專利名稱：單向光功率監(jiān)視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種在光通信領(lǐng)域中使用的光功率監(jiān)視器。
背景技術(shù)：
信息通信技術(shù)(ICT)的技術(shù)革新最近已經(jīng)有了顯著的進(jìn)步和發(fā)展，并且為了適應(yīng)隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及而產(chǎn)生的高通信速度需求和增加的信息量，正在從電信號通信向著光信號通信轉(zhuǎn)移。從各種中繼點收集大量信息的很多中繼電纜正被光纜取代，因而具有顯著提高的處理速度。今后將會重新評價光纜和用戶終端之間的通信，因而對更加便宜和舒適的信息通信技術(shù)的環(huán)境設(shè)置的需求日益增強(qiáng)。
隨著光通信網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)，可以以更高的速度來傳送和接收大量信息。因而，新的應(yīng)用正在開發(fā)，通過光通信網(wǎng)絡(luò)交換的信息量進(jìn)一步增加。為了增加由光纖處理的信息量，目前使用這樣一種技術(shù)通過使用高頻信號并利用一根光纖同時傳播具有涉及各種不同類型信息的各種波長的信號來增加每單位時間的信號量，這一技術(shù)被稱作波長多路復(fù)用系統(tǒng)。為了形成精確和高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)，必須確保與多個路徑的多向連接，并且從維護(hù)的觀點看必須使用多根光纖。
為了形成通過光纖傳播多個信號的光通信電路，波分多路復(fù)用(以下稱作“WDM”)系統(tǒng)是必需的，該波分多路復(fù)用系統(tǒng)將經(jīng)過波長多路復(fù)用后的光信號分為各種波長，并反過來多路復(fù)用不同類型波長的光信號，然后進(jìn)一步分支或插入光信號。因此，增加了信息量且將要處理的信息的重要性更加顯著。如果光信號具有某種缺陷，則必須快速把握哪個光信號在哪里具有缺陷，并且除了確認(rèn)光信號連接的存在之外，還要確認(rèn)所需的光信號強(qiáng)度。此外，如果傳輸距離較長，則光信號強(qiáng)度發(fā)生衰減，從而需要用于放大光信號的摻鉺光纖放大器，以下稱作“EDFA”。EDFA需要準(zhǔn)確地掌握從外部輸入的光信號的強(qiáng)度和放大之后輸出到外部的光信號的強(qiáng)度，以判斷放大率。因而，為了開發(fā)具有高可靠性的光通信系統(tǒng)，這種精確的監(jiān)視功能不可缺少。
WDM系統(tǒng)具有固定的光信號輸入和輸出方向。光信號的監(jiān)視不需要特定的方向性。另一方面，EDFA接收抽運(yùn)激光(pump laser)并在特殊光纖中傳播該激光，從而放大光信號。因此，放大的光信號有時會逆流，為了準(zhǔn)確確定光信號的放大級，需要下述功能，即僅僅探測來自輸入光纖的光信號而不探測從輸出光纖返回的光。
一般光信號的常規(guī)監(jiān)視方法使用下述技術(shù)，即使用光耦合器使部分光信號分支并用光電二極管探測分支后的光信號。因此，需要熔融連接每個組件，從而妨礙了安裝人力的減少。此外，光耦合器具有結(jié)構(gòu)是，通過接近用作光纖的光信號傳播部分的芯來將光信號分支，并且所述接近部分的長度是分支量的關(guān)鍵參數(shù)之一。這使得很難使每個產(chǎn)品小型化，從而妨礙了組件尺寸的減小。近年來，有很強(qiáng)的需求要降低EDFA裝置的尺寸，不降低組件的尺寸會導(dǎo)致對EDFA裝置的小型化和高封裝密度產(chǎn)生制約。
