TW434427B - Fiber coupler variable optical attenuator - Google Patents

Description

n 3 4.4-27 ® 五、發明説明（丨） 發明領域： 本發明係關於光學衰減裝置以及特別是關於熱補償光 纖耦合器可變化光學衰減器（VOA)。 發明背景： 各種設計VOA被廣泛地使用於區域及長距離電話網路 。這些裝置應用包含例如光線衰減器，切換器，分裂器，光 線訊號合併器/耦合器，光線多工器等。預期熱補償光纖耦 合VOA成為發展高性能通訊系統之關鍵。設計可變化以及 可靠性包裝之能力而能夠承受服務20-25年使用期限内各 種熱以及機械應力，該能力為相當重要。 使用光纖耦合可變化接頭之各種光學系統為已知的技 術，可參閱例如Miller等人之美國第號專利5146519號專利 ，其發明名稱為"Rotary Variable Optical Tap1';Keck等 人之美國第5353363號專利，其發明名稱為”〇pticai Fiber Bendable Coupler/Switch Device"。光線訊號可變化衰 減藉由雙圓錐耦合器彎曲或旋轉(扭轉）負載而達成，其包 含-對融合至狹窄區域之光纖。通常，耗合器彎曲於狹窄 區域中，因而能夠選擇搞合比。 因而，光_合可變絲學衰減包料多種材料組件， 在其中產生熱學或齡m频被作用，尺相及構造，以 及負載與所使賴料之特性-樣麵。使祕雙錐形搞合 器以及光纖帽㈣石玻璃對週㈣料（合金或包裝塑膠) 之熱⑽不相匹配性將產生熱應力，其將影響光線之衰減 。為了麟融玻璃叙合器與負载機械以及外殼間之熱收縮 3 s—4⑽21迓 五、發明説明（3) 不相匹配性在熔融耦合器中產生熱引起之應力負面影響減 為最低，光纖能夠藉由對準技術機械性地加以調整。不過 調整產生與溫度相關之光線衰減變化，其由於熱學不相匹 配性以及調整產生不對準之共同作用產生。使用於這些包 裝中當組裝於保護性外殼中時負載裝置無法完全地作熱補 償以及產生額外不相匹配應力。這些包裝亦對機械衝擊以 及變化為靈敏的，以及因而耦合比重現性隨著時間而改變 。除此，含有這些提供可變化彎曲或扭轉負載I置之包裝 在製造時為非常昂貴的。 订 需要得到南精確性完全自行作熱補償耦合光纖可變化 光學衰減系統為相當便宜的，該系統在大偏移以及溫度範 圍内能夠容易調整，以及由市場上可取得以及容易作機械 加工之材料製造出，以及操作時為可靠的。除此，外殼設計 不但適合機械性地保護易脆玻璃組件以及補償熱產生可能 之光學衰減偏移以及減為最低。 本發明一項目標在於設計上述型式耦合光纖可變化光 學衰減包裝，其構造為簡單的，微小的，使用便宜材料以及 製造方法以及在廣泛環境條件下操作為可靠的。 發明大要： 在本發明一項實施例中，耦合光纖可變化光學衰減器 包含融合雙錐形矽石玻璃耦合器，其包含一對光學波導纖 維在狹窄區域中融合在一起。耦合器裝置於保護性外殼内 ，其 3而轉炎住以及一端為自由端。外殼由金屬合金或包 裝塑膠材料製造出。為了減小位於耦合器被夾住部份熱學 &尺度適用中囡囡家褚準（CNS)六4规格（2丨0 χ 29?公净） 五、發明説明

