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修整光纤部件光程的方法和装置

基本信息

  • 申请号 CN00810042.X 
  • 公开号 CN1375069A 
  • 申请日 2000/05/16 
  • 公开日 2002/10/16 
  • 申请人 康宁股份有限公司  
  • 优先权日期  
  • 发明人 陈刚 吴奇  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 美国纽约州 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 上海专利商标事务所 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 钱慰民 
  • 有效性 暂失效-视为撤回 
  • 法律状态 审查中-公开
  •  

摘要

本发明的方法和装置完成修整,因此调节光纤装置,在一个实施例中通过精确加热光纤中的小区域(A),以允许它在封装中的张力下延伸。
通过脉动地产生精确量的热源(40),该延伸在大约200皮米的调节范围上可被精确地控制在1皮米的精度内。
在另一实施例中,用纤芯掺质能扩散的光纤,可以以纳米精度修整光纤的光程。
通过使用施加到光纤上局部能量的受控源,通过在装置的输入端注入宽带能量(30)并将光谱分析器(32)耦合到装置的输出端监控修整期间光学装置的频率特征,从而在两个系统中都可以实现实时修整。
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权利要求书


1.一种修整光纤部件的方法,其特征在于,它包括以下步骤: 将辐射源导向部件中的一部分用于加热该部分; 将宽带信号源耦合到部件的输入端; 将光谱分析器耦合到部件的输出端;以及 监控部件输出处的信号,同时选择性地从辐射源将辐射施加于部件,以获得 预定的修整效果。

2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,导向步骤包括提供射束宽度满 足部件中光纤尺寸的辐射射束。

3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,选择性地施加步骤包括将光阀 插入射束的光程中,并开启或关闭光阀以使射束产生脉动。

4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,导向步骤包括使用CO2激光器产 生辐射射束。

5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,导向步骤包括使用CO2激光器作 为辐射源,并进一步使用可视光谱激光器,它的射束同轴对准CO2激光器的射束, 射到部件上的一部分。

6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,导向步骤包括定位光纤布拉格 光栅部件,使接近于光栅的一部分对准辐射,并且选择性地施加步骤使该部分塑 性变形,以改变光纤布拉格光栅部件的光程,用于调节光纤布拉格光栅部件。

7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,导向步骤包括使马赫-曾德耳部 件的一部分对准辐射,并且选择性地施加步骤扩散该部分纤芯中的掺质,以改变 折射率和光程,用于调节马赫-曾德耳部件。

8.一种修整光纤部件的装置,其特征在于,它包括: CO2激光器,用于将其发出的射束导向光纤部件的一部分; 控制器,耦合在激光器射束的光路中,用于选择性地使射束产生脉动以控制 光纤部件中该部分的加热; 宽带信号源,耦合到光纤部件的输入端; 检测器,耦合到部件的输出端用于监控输出端处的信号,同时射束施加到部 件,以预定的方式修整光纤部件。

9.如权利要求8所述的装置,其特征在于,光纤部件是具有光纤在张力下 装配在基底上的光纤布拉格光栅,并且来自CO2激光器的射束加热光纤布拉格光 栅中接近于光栅部分的一部分,以改变光栅部分的光程用于修整光纤布拉格光栅。

10.如权利要求8所述的装置,其特征在于,光纤部件是马赫-曾德耳干涉 仪,并且来自CO2激光器的射束加热马赫-曾德耳干涉仪中一个支路的至少一部分, 使得纤芯掺质扩散,以改变支路的折射率用于修整马赫-曾德耳干涉仪。

11.如权利要求8所述的装置,其特征在于,还包括可视光谱激光器和用于 将可视光谱激光器的射束与CO2激光器的射束同轴对准的光学元件,用于使光纤 部件的所述部分对准CO2激光器的射束。

12.如权利要求11所述的装置,其特征在于,还包括安放光纤部件的XYZ 平台,用于使部件对准射束的定位。

13.如权利要求12所述的装置,其特征在于,还包括光学显微镜,它被定 位用于观察可视光谱激光器的射束,用于定位所述射束冲击光纤部件中所述部分 的光学部件。

14.光纤布拉格光栅,其特征在于,它包括: 基底; 光纤,在张力下装配在基底上,该光纤的边界区域沿其中光栅的相反两侧延 伸;和 至少一个边界区域被塑性变形,以将光纤布拉格光栅调节成预定的频率。

