專利名稱：生產光纖元件的方法和設備的制作方法
發明的背景1.發明的領域總的來說本發明涉及加工光纖元件，尤其涉及精確控制光纖元件光路長度的方法和設備。
2.技術背景由于光纖相對較低的插入損耗和成本，光纖基本裝置被廣泛用作光通訊的元件。光纖元件中首要的是纖維布拉格(Bragg)光柵(FBG)，它通常通過紫外線波長能量輻照來產生。一旦一個FBG被安裝在基底上并被退火，它就不再是感光性的，也不能被進一步改變了。因此，通過經驗來預測這種光柵的最終頻率是非常必要的，這個頻率會引起重大的誤差，導致光柵不符合規格。由于波長變化由附屬加工和退火引起的不穩定性，一個封裝的光纖布拉格光柵的中心波長(CWL)可以在與理想CWL相差±60皮米的范圍里變化。這種波長誤差加上例如，分布式反饋激光器的波長漂移——可能相差±50皮米——再加上剩余溫度相關的±20皮米，對設計——比如說，50兆赫茲的纖維布拉格光柵——有非常嚴格的要求。
纖維布拉格光柵的典型附加步驟是把纖維的一端連接到基底上，憑經驗用一定量的拉力拉緊纖維，然后連接纖維的相對一端。
圖1表述了這一過程中產生樣本的CWL分布情況。因為總共可用的范圍只有±40皮米，所以光柵中只有部分(20％到30％)的光柵可被應用。
用CWL對光調諧纖維設備在少于±15皮米的范圍內進行的精確控制是理想的，它可將系統中鄰近通訊信道間的串話減到最小。為了保持調諧的光纖器件如纖維布拉格光柵的CWL，使用β鋰霞石基底，它具有-7.5ppm/℃的熱膨脹系數，以此來補償伴隨溫度變化而來的折射率的變化。有這樣的基底，由0℃到70℃溫度變化范圍而引起的CWL變化已被減小到±15皮米。從而，雖然一旦被生產基底挑選改進了設備的穩定性，但仍然需要生產像纖維布拉格光柵或其它光調諧元件，使它們達到精確CWL器件產生的成品率高于過去用現有的生產技術生產所用的。
已發現光纖器件的CWL的變化率既不是用于設備生產的激光功率的函數，也不是基底材料的結果。取而代之地，變化率看來是連接工藝中所固有的，所以，對精確調諧的光纖器件的生產來說仍然需要工藝和系統。
發明概要本發明的方法和設備通過塑化安裝的光纖設備的一連接端以及在監測CWL時精細地調節纖維的張力來完成光纖設備的生產，使它們達到了精確的CWL規格。
生產精確CWL光纖元件的方法包括在張力下將纖維元件的兩端固定于基底之上的步驟，以達到近似理想的CWL。隨后，纖維的一端用可移動的夾具夾住，而鄰近的附著裝置在調節纖維上的張力的同時塑化直至CWL在理想范圍內。連接裝置在纖維上的張力被可移動的夾具保持時重新硬化。
在一實施例中，纖維的一端與使用玻璃料、膨脹系數為負的基底結合，而相對一端在CWL被監測的同時靠一移動的夾具在張力下抓緊。對70毫米的基底來說，纖維張力靠移動夾具的調節直到CWL大約為.35納米低于目標CWL。下一步，第二玻璃料將纖維同基底在可移動夾具的鄰近相對一端結合。CWL又一次被檢查，若相差超過10皮米，則通過將夾具移動至先前的位置重新施加張力，重新加熱和塑化第二玻璃料，并且在監測CWL的同時調節夾具直到CWL的變化等于對應于介于第一測量CWL和目標CWL間的差的一個大量。一旦冷卻下來，夾具就被釋放，最終的CWL就被測量和記錄。
這個工藝的結果產生了精確光調諧設備，比如纖維布拉格光柵。雖然特別適合于生產纖維布拉格光柵，其它的可調諧光纖元件也能使用這樣的技術而被生產，以便在生產中精確控制光纖設備的光程。
本發明另外的特征和優勢將在隨后詳細的描述中被闡明，并且對那些對于描述中的工藝嫻熟的人來說，將更加明顯，或者通過如以下描述中的描述連同權利要求和附圖一起操作發明來得到認可。
