光学器件的制作方法

专利名称：光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学器件。
业已提出了声光器件以便用作光频移相器。可调滤波器、光开关以及光调制器。这些器件利用了穿过传输介质的光与该传输介质内所形成的声振动之间的相互作用。
公知声光器件的一个实例是布拉格元件，它包括一透光元件，其中，安装在该透光元件一面上的传感器会形成(呈行进波形式的)声振动。
上述声振动会使透光元件材料的折射率产生周期性的变化，因为，所说的材料不断地受到挤压和净化。这种周期性的变化在透光元件内起行波衍射光栅的作用。在操作过程中，行波光栅会衍射按所谓布拉格角(它是光波长和衍射光栅周期的已知函数)入射到透光元件上的光线。这就会改变光的传播方向。此外，由于光栅会(随行进声波振动而)穿过透光元件，所以，衍射光会产生多普勒漂移，因此，光的频率会按等于声振动频率的一定的量发生变化。当消除了声振动时，光线就不会被衍射，从而会以基本上无变化的形式从透光元件中射出。
通过这种方式，布拉格元件可以改变入射光的频率，从而改变入射光传播的方向(因而能起开关的作用)或者对入射光进行频率或振幅调制。但是，这种布拉格元件具有明显的缺陷即它是一种昂贵且复杂笨重的光学器件。在光纤系统中很难使用布拉格元件，这是因为，必须将光纤的末端以机械的方式“连接”于所说的透光元件。这就会导致有5至6dB(分贝)的输入衰减，这可能是例如通信距离和速度取决于通信接收器处所具有的光强度的光纤通信系统中的主要问题。布拉格元件的另一个缺陷是需要有较高的电能(例如约为1W)来驱动声波传感器。这是因为，尽管光与声振动之间的实际重叠(相互作用的体积)只占透光元件的很小比例，但必须用声振动来驱动透光元件的大部分。
作为上述布拉格元件的替代形式，业已提出了沿具有两种光传输模式的光纤来传导光并使光纤中挠性声振动将光从上述光纤模式中的一种感应耦合于另一种。上述两种模式可以是双模式光纤的两种不同的空间模式(例如称之为LP11和LP01的模式)即双折光光纤的两种正交偏振模式或双芯光纤的所谓超级模式。
上述光纤声光器件使用这两种模式沿光纤按不同的速度进行传导，从而沿光纤的长度在两种模式之间形成空间上的差拍。当“差拍长度”与作用于光纤的挠性振动的波长相一致时，就会以谐振的方式将光从上述模式中的一种耦合进另一种模式，并且，还会如上所述那样产生频率漂移。然后利用模式过滤析出预定(频率漂移后)的模式。
这种类型的光纤声光器件通常比布拉格元件更适用于全光纤系统。但是，可以使用的最大声频要受光纤尺寸的限制，一般限于约10MHz(兆赫兹)。光线通常被限定在光纤芯内，声波必须使整个的光纤振动。这就意味着尽管电能需要量要低于驱动布拉格元件所需的电量，但仍然还是比较高的(约为100mW(毫瓦))。这就需要在声光器件内将通常的单模式光纤(一般用于通信系统)连接于专门的(在这种情况下为双模式)光纤，从而导致了输入衰减。给定光波长的工作声频取决于光纤的特性并且在没有生产出新型光纤的情况下是不能改变的。最后，如果未提供声能，则上述器件不会给出光输出。
本发明提供了一种光学器件，该器件包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一条第二光纤，因此，光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及，因上述耦合区的至少一部分在空间上的周期性变化而在所说的传输模式之间进行能量传递的装置。
本发明通过提供一种全光纤的光学器件而涉及到上述问题，在所说的光学器件中，空间上的周期性变化(例如诸如挠性或扭曲振动之类的机械振动或者由电场引起的瞬时非周期性的弯曲或波纹)会明显地与穿过该器件的光线相重叠。所说的器件由标准光纤构成，而不需要使用专门的(例如双模式)光纤。这就意味着该器件很容易与其它光纤相连并且电能需要量要显著地低于先前提出的器件。
专业人员会注意到，术语“定向耦合器”是公知的并且包括多种光耦合器，在这些光耦合器中，输入光线按不同的比例射向或可以射向多个可能的输出端口。以下的多个实例均为2×2的耦合件，但是，应该注意，本发明也适用于具有较大数量或不同数量端口的耦合器。
