胀。因此，芯部的折射率通过光弹性效应改变。
本发明提供了一种电驱动偏振控制器的基础、以及一种改变光纤折射率的方法，尤其是控制其双折射。
本发明可以用于光纤芯部折射率的偏振相关调节(polarizationdependent adjustment)、以及用于其偏振独立调节(polarization independentadjustment)。当需要对折射率的偏振相关影响时，电极被设置成使得在芯部中引发非对称应力场。
此外，通过在芯部的隐失场(evanescent field)中布置一电极，可以使根据本发明的器件对具有特定偏振方向的光具有损耗，有效地提供一起偏器(polarizer)。
本发明可以用于各种情形和应用中，这将通过以下对优选实施例的详细描述而得以了解。


当阅读和理解优选实施例的详细说明时，将了解本发明的进一步的方面和特征。在该说明中，参考以下附图，其中
图1示意性示出具有纵向切口的光纤预制棒(fiber preform)的剖面；图2a示出了具有一个芯部和四个纵向孔的光纤剖面的视图；图2b示出了具有两个芯部和两个纵向孔的光纤剖面的视图；图2c示出了具有形成在其中的纵向孔的光纤的SEM照片；图3示意性示出了用于在光纤中把液体电极材料引到纵向孔中的布置；图4示出了具有两个纵向电极的光纤的视图；图5示意性示出如何自光纤的一侧向下研磨光纤的该侧来露出电极；图6示意性示出如何将外部电连接贴附到光纤内的纵向电极上；图7为曲线图，示出对于不同外加电流，施加在器件上的作为时间函数的电压；图8为示意图，示出电极热膨胀导致的应力；图9示意性示出用于确定通过根据本发明的器件获得的对偏振的影响的基本配置(set-up)；图10是曲线图，示出当在外部加热时，根据图9的配置测得的光强度；图11示意性示出用于测量通过根据本发明的器件获得的对偏振的影响的实际布置；图12是曲线图，示出对于实验室参考坐标系(lab reference frame)与器件的本征轴(eigen axis)之间的不同角度α的输出光强；图13是曲线图，示出当电流通过电极流动约3秒时的输出光强和器件上的电压；图14是曲线图，示出电极材料熔融时的效果；图15是曲线图，示出随流经电极的电流增加到150mA，然后回到0，庞加莱球(Poincaré sphere)上的偏振状态；图16是曲线图，示出当100mA电流流经电极时所观察到的作为时间函数的相位差；图17示意性示出根据本发明的器件如何用于激光二极管的发射光的偏振控制；图18示意性示出采用三个根据本发明的器件的用于偏振控制的布置；图19示意性示出根据本发明的器件的使用，其用于实现可变光衰减器；图20示出如何能在光纤中实施起偏器的第一实施例；图21示出如何能在光纤中实施起偏器的第二实施例；
图22示意性显示具有两电极的光纤的端视图，该电极可沿光纤在分离的部分中起作用；图23示意性示出图22的光纤的侧视图，其中每个电极布置来用于在两个分离的部分中起作用；以及图24显示出根据本发明的器件如何用于稳定化马赫-曾德尔干涉仪(mach-zehnder interferometer)、以及如何用于光开关。
具体实施例方式
以下，将更详细地描述本发明的优选实施例。
具有沿光纤芯部延伸的纵向内部电极的光纤的制造在申请人的共同审理中的瑞典专利申请第0102381-1号中得以描述，该专利申请在此参考引用。
但是，为了完整起见，以下给出制造方法的概要。
具有平行于光纤芯部的纵向孔的光纤的制造是本领域公知的。制备预制棒使得所得光纤具有纵向孔的最简单方法是以带金刚石涂层的钻头(diamond coated drill)钻该预制棒。此方法的缺点是可得到的光纤的长度有限，因为难以在玻璃中钻出长于几厘米的孔。取代钻孔，通过平行于用于标准传输光纤的预制棒(preform)10的芯部12切割沟槽11，可以克服此缺点。这些沟槽11可以用带金刚石涂层的刀片形成。这示意性示于图1。此外，该预制棒通常被保护管13包围。然后，在高温(约2000℃)下将预制棒拉成125μm直径的光纤。