^34427 ===配域之應力；合雜裝通過健 應力之緩衝器，合器自由端飢=件 ==!件包含電子步進馬達，產生偏心移： 垂直^以及轴承之推桿，其串連鱗接。推 ^與耦合㈣接通卿溝槽與球狀套管接觸於輕合叩 :=2f，轴承，推桿以及咖形成機動鏈接 “.''工由推杯之軸向移動將馬達轉變為耦合器自 ^之側向偏移。機動鏈接構件以及外殼尺寸以及孰學一 機=數在包接構件圍蔽體内將幾乎滿足完钱補償 定義料纖裝置尺寸相當穩定 .杜:、化產生之輸出變化在使料可加以忽略。馬達構 亦裝置堅轉如關岭器之㈣偏料及保護避免 ί=?ί送意1 卜掉落之機械衝擊產生之過度偏移，. 二為i而（置套官，其具有球狀抛光表面放置為推桿端 =接觸。接縣管設計能夠對外殼铜溫度·產生之抽 爾以及將推桿垂直(軸向)移動轉變概^ 。減偏& ^搞合$移動部份對接觸套管球狀表面之幾 何中心為平衡的，當其受到機械性衝擊時能夠保護輕合器 為了減小賴波導巾熱應力，外殼亦需要裝置熱補償裝 ^其串連地錄外殼外殼光纖之間。熱補償裝 置為兩層圓柱形材料，其由非常低彈性模數以及非常高膨 脹性材料(例如RTV石夕樹脂)所製造出數個(層）薄塾片以及 由^屬制馳離以及具有巾央孔徑與光學波導巾心對齊 。藉由適當辦㈣之熱-讀，丨纽聽/之尺寸，加 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本页)

A7 B7 五、發明説明（ή-) 入鏈接構件之熱補償裝置大大地減小光纖中熱應變，其為 本發明新穎處。金屬碟片功能為當對光纖施加過度負載情 況下將限制黏彈物體之偏移。假如多墊片黏附至限制黏彈 體側向變形之尚彈性模數材料，厚的單一黏彈性塾片承受 負載產生之偏移將大於兩個一半厚度墊片之情況。光纖固 定地黏附至熱補償器最内部構件，其因而穿越過黏彈性以 及金屬層以及最終最外側構件固定地黏附至外殼内^該排 列允許内側與外側構件間相對移動以及由材料熱膨脹/收 縮產生移動，使内側構件與光學融合耦合器間保持為固定 尺寸之關係。 ,本發明另外一個實施例中，可變化地衰減傳送通過光 學訊號裝置之外殼，先_合11«第-端輕段，第二端 4區又，以及第—與第二端部區段間之中央部份· 少-:份苐-端部區段之套管；固定雜合器第一端部區段 於ϋ裝置表面之構件；’著至少—部份第二端部區段 1 外殼裝置表面之喊;絲，討旋轉地連 件妓Π 柄合益第二端部區段之構件，在其中這些構 雜姆以偏_合器第二區段獅；限制支樓 向運行之構件；以及具有孔徑之熱補償構件， 伸通過孔對齊，其中搞合器光纖延 弟二端部區段偏移可改變地影響通翻合器之傳 在另外-個貫施例中，固定搞合器第一端部區段相對 五 34427¾ A 7 B7 、發明説明 於外殼裝絲._包含職㈣叫 第一端部區段之套管啣接。 本發明另外1巾，·著—部份 套管包概球狀外部表面共同地與支_=之 月另外~射，軸承具有轉_心抽而能釣產生 偏心轉動。 本發明另外—項中，限制支樓構件運行方向之構件包 含機械式阻動塊。 本發明另/卜—射，熱猶元件包含雙機I结構，其 包3。層低彈性模數(150-5_si)，高膨脹性(150-300X 1 〇B/°C)材料緊_附其上面金屬層材料，其更進—步黏附 至外殼。 本發明另外—項中，耦合器包含光纖輸出端埠以偵測 光學功率。 本發明另外一項中，裝置包含閂定構件，使得當裝置產 生電子功率損托時傳送通過裝置之輸出訊號為固定的。 本發明另外—項中，裝置包含限制支撐構件未控制移 動之構件。 附圖簡單說明： 第—圖（圖1)為移除外殼覆蓋之VOA實施例上視圓。 第二圖（圖2)為圖1通過斷面a-A實施例之斷面圖。 第三圖（圖3)為熱補償元件實施例之斷面圖。 第四圖（圖4)為圖1實施例v〇A之透視圖。 第五圖（圖5 )為本發明v〇A另外一個實施例之透視圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填鸿本頁) Λ· 二度边吊中闺舀家楛李 (CNS )八4規格（210:<297公汴） 434427« ~~~--—_五、發明説明（b

