CN1378658A - 生产光纤元件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种制备达到精密CWL技术指标的光纤器件的方法和装置,通过塑化被安装光纤器件的一个附着端(18)以及微调光纤张力同时监测CWL。在一个实施例中,制备达到精密CWL的光纤元件的方法包括在张力下将光纤元件(12)的两端(18,20)固定到一基底(16)以接近所需的CWL的步骤。接着,用可移动的夹具紧夹住光纤的一端(21)以及使相邻附着体(20)塑化,同时调节光纤上的张力直到CWL在所需范围之内。使附着体(20)再次硬化同时通过可移动的夹具(36)维持光纤上的张力。

Description

生产光纤元件的方法和设备

                         发明的背景

1.发明的领域

总的来说本发明涉及加工光纤元件，尤其涉及精确控制光纤元件光路长度的方法和设备。

2.技术背景

由于光纤相对较低的插入损耗和成本，光纤基本装置被广泛用作光通讯的元件。光纤元件中首要的是纤维布拉格(Bragg)光栅(FBG)，它通常通过紫外线波长能量辐照来产生。一旦一个FBG被安装在基底上并被退火，它就不再是感光性的，也不能被进一步改变了。因此，通过经验来预测这种光栅的最终频率是非常必要的，这个频率会引起重大的误差，导致光栅不符合规格。由于波长变化由附属加工和退火引起的不稳定性，一个封装的光纤布拉格光栅的中心波长(CWL)可以在与理想CWL相差±60皮米的范围里变化。这种波长误差加上例如，分布式反馈激光器的波长漂移——可能相差±50皮米——再加上剩余温度相关的±20皮米，对设计——比如说，50兆赫兹的纤维布拉格光栅——有非常严格的要求。

纤维布拉格光栅的典型附加步骤是把纤维的一端连接到基底上，凭经验用一定量的拉力拉紧纤维，然后连接纤维的相对一端。图1表述了这一过程中产生样本的CWL分布情况。因为总共可用的范围只有±40皮米，所以光栅中只有部分(20％到30％)的光栅可被应用。

用CWL对光调谐纤维设备在少于±15皮米的范围内进行的精确控制是理想的，它可将系统中邻近通讯信道间的串话减到最小。为了保持调谐的光纤器件如纤维布拉格光栅的CWL，使用β锂霞石基底，它具有-7.5ppm/℃的热膨胀系数，以此来补偿伴随温度变化而来的折射率的变化。有这样的基底，由0℃到70℃温度变化范围而引起的CWL变化已被减小到±15皮米。从而，虽然一旦被生产基底挑选改进了设备的稳定性，但仍然需要生产像纤维布拉格光栅或其它光调谐元件，使它们达到精确CWL器件产生的成品率高于过去用现有的生产技术生产所用的。

已发现光纤器件的CWL的变化率既不是用于设备生产的激光功率的函数，也不是基底材料的结果。取而代之地，变化率看来是连接工艺中所固有的，所以，对精确调谐的光纤器件的生产来说仍然需要工艺和系统。

                         发明概要

本发明的方法和设备通过塑化安装的光纤设备的一连接端以及在监测CWL时精细地调节纤维的张力来完成光纤设备的生产，使它们达到了精确的CWL规格。

生产精确CWL光纤元件的方法包括在张力下将纤维元件的两端固定于基底之上的步骤，以达到近似理想的CWL。随后，纤维的一端用可移动的夹具夹住，而邻近的附着装置在调节纤维上的张力的同时塑化直至CWL在理想范围内。连接装置在纤维上的张力被可移动的夹具保持时重新硬化。

在一实施例中，纤维的一端与使用玻璃料、膨胀系数为负的基底结合，而相对一端在CWL被监测的同时靠一移动的夹具在张力下抓紧。对70毫米的基底来说，纤维张力靠移动夹具的调节直到CWL大约为.35纳米低于目标CWL。下一步，第二玻璃料将纤维同基底在可移动夹具的邻近相对一端结合。CWL又一次被检查，若相差超过10皮米，则通过将夹具移动至先前的位置重新施加张力，重新加热和塑化第二玻璃料，并且在监测CWL的同时调节夹具直到CWL的变化等于对应于介于第一测量CWL和目标CWL间的差的一个大量。一旦冷却下来，夹具就被释放，最终的CWL就被测量和记录。