图2中示出3个完成的结构。图2a和2b中图片表示光纤的剖面。注意，预制棒中初始为方形且在径向上敞开的孔在光纤的拉制之后变成了圆的，且在径向上封闭。孔21的直径约为40μm。图2a显示了具有一个芯部22和四个纵向孔21的光纤，图2b显示了具有两芯22、两孔21的光纤。
图2c示出了一光纤的SEM照片(SEM为扫描电子显微术)，该光纤具有形成在其包层中的一纵向孔。该光纤显示为尚未在孔中引入电极材料。从图片中还可看到光纤的相对于该纵向孔的外表面上的凹陷。此凹陷用于在后续阶段中对准该光纤，并且对器件没有光学影响。光纤的芯部在SEM照片上是不可见的。但是，该光纤包括通常的、居中的芯部。
具有孔的光纤的制造使得可以在光纤中插入电极。在这样的光纤中，可以传输两种不同的信号芯部中的光学信号和电极中的电信号。
在根据本发明的器件中，可将电极材料引入到这些孔中，使得孔在其径向上被电极材料完全填充。这对于电极膨胀以在光纤芯部中产生应力是必要的。
为了插入电极，通常将细金属丝引入到孔中。细金属丝可以以不同的直径商业提供，且由铝、金、钨或不锈钢制成。然而，它们易于附着在孔的侧壁上。这限制了所制造器件的长度为几厘米。因为孔的直径大于金属丝的直径，所以不能确保金属丝均匀一致地沿光纤位于孔中。再者，金属丝和光纤之间的额外空间阻碍了利用热膨胀的金属丝的压力作为影响光纤折射率的一种方式。
为了解决此问题，开发了如上述共同审理中的申请中所公开的那样的方案，其使用具有较低熔融温度的合金，并在液相下将该合金插入到孔中。这是在下述实验中一直使用的方法。
为了将熔融金属(该合金)引入孔中，采用一种“泵送技术(pumptechnique)”。在加热炉(oven)中设置压力室。在压力室内，光纤的一端被浸入熔融金属中。光纤的另一端在加热炉外，处于环境压力和温度下(见图3)。压力差将熔融金属推入孔中。
采用熔点为137℃的Sn-Bi合金。加热炉的温度通常为170℃，且压力室内的压力为4巴(Bar)。
通过将一个光纤端部保持在加热炉之外，金属在抵达该远端之前凝固。因自另一端施加的高压，熔融金属随着其凝固而处于受压状态下。将一光纤端部保持在加热炉之外具有另一优点，即保持该光纤端部没有金属，以便于稍后接合到另一光纤上。为了使光纤的该端部没有金属，该光纤端部可以升离熔融金属，并经受几秒钟高压，使得电极进一步移动到光纤内。
图4中表明，具有插入的电极41的光纤以上述方法实现。
所需的电接触可以自光纤的侧面设置，使得光纤端部可以被接合。这些接触可以通过使用具有旋转的砂纸片(2400目)的抛光机来实现。
待抛光的光纤被放置在底板(base)上，使得金属电极是垂直的(见图5)；其上搁置光纤的该底板由具有光滑表面的玻璃制造，该光滑表面防止了对光纤的损伤。通过两个光纤夹式固定器(clip-on holder)将该光纤保持笔直。由于光纤的横向运动将使之断裂，所以对此最后一点应当非常仔细。抛光机设置有传感器，使得旋转在砂纸中的不连续(discontinuity)接近光纤时被中断。于是，旋转在顺时针和逆时针之间振荡。此外，支撑光纤的部分可以调整，以防止使用砂纸的单线条。此抛光机在约2分钟之后露出电极，如图5的示意性显示。