在一个优选实施例中，上述能量传递装置包括用于使耦合区的至少一部分产生声振动的装置。可以按多种方式使用本发明实施例的声光器件。例如，如果使用由相同光纤制成的标准2×2定向耦合器，则所说的声振动会在两个输出端口之间产生两倍于该声频的振荡输出。由于在耦合区内会产生两种传输模式，所以会产生这种最佳的调制效果，所说的声振动会导致上述模式之间的快速能量传递，并且，对上述两种模式中的光线来说，有互补的频率漂移(向上和向下)。然后，在这些频率漂移后的输出之间会出现瞬间差拍。另外，如以下所述，可以使用所谓的“空耦合器”以提供一个未漂移的光线从其中输出的输出端口以及另一个漂移后的频率从其中输出的输出端口。
上述设计可作多种用途，因为，在制造锥形耦合件时可以确定耦合区的特性。由于可以很容易地将耦合区的直径做成约1μm(微米)那么小，所以，上述器件可在高达数百兆赫的声频下工作。可在较高的工作声频下驱动具有较小直径耦合区的器件。
尽管声振动的其它形式也能导致传输模式之间的能量传递，但声振动最好包括耦合区的挠性振动。
最佳的是，在没有声振动时，将不到一半的沿光纤之一传导的光线耦合进其它的光纤。
可以使用这样的耦合器，其中，例如在将两条光纤彼此连接以形成耦合区之前于靠近光纤芯的位置处研磨和刻蚀这两条光纤，但是，耦合器最好是熔接式光纤耦合器。
具体地说，所说的熔接式光纤耦合器最好是锥形的熔合式空耦合器，从而，在没有所说的挠性振动时，基本上不会有沿光纤之一传导的光线耦合进其它的光纤。空耦合器通常由不同的光纤构成并且在工作波长和耦合区长度的范围内有基本上为零的传导率，同时，耦合率和上述参数不会有通常的周期性变化。事实上，在制造过程中，这一情况表明业已制造出了空耦合器，在输出端口处监测提供给输入端口的检测光，尽管两条光纤在比其中任何一条都窄的耦合区内熔接到了一起，但如果检测到的耦合率基本上为零并且该耦合率基本上独立于耦合区长度的增量，那么，就已经制成了一个空耦合器。
在这种情况下有声振动时，至少有某些射向一条光纤的光线可耦合进与其它光纤相对应的传输模式。通过这种方式，频率漂移和未漂移的光线会从不同的输出端口离开所说的器件。所以，不需要模式变换器或滤波器去分离漂移或未漂移的波，可以使其余未漂移的光线从其射入的光纤中射出。
所述耦合区最好具有比第一和第二光纤窄的截面。通过这种方式，可由光纤的包覆空气的接口而不是由光纤芯包覆的接口来引导光线。
制造空耦合器的极为方便的方法是使用具有不同截面面积的光纤。因此，这些光纤应是不相同的光纤，但是，也可以对一条、两条或所有原本相同的光纤进行预处理(例如事先加工成锥形或拉长、刻蚀或研磨)，预处理会改变耦合区的光学特性。
最佳的是，(如在空耦合器中那样)按下述方式设置前述耦合器即从第一和第二光纤之一射进耦合区的光线会在该耦合区内产生相应的传输模式，该模式与所说的光纤有关。便于将所述器件用作开关的另一个最佳特征是按各传输模式在耦合区内传导的光线主要从耦合器与传输模式有关的相应输出端口中射出。
为了避免沿光纤有不必要的声反射，最好将一个或多个消声固定块在远离耦合区的相应位置处安装于光纤。
同样，光纤中的至少一条的至少一部分最好带有消声层。
为了能与当前多种通信(或其它)系统相兼容，上述光纤中的至少一种最好是单模式光纤。
上述产生振动的装置最好包括一振动传感器，它可响应作用于自身的电子振荡信号而振动。例如可以用与一磁性或金属部件或涂层相互感应的磁性传感器来产生振动，而所说的磁性或金属部件或涂层则与光纤相连，但是，所说的振动传感器最好是压电传感器。
上述传感器所产生的振动最好在远离耦合区的连接区处作用于第一光纤和第二光纤。
为了能够有效地使用比光纤大的传感器，上述用于产生振动的装置最好包括一锥形传输件，它将所述传感器与连接区连接起来。
耦合区最好沿其至少一部分长度有基本上均匀的截面。但是，在其它实施例中，可有意识地改变耦合区的截面(例如以固定的方式减小该截面)，以便增加或“降低”上述声光设备的频率灵敏度。
在另一个优选实施例中，至少一部分耦合区在空间上而不是瞬间的周期性变化会影响光线按耦合区模式的传输。尽管在机械上可能会产生所说的变化，但是，在前述器件的优选实施例中，耦合区的至少一部分上充有永久的电荷，并且，所述能量传递装置包括用于产生在空间上周期性变化的电场的装置，该电场与上述永久电荷相互感应以使至少一部耦合区产生空间上的周期性变化。(另外，基本上均匀的电场也当然会影响耦合区上的在空间上周期性变化的永久电荷)。