專利文獻(xiàn)1公開了容易操作的小型化雙向光功率監(jiān)視器的例子。圖6是所公開的監(jiān)視器的結(jié)構(gòu)。分別具有兩個光纖51，52(分別為輸入光纖51和輸出光纖52)的多毛細(xì)管玻璃套圈53(相當(dāng)于引線光纖(pig tail fiber))與GRIN(梯度折射率)透鏡54通過預(yù)定的長度的空氣間隙55彼此面對。在GRIN透鏡的一個端面上設(shè)置有過濾器56(相當(dāng)于抽頭膜(tap film))，以使光通過GRIN透鏡后反射或透射。通過過濾器透射的光穿過空氣間隙57并由光電探測器58(相當(dāng)于光電二極管)轉(zhuǎn)換成電信號，由此測量輸入到光纖的光強(qiáng)度。多毛細(xì)管玻璃套圈53和GRIN透鏡54由玻璃管60，61保持。因為兩個光纖51，52允許光輸入和輸出，所以該裝置可以稱作雙向光功率監(jiān)視器。GRIN透鏡是玻璃柱，其折射系數(shù)從中心線向外表面方向輻射狀地連續(xù)變化。越接近外表面折射系數(shù)越大，并且由于光向外表面擴(kuò)寬，所以光的傳播方向折向中心線方向，從而透射光聚集在過濾器中心周圍。
從輸入光纖51入射到空氣間隙55的光通過GRIN透鏡54，到達(dá)GRIN透鏡端面上的過濾器56。到達(dá)過濾器56的光的大部分反射，穿過GRIN透鏡54和空氣間隙55，進(jìn)入輸出光纖52，從而產(chǎn)生輸出光。到達(dá)過濾器56的光的一部分透過過濾器56，穿過空氣間隙57，進(jìn)入光電探測器58并被轉(zhuǎn)換成用于輸出的電信號。這一系列的光路由實線箭頭表示。相反，當(dāng)光從輸出光纖52進(jìn)入時，其具有與上述光路相同的通路，從而可從輸入光纖51取出該光。透過過濾器56的光穿過空氣間隙57，進(jìn)入光電探測器58并被轉(zhuǎn)換成用于輸出的電信號。這一系列的光路由虛線箭頭表示。
非專利文獻(xiàn)1公開了具有單向性的光功率監(jiān)視器的例子。圖7圖示出所公開的功率監(jiān)視器的結(jié)構(gòu)。部件的名稱使用非專利文獻(xiàn)1中使用的名稱。具有分別被稱作端口1和端口2的兩根輸入光纖81和輸出光纖82的兩芯套圈80(相當(dāng)于引線光纖)頂在GRIN透鏡83上。在GRIN透鏡83的端面上形成介質(zhì)鏡(dielectric mirror)84(相當(dāng)于抽頭膜)來執(zhí)行光的反射和透射。GRIN透鏡的中心線被設(shè)置成從光電探測器85(相當(dāng)于光電二極管)的中心線偏離。
下面解釋光流。從輸入光纖81(端口1)入射的光(輸入光)穿過GRIN透鏡83并利用介質(zhì)鏡84反射和透射。反射光通過GRIN透鏡并進(jìn)入輸出光纖82(端口2)以產(chǎn)生輸出光。透過介質(zhì)鏡的光進(jìn)入光電探測器85，被轉(zhuǎn)換成電信號并作為電信號輸出。這一系列的光路用實線箭頭表示。接下來，以下將描述來自輸出光纖82(端口2)的光。來自輸出光纖82的光穿過GRIN透鏡83，被介質(zhì)鏡84反射和透過介質(zhì)鏡84。反射光再次穿過GRIN透鏡并進(jìn)入輸入光纖81(端口1)，從而成為輸出光。透過介質(zhì)鏡的光不進(jìn)入光電探測器85，而是被釋放到外面，因為GRIN透鏡的光軸(中心線)從光電探測器85的光軸(中心線)偏移。因此，不可能測量到從輸出光纖82(端口2)進(jìn)入的光的強(qiáng)度。這一系列的光路用虛線箭頭表示。換言之，這里使用了具有單向性的光功率監(jiān)視器，即，具有下面的現(xiàn)象可以測量從輸入光纖81(端口1)進(jìn)入的光的強(qiáng)度，而不可能測量從輸出光纖82(端口2)進(jìn)入的光的強(qiáng)度。
在單向光功率監(jiān)視器的方向性特性中，在從輸入光纖輸入光時獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度A(μA/w)與在從輸出光纖輸入相同的光時獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度B(μA/w)之比以單位dB表示，并利用方向性特性＝10log10(A/B)來確定。單向光功率監(jiān)視器需要至少25dB的方向性特性。
對于圖7中示出的單向光功率監(jiān)視器，描述了GRIN透鏡的光軸與光電二極管的光軸之間的位置關(guān)系，但并沒有描述GRIN透鏡和光電二極管之間的光路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。單向光功率監(jiān)視器要求用套筒或類似物來定位并固定GRIN透鏡和光電二極管。如果GRIN透鏡過多接近光電二極管，則甚至可探測到從任何光纖傳播的光，因此，GRIN透鏡應(yīng)離開光電二極管至少一定的距離。