如图6示意性显示的那样，电线65于是可以用导电环氧树脂63(电工粘接导电环氧树脂)(Circuit Works Adhesive Conductive Epoxy CW2400)与电极61连接。如图中所示，电极61布置在光纤的包层内与芯部62相邻，以在通过欧姆热热膨胀时在所述芯部62中引发应力场。用于下述实验中的电线65由带银涂层的铜制成。电线简单地放置在露出的电极61上，并借助粘接导电环氧树脂63固定。室温干燥可在6小时内达到，但是，为了达到更快的干燥时间，可以将该连接加热到一百摄氏度持续10分钟，然后使环氧树脂冷却到室温。在几种情形中测试的另一种方法由使用电极金属自身焊接非常细的电线构成。在显微镜下，可以通过使用烙铁加热暴露的电极来将电线引入到熔融的金属中。虽然此连接更适合于高频应用，但是环氧树脂是优选的，因为所形成的连接更牢固且更易于操作。
具有不同值的电流流经上述器件，并记录下整个元件中形成电压的时间变化(见图7)。
我们将t视为以秒计的时间。对于图7所示的三个电流，即160mA、150mA和140mA，在t＝0时的初始快速瞬变之后观察到类似的变化。在开始的几十秒中，电压缓慢增加。此升高揭示了欧姆加热下金属电阻的温度相关性。随着温度抵达熔点(138℃)，电压突然下降，这反映了合金的相变。熔融金属的电阻率似乎比其固体金属的低。注意，金属在其熔融时依然导电。如所预期的那样，电流越高，则熔点越快达到。
更明确地，如可在图7中见到的那样，对于160mA的电流，电阻自t＝2秒时的32.25Ω至t＝36秒时(相应于相变开始的点)的34Ω增加了5.4％。
假设所用的合金的温度系数为4.6×10-3℃-1(与纯锡和纯铋相同)，则5.4％的电阻率变化相应于温升ΔT＝12℃。
t＝2秒和熔点之间测得的较小的△T值表明，早期(2秒以前)金属的温度已经高至约125℃。假设室温为25℃，则这表明，最初两秒内的温度变化为ΔT＝100℃。此变化相应于自电阻起始值至t＝2秒时的R＝32.25Ω的46％的电阻变化。
因此，室温下的起始电阻应当等于22Ω。这与电阻的理论值符合，但与测量值不一致。
以下，将总体上参照图8来阐明本发明的物理现象。
流经光纤中的纵向内部电极的电流因焦耳效应(欧姆加热)导致加热。可以假设加热导致的温度是均匀的。这对于大于若干毫秒的时间量程而言通常是成立的。
为了改变光纤中传播的光的偏振，本发明教导采用弹性应力场。当光沿光纤传播时，此应力产生以下将要描述的所谓的光弹性效应。此弹性应力场通过加热插入的电极产生，这将在以下更详细地说明。
当材料受到弹性应力场作用时，其局部密度发生改变，因而其光学性能也发生改变。
在玻璃(其为线性各向同性介质)的特定情形下，且当不存在扭矩时，折射率的改变通过以下关系式直接与所加的应力场相关，该关系式为(1)---Δ[1ni2]=pijdj;(i,j=1,...,6)]]>其中，ni为折射率椭球(ellipsoid of the indices)的系数，pij为光弹性矩阵(photo-elastic matrix)的系数，dj为应力场导致的形变矢量的分量(componentof the deformation vector)。
例如考虑在Oy方向上施加到折射率为n的光纤的芯部上的均匀应力d的情形。光的传播方向为Oz。如果将以上表达式推导至第一阶，则新的折射率由下式给出 平行于Ox偏振的光不具有与平行于Oy偏振的光相同的折射率。正是这两个数值之间的差是双折射(birefringence)Δn概念的由来。
在此情形下，所导致的双折射正比于应力(3)---Δn=|nx-ny|=12n3(p12-p11)d]]>
于是，光弹性效应的一个最重要的结果是线性双折射的出现。两个平面偏振波可以在Ox和Oy方向上传播而没有任何偏振形式的变形。Ox和Oy通常被称为光纤的本征轴。平行于各该轴偏振的光的相速度不同，该相位差通过以下关系式给出(4)---Φ=2πλΔn*l]]>其中，Ф为相位差，λ为传播光的波长，Δn为双折射，1为传播距离。
双折射是介质中局部应力的函数。于是，通过控制所施加的应力，可以控制诱导双折射，于是控制该相位差，该相位差确定了输出光的偏振状态。
