CN101435899A - 全光纤集成化光功率监控器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤集成化光功率监控器及其制作方法。一种全光纤集成化光功率监控器，包括光功率监测器和可变光衰减器，在一段光纤的包层上设置了第一分光缺口和第二分光缺口，第一分光缺口与第二分光缺口相距5～25mm，第一分光缺口是可变光衰减器的泄漏光通道，第二分光缺口是光功率监测器的泄漏光通道。本发明的一种全光纤集成化光功率监控器，采用侧边抛磨的方法制作，加工成本低廉，以它作为集成化基底可以大大降低集成化器件的成本。本发明的一种全光纤集成化光功率监控器，具有可电控的优点，又没有了机械型光功率监控器件对光纤纤芯的切断和机械驱动机构，插入损耗小、背向反射极小，提高了器件的可靠性、减小了器件的封装体积。

Description

全光纤集成化光功率监控器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤光功率监控器，具体涉及将可变光衰减器和全光纤光功率监测器二者集成在一根光纤上，同时具有光功率的监测和控制功能的全光纤的集成化光功率监控器及其制作方法。属于光纤通信、光纤传感及光纤器件技术领域。

背景技术

光功率监控器是光网络的DWDM(密集波分复用)以及全光网所需的关键器件之一。在光网络应用中，各光路，特别是光纤中的光功率的管理是一项重要的技术内容。例如，在光纤放大器中，为保证系统的良好检测特性，通常要求各通信信道中传输的光功率是均衡的，这就有了多路光功率均衡器。另外，在光信号脉冲的接收端，为了降低的误码率，保证系统电信号的一致性，也要对各路光信号的功率进行管理和控制。以DWDM系统中的信道光功率均衡为例，随着信道数目的增加，所需要的光功率监控器件的数目也会不断增加，因此将这些原本分立的器件组合成模块甚至集成化是必要的。随着高速光通信的发展，对光纤通信系统中的光功率的管理技术和管理成本提出了更高的要求。

目前光纤通信用的光功率的监控(监测与控制)器件主要结构有三类：一是光机结构器件，一般是由分立的MEMS可调光衰减器和光纤Tap耦合器结构。这类分立器件的优点是技术成熟，使用简便，目前已经实用化。但分立元件的不足之处是插入光学损耗较大，耗用电功率较大，而机械结构导致当构成多路复用系统时体积较大等。同时由于技术复杂、目前成本仍较高。第二类是光波导结构的器件，它是将光波导器件制备在晶体或半导体等衬底材料上。它们的优点是易实现多器件、多功能的光电集成，器件的机械稳定性较好。不足之处则是器件的制作成本非常高，与光纤的耦合很困难，不仅连接损耗较大，而且热稳定性也较差。因此目前除调制器外，还没有大量进入商用。第三类为全光纤结构器件。这类全光纤无源器件它们直接以通信光纤本身为基本波导基底，再利用特殊工艺和辅助材料，使光纤波导中产生电光、磁光、声光、热光、加上波导耦合效应，从而实现光无源器件的应用功能。这类器件的主要优点包括：

1)与光纤传输系统有着良好的兼容性，插入损耗很小；

2)容易根据需要制成偏振相关或偏振无关器件，可直接应用于全光通信的全波带等；

3)制成器件的光学和电学性能较好，体积较小；

4)对于电气控制器件，所需电功率较小；

5)适宜构成阵列复用装置。

美国专利US7346240B1公开了一个集成光纤监测器和可变光衰减器的专利。它是将二根光纤分别作为入射光纤和出射光纤同时联接到一个反射镜上，反射镜设计成可部分透射，在反射镜后面放置一个光电探测器，这个透射光就被光电探测器收集作为监测光。在入射光纤或出射光纤放置机械式光闸可变光衰减器就将光纤监测器和可变光衰减器组合在了一起。这个方案由于采用了机械式光闸可变光衰减器使装置可靠性下降，同时用反射镜来作为分光装置也将光纤的纤芯切断了。

美国专利US7043132B2介绍了一种基于电光效应的平面光学波导的可变光衰减器，并在平面光学波导上设计分光装置和光电探测器，从而形成光功率监测器与可变光衰减器的组合。采用平面光学波导的器件制作成本非常高，与光纤的耦合很困难，耦合损耗也较大。

美国EigenLight公司也推出了将光功率监测器与可变光衰减器组装在一起的光功率监控器。其光功率监测器的分光原理是美国专利US7116870B2，它是将光纤弯曲并用二氧化碳激光在包层上开一小口作为分光结构，从而探测包层模来实现纤芯中光功率监测的。而且这种光功率监控器中的可变光衰减器是手工机械调节型的，不能实现电动控制。