这种静电器件不会使输入光线产生频率漂移，但可在光转换或调制设备中使用。尽管使用了术语“静电”，但是，应该认识到，该术语仅指用于使耦合区变形的感应方法，专业人员会注意到，如果将所述器件用作例如一调制器，前述电场会快速地开启和关闭。
上述用于产生电场的装置最好包括至少一对可与电源相连的叉指式电极。
上述用于产生电场的装置还最好包括一接地平面，该接地平面和所述一对叉指式电极设置在耦合区的相反的侧面上。另外，可以在耦合区的另一侧使用另外的叉指式电极(或者根本不使用电极)。
在本发明的又一个实施例中，可以利用诸如通过激光的热处理使空间上的周期性变化永久性地作用于耦合区。
所说的耦合器最好是2×2耦合器。
本发明的器件特别适于用作光频移相器、可调滤光器、光开关以及光调制器。
本发明提供了一种声光器件，该器件包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于第二光纤，因此，光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及，用于使至少一部分耦合区产生声振动以便在前述传输模式之间进行能量传递的装置。
本发明还提供了制造声光器件的方法，该方法包括下列步骤制造出一种光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于第二光纤，因此，光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及，提供用于使至少一部分耦合区产生声振动以便在前述传输模式之间进行能量传递的装置。
本发明还提供了以声光方式使光线产生频率漂移的方法，该方法包括下列步骤使光线射进光纤定向耦合器，该耦合器带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于第二光纤，因此，光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及，使至少一部分耦合区产生声振动以便在前述传输模式之间进行能量传递。
本发明亦提供了制造光学器件的方法，该方法包括下列步骤制造一种光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于第二光纤，因此，光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及，使至少一部分耦合区产生空间上的周期性变化以便在前述传输模式之间进行能量传递。
本发明还提供了一种光转换的方法，该方法包括下列步骤使光线射进光纤定向耦合器，该耦合器带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于第二光纤，因此，光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导，按每种模式传导的光线会至少主要地从前述耦合器的相应输出端口中射出；以及，使至少一部分耦合区产生空间上的周期性变化以便在前述传输模式之间进行能量传递。
本发明还提供了一种光开关，该开关包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于第二光纤，因此，光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导，按每种模式传导的光线会至少主要地从前述耦合器的相应输出端口中射出；以及，用于使至少一部分耦合区产生空间上周期性变化以便在前述传输模式之间进行能量传递的装置。
本发明还提供了一种光学器件，该器件包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤在耦合区处耦合于第二光纤；以及，用于使至少一部分耦合区产生空间上周期性变化的装置。
应该注意，本申请书中参照前述器件本身所述的本发明最佳特征同样适用于本发明的其它方面或实施例，反之亦然。与此相似，参照一个实施例(例如上述声光实施例)所述的耦合器的最佳形式同样适用于其它的实施例(例如上述静电实施例)。
以下参照附图仅以举例的方式说明本发明的实施例，在整个附图中，相同的部件用相同的标号表示，附图中