15.马赫-曾德耳干涉仪,其特征在于,它包括: 一对光纤,在接近一端的第一耦合器处和相反端的第二耦合器处熔合; 光栅,形成于第一和第二耦合器间的每个光纤中;和 其中接近于第一和第二耦合器中一个的至少一个光栅区域中的光纤纤芯掺质 被扩散,以调节马赫-曾德耳干涉仪。

16.修整光纤部件的方法,其特征在于,它包括以下步骤: 提供CO2激光器辐射源; 将CO2激光器的射束聚焦成满足部件中光纤大小的射束宽度; 使部件中的一部分对准聚焦射束,用于加热该部分; 将宽带信号源耦合到部件的输入端; 将光谱分析器耦合到部件的输出端;和 监控部件输出端处的信号,同时选择性地从辐射源将辐射施加于部件,以获 得预定的修整效果。

17.如权利要求16所述的方法,其特征在于,还包括使可视光谱激光器的 射束同轴对准CO2激光器的射束,用于使光纤部件中的所述部分对准CO2激光束射 束。

18.如权利要求17所述的方法,其特征在于,还包括配置光学显微镜的步 骤,用于观察冲击光纤部件中所述部分的可视光谱激光器的射束,用于精确地配 置其射束冲击光纤部件所述部分的光学部件。

19.修整光纤部件的方法,其特征在于,包括以下步骤: 将CO2激光器射束导向光纤部件的一部分,用于加热该部分;和 控制射束在该部分上的施加,以获得预定的修整效果。

20.如权利要求19所述的方法,其特征在于,导向步骤包括提供射束宽度 满足部件中光纤尺寸的辐射射束。

21.如权利要求20所述的方法,其特征在于,控制步骤包括将光阀插入射 束的光程中,并开启或关闭光阀以使射束产生脉动。

22.如权利要求21所述的方法,其特征在于,导向步骤还包括使用可视光 谱激光器,它的射束同轴对准CO2激光器的射束,射到部件上的所述部分。

23.如权利要求19所述的方法,其特征在于,导向步骤包括配置光纤布拉 格光栅,接近于光栅的一部分对准辐射射束,并且控制步骤使该部分塑性变形, 以改变光纤布拉格光栅部件的光程,用于调节光纤布拉格光栅部件。

24.如权利要求19所述的方法,其特征在于,导向步骤包括使马赫-曾德耳 部件的一部分对准辐射射束,并且控制步骤扩散该部分纤芯中的掺质,以改变折 射率和光程,用于调节马赫-曾德耳部件。
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说明书

