用于延迟光学信号的处理方法

1.本说明书涉及一种用于延迟光学信号的处理方法，以及一种适合于实施此类处理方法的装置。


背景技术：

2.对于许多应用，明确地说对于通信应用、光学传感器应用、功率束合成等，实施在将有用光学信号与波长值与有用光学信号相同的参考光学信号混合之前延迟有用光学信号。当相对于参考光学信号施加到有用光学信号的延迟恒定时，干涉因此产生，且包含干涉图案或强度的此干涉的特征随时间推移而保持恒定。常见实际实施方式在于将初始光学信号拆分成两个部分，分别形成有用光学信号和参考光学信号，然后改变有用光学信号和参考光学信号中的至少一个，使得其相位含有有用信息，并且此后使有用光学信号和参考光学信号彼此干涉以提取有用信息。显然，当有用和/或参考光学信号的更改随时间推移而变化时，干涉特征变得随时间推移而变化，和/或施加到有用光学信号的延迟随时间推移而变化。
3.确切地说，已知通过使光学信号在光纤内传播来延迟光学信号，且通过修改光纤的长度来改变因此产生的延迟。通过使用任何适当的系统拉伸光纤来使光纤长度弹性地变化。通常，确切地说当光纤属于单模类型时，使光纤长度增加1％需要约35n(牛顿)的力。在此类条件下，一根15米长的光纤需要使用约35n的拉力来拉伸光纤，才能获得1ns(纳秒)的延迟增加量。但是拉力的此类值需要拉力产生构件，所述构件是复杂、繁琐、沉重且昂贵的。举例来说，当使用用于拉伸光纤的压电系统时，35n的拉力值需要实施约1kv(千伏)的电压。这需要使用大dc电压源。
4.技术问题
5.从此情形开始，本发明旨在以简单方式延迟光学信号，所述简单方式与现有技术相比可以更容易的方式且更低的价格实施。


技术实现要素：

6.为此目的，本发明的第一方面提出一种用于相对于具有相同波长值λ的参考光学信号延迟波长值λ介于0.2μm(微米)与3μm之间的有用光学信号的处理方法，此处理方法包括同时执行的以下动作：
[0007]-使有用光学信号在光纤中在此光纤的两个相对末端之间传播，而参考光学信号不在光纤中传播；
[0008]-使已在光纤中传播的有用光学信号的至少一部分与参考光学信号混合而不改变有用光学信号的此部分的波长值，使得由光学信号混合产生的固定光强度取决于由于在光纤中的传播时间而对有用光学信号的部分有效的延迟；以及
[0009]-通过对此光纤进行弹性拉伸来调整光纤的长度，以便产生由于有用光学信号的部分在光纤中的传播时间而导致的延迟的选定值，或以便获得由光学信号混合产生的固定
光强度的选定值。
[0010]
根据本发明，介于此光纤的两端之间的光纤的一部分为直径介于λ/3与10μm之间的锥形光纤部分，使得比率(δl/l)/t介于20％/n与4
·
105％/n之间，其中l为锥形光纤部分的长度，t为施加到光纤两端之间以用于弹性地拉伸锥形光纤部分的拉力，δl为由拉力t引起的锥形光纤部分的弹性延长，且δl/l为表示为百分比值的延长比。
[0011]
锥形光纤部分可通过将光纤，确切地说是单模光纤加热到玻璃态化温度且同时拉伸光纤以使得其直径减小到小于10μm而获得。在以此方式处理之后，锥形光纤部分不再具有单独的芯和包层，而是由连续透明介质组成，归功于存在于锥形光纤部分与例如空气等外部介质的外围接口处的折射率差，所述透明介质仍允许有用光学信号的导行传播。光纤的每一末端部分可不为锥形，使得有用光学信号的导行传播在每一光纤末端部分与锥形光纤部分之间经历绝热转变。
[0012]
归功于使用锥形光纤部分，为杨氏模量的倒数的比率(δl/l)/t可更高，使得产生光纤的所要延长值所需的拉力值减小。举例来说，可在对锥形光纤部分施加约1mn(毫牛顿)的拉力t下产生约6％的延长δl/l。此类减小的拉力值可使用较不复杂的拉伸构件产生，确切地说是与产生相同的延长值但对于标准光纤来说所需的那些拉伸构件相比重量较轻和/或较不繁琐和/或较便宜的拉伸构件。