图1是一声光器件的概略图；图2a和图2b是说明所谓“空”光纤耦合器操作的概略图；图3a和图3b是说明图1中声光器件操作的概略图；图4是显示一原型声光器件的光输出与射频(RF)信号发生器电压之间关系的曲线图；图5是说明在测试上述原型声光器件过程中所检测到的差拍信号频谱的曲线图；图6和图7说明了在有非偏振白光射进上述原型声光器件时该器件的输出频谱；图8是一光学器件第二实施例的概略平面图；以及图9是图8中实施例的概略侧剖图。
参照图1，声光器件包括一光纤定向耦合器，在该耦合器中，两条光纤10、20在耦合区30处相耦合。上述耦合器是所谓的熔接式锥形空耦合器，以下将参照附图2a和2b对该耦合器予以说明。
一盘形压电陶瓷传感器40(也称为“PZT”部件)受射频(RF)信号发生器50的驱动从而振动。一铝制锥形聚集幅射件60将传感器40的振动传给光纤10、20，所述幅射件60用环氧树脂粘在传感器40上并通过一小的由经紫外线处理过的粘合剂构成的连接件(未示出)在远离耦合区30的位置处与光纤10、20相连。由幅射件60所聚集的传感器40的振动会使光纤10、20产生挠性振动，特别是使耦合区30产生挠性振动。固定块70能基本上吸收掉所说的振动，因此能阻止该振动沿光纤10、20作不必要的反射。也可在远离耦合区30的位置处将消声缓冲层涂敷于光纤10、20。
图2a和图2b说明了一锥形空耦合器的操作。
通过在小火焰中一起加热并拉伸两条平行的光纤而制成熔接式锥形耦合器或光束分裂器。一般地说，进入一条光纤中耦合器内的某些光线交互耦合于另一条光纤(耦合波)，而其余的光线则留在头一条光纤内(通过波)。
如果所述耦合器由一对相同的单模式光纤构成，那么，正交耦合率(光从一条光纤传导至其它光纤的数量)可从基本上为0％至基本上为100％的最大值。就诸如有不同截面面积的不同光纤而言(或者如果在制成耦合器之前例如通过预先制成锥形或拉长、刻蚀或研磨等对两条原本相同的光纤中的一条或两条进行预处理)，就能有意识地将最大正交耦合率做成小于100％。理想的空耦合器是这样一种耦合器，在这种耦合器中，光纤是不相同的，因而，最大正交耦合率在波长的范围内基本上为零，也就是说，无源耦合器根本不起光束分离器的作用。
换句话说，空耦合器通常由不相同的光纤构成并在工作波长和耦合区长度的范围内具有基本为零的传导系数，同时，耦合率和上述参数没有通常的周期性变化。事实上，在制造过程中，这一情况表明业已制造出了空耦合器，在输出端口处监测提供给输入端口的检测光，尽管两条光纤在比其中任何一条都窄的耦合区内熔接到了一起，但如果检测到的耦合率基本上为零并且该耦合率基本上独立于耦合区长度的增量，那么，就已经制成了一个空耦合器。
在把光纤用于制造耦合器之前，对该光纤的预处理不一定改变此光纤的光学性质。但是，在制成了耦合器以后，这种预处理会改变耦合区的最终光学性质。
为了说明空耦合器的操作，图2a和图2b说明了空耦合器的一个实例，其中，两条光纤110、120在狭窄的耦合区(耦合器的收敛部分)130处耦合在一起。制造耦合器过程中的拉伸操作是指耦合区的直径远小于远离该耦合区的光纤直径。
耦合区130支持至少两种在图2a和2b中由耦合区内不同的示意场分布所示的光传输模式。由于耦合区的直径很小，所以，上述模式实际上由覆层/空气接口所限定，而不是由光纤芯所限定。在空耦合器中，光纤110内的光线以绝热的方式逐渐形成耦合器收敛部分130的基模式(图2a)从而在该耦合器的另一端处返回至光纤110。与此相似，另一条光纤120内的光线会逐渐形成上述收敛部分的第二种模式(图2b)并从光纤120中射出。
在上述优选实施例中，锥形单模式光纤耦合器的狭窄收敛部分内会有声光的交互作用。所述锥形收敛部分起一多模式波导器的作用，从而支持至少两种占据了光纤的传输模式。
图3a和图3b是说明在图2a和图2b中所示的耦合器的耦合区130内将光线从一种模式耦合于另一种模式的概略图。
如图3a所示，在没有起作用的挠性声振动的情况下，射进光纤之一(例如光纤110)的光线会以基本上无变化的方式从同一光纤110中射出。换句话说，图3a所示的操作等同于图2a所示的操作。
尽管在上述两条光纤内没有光波之间的相互耦合，但是，它们在耦合器的收敛部分处会高度穿插和重叠。如果上述基模式和第二模式的差拍长度与声波波长一致，那么，行进的挠性声波会引起耦合器收敛部分的这两个模式之间的谐振正耦合，并且会产生频率漂移。
