CN101000392A - 全光纤热光型可变光衰减器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光纤热光型可变光衰减器，主要由一段抛磨区覆盖有热光聚合物的D型光纤、加热电阻丝、U型槽构成，所述覆盖有热光聚合物的D型光纤置于U型槽内，外围螺旋缠绕着加热电阻丝。其制作方法包括：(1)将光纤的一小段设为侧边抛磨区，制作侧边抛磨的D型光纤；(2)在D型光纤的抛磨区覆盖热光聚合物；(3)将覆盖有热光聚合物的D型光纤置于U型槽内；(4)螺旋缠绕加热电阻丝。制作出的全光纤热光型可变光衰减器性能测试表明，器件插入损耗低，衰减范围宽，偏振相关损耗小，背向反射小，可用电驱动调控，可靠性高。

Description

全光纤热光型可变光衰减器及其制作方法

技术领域

本发明涉及可变光衰减器，具体涉及一种全光纤热光型可变光衰减器及其制作方法。

背景技术

可变光衰减器(VOA)是光纤通信中基本的无源器件之一，广泛用于波分复用(WDM)光纤网络中，主要是实现系统中各信道间光功率的均衡。可电控的可变光衰减器对智能化光网络的运行管理维护具有很重要的应用价值。随着通信技术的发展，追求低成本高性能的可变光衰减器成为研究的重点。

传统的制备侧边抛磨光纤方法主要是带弧型槽基底的光纤侧边抛磨法。这种方法由于需要用环氧树脂胶固定光纤在V型槽中，因而工艺较复杂，而且抛磨工艺过程较长，不利于批量生产。

美国专利US2003175001是一种基于抛磨光纤的可变光衰减器，该专利公开了以下制作方法，将侧边抛磨光纤与一种液体一同封装在平板结构中，通过施加在平板上的机械驱动外力调节光纤被抛磨的区域与液体的接触面积来调节光纤中光通量，实现光纤中的光衰减。此发明是用机械驱动外力调节方式，而且抛磨区覆盖材料为液体材料，液体材料长时间使用会导致挥发，造成性能参数发生改变。

世界专利WO0049434介绍了一种基于抛磨光纤的衰减器制作方法，该专利公开了以下原理，将一种折射率受温度影响的液体或聚合物覆盖在光纤去除掉部分包层的部分，采用矩形贴片电极置于抛磨区域另一侧的下方，通过电控调节器件温度，从而造成光纤中通光量的衰减。该器件没有对使用的液体和聚合物进行工艺处理，同时是使用热场不均匀的平面贴片电极。该器件实施例中测试结果显示其插入损耗接近8dB，数值偏大。

美国专利US6785461介绍了一种无基块技术制作的可变光衰减器，该专利公开了以下制作方法，将光纤固定在光学透镜表面，利用光学透镜的曲面抛磨光纤。将侧边抛磨后的光纤固定在制冷片上方，在光纤的侧边区上覆盖大量聚合物材料。通过电流调节制冷片来降低器件温度，利用关闭电源后与环境温度的差值实现升温，从而改变器件的衰减量。该方法使用的是温场不均匀贴片制冷方法；该器件利用环境温度升温，效率较直接使用加热电极低，响应时间较长。

这些专利和方法在一定程度上都实现了可变光衰减，但是这些方法制作的可变光衰减器在制作方法、器件结构、插入损耗、衰减范围等方面都或多或少存在不足之处。例如，采用液体材料的器件存在器件寿命的问题，采用平面电极的器件存在温度场不均匀的问题，采用光学透镜的曲面抛磨光纤的方法无法实现大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的可变光衰减器制作成本高、插入损耗高、调节范围窄等不足，提供一种可用电驱动调控、可靠性高、成本低的全光纤热光型可变光衰减器。

本发明的目的还在于提供所述可变光衰减器的制作方法。

本发明的一种全光纤热光型可变光衰减器，主要由一段抛磨区覆盖有热光聚合物的D型光纤、加热电阻丝、U型槽构成，所述覆盖有热光聚合物的D型光纤置于U型槽内，外围螺旋缠绕着加热电阻丝。