[0013]
本发明的以下细节或改进可进一步单独地或以其中若干者的组合来实施：
[0014]-比率(δl/l)/t可高于1.0％/n，优选地高于102％/n；
[0015]-施加到光纤两端之间以用于弹性地拉伸锥形光纤部分的拉力可介于10-6
n与10-1
n之间，优选地介于7
·
10-5
n与10-2
n之间；
[0016]-被弹性地拉伸的锥形光纤部分的延长比δl/l可介于1％与6％之间；
[0017]-锥形光纤部分的长度l可介于10-3
m(米)与1m之间，优选地介于5
·
10-3
m与0.5m之间；
[0018]-相比于在锥形光纤部分未拉伸的情况下在光纤中的传播，当锥形光纤部分被弹性地拉伸时，由于有用光学信号的部分在光纤中的传播时间而导致的延迟可介于0.1ps与200ps之间，优选地介于1ps与100ps之间；
[0019]-在与锥形光纤部分隔开的光纤的光纤尾纤部分中，光纤可包括被光纤包层包围且进一步被基于聚合物的涂层包围的光纤芯，且锥形光纤部分可不含基于聚合物的涂层且由光纤芯和光纤包层的相应材料的掺合物形成；
[0020]-锥形光纤部分的直径可小于5μm；
[0021]-锥形光纤部分可被封装在容器内，优选地封装在密封容器内；以及
[0022]-锥形光纤部分的延长可由基于压电致动器和/或基于测微螺旋的拉伸系统产生，所述拉伸系统连接到光纤的两端中的至少一个。
[0023]
一般来说，对于本发明，处理方法可进一步包括：
[0024]-对于在包括干涉测量(确切地说，量子干涉测量)、信号延迟或同步、信号传输(确切地说，光学电信)、激光束整形(确切地说，功率激光束合成)、光振荡器设计、成像(确切地说，光学相干断层扫描)、超快光学电子、密码术和用于分光光度分析的光源设计的列表中选定的至少一个应用，使用已在光纤中传播的有用光学信号的部分或参考光学信号而不改变所述有用光学信号的部分的波长值λ。
[0025]
本发明的第二方面提出一种适用于延迟波长值λ介于0.2μm与3μm之间的有用光学信号的装置，所述装置包括：
[0026]-光纤，其在其两端之间延伸；
[0027]-注入构件，其用于将有用光学信号注入到光纤中，以及恢复构件，其用于恢复已在光纤中传播的有用光学信号的至少一部分而不改变其波长值；
[0028]-调整构件，其用于通过对此光纤进行弹性拉伸来调整光纤的长度，以便产生由于有用光学信号的此部分在光纤中的传播时间而对有用光学信号的部分有效的延迟的选定值；以及
[0029]-混合构件，其用于将已在光纤中传播的有用光学信号的部分与参考光学信号混合而不改变所述有用光学信号的部分的波长值，所述参考光学信号与有用光学信号具有相同波长值λ，使得由光学信号混合产生的固定光强度取决于由于在光纤中的传播时间而对有用光学信号的部分有效的延迟。
[0030]
在本发明装置中，介于光纤两端之间的一部分为直径介于0.067μm与10μm之间的锥形光纤部分，使得比率(δl/l)/t介于20％/n与4
·
105％/n之间，其中l为锥形光纤部分的长度，t为施加到光纤两端之间以用于弹性地拉伸锥形光纤部分的拉力，δl为由拉力t引起的锥形光纤部分的弹性延长，且δl/l为表示为百分比值的延长比。
[0031]
确切地说，此类本发明装置可以是干涉仪(确切地说，量子干涉仪)、信号延迟装置、信号传输装置(确切地说，光学电信装置)、激光束整形装置(确切地说，功率激光束合成装置)、光振荡器、成像装置(确切地说，光学相干断层扫描装置)、超快光学电子装置、加密装置和用于分光光度分析的光源的部分。
附图说明
[0032]
参考以下附图，本发明的这些和其它特征和益处将从以下若干实施方式的非限制性详细描述中参考以下附图更清楚地呈现：
[0033]
[图1a]为光纤的示意图；
[0034]
[图1b]为包含锥形光纤部分的光纤的示意图；以及