                            发明背景 1.发明领域 本发明一般涉及光纤部件的修整,尤其涉及完成光纤部件光程修整的方法和 装置。
2.技术背景 基于光纤的装置由于它相对的低接入损耗和低成本,被广泛地用作光通信部 件。
光纤部件中最主要的是光纤布拉格光栅(FBG),它通常通过紫外线(UV)波长能 量照射制成。
一旦FBG被装配到基底上并退火,它就不再是光敏的,并不能被进 一步调节。
因此,必须根据经验预测这种光栅的最终频率,这可能导致重大的误 差和不符合规格的光栅。
由于连接过程和退火造成的波长移动的不确定性,封装 光纤布拉格光栅的中心波长通常与期望的中心波长有+/-20皮米的误差。
这种波 长误差结合例如可能为+/-50皮米的分布反馈激光腔的波长移动,和+/-20皮米的 剩余温度依赖,向设计提出了严格的要求,例如50GHz光纤布拉格光栅的设计。
浸渍光纤马赫-曾德耳干涉仪也能波长选择,并用于各种通信装置中,例如 光学开关、滤光器、波分复用器、多路分解器、和加/减滤光器等等。
在基于马赫 -曾德耳的装置中,光学性能严格依赖于两个干涉臂的相位差和/或光程差。
试图 用UV照射光纤进行相位修整,然而这种光纤必须是光敏的,并且在这种UV照射 后一旦退火,修整过程就不能进一步控制。
此外,由于UV辐射引起的相对小的折 射率变化,使用UV照射的最大修整值限制于少许波长。
在一些应用中,这种修整 过程可能不足以完成必要的光程变化。
因此,用光程灵敏的基于光纤的装置,不仅调节范围受当前技术的严格限制, 调节精度也受限制。
因此需要在相对宽带波长,以及精确波长上调节光纤装置的 系统。
                        发明内容 本发明的方法和装置实现了光纤装置的调节,在一个实施例中,通过精确加 热配置在张力下光栅附近的小面积光纤,以允许光栅长度改变。
通过脉动地产生 受控量的热源,这种光栅的光程在大约200皮米的调节范围上可以被精确地控制 在1皮米的精度。
在具有扩散掺质的光纤中,通过直接影响光纤折射率的热扩散,可以以纳米 的精度修整光纤长度,因此有效地改变它的光程。
在另一实施例中,通过在装置输入处注入宽带能量源,并将光谱分析器耦合 到它的输出,以监控在使用施加于光纤的局部能量受控源的修整期间光学装置的 中心频率,从而实现实时调节。
在本发明的较佳实施例中,能量源包括激光器和 特殊的CO2激光器,CO2激光器对应于装置中所用光纤的直径具有相对窄的射束。
来自激光器的能量被脉冲地导向光学装置的小面积中,这些脉冲提供修整过程的 精确控制。
修整光纤部件的方法,将辐射源导向部件中的部分用于加热该部分,将宽带 信号源耦合到部件的输入,将光谱分析器耦合器部件的输出,并监控部件输出处 的信号,同时选择性地从辐射源将辐射施加于部件,以完成预定的修整效果。
本发明的附加特色和优点将在以下详细描述中体现,对于本领域熟练的 技术人员附加特色和优点将在描述中显现出来,或者通过实施这里所述的本 发明和以下的权利要求书和附图而得以了解。
应该了解以上的一般描述仅仅是本发明的实例,并试图提供概况用于理 解权利要求所述本发明的本质和特征。
包括的附图用于提供对本发明进一步 的了解,被结合入说明书中,成为说明书的一部分。
附图显示了本发明的各 种特征和实施例,与描述一起用于解释本发明的原理和操作。
                          附图说明 图1是光纤布拉格光栅放大的侧面示意图,显示了部分的封装; 图2是图1中显示的光纤布拉格光栅和实施本发明方法所用结构,以及它们 与光栅关系的顶面图; 图3是说明使用图2中所示装置和方法修整光纤布拉格光栅的波形图; 图4是用作加/减滤光器的马赫-曾德耳干涉仪的示意图,可以在图4所指的 位置处根据本发明的另一实施例修整它。
                       较佳实施例的详细描述 首先参考图1,它显示了典型的光纤布拉格光栅组件10,它包括光纤12, 光纤上跨度大约30厘米的中心区域14被刻痕,期望光栅调节到1559.25nm。
光纤12通过一对分离的玻璃料18和20由如β-锂霞石的负膨胀系数基底16 支撑。