于是，表明，只要应力场施加到光纤芯部上，诱导双折射就会出现。在本发明的优选实施例中，具有铋-锡合金插入电极的特定构造的光纤得以使用，以产生此应力场。通过在一电极上注入电流，插入的金属因焦耳效应(欧姆加热)而被加热。在加热的过程中，金属膨胀(见表I的铋-锡合金的热性质)，且压力施加到光纤芯部上，即应力场。此情形示意性示于图8中。
表I(铋-锡58-42的物理性质)

应当注意，膨胀的金属持续地处于来自邻近该被加热区的电极的固体冷却区域的压力下。如果该金属熔化，则其收缩(所用合金的特殊性质-见表I)，这导致应力诱导的折射率变化。
此外，应当注意，具有纵向电极的光纤因其中布置有该电极的孔的存在而可能已经具有双折射。但是，当器件被加热时，对双折射的任何这样的影响将保持恒定。
焦耳效应(欧姆加热)随电流增加。温度越高，金属膨胀越大，且作用到芯部上的压力越大。应力在Ox和Oy方向上不同时，流经电极的电流导致额外的双折射，其大小直接与注入的电流的数值相关。
以下，将给出测定光纤芯部折射率变化的理论框架。
现在参见图9所示的配置。对于在Oz方向上传播的单色波，本征轴为Ox′和Oy′。在流经纵向电极的电流和电极的热膨胀的影响下，光纤在沿Ox′和Oy′的线性偏振状态之间产生了相位差Ф。光纤作为波片(wave plate)。此光纤位于起偏器和正交取向的检偏器(交叉偏振光镜)之间，起偏器与Oy轴对齐，于是通过平行于此轴偏振的光。
单色波的偏振状态可以用被称作琼斯矢量(Jones vector)的矢量V表示。考虑改变偏振状态的光器件，诸如起偏器和移相板，形式上它们均通过被称为琼斯矩阵的矩阵来表述。
令Oxyz为实验室坐标系。当体系用波的强度I0说明时，新出现的琼斯矢量V′如下表示(5)---V′=I02PxMPy11=I02isin2αsinΦ20]]>其中Py=0001,]]>且Px=1000]]>分别为起偏器和检偏器的琼斯矩阵。
实验室系中，光纤的琼斯矩阵如下给出(6)---M=cosΦ2+icos2αsinΦ2isin2αsinΦ2isin2αsinΦ2cosΦ2-icos2αsinΦ2]]>其中，Ф为光纤导致的相位差，α为本征轴与实验室坐标系之间确定的角。
于是，传输的强度I如下给出(7)---I=I02sin22αsin2Φ2]]>等式10表明，传输的光的强度具有器件中出现的光的相位信息。
注意·代表传输的光的强度的函数对于Ф是以2π为周期的。
·如果α＝π/2或α＝0，则sin2α＝0。此时，由于所传输的光的强度于是等于0，有关Ф的信息不能获得。此外，在此情形下，所导致的相位差因光纤的本征轴与起偏器对准而总是等于0，且器件不能通过附加的双折射来旋转光偏振。
实验结果发明原理利用图9所示的装置检测。
进行初步研究，其中，借助珀耳帖(Peltier)加热元件对具有两个内部金属电极的光纤进行外加热。图10示出了如检测器中测量所得的温度和光强的时间变化。
注意，光信号受到珀耳帖导致的温度变化的影响。通过加热光纤，电极被加热，其试图膨胀并向光纤芯部施加压力。这导致了相位差的变化，并且解释了光强的改变。
即使可以认为通过外部加热影响折射率的方式会不具有与通过内部热膨胀电极影响折射率的方式相同的特性，但是此结果表明，光输出信号对温度扰动是高度敏感的。
用于这些初步实验的光源为可见的氦-氖激光(λ＝632nm)，这使得光具座的对齐变得容易。该装置示意性示于图11中。为输入光束设置起偏器，该输入光束以可调方向的线性偏振。借助透镜将该光束耦合到光纤中。光穿过具有纵向电极的光纤，通过第二透镜准直(collimate)在检测器上。在检测器前方，设置第二起偏器，以分析输出波的相位。
恒流源给出对注入光纤的电极内的电流的可调节的控制。
光学和电学的两种信号可同时显示在数字示波器(Tektronix-TDS 784A型)的屏幕上。