上述两个模式按不同的速度沿耦合区传导，从而沿着耦合区的长度在这两个模式之间形成空间上的差拍。当“差拍长度”与作用于耦合区的挠性振动的波长相一致时，光线就会从所说模式中的一种以谐振的方式耦合进另一种模式，同时还会产生频率漂移。
换句话说，如果有挠性声振动，那么，按基波型进入耦合区的光线就会耦合于第二模式(反之亦然)，并且会产生频率漂移。图3b概略地说明这一过程。
在声波与光波之间存在着基本上完全的重叠，所以，只需要非常低的声强。这一点与以上所述先前提出的光纤声光器件相反。
上述结构是通用的，因为，在制造锥形耦合件时可以确定耦合区130的特征。由于可以将所述收敛部分的直径做成约1μm(微米)那么小，所以，上述器件可在高达数百兆赫的声频下工作。
上述两种传输模式的光线会经由不同的光纤射出，这意味着漂移波和未漂移波会离开不同的端口。所以，不需要有模式转换器或滤波器去分离漂移和未漂移的光波，其余的未漂移的光线会从该光线所进入的光纤中射出。
图4至图7说明了对上述形式的原型声光器件进行测试的结果。
上述原型声光器件在波长(λ)633nm(毫微米)下使用，它使用了一对不同的石英光纤，这对光纤直径分别为60μm和80μm、截止波长分别为500nm和650nm、数值孔径分别为0.26和0.21。上述光纤中的第二条光纤在波长633nm下不是单模式的，因此，为达到测试的目的，仅使上述原型器件的光线射进前述第一条光纤。但是，也可以制造这样的系统，在这种系统中，两条光纤在所关心的波长下都是单模式的。
以并列的方式将上述光纤合并在一起，然后在移动的氧化丁烷火焰上对这些光纤加热和拉伸。最终形成的耦合区的收敛部分具有均匀的截面，长约25mm(毫米)、直径约6μm(微米)，并带有短的锥形过渡区，每个过渡区约25mm长。依照通常的耦合器制造技术，在耦合器的拉伸过程中，通过改变光焰的移动距离，可以控制上述尺寸。论文“The Sbape of Fiber Tapers”(Journal of Lightwave Technology，Vol10，No4，1992年4月，432页至438页)说明了用上述技术来制造光纤，特别是说明了对耦合区尺寸的控制。
所述收敛部分的截面基本上是圆形的，这就能在两种光模式之间形成良好的重叠并具有重现性，从而与单个的锥形纤维的收敛部分相似(具有相同的谐振方程)。
上述收敛部分的截面沿耦合区的长度基本上是均匀的。但是，也可以使用不均匀的收敛部分。例如，可以有意识地改变(例如稳定地减小)耦合区的截面，以便增加或“降低”前述声光器件的频率灵敏度。
上述原型器件的极限衰减约为0.1dB，最大正交互耦合比为1∶400。
如上所述，利用带有聚集器辐射件的PZT盘可使耦合器收敛部分内出现挠性声波，而所说的PZT盘则由放大后的RF信号所驱动。所述辐射件在耦合器的一端处按下列方式与成对的非锥形光纤相连上述声波平面在耦合器内与前述两条光纤所共有的平面相重合。这种结构具有这样的优点即在声波进入锥形收敛部分时，声强会被集中。
来自偏振HeNe(氦氖)激光的波长为633nm的光线经由通常的光线偏振控制器射进耦合器的一条输入光纤。可监控从上述两条输出光纤射出的光强，同时，通过改变RF驱动器的频率而形成谐振。就所述的原型器件而言，形成用于1.851MHz声频的声光谐振。
图4是显示光输出与RF信号发生器电压之间关系的曲线图(在用所述电压驱动传感器40之前，按为500的电压增益系数放大所说的电压)。在图4中，曲线400(实心圆)表示“通过的”光输出(在与将光线传给所述设备的光纤相同的光纤内从上述设备中射出的光线)，曲线410(实心方块)表示“耦合的”光输出(从一条光纤通过所述器件耦合于另一条光纤的光线)。曲线400、410均涉及到一种输入偏振状态，曲线420(空心圆)和430(空心方块)分别表示用于正交状态的相应输出。
通过适当的偏振控制，上述原型器件可获得超过99％的与第二光纤的声光耦合。尽管上述原型器件中所使用的光纤之一不是单模式的，但是，业已发现，可按基波型传导耦合光。最大耦合所需的RF强度低达1mW，这比前述频率漂移器所需的RF强度低很多。所需声强在理论上的下限为170nW。