集成化全光纤光功率监控器件具有集成度高、尺寸小、以及易于光纤系统连接的优点，是满足这些更高要求的理想器件。全光功率监控器的集成化是指在单一的光纤基底上加工出实现光功率监控所需的不同功能的器件。用于集成化的光纤基底本身就是光功率监控器的分光结构，而无需加入分立附加耦合器进行分光，而且由于基底就是光纤，所以可以与光纤系统直接熔接在一起。因此集成化全光纤光功率监控器件结构紧凑具有集成度高、尺寸小、以及易于光纤系统连接的优点，是符合通信发展趋势的光功率管理元器件。

美国专利US20050074208公开了一种集成化全光纤光功率监控器件的技术方案，它是在光纤上的一个平坦的抛磨区用光刻技术或者类似技术在抛磨区的左段蒸镀上两个平板电极，然后在电极上覆盖一种能随着温度而发生反射率变化的材料，左段形成可变光衰减器，右段则由一个光电二极管形成一个光功率监测器。该技术方案具有集成度高、尺寸小的优点，但是由于将可变光衰减器和光功率监测器制作在同一个抛磨区上，从而相互干扰大，光功率监测器会受到可变光衰减器的极大干扰；另外，其采用在光纤上蒸镀平板电极的制作方法难度极大，制作成本高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种尺寸小且相互干扰小、可靠性高的全光纤集成化光功率监控器。

本发明的目的还在于提供一种全光纤集成化光功率监控器的制作方法。

一种全光纤集成化光功率监控器，包括光功率监测器和可变光衰减器，其特征在于：在一段光纤的包层上设置了第一分光缺口和第二分光缺口，第一分光缺口与第二分光缺口相距5～25mm，第一分光缺口是可变光衰减器的泄漏光通道，第二分光缺口是光功率监测器的泄漏光通道。

上述技术方案由于光功率监测器和可变光衰减器的泄漏光通道是隔开的，因此其相互干扰小。由于是在同一光纤上设置了两个器件，而不是将各自设置了一个器件的两段光纤熔接在一起，从而集成度高，尺寸小，不易折断，可靠性更高。

进一步地，所述第二分光缺口沿光纤轴向的形状为V形，V形缺口底部距纤芯表面3～5um。在光纤上制作光功率监测器的方法有多种，比较有代表性的一种方法如美国专利US20050074208所述，在一个平坦的抛磨区放置光电探测器构成光纤光功率监测器。实验证明，V形缺口外围放置光电探测器构成的光纤光功率监测器的探测效率要比平坦的抛磨区要高得多，可以实现更低的插入损耗。中国发明专利申请200810029414.1详细公开了一种基于V形缺口的全光纤光功率监测器。

进一步地，所述第一分光缺口是D型光纤段，其底部与纤芯表面的平均距离为1～5um。D型光纤段是可变光衰减器的泄漏光通道，D型光纤段的底部与纤芯表面的平均距离如果大于5um，光将较难泄漏出去，如果小于1um，则对制作方法提出了非常苛刻的要求，难以实现。

进一步地，所述第一分光缺口上覆盖着负热光系数的聚合物，第一分光缺口所在的光纤段置于U型槽内，在U型槽的第一分光缺口段外围螺旋缠绕了加热电阻丝。

进一步地，所述可变光衰减器还包括金属外壳，金属外壳将加热电阻丝、第一分光缺口段光纤固定于其内，金属外壳内充满着导热胶。

所述光纤为单模光纤或多模光纤，也可以是保偏光纤。

一种全光纤集成化光功率监控器的制作方法，包括如下步骤：

(1)用轮式光纤侧边抛磨法将光纤的一小段设为制作可变光衰减器的侧边抛磨区，制作侧边抛磨的D型光纤段；

(2)与可变光衰减器侧边抛磨区相隔5～25mm的地方制作第二个侧边抛磨区，将光纤的此侧边抛磨区沿光纤轴向抛磨成V形；

(3)将D型光纤段置于U型槽内；在抛磨的D型光纤段的抛磨区覆盖负热光系数的聚合物；

(4)在放置有D型光纤段的U型槽的外部螺旋缠绕加热电阻丝；

(5)加热电阻丝固化热光聚合物，制作成可变光衰减器；

(6)将V形侧边抛磨区的光纤拉伸直；

(7)将光电探测器感应平面面对V形侧边抛磨区放置；

(8)将侧边抛磨光纤一端接到光源上，另一端接到光功率计上，并将光电探测器的电极引脚接到电流表或电压表上，测定光电探测器接收光能后的输出光电流或转换电压，调整光电探测器的位置，当光电探测器输出光电流或转换电压最大时，封装固定V形缺口段光纤与光电探测器间的相对位置；