当电流流经光纤中的电极时，发现所传输的光的强度的显著变化。
图12示出了采用120mA电流时对于三种不同角度α设置(与图9相比)的结果，该电流流经5cm长的器件的一个电极。当光纤器件未受到任何扰动时，三种输出波的(偏振分量之间的)起始相位差是相同的。但是因为对它们每一个α值是不相同的，所以三个起始光强度不相同。当在t＝0时施加电流时，附加的双折射被引发，因此相位差Ф改变。在理想情况下，三条曲线应当显示出正弦变化，但是由于温度未随时间线性增高，所以诱导的相位差与时间不是线性的。相反，观察到的曲线显示出线性调频正弦变化(chirped sinusoidal variation)。
α值越接近π/4，所传输的光的强度变化越大。因此，由于此角度下的测量是最敏感的，所以优选的是对角度α采取此特定的设置。
t＝0时所观察到的三个负峰既不彼此相等，也不等于0。其原因在于所用的检测器不够快。
如图13所示，表明的是大的相位差可以以低的施加功率来获得。当电流接通时，金属的温度在几分之一秒内升高至100℃，产生压力并在光纤芯部导致附加的双折射。在一秒钟以后，温度变化小且慢，并且直到t＝3.2秒电流断开时，光信号仅略微变化。此时，相反的现象发生了，这使得相位差几乎回到了其初始位置。在以上情形中，导致了相位差使光强度回到并经过其起始值。这表明，通过小于0.3W的电功率，导致了超过2π的相位差。
一个可以提出的显然的问题是，所导致的双折射是源自电极中膨胀的金属施加的压力，还是直接源自温度变化。为了对此进行测试，进行相似的测量，但是现在等到金属熔化。对光信号的影响得以记录，并在图14中示出。联想到固态向液态的相变在没有任何温度变化的情况下发生，于是这样的实验允许研究压力单独的作用。
考虑代表元件中电压变化即与其电阻成正比的电信号。其具有与已经示于图7中的时间变化相同的时间变化在电流接通后迅速到达了第一高度，且在t＝38秒时再突然下降，该突然下降表明金属已经熔化。这两点确定了光信号的变化。如前所述，电流大小导致了相位差的改变。第二点显示了仅压力在引发双折射中产生的影响。当金属熔化时，温度保持恒定。因此，可以解释光信号的突然变化的唯一现象是电极材料熔点下压力的突然变化。如上所述，当合金熔化时，其收缩，于是其受到的压力降至0。这消除了应力诱导的折射率变化。
注意，假设系统是绝热的，且合金的熔化热为56.5J.g-1(纯铋的熔化热与纯锡的熔化热之间的适当比例(proportional ratio))，则计算表明需要用50ms来熔化全部合金。但是由图14可以看到，此转变以前的时间至少在t＝38秒和t＝45秒之间。此长时间的转变揭示了因在环境中(进入光纤中)耗散热导致的能量损耗。
使用偏光计的实验使用商业化的偏光计(Profile PAN 9009型)来进一步测试根据本发明的器件。
用于以下测试的光纤是双孔双芯光纤(见图2b)。非故意地，仅一个孔填充有金属。器件的长度(即沿纵向电极的两个外部接点之间的距离)为约2cm。这样形成的器件的所测电阻为11.6Ω。叠接标准单模光纤(splicedstandard single mode optical fiber)用于将输入光耦合进入该双芯光纤的一个芯部内。所测光纤段的总长度为30cm。
注意，此光纤芯部中心之间的距离约为26μm，且一个芯部的中心与金属表面之间的最短距离为13μm。在此实验中没有观察到芯部之间的光耦合。
使用1550nm光的结果在不同电流值下测试光纤器件。此实验中探测光(probing light)的波长为1550nm。该光由可调外腔型激光二极管(Photonetics-Tunics Purity)提供。输入该光纤器件中的光是高度偏振的。