您將明白，前面的敘述只是發明的示例，這里將按照權利要求所定義的提供對發明的性質和特性的理解的總概括。附帶的圖紙被包括進去來提供對發明的進一步理解，并被和起來組成這份說明書。圖紙展示了發明不同的特性和實施例，連同它們的描述很好地解釋了發明操作的原理。
附圖簡述圖1是說明用傳統技術生產出來的纖維布拉格光柵的CWL變化的圖表；圖2是纖維布拉格光柵的放大側視圖，部分顯示了根據本發明的封裝和生產；圖3是纖維布拉格光柵和根據本發明生產過程的第一步生產該光柵設備的側視圖；圖4是圖2所示的纖維布拉格光柵生產過程中第二步的側視圖；圖5是圖2所示的纖維布拉格光柵生產過程中后續步驟的側視圖；圖6是說明本發明生產過程中所產生的精確CWL纖維布拉格光柵的高成品率圖表。
較佳實施例的詳細描述圖1中的圖表通過取40個使用現有技術的樣本說明了預測的CWL和實際CWL之間的CWL變化，如圖所示，變化在低于理想CWL(在圖中由打點線表示)的大約70納米到高于理想CWL的大約75納米。落在理想CWL±40皮米范圍內的樣本數相對少一些，占由傳統的經驗處理制成的纖維布拉格(Bragg)光柵總數的20％到30％。
為了將成品率提高到如圖6所示的，圖2中說明的纖維布拉格(Bragg)光柵根據與圖3到圖5有關的所描述的步驟和設備被生產出來。如圖6所示的，一近似有70個根據本發明生產出來的纖維布拉格光柵的樣本，成品率80％的落在理想CWL±10皮米范圍內的光柵。這個精確生產的光柵的公差帶顯示在圖6打點線之間。甚至是落在精確控制帶之外的光柵，對多數應用的例子來說，大部分也會很好地落在可接受范圍±40皮米之間。從而，當只有很少的傳統生產的纖維布拉格光柵落在±10皮米的標準之內時，根據本發明的步驟生產出來的光柵超過80％落在這樣的公差范圍內。用本發明的步驟和設備取得的戲劇性的結果以及產生的光纖元件正參考圖2到圖5在纖維布拉格光柵的內容中被描述。
在圖2中顯示了部分包裝的纖維布拉格光柵裝置10，包括內有光柵14的光纖12，光柵14是刻入中央區域且擁有精確控制的CWL，比如1559.25納米。光柵12是通過一對隔開的玻璃料18和20在諸如β鋰霞石的負膨脹系數基底16之上被支持的。在玻璃料18和20之間，有纖維末端帶22和24橫越光柵14。纖維12根據本發明的生產過程安裝在基底16的上表面15之上，用傳統方法形成的光柵14利用紫外線選擇性地改變圖案中纖維12的纖芯的折射率，在例子中該圖案是挑選近似為1559.25納米的波長。其它頻率纖維布拉格光柵或調諧光學器件能用本發明的方法生產。
在圖3中，顯示了根據本發明用于生產纖維布拉格光柵10的設備。設備包括基底的支撐物30，該支撐物通常包含敞開的矩形框架，基底16定位于其中，在生產過程中可適當地支撐基底而不對其施加任何重大的側向力。支撐物30在生產過程中擱在基準面32之上。在一端(圖3左面所示的)是對于基底16在適當的位置支撐纖維12的一端19的固定夾具34。在纖維12的相對一端21，裝了移動夾具36，它包含具有測微計調整能力的安裝在可移動架上的夾具。如圖3所示的，同纖維12左端連接的是寬帶光源40，而同光纖12的另一端連接的是光譜分析儀42，這樣一來使光柵的CWL在生產過程中被監測。
在生產第一步的0.125毫米光纖的例子中，纖維上放置了5克的負載。下一步，玻璃料粘片18被施加到纖維12的末端區22的鄰近區域，同時來自二氧化碳激光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，加熱基底的下表面至溫度800℃到900℃之間，加熱其上施加玻璃料粘片的上表面15至溫度500℃到600℃之間，將玻璃料熔合在纖維12的左端以及基底上。接下來，基底可被冷卻約5分鐘，然后使用光譜分析儀42測量CWL。