[0035]
[图2]根据本发明示出[图1b]的光纤的应用。
具体实施方式
[0036]
为清楚起见，出现在这些图式中的元件大小并不对应于实际尺寸或尺寸比。并且，在图式中的不同图式中指示的相同参考数字表示具有相同功能的元件的相同元件。在无进一步指示的情况下，下文考虑的所有光纤部分的温度为室温，例如等于25℃。此后所指示的所有波长值参考在自由空间中传播的光，其与所考虑的导模具有相同频率值。
[0037]
参考[图1a]，光纤1在其两个相对末端之间延伸，其中两个相对末端的相应参考数字为1a和1b。光纤1设计成用于引导波长介于0.2μm与3μm之间的光。以常见方式，光纤1具有：具有芯直径d
11
的芯11；具有包层直径d
12
的包层12；以及具有外径d
13
的涂层13。芯11和包层12包括掺杂玻璃材料，所述掺杂玻璃材料具有相应的适合掺杂元素和含量，且涂层13可为聚合材料，例如基于丙烯酸酯的有机材料。直径d
11
、d
12
和d
13
可分别为约9μm、125μm和250μm。举例来说，此类光纤可适合在约1.5μm的波长下的电信应用。l1表示两端1a与1b之间的光
纤1的长度。
[0038]
当提供35n的拉力t时，被设计用于电信应用的如可在市面上购得的此类光纤具有约1％的延长比。延长比被定义为δl1/l1，其中δl1是与未施加拉力时的长度l1的值相比，在两端1a与1b之间提供拉力t时光纤1的长度增加量。这使得比率(δl1/l1)/t的值约为2.9
·
10-2
％/n。在此类条件下，对于等于1.550μm的光波长，芯11和包层12的相应折射率值等于约1.45和1.44，l1等于15m，拉力t等于35n，当与未在光纤末端1a与1b两者之间施加拉力的情况下的传播时间相比较时，光从光纤末端1a到光纤末端1b的传播时间增加1ns。如果使用基于压电的系统产生拉力t，那么需要实施的电压值可高达1kv(千伏)。如果鉴于获得延长比(δl1/l1)的约2％的值而将拉力施加到光纤1，那么光纤1断裂。
[0039]
[图1b]展示待用于本发明的经修改光纤，其可从[图1a]的光纤1获得，使用所属领域中已知的用于此类去除的任何处理方法，包含选择性燃烧有机涂层材料去除在两端1a与1b中间的光纤1的一部分中的涂层13。接着，通过将合适的拉力施加到光纤部分来拉伸在不含涂层13的此部分中的光纤1，且将其局部加热到玻璃态化温度。以已知方式，以此方式产生直径小于10μm，例如等于1μm的锥形光纤部分10。l和d
10
分别表示此锥形光纤部分10的直径和长度。剩余的非锥形光纤部分10a和10b分别保持在光纤末端1a和1b与锥形光纤部分10之间。以已知方式，锥形光纤部分10的材料为芯11和包层12的相应玻璃组合物的掺合物，且可在光纤1中，确切地说在非锥形光纤部分10a和10b中传播的具有波长λ的光也可根据特殊导模沿着锥形光纤部分10传播。此特殊导模基于存在于锥形光纤部分10与空气的外围接口处的折射率差。为此目的，锥形光纤部分10的直径d
10
必须大于λ/3，否则无法引导光沿着此部分10传播。当λ＝1.550μm时，对于直径d
10
的下限λ/3等于约0.52μm。在非锥形光纤部分10a与锥形光纤部分10之间，且接着在锥形光纤部分10与非锥形光纤部分10b之间发生绝热传播模式转变，使得在光纤末端1a处注入于经修改光纤1中的具有波长值λ的光在已沿非锥形光纤部分10a、锥形光纤部分10且接着非锥形光纤部分10b连续传播之后在光纤末端1b处恢复而波长值未修改。
[0040]
当锥形光纤部分10的直径为1μm(d
10
＝1μm)且长度为0.3m(l＝0.3m)，且已从参考[图1a]描述的光纤1获得时，锥形光纤部分10的比率(δl/l)/t为约4
·
105％/n。这意味着当拉力t为约1mn(毫牛顿)时，获得值约为6％的延长比(δl/l)。对于较高的d