当电流高达160mA时，所观察到的最大相位差为15°。该30cm长的光纤用作起偏器。这通过测量该光纤段的偏振相关损失(Polarization DependentLoss)(PDL)来检证。PDL被定义为所有可能输入的偏振状态的最大和最小插入损失(insertion loss)之间的差。例如，起偏器具有非常高的PDL，且偏振无关分量的PDL接近0。我们获得测量达40dB的PDL，即104的消光比。一种偏振状态的非常大的衰减可归因于芯部附近孔中金属(电极)的存在。在1550nm下，电磁场不限于芯部，而是有一部分进入到光纤的包层中。于是，在平行于由电极定义的轴的方向(图9中的Oy′)上的偏振的波因金属的存在而被吸收。
结论在此特定情况下，即芯部中心至金属的距离为15μm，波长为1550nm，且金属填充的光纤长度为30cm时，不可能证明对偏振的电控制。
相反，隐失场与内部电极的相互作用在1550nm下对于所有测试电流值产生了优异的光纤起偏器。
使用808nm光的结果为了验证通过使用以上所述的交叉偏振器和氦-氖激光的实验装置获得的结果，采用其波长接近氦-氖激光波长的激光来进行测量。该波长大于所采用的偏光计的短波长截止波长(700nm)。工作在808nm的无偏振光纤耦合激光二极管源是可得到的(Opto Power Corporation-OPC D010 808HBHS)，且最大功率输出的非常小的一部分用于测量(约0.1mW)。在此情形下，如在氦-氖激光的情形中那样，电磁场应当更多地限于光纤芯部，所以在衰减方面非常小地受到电极存在的干扰。
随着流经光纤器件的电流缓慢增大，在庞加莱球上代表偏振状态的点以一种富有意义的方式移动。
图15示出了随着电流增加到150mA，然后降到0，庞加莱球上偏振状态的路径。
由于对于系统应用而言主要的兴趣在于短于50ms的响应时间，所以具有良好时间分辨功能的偏光计用于确定通过该器件提供的偏振控制的实际速度。当采用100mA的电流时，观察到图16所示的结果。
发现了存在快速部分，其以不足20ms的10-90％上升时间将偏振状态改变了180°。发现，在50ms以内，完成了95％的改变，且最后的5％会耗费超过1秒的时间。
结论如通过先前利用氦-氖激光的实验所预期的那样，可以以小的电功率来诱发大的相位变化。此外，这可以通过快的响应时间来实现。
因此，已经表明了光纤中光的偏振电控制的可能性。此控制可以以根据本发明的器件来实现，该器件包括具有内部纵向电极的光纤。该器件基于光弹性效应。这以低的施加功率实现，且可获得快速响应时间。
为了使本发明的器件在1550nm下工作，可以使用短的金属填充的光纤段(而不是此处所用的30cm长的段)。应当指出，这与使用更短的接触器件(此处其仅约2cm长)不混淆，其是指具有电极的光纤的实际长度。替代地，光纤的芯部和电极间的距离可以增大。这两种方案都测试过，且都给出优异的结果。例如，测得波长1530nm和1570nm间全工器件(fullyoperational device)的偏振相关损耗小于0.1dB。
虽然偏振控制以单一的器件作了说明，但是不可能以单一的元件扫描整个偏振空间。为此，可以采用为λ/4、λ/2和λ/4调整而设置的三个控制器(采用与机械偏振控制器相同的原理)。但是，其它组合也是可以的。
本发明的其它实施例将利用具有更大热膨胀值的其它金属合金，以提高器件的效率。
有利地，根据本发明的器件可以用于控制来自激光二极管(LD)的发射光的偏振状态，如图17示意性所示。为了实现对来自激光二极管的偏振的充分控制的一种方法，通常需要三个根据本发明的偏振控制器件(PCD)。第一个维持线性偏振并可以将其调节至所需方向，第二和第三个通过正交轴上的作用将该偏振状态转换成圆的。但是，有诸多其它的方式来实现此控制，以上所述仅是一示例。此示例示意性示于图18。