通过将所述原型器件(取第二光纤的输出)插入Mach-Zehnder干涉仪的一个支臂而测量该器件所提供的频率漂移。用一布拉格元件使另一支臂内的光线向上漂移(频率漂移)80MHz。可用RF频谱分析仪来检测和监控差拍信号。
图5说明了在上述器件输出的光线与布拉格元件中向上漂移80MHz的光线之间所检测到的差拍信号的频谱。在82MHz附近可见到主差拍分量，它对应于一定的频率向下漂移量，此漂移量等于前述声频。在最低噪音的上方还可按载频(80MHz)和镜频边带(78MHz附近)看到差拍分量。这些差拍分量约为30dB，在强度上低于所说的主分量。尽管整个的光量下降，但是，在从用来进行最大转换的值开始去减小驱动电压时，几乎不会改变所述输出的纯度。正如所预料的那样，来自第一光纤的输出不会产生漂移。
为了测定上述器件作为滤光器的性能，使非偏振的白光射入输入光纤，并将输出提供给一光谱分析仪。图6(通过光)和图7(耦合光)说明了就1.860MHz而言所获得的规范化的功率频谱。
正如需要节能所要求的那样，图6和图7所示的频谱是互补的，所说的器件在通过路径中起缺陷滤波器的作用，在耦合路径中起带通滤波器的作用。所述频谱的三个峰值结构据信是由第二模式的偏振性质引起的。每个峰值的10nm的宽度大于3.5nm的预定宽度。耦合器收敛部分直径0.02μm的纵向不均匀度足以引起这种现象。
换句话说，图6和图7说明了前述声光器件起可调滤波器作用的方式。图6和图7中波峰和波谷(凹陷部分)的中心取决于起作用的声频。因此，可调滤波器包括一声光器件，其传感器由一变频RF信号发生器所驱动。
可直接将所述声光器件用作频率漂移器，因为，在前述实施例中，频率漂移后的光线会从一专用的输出端口中射出。如果接通和断开所说的声振动，来自所述器件的相应漂移和未漂移的输出会有强度上的相应变化(即该器件起一光开关的作用)。如果对声振动进行调制，则也会对器件的输出进行调制，因此，所述器件会起一光调制器的作用。
利用本发明的实施例，通过使用一较为狭窄的耦合器收敛部分，可以产生高达数百MHz的频率漂移。通过适当地选择一对光纤，可精确地进行通信波长范围内的操作。例如通过在制造耦合器之前对一对相同的光纤中的一条或两条进行预处理(如前所述)，以便用该对明显不同的光纤形成一空耦合器，可以制成带有四个相同单模式端口的器件。也可用多条光纤而不是仅仅一对光纤来形成一多端口的熔接式锥形耦合器，并且，上述多条光纤可用于声光器件的另一个实施例。
在本发明的实施例中不一定要使用空耦合器。例如，如果使用由相同光纤构成的标准2×2定向耦合器，所说的声振动能使前述两个输出端口之间产生两倍于该声频的振荡输出。由于在耦合区内会产生两种传输模式。所以会出现上述调制效果；上述声振动会导致所说模式之间的快速能量传递，对上述两种模式中的光线来说，会有互补的频率漂移(向上和向下)。然后，在这些频率漂移后的输出之间会出现瞬间差拍。
上述实施例使用了一声传感器以使得耦合区有空间上且为瞬间的周期性变动。但是，也可以通过仅使耦合区产生空间上的周期性变动而获得该耦合区内传输模式之间能量传递。
图8是一种用于在不使用瞬间周期性行进声波或静止声波的情况下使耦合区产生空间上周期性变动的技术的概略图。
在图8中，上述耦合器的耦合区30定位于一对叉指式电极500、510的一侧，而所说的电极则与一可换向的dc(直流)电源的相反极性的端子相连。在耦合区的另一侧(也就是说，就图8所示的器件而言在耦合区的下方)有一接地平面或者一对与电极500、510相似的互补的叉指式电极。图9以侧剖图的形式概略地显示了电极500、510、光纤耦合器的耦合区30以及另一对电极或接地平面520的相对位置。
对耦合区30进行处理以使基本上永久的电荷或“驻极体”电荷作用于所说的光纤。这种永久性电荷可以有任何一种极性。参考文献“Optical Fibre eletretsobservation of electro-acoustic fransduction”说明了如何使永久电荷作用于光纤，该文献载于Electronics Letter 30，P1436，1994。
只要电极500、520及另外的电极或接地平面520与dc电源相连，它们就会沿耦合区30的长度产生在空间上周期性但为瞬间的静电场。此电场根据沿光纤每个点上的电场的极性吸引或者排斥部分光纤，因此，光纤会沿其长度周期性地变形或起波纹。