專利文獻(xiàn)1美國專利6,603,906非專利文獻(xiàn)12002年3月28日在日本召開的電子信息通信工程師學(xué)會上發(fā)表的預(yù)備稿，演講號C-3-51，第183頁，圖3。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異的方向性特性的小尺寸單向功率監(jiān)視器，其具有輸入光纖和輸出光纖，其中從輸入光纖入射的光信號的光學(xué)靈敏度較高，但來自輸出光纖的光信號的光學(xué)靈敏度較低。
本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器包括引線光纖，具有彼此平行且彼此相距較小距離的兩個光纖，所述兩個光纖在所述引線光纖的端面上分別具有開口端，所述開口端鄰近所述的端面的中心；柱形GRIN透鏡，具有彼此相對的兩個端面，其中一個端面面對所述引線光纖的端面，另一個端面在其上具有抽頭膜；設(shè)置有第一端和第二端的套筒，所述套筒具有笫一圓孔和第二圓孔，所述第一圓孔從所述第一端延伸到所述第一端和所述第二端之間的大約中間位置，所述第二圓孔從所述第二端延伸到所述大約中間位置并具有從所述第一圓孔的中心軸偏離的中心軸，所述第一圓孔在所述大約中間位置具有與所述第二圓孔相通的通孔和中間壁；以及光電二極管，定位于所述第二圓孔中、所述套筒的第二端處，并且在該光電二極管的前表面上具有面對通孔的透鏡。所述GRIN透鏡被定位于所述第一圓孔中，即來自所述兩個光纖中的一個并透過所述抽頭膜的光信號連續(xù)通過第一和第二圓孔并到達(dá)光電二極管，且來自所述兩個光纖中的另一個并透過抽頭膜的光信號的光路被套筒的中間壁阻擋。
在本發(fā)明的單向功率監(jiān)視器中，套筒具有第一圓孔和第二圓孔，所述第二圓孔具有從第一圓孔的中心軸偏心的中心軸。因為柱形GRIN透鏡定位在第一圓孔中、套筒的第一端處，具有透鏡的光電二極管定位在第二圓孔中、套筒的第二端處，所以柱形GRIN透鏡的光軸以對應(yīng)于第一圓孔和第二圓孔之間的中心距離的偏心距離，從具有透鏡的光電二極管的光軸、即設(shè)置在光電二極管的前表面上的透鏡的光軸偏離。
來自兩個光纖中可被稱作“輸入光纖”的光纖的光信號在該光纖的開口端輻射進(jìn)引線光纖與GRIN透鏡之間的空氣間隙并進(jìn)入GRIN透鏡，從而擴(kuò)展了其光束半徑。在GRIN透鏡中，當(dāng)通過改變光行進(jìn)方向使光信號變成大致平行的光束時，光信號到達(dá)抽頭膜，并以預(yù)定的比率從抽頭膜反射和部分地透過抽頭膜。在抽頭膜處反射的光再次通過GRIN透鏡、行進(jìn)、收斂其光束半徑并輻射進(jìn)入所述間隙。之后，光聚焦在可稱作“輸出光纖”的另一個光纖的開口端，來自輸入光纖的光傳播到輸出光纖。另一方面，透過抽頭膜的光通過套筒的第一圓孔、通孔和第二圓孔進(jìn)入具有透鏡的光電二極管，所述透鏡被固定并具有從GRIN透鏡的光軸偏心的光軸，從而可測量從輸入光纖進(jìn)入監(jiān)視器的光量。
形成對照，從兩個光纖的另一個光纖進(jìn)入的光射進(jìn)空氣間隙，然后進(jìn)入GRIN透鏡。光的行進(jìn)方向在GRIN透鏡中改變并變成大致平行的光，該光被抽頭膜以預(yù)定的比率反射和透射。被抽頭膜反射的光通過GRIN透鏡和空氣間隙這一路徑與輸入光纖相連。透過抽頭膜的光在相對于GRIN透鏡的中心線對稱的方向上行進(jìn)，并被設(shè)置在套筒中(在大約中間位置處)的第一圓孔的里面的大致垂直的中間壁反射，從而被衰減并改變了行進(jìn)方向。之后，該光進(jìn)一步反復(fù)地從平行于第一圓孔的內(nèi)壁反射而被衰減，并向GRIN透鏡的方向返回，從而幾乎不進(jìn)入具有透鏡的光電二極管。
本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器的套筒可由不透明的黑色陶瓷、玻璃或塑料制成。通過由不透明材料形成套筒，可避免在多個光功率監(jiān)視器之間發(fā)生相互干擾，從而可以提高光功率監(jiān)視器的方向性特性。而且，勞動安全性方面也是理想的。