这个工艺的结果产生了精确光调谐设备，比如纤维布拉格光栅。虽然特别适合于生产纤维布拉格光栅，其它的可调谐光纤元件也能使用这样的技术而被生产，以便在生产中精确控制光纤设备的光程。

本发明另外的特征和优势将在随后详细的描述中被阐明，并且对那些对于描述中的工艺娴熟的人来说，将更加明显，或者通过如以下描述中的描述连同权利要求和附图一起操作发明来得到认可。

您将明白，前面的叙述只是发明的示例，这里将按照权利要求所定义的提供对发明的性质和特性的理解的总概括。附带的图纸被包括进去来提供对发明的进一步理解，并被和起来组成这份说明书。图纸展示了发明不同的特性和实施例，连同它们的描述很好地解释了发明操作的原理。

                         附图简述

图1是说明用传统技术生产出来的纤维布拉格光栅的CWL变化的图表；

图2是纤维布拉格光栅的放大侧视图，部分显示了根据本发明的封装和生产；

图3是纤维布拉格光栅和根据本发明生产过程的第一步生产该光栅设备的侧视图；

图4是图2所示的纤维布拉格光栅生产过程中第二步的侧视图；

图5是图2所示的纤维布拉格光栅生产过程中后续步骤的侧视图；

图6是说明本发明生产过程中所产生的精确CWL纤维布拉格光栅的高成品率图表。

                       较佳实施例的详细描述

图1中的图表通过取40个使用现有技术的样本说明了预测的CWL和实际CWL之间的CWL变化，如图所示，变化在低于理想CWL(在图中由打点线表示)的大约70纳米到高于理想CWL的大约75纳米。落在理想CWL±40皮米范围内的样本数相对少一些，占由传统的经验处理制成的纤维布拉格(Bragg)光栅总数的20％到30％。

为了将成品率提高到如图6所示的，图2中说明的纤维布拉格(Bragg)光栅根据与图3到图5有关的所描述的步骤和设备被生产出来。如图6所示的，一近似有70个根据本发明生产出来的纤维布拉格光栅的样本，成品率80％的落在理想CWL±10皮米范围内的光栅。这个精确生产的光栅的公差带显示在图6打点线之间。甚至是落在精确控制带之外的光栅，对多数应用的例子来说，大部分也会很好地落在可接受范围±40皮米之间。从而，当只有很少的传统生产的纤维布拉格光栅落在±10皮米的标准之内时，根据本发明的步骤生产出来的光栅超过80％落在这样的公差范围内。用本发明的步骤和设备取得的戏剧性的结果以及产生的光纤元件正参考图2到图5在纤维布拉格光栅的内容中被描述。

在图2中显示了部分包装的纤维布拉格光栅装置10，包括内有光栅14的光纤12，光栅14是刻入中央区域且拥有精确控制的CWL，比如1559.25纳米。光栅12是通过一对隔开的玻璃料18和20在诸如β锂霞石的负膨胀系数基底16之上被支持的。在玻璃料18和20之间，有纤维末端带22和24横越光栅14。纤维12根据本发明的生产过程安装在基底16的上表面15之上，用传统方法形成的光栅14利用紫外线选择性地改变图案中纤维12的纤芯的折射率，在例子中该图案是挑选近似为1559.25纳米的波长。其它频率纤维布拉格光栅或调谐光学器件能用本发明的方法生产。

在图3中，显示了根据本发明用于生产纤维布拉格光栅10的设备。设备包括基底的支撑物30，该支撑物通常包含敞开的矩形框架，基底16定位于其中，在生产过程中可适当地支撑基底而不对其施加任何重大的侧向力。支撑物30在生产过程中搁在基准面32之上。在一端(图3左面所示的)是对于基底16在适当的位置支撑纤维12的一端19的固定夹具34。在纤维12的相对一端21，装了移动夹具36，它包含具有测微计调整能力的安装在可移动架上的夹具。如图3所示的，同纤维12左端连接的是宽带光源40，而同光纤12的另一端连接的是光谱分析仪42，这样一来使光栅的CWL在生产过程中被监测。