电极500、510上配置有约为2mm的间隔530，间隔530位于每个电极的相邻叉指元件之间。这就能使耦合区按基本上等于该电极间隔的周期产生周期性的横向变形。仅通过对电极500、510加电就可开始和停止上述变化。
在有上述周期性变化时，输入光会从一种传输模式耦合进另一种模式，因此，耦合器会起一电控光开关的作用，从而在电极电压的控制下使光线射向任何一个输出端口。
用于图8和图9器件的参数集的一个实例如下耦合区的长度(耦合器收敛部分或相互耦合长度)50mm所使用的光波长 633nm耦合区直径(假定是基本均匀的) 20μm作用于电极500、510的电压 110伏耦合区上的全部永久电荷 8.3×10-11库仑上述数值假定前述器件在真空中工作，并且电极500、510尽可能地靠近光纤耦合区。
在另一个实施例中，可以用例如激光进行热处理而使耦合区永久变形。所说的热处理是指沿耦合区使激光照射到规则间隔部位，从而有效地使部分耦合区弯曲，以便使耦合区产生空间上的周期性变化。上述结构可提供这样一种耦合器(即滤波器或倍减器)，这种耦合器具有进入各个输出端口的取决于频率的输出，但是，与前述声学和静电器件相比，所说的输出不会有瞬间的改变。
总之，本发明的实施例可提供低功率频率移相器的简单且通用的结构，可以很容易将该频率移相器做成带有四个单模式光纤端口。
权利要求
1.一种光学器件，该器件包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一条第二光纤，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及因上述耦合区的至少一部分在空间上的周期性变化而在所说的传输模式之间进行能量传递的装置。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所说的能量传递装置包括用于使前述耦合区的至少一部分产生声振动的装置。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所说的声振动包括前述耦合区的挠性振动。
4.如权利要求2或3所述的器件，其中，该器件包括一个或多个消声固定块，它们在远离前述耦合区的位置处安装于光纤。
5.如权利要求2至4任何一个所述的器件，其中，所述光纤的至少一个的至少一部分具有消声层。
6.如权利要求2至5任何一个所述的器件，其中，所述用于产生声振动的装置包括一振动传感器，它可响应作用于自身的电子振荡信号而振动。
7.如权利要求6所述的器件，其中，所述振动传感器是一压电传感器。
8.如权利要求6或7所述的器件，其中，上述振动传感器所产生的振动在远离前述耦合区的连接区处作用于第一光纤和第二光纤。
9.如权利要求6至8任何一个所述的器件，其中，所述用于产生声振动的装置包括一锥形传输件，它将所述传感器与连接区连接起来。
10.如权利要求1所述的器件，其中所述耦合区的至少一部分上充有永久的电荷；以及所述能量传递装置包括用于产生在空间上周期性变化的电场的装置，该电场与上述永久电荷相互感应以使耦合区的至少一部分产生空间上的周期性变化。
11.如权利要求10所述的器件，其中，所述用于产生电场的装置包括至少一对可与电源相连的叉指式电极。
12.如权利要求11所述的器件，其中，所述用于产生电场的装置包括一接地平面，该接地平面和所述一对叉指式电极设置在耦合区的相反的侧面上。
13.如前述任何一个权利要求所述的器件，其中，所述耦合器是一熔接式光纤耦合器。
14.如权利要求13所述的器件，其中，在没有前述空间上的周期性变化的情况下，不到一半的沿前述光纤之一传导的光线会耦合进另一条光纤。
15.如权利要求14所述的器件，其中，所述熔接式光纤耦合器是一熔接式锥形空耦合器，从而，在没有前述空间上的周期性变化的情况下，基本上没有沿前述光纤之一传导的光线耦合进另一条光纤。
16.如权利要求15所述的器件，其中，所述第一和第二光纤具有不同的截面面积。
17.如权利要求15或16所述的器件，其中，在制成耦合器之间对上述第一和第二光纤中的至少一条的至少一部分进行预处理，这种预处理会改变所述耦合区的光学特性。
18.如前述任何一个权利要求所述的器件，其中，从前述第一和第二光纤之一射进所述耦合区的光线会在该耦合区内产生相应的传输模式，该模式与所说的光纤有关。