在不透明材料中，黑色材料對于套筒是更加理想的。因為黑色材料一般具有較低的反射率，通過反復(fù)地在內(nèi)壁或內(nèi)部圓形表面反射，來自輸出光纖的光可幾乎衰減為零。對于黑色材料，可使用陶瓷、玻璃或塑料。氧化鋁、氧化鋯、金剛砂、氮化硅、氮化鋁、軟性鐵氧體和硬性鐵氧體適宜用作黑色陶瓷。作為黑色玻璃材料，可以使用由硅石、氧化鋁或氧化鈦及其合成材料制成的玻璃材料。對于黑色塑料，環(huán)氧樹脂、液晶聚合物、聚苯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙稀樹脂、聚丁烯樹脂、偶氮化合物樹脂和聚酯樹脂是適宜的。碳系材料也可期望具有足夠高的相似效果來使用。當(dāng)使用軟性鐵氧體和硬性鐵氧體時，可期望能夠使本發(fā)明的單向功率監(jiān)視器排列整齊或可很容易的將其吸附到磁體或磁性材料上。
本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器優(yōu)選滿足下列方程D≥2L≥1.517R+D/2其中L是GRIN透鏡的光軸與光電二極管的光軸之間的光軸距離，R是透過抽頭膜的光的高斯光束半徑，D是具有透鏡的光電二極管的透鏡直徑。
光在光束的垂直截面上沒有顯現(xiàn)出均勻的強(qiáng)度，而是光在光束中心最強(qiáng)，并具有光在光束的半徑方向上衰減的分布。該分布被稱作“高斯分布”，它是光束行進(jìn)方向的函數(shù)。由于高斯分布，光束在行進(jìn)過程中逐漸擴(kuò)展并同時衰減。已知的是，在垂直于光束行進(jìn)方向的任何截面上都保持高斯分布。盡管通過在其位置處對所述光進(jìn)行電轉(zhuǎn)換可獲得光束強(qiáng)度，但必須具有相對于光束擴(kuò)展程度的指標(biāo)。因此，光強(qiáng)度衰減到光的中心強(qiáng)度的1/e2時的半徑是指示光束擴(kuò)展尺寸的指標(biāo)，該指標(biāo)被稱作“高斯光束半徑”，其中“e”是自然對數(shù)的底數(shù)。
對于本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器，如下是必要的光電二極管僅僅測量到來自一個光纖并透過抽頭膜的光、而光電二極管沒有測量到來自另一個光纖并透過抽頭膜的光。為了實現(xiàn)該效果，GRIN透鏡的光軸和光電二極管的光軸之間的光軸距離是很重要的。通過使高斯光束半徑乘以1.517可以計算光強(qiáng)度衰減到光束中心強(qiáng)度的1％時的位置。為了使GRIN透鏡和光電二極管以下述關(guān)系設(shè)置衰減到1％的光不會進(jìn)入具有透鏡的光電二極管，則最好使光軸距離的兩倍大于高斯光束半徑的1.517倍加上光電二極管透鏡直徑的一半的和。通過建立該關(guān)系，當(dāng)由來自輸入光纖的光產(chǎn)生的光電二極管輸出被稱作“輸出A”、由來自輸出光纖的光產(chǎn)生的光電二極管輸出被稱作“輸出B”時，可使輸出B小于輸出A，并具有兩位或兩位以上的差。
另一方面，最好使光軸距離L小于光電二極管透鏡直徑D的一半。如果光軸距離L大于光電二極管透鏡直徑D的一半，則光學(xué)靈敏度快速降低，從而應(yīng)增加所使用的套筒的外徑，從而導(dǎo)致操作的不便和制造的難度。
本發(fā)明提供了一種小尺寸的、具有較高方向性特性的高性能單向功率監(jiān)視器。由于本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器具有由黑色不透明材料制成的套筒，并且該套筒使GRIN透鏡和光電二極管光軸偏心地固定，所以來自輸出光纖并透過抽頭膜的光信號部分被套筒內(nèi)壁衰減，從而提高了方向性特性。


圖1是表示本發(fā)明例子1的單向光功率監(jiān)視器的截面圖；圖2是表示本發(fā)明例子6的單向光功率監(jiān)視器的截面圖；圖3是表示光學(xué)靈敏度和方向性特性與光軸間距離的關(guān)系的圖表；圖4A、4B和4C是本發(fā)明例子7的單向光功率監(jiān)視器的截面圖；圖5是表示對比例的單向光功率監(jiān)視器的截面圖；圖6是現(xiàn)有的雙向光功率監(jiān)視器的截面圖；和圖7是非專利文獻(xiàn)1中所示的單向光功率監(jiān)視器的截面圖。
具體實施例方式