(9)将侧边抛磨光纤和光电探测器进行保护性外封装，制作成光纤光功率监测器；

(10)将二个相邻侧边抛磨区上制作的器件间的光纤段拉伸直，并将二个器件固定在保护外壳上。

进一步地，步骤(5)在加热电阻丝固化热光聚合物之后，在加热电阻丝上涂布导热胶，然后将加热电阻丝和U型槽封装在金属外壳内。

所述双侧边抛磨区的侧边抛磨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，先在一小段长度上将圆柱形的光纤包层抛磨掉一部分光纤，形成一个侧边抛磨区，然后在相邻光纤段上再经侧边抛磨形成另一个侧边抛磨区，而在未抛磨过的光纤段，仍是圆柱形。

所述负热光效应的聚合物是折射率随温度升高而降低的聚合物。

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部件。

所述光电探测器接收由V型侧边抛磨区中由光纤纤芯中分光出来的光能量，用以监测纤芯中的传输光能量。

本发明的光功率监控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。

本发明的全光纤集成化光功率监控器的工作原理如下：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D型抛磨光纤段，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可变光衰减器。根据光纤中光能的出射方向，将另一抛磨区设计成沿光纤轴向呈V型的侧边抛磨区，将光电探测器置于伸直的光纤的侧边抛磨区外侧，低插入损耗下实现光纤纤芯中光功率的探测。

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。同时制作的光纤光功率监测器所基于的是具有沿光纤轴向呈V型的侧边抛磨区的侧边抛磨光纤，它不仅能实现光纤纤芯中光泄漏分光，还可实现较高效率的光电探测器接收分光能量。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、可与光纤系统直接熔接，制成的全光纤集成化光功率监控器既具有集成光学光功率监控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，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，制作出全光纤集成化光功率监控器，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(<0.7dB)、衰减范围大(0-80dB)、偏振相关损耗小(<0.17dB)、背向反射小(>70dB)、可用电驱动调控、可靠性高、制作成本低。

本申请专利的集成化器件是利用侧边抛磨光纤技术将全光纤光功率监控器和全光纤光功率监测器二者集成在一根光纤上，成为全光纤的集成化光电器件，同时实现光纤中光功率的监测功能和控制功能。这种集成不是将二个器件分别制作，然后再将各自的尾纤熔接起来的连接法，这样熔接起来的二个独立器件的连接光纤段最少要40mm以上，而且熔接点很易折断。本发明的集成是直接在一根光纤上制作二个侧边抛磨区，在同一根光纤上制作二个器件，二个器件的侧边抛磨区相邻距离仅5～25mm。距离太近，会引入干扰。距离过长，整体器件尺寸就会增加。

此外侧边抛磨光纤加工成本低廉，以它作为集成化基底可以大大降低集成化器件的成本。

本发明的全光纤集成化光功率监控器可用在光纤激光器、光放大器的增益平坦化、超窄光脉冲产生器等高性能光通信器件中。

附图说明

图1为本发明的全光纤集成化光功率监控器结构示意图；

图2为实施例1光纤双侧边抛磨区基底的测厚曲线图；

图3是全光纤集成化光功率监控器器件封装示意图；

图4为全光纤集成化光功率监控器传输光功率与光电探测器电路输出电压关系测试曲线；

图5是实施例1电流-光功率衰减曲线。

图中，1：光纤；2：纤芯；3：包层；4：光功率监测器抛磨区；5：可变光衰减器抛磨区；6：负热光系数的聚合物；7：电阻丝；8：光电探测器；9：光电探测器的引线；10：保护外壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

本实施例采用单模9/125um的光纤。

如图1所示，本发明的一种全光纤集成化光功率监控器，在光纤1上制作了可变光衰减器和光功率监测器。在覆盖有热光聚合物6的可变光衰减器抛磨区5置于U型槽(图中未示出)内，可变光衰减器抛磨区5抛磨成D型光纤段，其抛磨区覆盖着负热光系数的聚合物6，外围螺旋缠绕着加热电阻丝(也称电极)7，形成可变光衰减器。光功率监测器抛磨区4抛磨成V型，外侧设置着光电探测器8。