为了提高器件的可靠性和稳定性，还包括封装的外壳。

为了提高导热效果，将其封装在充满导热胶的金属外壳内。

根据衰减要求，所述D型光纤的长度可设计为9-32mm。

所述可变光衰减器的制作方法，包括如下步骤：

(1)将光纤的一小段设为侧边抛磨区，制作侧边抛磨的D型光纤；

(2)在D型光纤的抛磨区覆盖热光聚合物；

(3)将覆盖有热光聚合物的D型光纤置于U型槽内；

(4)螺旋缠绕加热电阻丝。

作为优选方案，还包括步骤(5)，用金属外壳封装。

步骤(5)中，将其封装在充满导热胶的金属外壳内。

所述侧边抛磨的D型光纤的制作方法是在普通通信光纤上，利用光学微加工技术，在一小段长度上将圆柱形的光纤包层抛磨掉一部分光纤，其包层抛磨过的那段光纤的横截面呈大写英文字母D，而在未抛磨过的光纤段，仍是圆柱形。

所述热光效应的聚合物是折射率随温度变化的具有热光效应的聚合物，例如硅树脂，可以采用Dowcorning公司所生产的OE4100或OE4110。

所述U型槽在器件制作期间起承载聚合物材料的作用，聚合物固化后具有保护抛磨光纤的作用。

所述螺旋缠绕加热电阻丝在器件制作期间作为聚合物材料的固化热源，器件制作完成后作为引发热光效应的温度控制电极。

上述可变光衰减器可在光功率监控、温度的监控及测量等领域应用。

本发明的可变光衰减器主要适用于对响应时间要求不高但对插入损耗和衰减范围等参数要求较高的光纤网络中，例如应用于光功率监控、温度的监控及测量等领域。

本发明的全光纤热光型可变光衰减器的工作原理如下：通常，足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场，以及在光纤包层中倏逝波场的能量不会泄漏到光纤外部。当用抛磨的方法使光纤的包层厚度减小到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了一个纤芯中传输光的倏逝波场的“泄漏窗口”。在此“窗口”处，人们就有可能利用倏逝场来激发、控制、探测光纤纤芯中的传输光波的无损传播或泄漏。因为是利用侧边抛磨光纤包层中的倏逝场原理做成器件或传感器，所以制成的器件也称为光纤倏逝场器件。在侧边抛磨光纤的抛磨区域，用聚合物热光材料包裹住，并在其中埋入加热电极，通过电极加热改变温度可以引起器件中热光材料的温场的改变，并由有机聚合物的热光特性引起波导的有效折射率随温度变化而变化，从而导致由光纤芯、光纤包层、以及热光材料等共同构成的热光复合波导的传输特性的改变。依靠这种全光纤热光型可变光衰减器可以控制光纤芯模的传播和泄漏。

本发明将热光材料与侧边抛磨光纤结合，即将具有热光效应的聚合物材料直接覆盖在侧边抛磨光纤上，构成可控制光纤芯中传输光泄漏的复合波导结构，用侧边抛磨光纤替代了集成光学方法的晶体、硅基或聚合物波导材料，对光纤纤芯无破坏、光路中无插入元件、可与光纤系统直接融接，制成的全光纤热光型可变光衰减器既具有集成光学热光型可变光衰减器器件可电控的优点，又没有了机械型可变光衰减器对光纤纤芯的切断和机械驱动机构，提高了器件的可靠性、降低了成本，减小了器件的封装体积。本发明从基本原理出发，结合相关实验获得曲线，选取了一种热光系数比较理想的材料，利用先进的轮式侧边抛磨技术，制备了侧边抛磨光纤，将热光材料覆盖在侧边抛磨光纤上，制作出全光纤热光型可变光衰减器，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：器件插入损耗小(＜0.1dB)、衰减范围大(0-80dB)、偏振相关损耗小(＜0.02dB)、背向反射小(＞70dB)、可用电驱动调控、可靠性高、制作成本低。

附图说明

图1为本发明的全光纤热光型可变光衰减器结构示意图；

图2为用于封装图1的衰减器的金属外壳结构示意图；

图3为全光纤热光型可变光衰减器性能测试曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种全光纤热光型可变光衰减器，其覆盖有热光聚合物3的D型光纤1置于U型槽4内，外围螺旋缠绕着加热电阻丝(也称电极)2。封装在如图2所示的金属外壳内，所述外壳内部可以充满导热胶。

制作方法：

(1)用现有技术制作侧边抛磨的D型光纤。

(2)用具有负热光系数的聚合物3覆盖D型光纤的抛磨区，选用U型槽4作为D型光纤的固定和支撑架，在其中放入D型光纤1，将电极2螺旋缠绕在U型槽4外部，作为聚合物固化热源及引起热光效应的温度控制电极。