例子1圖1是表示本發(fā)明例子1的單向光功率監(jiān)視器的截面圖。單向光功率監(jiān)視器包括具有兩個光纖(輸入光纖3和輸出光纖4)的引線光纖2；具有抽頭膜8的柱形GRIN透鏡7；光電二極管10；和在GRIN透鏡與光電二極管之間形成光路的套筒9。兩個光纖3，4以較小的間隔(兩個光纖之間的間距大約250μm)彼此平行設(shè)置并被模鑄形成引線光纖2。在引線光纖2的一個端面上，兩個光纖3，4在其中心周圍分別具有開口端。柱形GRIN透鏡7具有彼此面對的兩個端面，其中一個以較小的空氣間隙5(100到300μm)面對具有兩個光纖的兩個開口端的引線光纖的端面，另一個在其上具有抽頭膜8。引線光纖2和柱形GRIN透鏡7使它們的光軸基本設(shè)置成一條直線。引線光纖面對GRIN透鏡的端面和GRIN透鏡面對引線光纖的端面相對于光軸分別具有大約8°的傾斜角，因而阻止了在相對面上的反射。
GRIN透鏡是指梯度折射率透鏡，其具有從其中心軸向外表面連續(xù)變大的折射率。在遠(yuǎn)離GRIN透鏡中心軸的位置上平行于透鏡中心軸傳播的光在透鏡的中心方向上彎曲，從而從GRIN透鏡的一個端面入射的光從另一個端面的中心周圍出射。這里使用的GRIN透鏡7的中心軸中的折射率為1.590，折射率梯度常數(shù)為0.326。設(shè)置在GRIN透鏡端面上的抽頭膜8是通過周期性層疊SiO2和TiO2形成的介電多層膜，并且表示光透射率的抽頭百分比是1％。在透過GRIN透鏡之后到達(dá)抽頭膜的大部分光在抽頭膜的表面上反射，一部分光透過抽頭膜。
在本實施例中，引線光纖2和GRIN透鏡7的直徑是1.8mm，并用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑固定在管6的通孔內(nèi)，管6由不透明的黑色圓柱形玻璃構(gòu)成，其外徑為2.8mm，內(nèi)徑為1.9mm。在以較小的空氣間隙5將引線光纖2和GRIN透鏡7固定在管6的通孔內(nèi)時，當(dāng)用光學(xué)萬用表監(jiān)視從引線光纖的一個光纖入射并從另一個光纖出射的光信號時，調(diào)節(jié)空氣間隙5的大小，從而光信號的強(qiáng)度可以變?yōu)樽畲蟆?br> 在GRIN透鏡7與光電二極管10之間形成光路的套筒9具有第一端和第二端，并包括分別從第一端大約開口到第一端和第二端之間的中間位置的第一圓孔91、和從第二端大約開口到中間位置的第二圓孔92。第二圓孔92從第一圓孔91偏心，第一圓孔91在其里端、即大約中間位置處具有中間壁93和與第二圓孔連接的通孔94。在該實施例中，套筒9由黑色氧化鋁陶瓷制成。套筒9的長度、或從第一端到第二端的長度為14.0mm。第一圓孔和第二圓孔的內(nèi)徑為2.0mm，第一圓孔的中心軸和第二圓孔的中心軸彼此平行并具有0.9mm的中心軸距。從套筒一端到大約中心位置的距離是7.0mm。在大約中間位置處垂直于第一圓孔中心軸的平面內(nèi)，具有通孔94和中間壁93。GRIN透鏡7的設(shè)置有GRIN透鏡7的抽頭膜的一側(cè)上的端部從套筒的第一端被插入第一圓孔內(nèi)2.0mm，并用粘結(jié)劑固定。GRIN透鏡7的抽頭膜8與中間壁93之間的距離為5.0mm。
在前端上具有透鏡(直徑為1.9mm)的光電二極管(直徑為2.0mm)從套筒的第二端被插入第二圓孔中并固定。光電二極管的光電轉(zhuǎn)換元件使用在光通信波段具有較高靈敏度的InGaAs。在第二圓孔中從大約中間位置到光電二極管10的透鏡前端的距離為5.0mm。
利用該單向光功率監(jiān)視器，來自光纖3的光信號從位于引線光纖2端部的光纖3的開口端傳播到GRIN透鏡7，光信號中的大部分被設(shè)置在GRIN透鏡7的末端的抽頭膜8反射，并通過光纖4而傳播。來自光纖3并到達(dá)抽頭膜8的光信號的一部分透過抽頭膜，并且如實線箭頭所示經(jīng)由通孔94從第一圓孔91通過第二圓孔92，然后利用光電二極管10探測其強(qiáng)度。
來自光纖4的大部分光信號被位于引線光纖2一端的抽頭膜8反射，并通過光纖3傳播。來自光纖4并到達(dá)抽頭膜8的光信號的一部分透過抽頭膜，但透過的光信號如虛線箭頭所示打在第一圓孔91的里端的中間壁93上，在那里大部分光被吸收，其一部分在中間壁93上反射。來自光纖4的光信號中，只有很少一部分通過第二圓孔92并達(dá)到光電二極管10。結(jié)果，在來自光纖3的光信號中，由光功率監(jiān)視器測量到的光量大，而在來自光纖4的光信號中，由光功率監(jiān)視器測量到的光量少。換言之，光功率監(jiān)視器具有出色的單向性。