在生产第一步的0.125毫米光纤的例子中，纤维上放置了5克的负载。下一步，玻璃料粘片18被施加到纤维12的末端区22的邻近区域，同时来自二氧化碳激光50的光束直接射向直接位于玻璃料粘片18的基底16的下表面17，加热基底的下表面至温度800℃到900℃之间，加热其上施加玻璃料粘片的上表面15至温度500℃到600℃之间，将玻璃料熔合在纤维12的左端以及基底上。接下来，基底可被冷却约5分钟，然后使用光谱分析仪42测量CWL。

接下来，可移动的夹具36的架子在图4中箭头A所示的方向上被移动到右边，同时通过光谱分析仪42观察CWL，直到CWL达到预先设定的与理想最终CWL的关系。对本发明的负温度系数70毫米的基底，诸如应用β锂霞石，通常为了考虑基底冷却过程中的膨胀，可通过可移动夹具36在纤维12上产生的变形使CWL处在理想CWL之下。在这个例子中，被选择的CWL是0.35纳米，在目标波长之下。

如图4所示的，玻璃料粘片的第二个波珠20施加到纤维12的右端，二氧化碳激光束50被固定在玻璃料20之下，再次加热基底16的下表面直至800℃到900℃之间，加热上表面直至500℃到600℃之间，来熔合玻璃料以及将纤维12的端24固定在基底16上。在熔合的过程中，在顶部支持端20秒后(20秒CWL值)测量CWL，这时，夹具36已固定。基底16随后便可冷却约5分钟，也就是在可移动夹具释放纤维12末端21上的应力之后，CWL再次被测量。通常，CWL在这个阶段上会比目标CWL高出或低出多于10皮米。对能用本发明进行商业化生产的精确纤维布拉格光栅类型来说，高于或低于CWL10皮米是这种精确光栅的理想容限。

在夹具34继续保持和玻璃料18固定在一起的纤维的左端的情况下，可移动夹具36移动到与负载被卸重新拉紧纤维之前相同的位置，这时第二玻璃料20被激光束50重新加热。当加热达到顶部支持段、基底16的上表面达到约500℃到600℃时，根据测量的CWL的方向，可移动夹具36或在图5箭头A所标的向右的方向上移动来增加应力从而提高CWL，或在图5中箭头B所示的向左的方向上移动来减少纤维12中的应力从而降低CWL。如果，比如，CWL在第一次连接之后低于目标CWL40皮米，依靠重新加热玻璃料20，可移动夹具在箭头A所指的方向上移动，同时通过分析仪42监测CWL直到20秒CWL值上升了40皮米。

在观察CWL的同时，精细的光栅调谐过程中可移动夹具36的移动允许生产光栅10的实时控制，而且当达到理想的变化的20秒CWL时，夹具36支撑纤维12固定5分钟——基底16的冷却时间。最终CWL随后被记录，而且通常很好地落在±10皮米的标准内，如图6所示的，超过测试样本80％均落在这样的范围内。应变释放环氧被被安装在纤维12的末端之上，邻近基底上玻璃料18和20的外边缘，基底从支撑物30一头被移走。随后，部分装配的光栅终于以传统的工艺包装，完成了光纤器件的生产。

虽然发明的较佳实施例利用玻璃料将光栅固定于负系数基底来生产纤维布拉格光栅，但用其它的材料来固定玻璃纤维于其它的基底也同样适用。因而，初步预计的生产的CWL被测试过之后任何能被塑性化的固定材料都可以用来生产光学器件，诸如运用本发明技术的纤维布拉格光栅。此外，本发明的方法和设备能被用来生产任何需要精确调谐的光纤器件。

对那些在工艺上娴熟的人来说，很显然，对这里所描述的发明的较佳实施例能做不同的修改而不会脱离如所附权利要求所描述的本发明的精神实质或范围。

Claims (20)