全光纤集成化光功率监控器的制作方法，包括如下步骤：

(1)用轮式光纤侧边抛磨法将光纤1的一小段设为制作可变光衰减器的侧边抛磨区5，制作侧边抛磨的D型光纤段；

(2)与可变光衰减器侧边抛磨区5相隔15mm的地方制作第二个侧边抛磨区4，将光纤的此侧边抛磨区4沿光纤轴向抛磨成V形；对抛磨后的光纤进行测厚，测厚曲线如图2所示，由于所用光纤为9/125um的光纤，由图可知，D型光纤段与纤芯的距离约为5um，V型缺口底部与纤芯的距离约为3um；

(3)将D型光纤段置于U型槽内；在抛磨的D型光纤段的抛磨区5覆盖负热光系数的聚合物6；

(4)在放置有D型光纤段的U型槽的外部螺旋缠绕加热电阻丝7；

(5)加热电阻丝固化热光聚合物，在加热电阻丝上涂布导热胶，然后将加热电阻丝和U型槽封装在金属外壳内，制作成可变光衰减器；

(6)将V形侧边抛磨区4的光纤拉伸直；

(7)将光电探测器感应平面面对V形侧边抛磨区放置；

(8)将侧边抛磨光纤一端接到光源上，另一端接到光功率计上，并将光电探测器的电极引脚接到电流表或电压表上，测定光电探测器接收光能后的输出光电流或转换电压，调整光电探测器的位置，当光电探测器输出光电流或转换电压最大时，封装固定V形缺口段光纤与光电探测器间的相对位置；

(9)将侧边抛磨光纤和光电探测器进行保护性外封装，制作成光纤光功率监测器；

(10)将二个相邻侧边抛磨区上制作的器件间的光纤段拉伸直，并将二个器件固定在保护外壳10上。

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5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。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。

Claims (9)

1、—种全光纤集成化光功率监控器，包括光功率监测器和可变光衰减器，其特征在于：在—段光纤的包层上设置了第一分光缺口和第二分光缺口，第一分光缺口与第二分光缺口相距5～25mm，第一分光缺口是可变光衰减器的泄漏光通道，第二分光缺口是光功率监测器的泄漏光通道。

2、根据权利要求1所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于：所述第二分光缺口沿光纤轴向的形状为V形，V形缺口底部距纤芯表面3～5um。

3、根据权利要求1或2所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于：所述第一分光缺口是D型光纤段，其底部与纤芯表面的平均距离为1～5um。

4、根据权利要求3所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于：所述第一分光缺口上覆盖着负热光系数的聚合物，第一分光缺口所在的光纤段置于U型槽内，在U型槽的第一分光缺口段外围螺旋缠绕着加热电阻丝。

5、根据权利要求4所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于：所述可变光衰减器还包括金属外壳，金属外壳将加热电阻丝、第一分光缺口段光纤固定于其内，金属外壳内充满着导热胶。

6、根据权利要求1所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于：所述光纤为单模光纤或多模光纤。

7、根据权利要求1所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于：所述光纤为保偏光纤。

8、一种全光纤集成化光功率监控器的制作方法，包括如下步骤：

(1)用轮式光纤侧边抛磨法将光纤的一小段设为制作可变光衰减器的侧边抛磨区，制作侧边抛磨的D型光纤段；

(2)与可变光衰减器侧边抛磨区相隔5～25mm的地方制作第二个侧边抛磨区，将光纤的此侧边抛磨区沿光纤轴向抛磨成V形；

(3)将D型光纤段置于U型槽内；在抛磨的D型光纤段的抛磨区覆盖负热光系数的聚合物；

(4)在放置有D型光纤段的U型槽的外部螺旋缠绕加热电阻丝；

(5)加热电阻丝固化热光聚合物，制作成可变光衰减器；

(6)将V形侧边抛磨区的光纤拉伸直；

(7)将光电探测器感应平面面对V形侧边抛磨区放置；

(8)将侧边抛磨光纤一端接到光源上，另一端接到光功率计上，并将光电探测器的电极引脚接到电流表或电压表上，测定光电探测器接收光能后的输出光电流或转换电压，调整光电探测器的位置，当光电探测器输出光电流或转换电压最大时，封装固定V形缺口段光纤与光电探测器间的相对位置；

(9)将侧边抛磨光纤和光电探测器进行保护性外封装，制作成光纤光功率监测器；

(10)将二个相邻侧边抛磨区上制作的器件间的光纤段拉伸直，并将二个器件固定在保护外壳上。

9、根据权利要求8所述的全光纤集成化光功率监控器的制作方法，其特征在于所述步骤(5)在加热电阻丝固化热光聚合物之后，在加热电阻丝上涂布导热胶，然后将加热电阻丝和U型槽封装在金属外壳内。

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