第圖（圖6)為本發明圖5之分解圖^ 附圖元件數字符號說明： 、邛區& 1’3;軸襯2;夾頭組件2a;外殼4;球狀表 面5;套管5a;平衡塊6;構架7;推桿8;軸9;馬達10: 組件」2;熱補償裝置13，14;.外殼！5;薄塾片16;金屬碟 7;&彈菁20;支樓25;耦合器101;套管104;托架106. 套官⑽;套管1H);外部表面112;馬達114;袖1ί6;結 構118,孔位122;托架！24;熱補償組件13〇;細縫132。 優先貫施例詳細說明： 、參考圖1,2及4,其中相同參考數字表示裝置之相同零 他_光源(並未顯示出）提供裝置輸人寬廣頻帶光線訊號^ =融雙圓錐形秒石玻軸合·丨，其具有第二自由端部區 奴丨以及第一固定端部區段3,其經由低模數材料軸襯2裝置 於夾頭组件2a。該軸襯優先地為RTV矽樹脂材料，其一種特 ^將提供作為減小應力之離器。叙合器裝置於保護性外 以内。耦合益第一端部區段1 一部份由包含抛光球狀表面 5之套管5a。平衡塊6亦包含一部份第二端部區段相鄰於套 管5a ° 由馬達1G(優先地為具相定功能之步進馬達)，轴承9 ’推桿8,以及g合·丨構紅獅鏈接構件機械性地 達轉動經赫桿轴向鶴轉變聽合器自由端之側向偏移 °軸承9優先地具有具有旋轉中心偏移縱向中心軸之圓形 斷面使轉動產生偏心移動。在外殼侧邊壁板與耦合器支撐 25側邊壁板間之彈簧20在推桿並不被促動時提供力量以^ 本成ίπ人'乂速4 V2祝家益举（CNS } Λ视格（2ΙΟΧ 297公發） (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁)

,13 44 2 7® at —_____—B7 五、發明説明（Ί) ~~~~

, I 動耦合器端部進入未偏移位置。裝置亦按裝剛性構架八其 &帝]搞合器軸向偏移以及保護其避免由於失誤或運輸時意 外掉落機械衝擊而產生過度偏移。除此，導引推桿8之組件 12具有中央導引洞孔以及兩個未顯示出之側邊端崞）。在 導引/同孔母一端處之兩點（並未顯示出）導引組件12内推桿 8軸向地移動。彈簧丨丨促使推桿8與組件12導引點接觸以及 亦對推桿提供避免轉動之控制。 包裘亦裝置熱補償裝置13及14,其串連地位於外殼與 光纖輸入/輸出相互連接間。熱補償器為雙材料圓柱層如 圖3所示，其包含數個由非常低彈性模數(例如丨5〇-5〇〇psi) 以及非常高膨脹性（150-300x106/°C)材料所構成薄墊片（ 層）16,其由黏附至外殼15或中間界面20上作高溫硫化處理 之金屬碟17所隔離，該外殼連接至保護性圍蔽體。如圖3所 示，具有中央孔徑之應力補償器與光學波導中心軸對齊。 具有適當選擇材料特性以及依據該層之熱以及應力分析之 塾片尺寸，加入機動鏈接構件之應力補償裝置能夠顯著地 減小光纖熱學不相匹配之應變以及光纖偏離放置產生之應 變。 與加入光纖，金屬或塑膠外殼，黏接性材料層，以及機 動構件不同之玻璃耦合器形成熱靜定機械系統，其存在由 於熱收縮不相匹配引起之殘餘熱應力。除此端部位置偏移 之光纖存在額外彎曲應力。該熱引起應力對光學系統中玎 變化衰減以及插入損耗具有影響。

本發明圖5-6顯示另外一個實施例中，光纖耦合器VOA c請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