10
值，可获得较低的比率(δl/l)/t值，同时保持小于对非锥形光纤1有效的比率(δl1/l1)/t的原始值。显然，与[图1b]的经修改光纤中的锥形光纤部分10的延长相比，非锥形光纤部分10a和10b的延长是可忽略的。
[0041]
[图2]表示包括[图1b]的经修改光纤1的干涉仪装置100的主要组件，光纤末端1a和1b两者都使用夹钳11a和11b牢固地固定，所述夹钳被任何中间机械构件维持彼此间隔开，所述构件例如平行于经修改光纤1延伸且包围此经修改光纤的刚性管12。夹钳11b可相对于管12固定，而夹钳11a可使用中间移动系统13连接到管12。此类移动系统13被布置成用于使光纤末端1a平行于光纤轴移位远离光纤末端1b。其因此将拉力t施加到经修改光纤1，由此导致此经修改光纤延长。中间移动系统13对应于用于调整此描述的一般部分中所提及的光纤的长度的构件。其可通过所属领域中已知的任何切实可行的构件实施。举例来说，中间移动系统13可基于压电材料部分，所述压电材料部分使用合适电连接件15与可变dc源14组合，所述合适电连接件包含布置在压电材料部分上的电极。有利的是，管12、夹钳11a和
11b以及中间移动系统13形成适合于避免污染物和/或尘粒到达锥形光纤部分10的表面的密封容器。参考数字20表示此类光纤拉伸系统整体，其适用于弹性地拉伸锥形光纤部分10。当对如上文关于[图1b]所指示的经修改光纤1进行尺寸标定时，使dc源14产生几伏但小于30v的电压值可足以使光在经修改光纤1的两个光纤末端1a与1b之间的传播时间增加50ps。
[0042]
替代地，光纤拉伸系统20可基于测微螺旋，例如由步进器旋转的此类测微螺旋。
[0043]
干涉仪装置100的其它组件为以下例如用于形成全光纤连接装置的组件：
[0044]
101：光源，例如在1550nm(纳米)的波长值下操作的持续波激光器或脉冲激光器，表示为cw激光器，
[0045]
102、103：光学耦合器，例如消逝波耦合器，以及
[0046]
104：光电二极管。
[0047]
适当的光纤类注入构件用于将经修改光纤1的末端1a和1b以光学方式连接到干涉仪装置100的其它部分。方便地，非锥形光纤部分10a和10b可形成待用于这些光学连接件的尾纤部分。光学耦合器103形成用于将由源101产生的已在包含锥形光纤部分10的经修改光纤1中传播的光的第一部分p1与由源1产生的已由光学耦合器102透射到光学耦合器103而不沿着经修改光纤1行进的光的第二部分p2混合的构件。在本发明的一般部分中，在经修改光纤1中传播的光的部分p1被称为有用光学信号，而不在经修改光纤1中传播的光的部分p2被称为参考光学信号。
[0048]
此类干涉仪装置100的操作是众所周知的。由光电二极管104输出的电信号反映存在于由源101产生的光的第一部分p1与第二部分p2之间的路径相位差。此相位差又取决于当可变dc源14供应非零电压时在经修改光纤1中产生的光传播延迟。取决于装置100的应用，由源101产生的光的第二部分p2可由位于光学耦合器102与103之间的光学路径上的光学应用系统(未图示)相对于第一部分p1选择性地延迟未知时间量。随后，改变且测量由dc源14产生的电压，直到获得由光电二极管104输出的电信号的最大值构成由光学应用系统中的第二光部分p2经历的未知延迟的测量值为止。
[0049]
在装置100与脉冲激光型的光源101一起使用的其它应用中，可以开放回路控制拉伸系统20以用于将所要的延迟值施加到由源101产生的光的第一部分p1。通过可变dc源14的适当设置选择期望的延迟值。
[0050]
应理解，本发明可在修改上文已详细描述的实例的若干次级方面的同时再现。确切地说，与所描述的实施例相关的所有数字值仅出于示例目的而提供，且并不构成任何限制。