接下來，可移動的夾具36的架子在圖4中箭頭A所示的方向上被移動到右邊，同時通過光譜分析儀42觀察CWL，直到CWL達到預先設定的與理想最終CWL的關系。對本發明的負溫度系數70毫米的基底，諸如應用β鋰霞石，通常為了考慮基底冷卻過程中的膨脹，可通過可移動夾具36在纖維12上產生的變形使CWL處在理想CWL之下。在這個例子中，被選擇的CWL是0.35納米，在目標波長之下。
如圖4所示的，玻璃料粘片的第二個波珠20施加到纖維12的右端，二氧化碳激光束50被固定在玻璃料20之下，再次加熱基底16的下表面直至800℃到900℃之間，加熱上表面直至500℃到600℃之間，來熔合玻璃料以及將纖維12的端24固定在基底16上。在熔合的過程中，在頂部支持端20秒后(20秒CWL值)測量CWL，這時，夾具36已固定。基底16隨后便可冷卻約5分鐘，也就是在可移動夾具釋放纖維12末端21上的應力之后，CWL再次被測量。通常，CWL在這個階段上會比目標CWL高出或低出多于10皮米。對能用本發明進行商業化生產的精確纖維布拉格光柵類型來說，高于或低于CWL10皮米是這種精確光柵的理想容限。
在夾具34繼續保持和玻璃料18固定在一起的纖維的左端的情況下，可移動夾具36移動到與負載被卸重新拉緊纖維之前相同的位置，這時第二玻璃料20被激光束50重新加熱。當加熱達到頂部支持段、基底16的上表面達到約500℃到600℃時，根據測量的CWL的方向，可移動夾具36或在圖5箭頭A所標的向右的方向上移動來增加應力從而提高CWL，或在圖5中箭頭B所示的向左的方向上移動來減少纖維12中的應力從而降低CWL。如果，比如，CWL在第一次連接之后低于目標CWL40皮米，依靠重新加熱玻璃料20，可移動夾具在箭頭A所指的方向上移動，同時通過分析儀42監測CWL直到20秒CWL值上升了40皮米。
在觀察CWL的同時，精細的光柵調諧過程中可移動夾具36的移動允許生產光柵10的實時控制，而且當達到理想的變化的20秒CWL時，夾具36支撐纖維12固定5分鐘——基底16的冷卻時間。最終CWL隨后被記錄，而且通常很好地落在±10皮米的標準內，如圖6所示的，超過測試樣本80％均落在這樣的范圍內。應變釋放環氧被被安裝在纖維12的末端之上，鄰近基底上玻璃料18和20的外邊緣，基底從支撐物30一頭被移走。隨后，部分裝配的光柵終于以傳統的工藝包裝，完成了光纖器件的生產。
雖然發明的較佳實施例利用玻璃料將光柵固定于負系數基底來生產纖維布拉格光柵，但用其它的材料來固定玻璃纖維于其它的基底也同樣適用。因而，初步預計的生產的CWL被測試過之后任何能被塑性化的固定材料都可以用來生產光學器件，諸如運用本發明技術的纖維布拉格光柵。此外，本發明的方法和設備能被用來生產任何需要精確調諧的光纖器件。
對那些在工藝上嫻熟的人來說，很顯然，對這里所描述的發明的較佳實施例能做不同的修改而不會脫離如所附權利要求所描述的本發明的精神實質或范圍。
權利要求
1.一種生產光纖元件的方法，包含以下步驟提供具有可調諧元件的光纖；為光纖提供基底；將纖維的一端固定到基底上；拉緊纖維，同時監測在纖維中形成的可調元件的中心波長直到達到預定的中心波長；將纖維的相對一端固定在基底上；測量最終的可調元件的中心波長；塑化一個固定端，同時調節纖維上的張力，使被監測的中心波長改變所選的量，以達到目標中心波長；以及硬化所述一個固定點。
2.如權利要求1的方法，其特征在于，監測步驟包含在纖維的一端施加寬帶光信號以及將光譜分析儀耦合到纖維的相對一端。
3.如權利要求1的方法，其特征在于，固定步驟包含在纖維上施加玻璃料粘片以及加熱隨后冷卻基底從而將玻璃料粘片熔合到纖維和基底上。