本饫^尺度適.¾匕司國家(?:準（C\TS )八4说格（公尨） 1〇 434427® 五、'發明説明（，g ) 包含外殼4,融合光纖耦合器101裝置於其外殼上。耦合器 l〇i具有第一端部區段3,第二端部區段1，以及第一與第二 區段端部間之中央區段 圍繞著第一端部區段3套管1〇4藉 由按裝托架106固定至外殼。另外一個套管108圍繞著一部 份耦合器第二端部區段1，以及較大直徑套管延伸部份11〇 圍繞著耦合器端部區段於鄰近套管108處。一部份套管1〇8 優先地具有拋光球形外部表面112,其容易使耦合器由於位 移沿著彎曲之路徑移動。馬達114連接至外殼按裝表面，以 及軸116裝置成可與馬達共同地旋轉。馬達優先地為電動 的，可反轉的，閂定步進馬達。軸;[16具有旋轉中心轴，其為 偏移中心的，如圖6所示以產生偏心移動。結構1丨8支撐耦 合器自由端以及作為裝置之力量轉移構件，其類似第—實 施例推桿8。結構118具有孔徑，其籍由與球狀套管部份112 啣接以支撐耦合器自由端。結構118亦具有U型孔徑122,其 %於凸輪116上使得離心凸輪轉動側向地移動結構118及偏 移耦合器之自由端。連接至外殼之托架124包含懸出區段， 其避免結構體118未受控制地移動。結構體丨18亦具有插銷 (亚未顯示出）由其中侧向地延伸出，其與固定螺絲（並未顯 =士）共同地啣接以及作為結構體118之機械性阻動塊在耦 合器端部無偏移方向移動。裝置包含熱補償組件130,其如 同圖3旋置13,14。組件130與外殼端部中細縫132咱卩接 一本發明上述所說明兩個實施例顯示出之設計方法為使 個熱赠系統以達成幾乎與溫度無關之衰減控制。存 在包圍機動鏈接構件外殼之機動鏈接構件整體熱補償；甴 A7 B7 434427^ 五、發明説明（c 轉移負載接觸套管裝置5之局部熱補償；以及熱應力減緩器 13,14;熱補償组件130串連地放置於光纖與外殼之間。所 需要衰減藉由使用所說明熱補償負載構件達成。可容忍插 入損耗偏移之預測主要依靠分析組件之結構構件中所有應 力以及不同材料所構成黏附區域中局部不相匹配應力。此 期主在农減包封令此夠進行非常低熱靈敏性之操作。 本發明藉由使用上述型式衰減包裝達到一些其他優點 。使用於本發明之外殼材料為便宜的。電子界面使用四條 引線之設計，其能夠作遞增，遞減以及重新設定。這此材料 之熱學-機械特性為已知的以及能夠加以預測。衰減包裝 能夠精確地作機械加工。 本紙張尺度適用少囤闽家榡準（CNS ) Μ規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. ABCD 434427故 申請專利範園 1, •種可改變地衰減光學訊號之裝置，該訊號傳送通過 該 裝置，該裝置包含： · 圍蔽體； · 光纖福合器，其具有第一端部區段，第二端部區段，以及 在第一與第二端部中間之中央區段； 將耦合器第一端部區段固定至圍蔽體按裝表面之構件； 套管，其圍繞著一部份耦合器之第二端部區段； 平衡物，其連接至耦合器第二端部區段之一部份相鄰於 套管； 馬達，其連接至圍蔽體之按裝表面； 軸，其裝置為可與馬達共同地轉動； 支撐耦合器第二端部區段之構件； 產生施加於支撐構件回復力量之構件以反向地偏移耦合 器之第二端部區段； . α 力量轉移構件，在一端與抽以及在相對一端與套管共同 地啣接以施加橫向力量於耦合器之第二端部區段； 連接至按裝表面組件，其具有孔徑，力量轉移構件通過該 之 孔位以及其尺寸將提供—條導引路徑作為力量轉移構件 軸向移動，以及 立熱補償構件，其具有孔徑通過其中串連地對準耦合器端 部區段，其中耦合器光纖延伸通過孔徑以及固定地讳= 熱補償元件於孔徑内’ 主 其中執合器第二端部區段偏移可變化地影響通 之傳送損耗。 ^ 本尺度這用1卜固固家g a (CNS ) A4^m ( 210X297^7 Λ8 BS C8 DS 12