此外，利用根据本发明的PCD并且还包括起偏器，可以实现一种可变光衰减器，如图19所示。该起偏器可以以接近光纤芯部的导体(图20)的形式实施，或者可以借助光纤中的锥形孔(图21)实施。
具有多个设置在芯部周围的电极的光纤可用于不同方向的偏振的选择性控制。在此情形下，电流流经在光纤不同部分不同的一个或多个选定的电极。这样，可以实现诸如微分器件、偏振倒频器、调制器等的元件。
图22中，示出尤其有吸引力的布置。例如当电流在如图2a所示的光纤中的4个电极中的一个中流动时，电极开始加热并膨胀，导致光纤中双折射的增加。当来自此电流驱动的电极的热抵达光纤中的其它3个电极时，它们也膨胀，且总的双折射强烈地减小，几乎回到无任何电流时测量的值。于是，双折射可以增大和减小而不用等到光纤冷却回到室温。该器件光学地响应电流信号的不同。在所示情形下，光纤包括两个纵向内部电极，该两个电极相对于光纤芯部正交地设置。这意味着，当电极根据本发明热膨胀时，电极将在两个不同且正交的方向上在光纤内导致双折射。如果这两个电极同时被激励，则所得的应力场将通过矢量相加获得。图中，此应力场将具有向下且向左的方向。但是，如果这两个电极在光纤的不同部分中起作用，由于不导致矢量相加，所以效果不同。相反，第一电极(在上游区)的效果将基本被第二电极(在下游)所抵销。具有这种串联加热的布置示意性示于图23中。所示的示例对每个电极包括两个加热部分231(1)a、231(1)b和231(2)a、231(2)b。外部电连接示作每个电极端部处的电短线。注意，电极的加热仅在连在电极上的供电线之间实现，因为电流仅流过电极的此部分。
图22和23中示意性显示的原理可用于获得更快的开关。应当想到，电流接通时器件的上升时间是非常快的，但是当电流断开时下降慢得多。但是，通过使用如图22和23所示的两个串联且正交的电极，第一电极的作用可被第二电极的作用抵销。通过在启动第一电极之后短时间内启动第二电极，获得快速的开关。也就是说，电流开始时的快的上升时间既用于导致双折射又用于消除双折射。通过以伪随机电流信号(pseudo-randomcurrent signal)驱动这样的元件，偏振状态在PCD的上升时间所给定的时间量程即小于毫秒上被倒频(scramble)。
根据本发明的器件还可以用于稳定马赫-曾德尔干涉仪的输出。在此情形下，该器件被包含在一个干涉仪臂(interferometer arm)中，且干涉仪的输出受到监测。于是，向PCD驱动装置的反馈提供了所需的输出(将光强度最大化或最小化)。这示于图24中。
本发明的器件还可以以与图24所示相似的方式用于与马赫-曾德尔干涉仪的接合中，以提供光开关。通过在干涉仪的一个臂内包含根据本发明的光器件，可以诱发相位变化，且输出可以电调节，以在选定的输出端发生。优选地，在此情形下，该器件与一反馈装置一起使用，该反馈装置探测自一个或两个输出端发射的光功率，并控制该器件的驱动装置。这样，所需的功率可自该器件的所需输出端发出。通过在光纤芯部附近布置电极，如图24所示的开关可被制成是偏振的，或者通过将电极布置得充分远离芯部以位于芯部的隐失场之外，该开关可被制成是基本偏振无关的。
本领域技术人员将认识到，在可采用根据本发明的器件和方法的场合有许多其它的应用。在所附权利要求限定的范围内，还可以有各种变化。所述和所示的实施例仅是本发明可如何实施的优选示例。
权利要求
1.一种改变光纤芯部折射率的方法，所述光纤具有沿所述芯部布置在该光纤内的至少一个纵向电极，该方法包括特征步骤使电流流经所述电极以诱发其欧姆加热，所述加热导致该电极的热膨胀，该热膨胀使光纤芯部受应力作用。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该光纤芯部受到非对称应力，使得在该光纤芯部诱发双折射。