對單向光功率監(jiān)視器的光學(xué)特性和電特性進(jìn)行了評價。當(dāng)從光纖3輸入波長為1,550nm、光強(qiáng)度為0dBm的光時，插入損耗為0.31dB，光電二極管的光學(xué)靈敏度為9.8mA/w。當(dāng)從光纖4輸入相同的光時，插入損耗為0.31dB，光電二極管的光學(xué)靈敏度為24.1μA/w。單向光功率監(jiān)視器的方向性特性為26.1dB，大于25dB的要求水平。
例子2本發(fā)明例子2的單向光功率監(jiān)視器與圖1中所示例子1的單向光功率監(jiān)視器具有下述不同安裝在引線光纖2上的兩個光纖3，4之間的距離為125μm，套筒9的長度為24mm，抽頭膜8與具有透鏡的光電二極管10之間的距離為20mm。例子2的單向光功率監(jiān)視器的其他結(jié)構(gòu)與圖1中所示的例子1的單向光功率監(jiān)視器的結(jié)構(gòu)相同。
在單向光功率監(jiān)視器中，當(dāng)從輸入光纖3輸入光信號時獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度為6.7mA/w。因為單向光功率監(jiān)視器的抽頭膜與具有透鏡的光電二極管之間的距離比例子1長，所以透過抽頭膜并向光電二極管傳播的光束擴(kuò)寬，高斯光束半徑變?yōu)榇笥诶?，因而與例子1相比降低了光學(xué)靈敏度。
在從輸出光纖4輸入光信號時獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度為20.6μA/m，單向光功率監(jiān)視器可獲得25.1dB的方向性特性。例子2的兩個光纖之間的距離較小，因此來自光纖并透過GRIN透鏡的光信號與GRIN透鏡的軸所成的角度較小。然而，因為GRIN透鏡的抽頭膜和光電二極管之間的距離較長，所以可獲得出色的方向性特性。然而，兩個光纖之間的距離較小的例子2需要更長的套筒。為了獲得出色的方向性特性，光功率監(jiān)視器不可避免地需要較大的容量。
例子3例子3的單向光功率監(jiān)視器使用在中心軸具有1.634的折射率、0.417的折射率梯度常數(shù)的GRIN透鏡。折射率和折射率梯度常數(shù)比例子1的GRIN透鏡的大。在使用具有這種高折射率的GRIN透鏡的單向光功率監(jiān)視器中，來自輸入光纖3并透過GRIN透鏡的光與來自輸出光纖4并透過GRIN透鏡的光所成的角度比例子1中的大。因此，抽頭膜與具有透鏡的光電二極管之間的距離可減少至8mm，比例子1中的短。此外，高折射率允許光在GRIN透鏡內(nèi)快速會聚，由此減小了其高斯光束半徑并利于通過具有透鏡的光電二極管來收集光。
當(dāng)從輸入光纖3輸入光信號時利用單向光功率監(jiān)視器獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度為10.2mA/w，而當(dāng)從輸出光纖4輸入光信號時利用單向光功率監(jiān)視器獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度為19.2μA/w。單向光功率監(jiān)視器的方向性特性為27.3dB，是非常令人滿意的。
例子4例子4的單向光功率監(jiān)視器使用由SiO2和Ta2O5膜組成的層疊膜，來代替例子1的單向光功率監(jiān)視器的抽頭膜。其抽頭百分比為1％，與例子1中的相同。單向光功率監(jiān)視器的其他結(jié)構(gòu)與例子1中的相同。當(dāng)從輸入光纖輸入光信號時利用單向光功率監(jiān)視器獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度為9.8mA/w，而當(dāng)從輸出光纖輸入光信號時利用單向光功率監(jiān)視器獲得的光電二極管的光學(xué)靈敏度為21.4μA/w。單向光功率監(jiān)視器的方向性特性為26.6dB。例子4表明由SiO2和Ta2O5膜組成的層疊膜可用作抽頭膜。
例子5
對于在例子1的單向光功率監(jiān)視器中、僅使套筒材料為表1中所示的各種材料的光功率監(jiān)視器M1到M17中的每一個，表1示出光電二極管對從輸入光纖輸入的光信號的光學(xué)靈敏度、光電二極管對從輸出光纖輸入的光信號的光學(xué)靈敏度、所測量的方向性特性和暗電流。因為暗電流是在從輸入光纖或輸出光纖都沒有光輸入的狀態(tài)下光電二極管的輸出電流，所以意味著探測到通過套筒壁從外部入射的光。在任何一個光功率監(jiān)視器中，暗電流是0.043到0.077nA，令人滿意地在0.1nA以下。