   本紙& 六、申請專利範国 2 專利範雜項之裝置，其中將耦合器第一端部 ^段SU至置表面之構件包含剛性夾頭組件以及 界於__合器部份第—端輕段之間。 依據申請專利範圍第i項之裝置，其中套管包含抛光球形 外部表面。 t依射料利範_項之裝置，射平衡侧繞著揭合 器之部份弟二端部區段。 5. 依齡請糊範咖項之裝置，財軸具捕動偏心轴 使得轉動時產生偏心移動。 6. 依據申請專利範圍第3項之裝置，其中力量轉移構件為推 桿，其具有V型溝槽於端部中共同地與套管球形表面喻接。 7. 依據申請專纖圍第6項之裝置，其巾連接至按裝表面之 、到牛包含導引點於孔中相對轴向端部處以導引推桿通過 孔k，以及更進-步包含—個彈簧連接至難體以及斷面 與推桿共同地啣接以促使推桿與導引點接觸。 8. 依據申請專利範圍第！項之裳置，其中熱補償元件包含雙 材料層結構，其包含-層低彈性模數(15〇—5〇〇psi)高腾脹 ί·生(150-3⑽xl G6/ C)材料相鄰於黏附韻層材料，其連接 至盒子，以及更進一步連接至囱蔽體。 9. 依遽申請專利範圍第1項之裝置，其中更進一步包含馬達 連接動力裝置。 10. 依據申請專利範圍第1項之裝置，其中耦合器包含光纖 輸出端埠以監測光學功率。 U.依據申請專利範圍第1項之裝置，其中更進一步包含閂 尺度適用中S国家搖準（CNS ) Λ4况格（2!ΟΧ297公贵） ----------知—— 一請先閱讀背面之注意事項存填涛本萸) 訂 4 3 442 7鑣、申請專利範圍 A8 B8 C8 m

   3 定構件，當裝置產生電子功率損失時傳送通過裝置 訊號為固定的。 . ？别出 12.依據申請專利範圍第1項之裝置，其中更進—去勹人“ 學感測器以及相關構件以控制耦合器偏移大丨/匕3光 嶽學職鐵崎傳送_ 圍蔽體； 光纖耦合器，其具有第-端部區段，第二端部區段 在第一與第二端部中間之中央區段； ’ 圍繞者弟'一端部區段之套管； 將輕合器第-端部區段固定至圍蔽體按裝表面 套管，其圍繞著耗合器之部份第二端部區段； 馬達，其連接至圍蔽體按裝表面； ’ 軸，其裝置為可與馬達共同地轉動· 支擇搞合②第二端部區段之構件，該構件在每H 共同地啣接以偏移耦合器之第二端部區段； 而，、旱 限制支標麟運行方向在某—方向之構件；以及 熱補償構件，其具有孔徑通過其中串連地對準輕合 中 ，卜. Η >·· % ---------裳-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '1T 部區段，I中耗合器光纖延伸通過孔徑以及固定地 熱補償元件於孔徑内， π接至 糕合器S二端部d段之偏移可變化地影響 傳送損耗。 14.依射請專纖_3項之肢其巾軸合器第 部區段S定至崎難置表面之構件包含紐爽頭組件共 本紙浓尺度边用中關家捸準(CNTu^Ti^^ I 4 3442 7雄 B8 C8 六、申請專^^ 同地與圍繞著第一端部區段之套管咱卩接。 衣據申請專利範圍第13項之裝置，其中圍繞著耦合器部 份第二端部區段底部之套管包含拋光球形外部表面共同地 與支撑構件★接。 16.依據申請專利範圍第π項之裝置，更進—步包含另外— 们套其圍繞著柄合益部份第二端部區段相鄰於圍繞著 部份第二端部之套管。 Π.依據申請專利範圍第13項之裝置，其中軸具有轉動偏心 軸使得轉動時產生偏心移動。 18. 依據申請專利範圍第13項之裝置，其中限制支撐構件運 行方向之構件包含機械性止動塊。 19. 依據申請專利範圍第13項之裝置，其中熱補償元件包含 雙材料層結構，其包含一層低彈性模數（150-5〇〇psi)高膨 .脹性（150-300x106/ C)材料緊鄰於黏附金屬層材料，其連 接至外殼，以及更進一步連接至圍蔽體。 20. 依據申請專利範圍第13項之裝置，其中耦合器包含光纖 輸出端埠以監測光學功率。 21，依據申請專利範圍第13項之裝置，其中更進一步包含閃 定構件，當裝置產生電子功率損失時傳送通過裝置之輪出 訊號為固定的。 22.依據申請專利範圍第13項之裝置，其中更進—步包含— 個構件以限制支撐構件之未控制移動。 本纸張尺度遝用,丨，囯园家標準（CNS ) Λ^^Τϊ^χ297公货） 4 (請先閱讀背面之注意事項再填·"本頁} li— n H -1 - i n n .^1 n T 、hT--° ~ΐ