3.如权利要求2所述的方法，其中，使电流选择性流过多个纵向电极中的一个或多个。
4.如权利要求3所述的方法，其中，首先将电流接通而流过第一电极，然后接通流过第二电极，所述第一和第二电极在该光纤芯部周围正交布置，使得第一电极的启动转变偏振状态，且随后第二电极的启动重置该偏振状态。
5.如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，电流流经光纤中的电极的有限长度，从而热膨胀仅在所述的有限长度上实现。
6.如权利要求3所述的方法，其中，在光纤的不同长度和不同方向上诱导出该芯部中的应力。
7.一种光器件，包括具有芯部和包层的光纤；形成在该光纤内的至少一个纵向电极；以及用于驱动经过所述至少一个纵向电极的电流的驱动装置，其中，所述电极和所述驱动装置适合通过借助该电极的热膨胀产生热诱导应力而在该光纤的芯部内诱发折射率变化，所述热膨胀通过来自流经该电极的电流的欧姆加热诱导。
8.如权利要求7所述的器件，其中，该电极或每个电极设置在该光纤的包层中邻近该芯部。
9.如权利要求7所述的器件，其中，该纵向电极或每个纵向电极设置在该光纤中的纵向孔内，使得所述孔在径向上完全被电极材料所填充。
10.如权利要求7至9中的任意一项所述的器件，其中，该电极或每个电极包括Sn-Bi合金。
11.如权利要求7至10中的任意一项所述的器件，其中，该电极和该驱动装置适合在该光纤的该芯部内诱发非对称应力场，从而在该芯部中诱发双折射。
12.如权利要求7至11中的任意一项所述的器件，包括设置在该光纤的该芯部周围的多条纵向电极，使得电流可选择性地沿所述多个电极中的一个或多个通过，以控制该芯部内诱发的该应力。
13.如权利要求12所述的器件，其中，外部电线连接至该电极或每个电极以供给电流，所述电线限定了电极的被加热的长度。
14.如权利要求7至13中的任意一项所述的器件，其中，该光纤包括使部分光纤漏光的散射中心，使得其中传播的一些光可耦合出并被分析。
15.如权利要求14所述的器件，其中，该散射中心包括光纤几何形状的局部失常。
16.如权利要求14所述的器件，其中，该散射中心包括该光纤的弯曲。
17.如权利要求7至16中的任意一项所述的器件，还包括该光纤内的固定起偏器，籍此，通过控制流经该电极的电流可获得可变的光衰减。
18.如权利要求7至17中的任意一项所述的器件的应用，其用于激光二极管的光发射的偏振控制，其中，来自该激光二极管的该光经过该器件，且所述器件受到控制，以获得所需的偏振。
19.如权利要求7至17中的任意一项所述的器件的应用，其用于光纤中传播的光信号的可变的光衰减，其中，该光还被引导经过一起偏器。
20.如权利要求7至17中的任意一项所述的器件的应用，其用于稳定马赫-曾德尔干涉仪的输出，其中，该器件布置在该干涉仪的一个臂内，且向该器件提供反馈。
21.如权利要求7至17中的任意一项所述的器件的应用，该器件包含在马赫-曾德尔干涉仪的一个臂内以用于提供一光开关，在该光开关中，输出可以得以控制以自选定的输出端发生。
全文摘要
本发明涉及控制光纤芯部折射率的方法和器件。根据本发明，光纤设置有沿光纤芯部延伸的纵向电极。电流流经该电极以导致欧姆加热，引发热膨胀，并随后引发对光纤芯部的压缩力。对芯部的该压缩在压缩力的方向上导致折射率的变化，因此引起或改变芯部中的双折射。
文档编号C03C17/00GK1549940SQ02817040
公开日2004年11月24日 申请日期2002年7月2日 优先权日2001年7月2日
发明者迈克尔·福金, 拉斯-埃里克·尼尔森, 阿萨·克莱森, 沃尔特·马古利斯, 利夫·谢尔伯格, 哈尼亚·阿萨莱恩, 佩德罗·托里斯, ＠锟恕つ岫 , 托里斯, 阿萨莱恩, 马古利斯, 克莱森, 谢尔伯格, 迈克尔 福金 申请人:阿克里奥公司