表1

從表1可以看出，在光功率監(jiān)視器M1到M17的任何一個中都獲得了25dB或25dB以上的方向性特性。尤其在使用陶瓷套筒的M1到M5中，獲得了26dB或26dB以上的方向性特性。
例子6對向小尺寸的單向光功率監(jiān)視器提供了高光學(xué)靈敏度和高方向性特性的GRIN透鏡和光電二極管的光軸間的光軸距離L進(jìn)行了研究。該單向光功率監(jiān)視器是圖2中所示的光功率監(jiān)視器，其中僅將例子1的單向光功率監(jiān)視器中的套筒9在縱向上分為兩部分。該光功率監(jiān)視器構(gòu)成為通過使兩個分離后的套筒18和19相對移動來改變光軸距離L。光電二極管10的透鏡直徑為1.9mm。用光束剖面儀(beamprofiler)測量到的透過抽頭膜8的光的高斯光束半徑R為0.38mm。
圖3是表示在改變光軸距離L的同時從輸入光纖3輸入光時獲得的光電二極管10的光學(xué)靈敏度和方向性特性的結(jié)果的圖表。當(dāng)光軸距離L被設(shè)為小于0.8mm或大于0.95mm時，光學(xué)靈敏度和方向性特性降低?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)光軸距離L小于特定值時，光學(xué)靈敏度降低，因為來自輸入光纖3的光很難輸入光電二極管10中，并且方向性特性也降低，因為來自輸出光纖4并被光電二極管10探測到的光量增加。因為光在光束內(nèi)是按照高斯分布進(jìn)行強(qiáng)度分布，所以可用高斯光束半徑R來計算在特定光軸距離L處的光強(qiáng)度。具有透鏡的光電二極管進(jìn)行的光探測限于光被輸入光電二極管的透鏡中的情形，因而表明存在下列關(guān)系2L≥1.517R+D/2，其中L是GRIN透鏡7和具有透鏡的光電二極管10的光軸之間的光軸距離，R是透過抽頭膜8的光的高斯光束半徑，D是光電二極管的透鏡直徑。如果將例子6的值輸入到該表達(dá)式中，則當(dāng)光軸距離L為0.763mm或更大時，方向性特性為25dB。
另一方面，如圖3中所示，當(dāng)光軸距離L超過0.95mm時，光學(xué)靈敏度快速降低，而方向性特性在0.95到1.0mm的光軸距離L內(nèi)緩慢降低?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)光軸距離L增加時，第一圓孔和第二圓孔之間的通孔變小，并且來自輸入光纖、透過抽頭膜并被引導(dǎo)向光電二極管的透鏡、然后穿過通孔的輸入光的一部分變小。因此，光軸距離L必須減小到0.95mm或更小，即為光電二極管的透鏡直徑D的1/2倍或更小。
由于上面提到的原因，光軸距離L需要滿足使用高斯光束半徑R和透鏡直徑D的下列不等式D≥2L≥1.517R+D/2。
例子7圖4A到4C示出例子7，與例子1的不同之處在于套筒形狀。在與例子1的圖1相同的位置處設(shè)置中間壁，以便由中間壁吸收和在其上反射來自光纖4并到達(dá)抽頭膜8的光的一部分(由虛線箭頭表示)。來自光纖3并透過抽頭膜8的光(由實線箭頭表示)通過第一圓孔和第二圓孔到達(dá)光電二極管10。因為第一圓孔和第二圓孔的內(nèi)壁不會妨礙由實線箭頭表示的光路，所以可采用具有如圖4A到4C中所示形狀的套筒。使用金剛石砂輪從圓柱形黑色氧化鋁陶瓷的兩端來處理圖4A和4B中所示的套筒9，使第一圓孔和第二圓孔的中心軸彼此偏移。通過使用金剛石砂輪附加地對成型并燒結(jié)成在其內(nèi)側(cè)具有斜坡的圓筒形黑色氧化鋁陶瓷加工圓孔，來獲得圖4C中所示的套筒9。使用這些套筒制造的單向光功率監(jiān)視器的方向性特性為26.1dB，與例子1的相同。
對比例除了套筒的結(jié)構(gòu)之外，作為圖5中的截面圖所示的對比例的單向功率監(jiān)視器具有與例子1的單向光功率監(jiān)視器相同的結(jié)構(gòu)。在圖5中，使用與圖1相同組件的部分具有與圖1相同的附圖標(biāo)記。GRIN透鏡7的抽頭膜8與光電二極管10的透鏡之間的距離設(shè)定為10mm，與例子1的相同。連接GRIN透鏡7與光電二極管10的套筒38用褐色玻璃制成，在玻璃套筒的大約中心處設(shè)置緩和的斜坡，并且GRIN透鏡和光電二極管的軸之間的光軸距離為0.9mm。