在玻璃料18和20之间,存在横跨光栅14,且每个长度为大约10厘米 的端部区域22和24,使得玻璃料18和20间的总距离为大约50厘米。
光纤12以大约10kpsi的张力装配到基底16上,光栅14由传统方法形 成,使用紫外光改变根据波长选中的图形中光纤12纤芯的折射率,例如波长 为大约1559.2纳米。
当然,用本发明的修整方法还可以修整其它频率的光纤 布拉格光栅。
然后,将光栅组件10退火,这样除去了光纤12的光敏性,防 止了任何进一步的变化。
结果,装配在基底16上光栅的精确频率可以较大地 变化。
在最终封装图1中显示的光栅之前,用图2显示的和现在描述的方法 和装置,它可以被精确修整,结果将它调节到精确的频率。
在图2中,显示了光栅组件10的顶面示意图。
通过加热图2中光栅端部 22中圆圈A所包围的隔离区域,将光栅修整成光栅区域14本身的期望光程, 虽然在需要时修整可以发生在端部22或24中的任何一端或两端。
这里揭示 了光纤12中接近于光栅14的区域可以被加热以改变它的粘度,粘度是冲击 激光束的宽度“w”函数,并与加热部分22的延伸速度的三倍成反比例,加 热后根据以下公式: ,其中“T”是加热温度,“z”是激光束的位 置。
在加热“t”时间后,局部光纤延伸Δ(使得光栅间距变短)为: 因此,发现通过用适当的热源和照射时间控制局部粘度,可以获得少量 的大约为几纳米的延伸。
在描述获得结果的特定实例之前,以下是图2中装 置和方法的概述。
在图2中,通过向光栅组件10的输入19提供宽带光能源,并将光谱分 析器32耦合到光栅组件10的输出21,可以获得光栅14的实时调节。
因此, 在修整之前,可以通过观察分析器32的显示输出确定光栅的波长。
假设期望 修整光栅组件14,将它调节成期望的频率,那将局部热源施加于10mm部分22 的中心,在较佳实施例中它离开玻璃料185mm,在圆圈区域A所指定的位置 中。
CO2激光器40提供所用的能量,该激光器的频率提供区域A的加热。
传统 的CO2激光器,如功率稳定性在每小时+/-1%内的SYNRAD 48-2W,可用于本发 明的较佳实施例。
来自CO2激光器40的光束42穿过控制光阀43,穿过分束器 44,到达焦距为1.5英寸由ZnSe制成的聚焦透镜46,因此该透镜离光纤布拉 格光栅上的位置A大约1.5英寸。
激光束42穿过分束器44,它用于同轴对准 来自氦氖激光器48的可视光束45,以提供可视的组合射束42和45,使得显 微镜50能够位于邻近位置A的区域中,用于可视地观察激光束42照射的区 域,以确保没有尘粒或其它污染物,并使CO2激光器精确地对准光纤区域A。
显微镜的放大率为大约100x,以监控加热区域A。
聚焦激光束的直径实质等于光纤的直径,在较佳实施例中为125μm。
如图 2所示,横向地提供来自激光器40的冲击加热光束42,基底16未被加热, 因此不会干扰光纤布拉格光栅14的修整。
在一个修整光纤布拉格光栅10的 实例中,光纤布拉格光栅在玻璃料之间的长度为50mm,张力σ等于10kpsi, 激光宽度“w”为0.2mm,在一秒内修整1.5皮米,这需要粘度为13.0dPa.s。
这导致对于光纤中所用石英的粘度温度为1200℃。
为了达到修整速度为每秒1皮米,首先使用具有类似张力和连接长度的 封装光栅校准激光功率和聚焦条件。
光栅安装在XYZ位移平台60上(图2中 虚线框中所示的),并使用氦氖激光束45和显微镜50定位。
由于显微镜视区 相对浅的深度,所以它有效地记录了加热区域的侧向和轴向位置。
如果有必 要进行更精确的记录,垂直于第一显微镜方向和激光方向的第二显微镜可用 于精确的对准。
一旦对准了参考光纤布拉格光栅,平台60可以容纳移动到同 一初始位置的其它光栅。
用可视激光束45、显微镜50、和位移平台60类似 地完成每个被修整光栅的最后调节和观察。
用受控机电光阀43使激光束42产生脉动,光阀43提供持续时间和频率 可选的脉冲,通常持续时间为1到30秒。
光阀43是商业中可获得的单元, 并允许激光器40保持持续接通,具有较好的稳定性。
如图3中波形图所示, 可以以较小的增量接近调节光栅波长的目标。
因此,用接近于0.660瓦特的 激光功率和2.5秒的照射时间完成例如4皮米的修整段。
图3显示了五次连 续照射,表现为光栅调节波长中的相对线性移动。