4.如權利要求3的方法，其特征在于，塑化步驟包含重新加熱一個固定點達到一定的溫度，使得纖維的張力能被調節。
5.如權利要求4的方法，其特征在于，塑化步驟包含加熱玻璃料達到溫度約500℃到600℃。
6.如權利要求1的方法，其特征在于，所述的拉緊步驟包含在向光纖的一端進退方向上可移動的夾具夾住光纖的相對一端。
7.如權利要求1的方法，其特征在于，光纖的可調諧元件是光柵。
8.如權利要求1的方法，其特征在于，光纖元件是纖維布拉格光柵。
9.一種生產精密纖維布拉格光柵的設備，包含基底的支撐物；在將光纖附著到由支撐物支撐的基底期間夾住纖維一端的第一夾具；定位在第一夾具對面的支撐物的鄰近一端的可移動夾具，此可移動夾具可調節安裝在基底上的纖維內的張力；耦合到纖維輸入端的寬帶輻射源；一結構，用于在安裝在基底上的纖維布拉格光柵第一第二次調節可移動夾具達到目標中心波長的期間可選擇性地將纖維的相對兩端固定到所述的基底上；光學分析儀，用于耦合到所述纖維的相對一端以監測在第一第二次調節可移動夾具期間光柵的中心波長。
10.如權利要求9的設備，其特征在于，固定光纖相對兩端的結構包括一激光器，它可加熱和再加熱玻璃料用來將光纖固定到基底上。
11.如權利要求10的設備，其特征在于，激光器是二氧化碳激光器。
12.如權利要求9的設備，其特征在于，可移動夾具包含第二夾具和測微計調節架，后者用來在改變光柵的中心波長時以精確地量移動第二夾具。
13.一種纖維布拉格光柵，通過以下步驟制成將纖維布拉格的一端固定到基底上；拉緊纖維，同時監測光柵的中心波長直到達到預定的中心波長；將纖維的相對一端固定在基底上；測量光柵的中心波長；塑化光柵兩個固定端中的一端，同時調節纖維上的張力，使被監測的中心波長改變所選的量，以達到目標中心波長；硬化一個固定點。
14.一種生產纖維布拉格光柵的方法，包含以下步驟將具有光柵的光纖安裝到基底上；測量最終光柵的中心波長；塑化光柵的兩個安裝端中的一個，同時在監測中心波長時調節光纖上的張力直到探測到目標中心波長；硬化所述一端。
15.如權利要求14的方法，其特征在于，安裝步驟包含在纖維上施加玻璃料粘片以及加熱隨后冷卻基底以此將玻璃料粘片熔合到纖維和基底上。
16.如權利要求14的方法，其特征在于，塑化步驟包含重新加熱一個玻璃料直至達到允許纖維張力被調節的溫度。
17.如權利要求16的方法，其特征在于，塑化步驟包含將玻璃料加熱至大約500℃到600℃之間的溫度。
18.如權利要求14的方法，其特征在于，所述調節步驟包含在向光纖相對一端進退方向上可移動的夾具夾住光纖的一端。
19.如權利要求18的方法，其特征在于，塑化步驟包含重新加熱一個玻璃料直至允許纖維張力被調節的溫度。
20.如權利要求14的方法，其特征在于，監測步驟包含在光纖的一端施加寬帶光信號以及將光譜分析儀耦合到纖維的相對一端。
全文摘要
一種制備達到精密CWL技術指標的光纖器件的方法和裝置,通過塑化被安裝光纖器件的一個附著端(18)以及微調光纖張力同時監測CWL。在一個實施例中,制備達到精密CWL的光纖元件的方法包括在張力下將光纖元件(12)的兩端(18,20)固定到一基底(16)以接近所需的CWL的步驟。接著,用可移動的夾具緊夾住光纖的一端(21)以及使相鄰附著體(20)塑化,同時調節光纖上的張力直到CWL在所需范圍之內。使附著體(20)再次硬化同時通過可移動的夾具(36)維持光纖上的張力。
文檔編號G02B6/02GK1378658SQ00814036
公開日2002年11月6日 申請日期2000年9月15日 優先權日1999年10月12日
發明者K·P·雷迪 申請人:康寧股份有限公司