19.如前述任何一个权利要求所述的器件，其中，按各传输模式在耦合区内传导的光线主要从耦合器与传输模式有关的相应输出端口中射出。
20.如前述任何一个权利要求所述的器件，其中，所述光纤中的至少一条是单模式光纤。
21.如前述任何一个权利要求所述的器件，其中，所述耦合区具有基本上均匀的截面直径。
22.如前述任何一个权利要求所述的器件，其中，所述耦合区具有比上述第一或第二光纤窄的截面。
23.如前述任何一个权利要求所述的器件，其中，所述耦合器是一2×2耦合器。
24.一声光器件，该器件包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一第二光纤，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及用于使至少一部分耦合区产生声振动以便在上述传输模式之间进行能量传递的装置。
25.一种光频漂移器，包括如前述任何一个权利要求所述的器件。
26.一种可调滤波器，包括如权利要求1至24所述的器件。
27.一种光开关，包括如权利要求1至24所述的器件。
28.一种光调制器，包括如权利要求1至24所述的器件。
29.一种制造声光器件的方法，该方法包括下列步骤制造一种光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一条第二光纤，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及提供用于使至少一部分耦合区产生声振动以便在上述传输模式之间进行能量传递的装置。
30.一种制造声光器件的方法，该方法包括下列步骤制造一种光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一条第二光纤，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及使至少一部分耦合区产生空间上的周期性变化以便在上述传输模式之间进行能量传递。
31.一种以声光方式使光线产生频率漂移的方法，该方法包括下列步骤使光线射进光纤定向耦合器，该耦合器带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一条第二光纤，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及使至少一部分耦合区产生声振动以便在上述传输模式之间进行能量传递。
32.一种进行光转换的方法，该方法包括下列步骤使光线射进光纤定向耦合器，该耦合器带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一条第二光纤，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导，按每种模式传导的光线会至少主要地从前述耦合器的相应输出端口中射出；以及使至少一部分耦合区产生空间上的周期性变化以便在上述传输模式之间进行能量传递。
33.一种光开关，该开关包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条第一光纤，此光纤以光学的方式在耦合区处耦合于一条第二光纤，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导，按每种模式传导的光线会至少主要地从前述耦合器的相应输出端口中射出；以及用于使至少一部分耦合区产生空间上的周期性变化以便在上述传输模式之间进行能量传递的装置。
全文摘要
一种光学器件，该器件包括一光纤定向耦合器，它带有至少一条光纤(10)，此光纤以光学的方式在耦合区(30)处耦合于一条第二光纤(20)，以便光线可按至少两种可能的电磁传输模式在上述耦合区内传导；以及，通过至少一部分耦合区在空间上的周期性变化(例如挠性声振动或由一对叉指式电极产生的电场)而在前述模式之间传递能量的装置(40、50、60)。
文档编号G02F1/01GK1145669SQ9519249
公开日1997年3月19日 申请日期1995年2月17日 优先权日1994年2月18日
发明者P·S·J·拉塞尔, T·A·伯克斯, C·N·彭奈尔 申请人:南安普敦大学