在照射激光束42大约10 秒之后,波长移动趋于稳定。
0.5秒的照射时间产生小于1pm的波长移动,它 超过了光谱分析器32的分辨率。
用以下等式显示波长移动: Δ λ Bragg λ Bragg = - Δ l ]]>其中“l”是两个玻璃料18和20之间的光纤长度。
因此光栅修整和布拉 格波长的调节量为: Δ λ Bragg = - σw 3 l ( t η ( T , z ) ) λ Bragg ]]>其中Δ来自以上的等式1。
如从以上所能看出的,1.5皮米的调节段对应于50nm的光纤延伸,允许 光栅14缩小或增加频率200皮米。
因此该系统可用于提供如Lucent 50 GHz 光栅的中心波长调节的严格修整。
图2的装置还可用于调节不处于张力下装配的光学装置,因此光程的变 化不是通过允许光纤松弛,而是通过光纤中掺质的扩散。
这改变了折射率, 因此改变了光程,用于例如图4中所示马赫-曾德耳干涉仪的精确调节。
现在参考图4,显示了被构造为加-减滤光器60的马赫-曾德耳光学装置, 使用本发明另一实施例的方法可以精确地调节它。
马赫-曾德耳加-减滤光器60 包括在第一耦合器63处熔合的第一和第二光纤62和64,并具有在其中分别 形成的分支光栅66和68,光栅可被调节以符合以下将更详细描述的波长λ1
光纤延续到第二溶接耦合器65,并在在光纤62的输入69处和光纤64的输出 70处终止。
光纤62的输入61接收例如八个调制信号信息的离散波长λ18
加-减滤光器60在输出端67处除去λ1频率,并允许将在输入69处的λ1′加到 输出70处的λ28
马赫-曾德耳装置60以传统方法制造,并必须被修整以调节光栅66和68。
通常,使用紫外线辐射修整如装置60的马赫-曾德耳装置,然而如上所述, 一旦该装置被退火该辐射就无效了,并且这种退火影响光程,因此改变了任 何可能发生的修整。
此外,紫外线辐射不能有效地改变折射率,因此,不能 有效地改变光学装置的光程。
结果在过去,经常在加入端69之前配置隔离器 以降低多反射干扰。
通过使用图2所示的修整装置并将受控量的热量施加在 精确的位置,马赫-曾德耳装置60的光栅66和68可以精确地相位匹配。
耦 合器63和65也可被修整以改变它们的有效耦合长度,以提供50/50耦合器。
用类似于以上参考图2描述的方式通过激光束42将精确量的能量施加到 邻近于箭头B所指干涉光栅66或68中的一个光纤区域,例如在图4中,纤 芯掺质向包层扩散,降低了折射率并缩短了干涉臂66、68其中之一的光程。
根据那条支路需要光学缩短以实现两个干涉光栅的相位匹配,可以将能量施 加到光栅66或68中心的任一侧。
通过在输入端61提供宽度信号,并监控端 口70的输出以确定由于滤光器除去λ1缺少波长λ1处的能量,可以实现实时的 修整。
能量的大小稍大于相对于第一实施例所述的,其中掺Ge光纤需要稍大 于来自激光器40的脉冲,在大约10到30秒的时间内将目标区域B处的光纤 温度升高到大约1600℃。
对于掺Fl或Bo的光纤,大约1400℃的较低温度能 导致光纤折射率n的期望变化,以完成修整。
通过在观察分析器32的输出找 出λ1频率的期望最大抑制时逐渐地施加激光束42的脉冲,以实现实时修整。
另一种方案是,可以监控输出67找出在除去端口67处λ1频率最大反射的电 平。
除了使干涉光栅66和68相位匹配外,还可以调节耦合器63和去耦合器 65用于提供相等的能量分割,通过将激光能量施加到箭头C和D分别所示的 一个或其它支路,再次引起纤芯中掺质的扩散降低折射率“n”。
通过相位修整马赫曾德耳装置两臂之间光程中的不平衡量,同样的扩散 修整技术还可用于不平衡和桥式滤光器,以及用这种相位修整和耦合器修整 可以将串扰和光学开关优化成优于40dB。
在本发明的第一实施例中,通过延长光栅到玻璃料的边缘连接缩短光栅 间隔以增加光栅中心频率。
在第二实施例中,减小折射率以减小光纤部件的 光程。
用任何一个实施例,都可以完成光纤部件的精确调节。
对本领域熟练的技术人员显而易见的是不脱离以下权利要求所定义本发 明的精神或范围可以做出对这里所述本发明较佳实施例的各种变化。
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