(3)对固化后的器件进行了光纤中传输光功率的衰减测试并标定，其中由光源发出的光经过可变光衰减器实现衰减，衰减量由光功率计测得，当外加电源输出电流发生改变时，电阻丝温度变化，从而引起热光聚合物材料的温度及折射率改变，进而影响衰减器中光功率的传输，达到可变光衰减的目的。

(4)为提高器件的可靠性和稳定性，对器件进行了特殊的外封装设计。将完成聚合物材料固化的器件封装在充满导热胶的金属外壳内(如图2中所示结构)，并引出光纤两端和电极引脚，器件的外形尺寸根据具体的使用要求确定。

(5)对进行了外封装后的器件进行测试并标定，得到电流-光功率衰减曲线如图3所示，与封装前的器件相比，封装后的器件测试曲线具有更好的稳定性和可重复性，器件受外界的影响显著减小，衰减量变化稳定。当器件中所加的电流超过0.33A时，衰减量稳步下降，通光功率逐步上升，最终达到插入损耗为0.1dB的通光状态。由于我们采用的电源精度为0.01A，下降沿的采样点有限。如果选用更高精度的电源，将会使光功率衰减得到很好的控制。多次实验结果证明，该方法制作的全光纤可变光衰减器的性能可以实现插入损耗＜0.1dB，衰减范围0-80dB，偏振相关损耗＜0.02dB，背向反射＞70dB。

比较实施例：

针对制作方法和封装结果，将本发明与世界专利WO0049434中的可变光衰减器做比较。

1制作方法的比较

本发明中采用U型槽作为侧边抛磨光纤的固定和支撑架，在其中放入侧边抛磨光纤，并用具有热光特性的聚合物材料覆盖抛磨区域。将电极螺旋在U型槽外部，作为聚合物固化热源及引起热光效应的温度控制装置，器件中所用螺旋电极不仅可作为控制热光材料温度的加热电极，在固化聚合物时，也作为固化的加热电极。此设计中的U型槽可以起到机械保护侧边抛磨光纤的作用，而使用螺旋电极可得到均匀的温度场分布。而世界专利WO0049434中直接将聚合物材料覆盖在抛磨光纤上并采用矩形贴片电极置于抛磨区域另一侧的下方，该方法制作的可变光衰减器缺少机械保护，侧边抛磨光纤容易受到物理损坏，而且贴片电极形成的温度场没有本专利所用的螺旋电极产生的温度场均匀。

2封装结构的比较

本发明对器件进行了特殊的外封装设计，将聚合物材料固化的器件封装在充满导热胶的金属外壳内，并引出光纤两端和电极引脚，器件的外形尺寸根据具体的使用要求确定，多次实验证明，该封装结构提高了器件的可靠性和稳定性。而世界专利WO0049434中将器件直接封装在外壳中并引出光纤和电极，这种方法将导致器件易受环境温度影响，从而对器件的稳定性造成影响。

Claims (9)

1、一种全光纤热光型可变光衰减器，其特征在于主要由一段抛磨区覆盖有热光聚合物的D型光纤、加热电阻丝、U型槽构成，所述覆盖有热光聚合物的D型光纤置于U型槽内，外围螺旋缠绕着加热电阻丝。

2、根据权利要求1所述的全光纤热光型可变光衰减器，其特征在于还包括封装的外壳。

3、根据权利要求2所述的全光纤热光型可变光衰减器，其特征在于其封装在充满导热胶的金属外壳内。

4、根据权利要求3所述的全光纤热光型可变光衰减器，其特征在于所述D型光纤的长度为9-32mm。

5、权利要求1-4之一所述可变光衰减器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将光纤的一小段设为侧边抛磨区，制作侧边抛磨的D型光纤；

(2)在D型光纤的抛磨区覆盖热光聚合物；

(3)将覆盖有热光聚合物的D型光纤置于U型槽内；

(4)螺旋缠绕加热电阻丝。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于还包括步骤(5)，用金属外壳封装。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(5)中，将其封装在充满导热胶的金属外壳内。

8、根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述侧边抛磨的D型光纤的制作方法是在普通通信光纤上，利用光学微加工技术，在一小段长度上将圆柱形的光纤包层抛磨掉一部分，其包层抛磨过的那段光纤的横截面呈大写英文字母D，而在未抛磨过的光纤段，仍是圆柱形。

9、根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述热光聚合物采用硅树脂。