1.一种生产光纤元件的方法，包含以下步骤：

提供具有可调谐元件的光纤；

为光纤提供基底；

将纤维的一端固定到基底上；

拉紧纤维，同时监测在纤维中形成的可调元件的中心波长直到达到预定的中心波长；

将纤维的相对一端固定在基底上；

测量最终的可调元件的中心波长；

塑化一个固定端，同时调节纤维上的张力，使被监测的中心波长改变所选的量，以达到目标中心波长；以及

硬化所述一个固定点。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，监测步骤包含在纤维的一端施加宽带光信号以及将光谱分析仪耦合到纤维的相对一端。

3.如权利要求1的方法，其特征在于，固定步骤包含在纤维上施加玻璃料粘片以及加热随后冷却基底从而将玻璃料粘片熔合到纤维和基底上。

4.如权利要求3的方法，其特征在于，塑化步骤包含重新加热一个固定点达到一定的温度，使得纤维的张力能被调节。

5.如权利要求4的方法，其特征在于，塑化步骤包含加热玻璃料达到温度约500℃到600℃。

6.如权利要求1的方法，其特征在于，所述的拉紧步骤包含在向光纤的一端进退方向上可移动的夹具夹住光纤的相对一端。

7.如权利要求1的方法，其特征在于，光纤的可调谐元件是光栅。

8.如权利要求1的方法，其特征在于，光纤元件是纤维布拉格光栅。

9.一种生产精密纤维布拉格光栅的设备，包含：

基底的支撑物；

在将光纤附着到由支撑物支撑的基底期间夹住纤维一端的第一夹具；

定位在第一夹具对面的支撑物的邻近一端的可移动夹具，此可移动夹具可调节安装在基底上的纤维内的张力；

耦合到纤维输入端的宽带辐射源；

一结构，用于在安装在基底上的纤维布拉格光栅第一第二次调节可移动夹具达到目标中心波长的期间可选择性地将纤维的相对两端固定到所述的基底上；

光学分析仪，用于耦合到所述纤维的相对一端以监测在第一第二次调节可移动夹具期间光栅的中心波长。

10.如权利要求9的设备，其特征在于，固定光纤相对两端的结构包括一激光器，它可加热和再加热玻璃料用来将光纤固定到基底上。

11.如权利要求10的设备，其特征在于，激光器是二氧化碳激光器。

12.如权利要求9的设备，其特征在于，可移动夹具包含第二夹具和测微计调节架，后者用来在改变光栅的中心波长时以精确地量移动第二夹具。

13.一种纤维布拉格光栅，通过以下步骤制成：

将纤维布拉格的一端固定到基底上；

拉紧纤维，同时监测光栅的中心波长直到达到预定的中心波长；

将纤维的相对一端固定在基底上；

测量光栅的中心波长；

塑化光栅两个固定端中的一端，同时调节纤维上的张力，使被监测的中心波长改变所选的量，以达到目标中心波长；

硬化一个固定点。

14.一种生产纤维布拉格光栅的方法，包含以下步骤：

将具有光栅的光纤安装到基底上；

测量最终光栅的中心波长；

塑化光栅的两个安装端中的一个，同时在监测中心波长时调节光纤上的张力直到探测到目标中心波长；

硬化所述一端。

15.如权利要求14的方法，其特征在于，安装步骤包含在纤维上施加玻璃料粘片以及加热随后冷却基底以此将玻璃料粘片熔合到纤维和基底上。

16.如权利要求14的方法，其特征在于，塑化步骤包含重新加热一个玻璃料直至达到允许纤维张力被调节的温度。

17.如权利要求16的方法，其特征在于，塑化步骤包含将玻璃料加热至大约500℃到600℃之间的温度。

18.如权利要求14的方法，其特征在于，所述调节步骤包含在向光纤相对一端进退方向上可移动的夹具夹住光纤的一端。

19.如权利要求18的方法，其特征在于，塑化步骤包含重新加热一个玻璃料直至允许纤维张力被调节的温度。

20.如权利要求14的方法，其特征在于，监测步骤包含在光纤的一端施加宽带光信号以及将光谱分析仪耦合到纤维的相对一端。

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