從輸入光纖3進(jìn)入GRIN透鏡7的光信號的一部分透過抽頭膜8并如圖中實線箭頭所示被光電二極管10探測到。從輸出光纖4進(jìn)入GRIN透鏡7并透過抽頭膜8的光信號的一部分如圖中虛線箭頭43所示，透過玻璃套筒38的壁并被釋放到監(jiān)視器外部，從而沒有被光電二極管10探測到。該單向功率監(jiān)視器的方向性特性為23到24dB，并不是那么令人滿意。這可能是因為玻璃套筒的壁接收一部分光的反射或允許外部光進(jìn)入套筒，因而這些光可被光電二極管探測到。
工業(yè)實用性本發(fā)明提供了一種監(jiān)視裝置，尤其適用于測量光信號強(qiáng)度的、具有EDFA等的放大電路。本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器僅探測并測量來自應(yīng)測量光信號強(qiáng)度方向的光信號，不測量來自相反方向的光信號，因而可以準(zhǔn)確地測量應(yīng)測量的光信號的強(qiáng)度。此外，該單向功率監(jiān)視器是小尺寸型的，因而減小了整個光通信電路的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種單向光功率監(jiān)視器，包括引線光纖，具有彼此平行且彼此相距較小距離的兩個光纖，所述兩個光纖在所述引線光纖的端面上分別具有開口端，所述開口端鄰近所述端面的中心；柱形GRIN透鏡，具有彼此相對的兩個端面，其中一個端面面對所述引線光纖的端面，另一個端面在其上具有抽頭膜；設(shè)置有第一端和第二端的套筒，所述套筒具有第一圓孔和第二圓孔，所述第一圓孔從所述第一端延伸到所述第一端和所述第二端之間的大約中間位置，所述第二圓孔從所述第二端延伸到所述大約中間位置并具有從所述第一圓孔的中心軸偏離的中心軸，所述第一圓孔在所述大約中間位置具有與所述第二圓孔相通的通孔和中間壁；以及光電二極管，定位于所述第二圓孔中、所述套筒的第二端處，并且在該光電二極管的前表面上具有面對通孔的透鏡，其中所述GRIN透鏡被定位于所述第一圓孔中，使來自所述兩個光纖中的一個并透過所述抽頭膜的光信號通過第一和第二圓孔并到達(dá)光電二極管，且來自所述兩個光纖中的另一個并透過抽頭膜的光信號的光路被套筒的中間壁阻擋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向光功率監(jiān)視器，其中套筒和中間壁由不透明的陶瓷、玻璃或塑料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單向光功率監(jiān)視器，其中套筒是黑色的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向光功率監(jiān)視器，其中單向光功率監(jiān)視器滿足下列方程D≥2L≥1.517R+D/2其中L是GRIN透鏡與在所述前表面上具有透鏡的光電二極管之間的光軸距離，R是透過抽頭膜的光的高斯光束半徑，D是光電二極管的透鏡直徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有出色的方向性特性的小尺寸單向光功率監(jiān)視器。該監(jiān)視器包括GRIN透鏡，具有抽頭膜，所述抽頭膜以預(yù)定比率透射和反射來自輸入和輸出光纖的光信號；和具有透鏡的光電二極管，用于探測并測量透過抽頭膜的光信號部分。GRIN透鏡的抽頭膜通過不透明的黑色套筒與光電二極管相連，所述套筒具有用作它們之間的內(nèi)部光路的兩個連續(xù)圓孔。兩個圓孔彼此平行，它們的中心軸彼此偏離，兩個圓孔通過位于套筒中間位置處的通孔彼此相通。來自一個光纖并透過抽頭膜的光信號部分穿過兩個圓孔和通孔并由光電二極管探測到。因為一個圓孔在套筒的中間位置處具有垂直的壁，所以來自另一個光纖并透過抽頭膜的光信號被該壁阻擋，沒有被光電二極管探測到。
文檔編號G02B6/32GK1860393SQ20058000119
公開日2006年11月8日 申請日期2005年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日
發(fā)明者鈴木勝, 佐藤毅, 上野修宏 申請人:日立金屬株式會社