專利名稱：管封裝的光纖光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該項發(fā)明涉及光纖光柵，尤指管封裝的光纖光柵。
背景技術(shù)：
在光纖技術(shù)中，嵌在光纖中的布拉格光柵可以用來檢測諸如溫度和張力等參數(shù)，這些在以下美國專利中有說明第4806012號，由Meltz等人發(fā)明的“分布式空間解決光纖張力測量問題”；第4996419號，由Morey發(fā)明的“分布式復(fù)合光纖布拉格傳感器裝置”。在此，為了更好地理解本發(fā)明，有必要在此引入作為參考。另外，光纖光柵還可用在壓縮技術(shù)中充當(dāng)可調(diào)濾波器或可調(diào)光纖激光器，這項技術(shù)在以下美國專利中有所說明第5469520號，由Morey等人發(fā)明的“可調(diào)濾波器光柵壓縮技術(shù)”；第5691999號，由Ball等人發(fā)明的“可調(diào)光纖激光壓縮技術(shù)”。在此，為了更好地理解本發(fā)明，有必要在此引入作為參考。
但是，光纖光柵本身被壓縮時，光纖會變形。為防止光纖變形，其中有一種技術(shù)就是用有彈性的金屬環(huán)套住光纖和光柵，而后放在機械構(gòu)件中來引導(dǎo)、定位和約束金屬環(huán)及光纖。該項技術(shù)在上述第5469520、5691999號專利中有說明。不過，我們?nèi)韵Ｍ饫w光柵能夠在沒有彈性金屬環(huán)、無需機械構(gòu)件的情況下做到壓縮時不變形。
光纖中的布拉格光柵在光纖芯線(core)和包層模之間會產(chǎn)生多余的耦合。兩個模之間包層區(qū)域越大，耦合就越大，這樣的耦合會導(dǎo)致不必要的光損耗。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的包括光纖光柵構(gòu)型設(shè)備，有了該設(shè)備，光柵用于壓縮時就無需彈性金屬環(huán)或機械輔助構(gòu)件，和/或者適用于降低芯線的包層耦合(P2-17)。
根據(jù)本發(fā)明，一個管封裝光纖的光反射部件包括一根光纖和一個管，光纖中至少內(nèi)嵌有一種反射部件，而管沿著其縱軸方向封裝光纖和反射部件，并至少與光纖的一部分焊接。
據(jù)本發(fā)明的補充說明，管由玻璃材料制成。該補充還說，管在反射部件所在之處與光纖焊接，且在反射部件的相對軸側(cè)。
本發(fā)明提供了一個封裝在毛細(xì)管中并至少與毛細(xì)管的一部分焊接的光纖光柵，另外還提供了其制作的方法。管由封裝玻璃纖維的玻璃材料制成。封裝好的光柵被壓縮時，光纖不變形，而且拉緊時的張力不受光纖其它地方張力的影響。該項發(fā)明還可以廣泛用于光纖光柵壓縮的其他應(yīng)用中，例如檢測參數(shù)或波長調(diào)諧等。此外，由于該發(fā)明中，管與光纖在光柵所在位置相焊接，使該處包層直徑有效增大，從而降低了從光纖芯線到包層模的模式耦合。
光柵在光纖封裝入管之前或之后嵌入(或壓入)光纖中。為了將光纖封裝到管中并與其焊接，管則需要加熱并在光纖周圍破裂。
此外，管中還可以裝入一個或更多光柵及光纖激光器，或者多束光纖。光柵和激光器通過管與光纖焊接“裝入”管，焊接處在光柵區(qū)域和/或在鄰近光柵或與光柵的距離在預(yù)期范圍內(nèi)的區(qū)域的相對軸兩端。光柵和激光器可以完全焊在管內(nèi)部，也可不完全在其內(nèi)部甚至可以焊在其外表面。
依據(jù)下列典型實施例的詳述，可以更清楚地看到上述本發(fā)明的目的、其它目的及其特征和優(yōu)點。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明中管封裝的光纖光柵側(cè)視圖。
圖2是依照本發(fā)明，改變管幾何形狀后的管封裝光纖光柵側(cè)視圖。
圖3是依照本發(fā)明，改變管幾何形狀后的管封裝光纖光柵側(cè)視圖。
圖4是依照本發(fā)明，改變管幾何形狀后的管封裝光纖光柵側(cè)視圖。
圖5是一個玻璃封裝的光纖光柵側(cè)視圖，依照本發(fā)明，該光柵由多只管環(huán)繞。
圖6是一個管封裝的光纖光柵側(cè)視圖，依照本發(fā)明，在此處，管焊接于光柵區(qū)域軸相對的兩端。
圖7是另一種管封裝的光纖光柵側(cè)視圖，依照本發(fā)明，在此處，管焊接于光柵區(qū)域軸相對的兩端。
圖8是依照本發(fā)明，一個管中一根光纖上裝多個光柵的側(cè)視圖。
圖9是依照本發(fā)明，兩個光纖光柵分別位于普通管中相互分離的兩根光纖上的側(cè)視圖。
圖10是依照本發(fā)明，圖9方案的端視圖。
圖11是依照本發(fā)明，兩個光纖光柵分別位于普通管中兩根各自分離且有一定距離的光纖上的側(cè)視圖。
圖12是依照本發(fā)明，一個管封裝的光纖光柵的側(cè)視圖，此處管在光纖上的焊接區(qū)稍超過光柵的長度。
圖13是依照本發(fā)明，光纖嵌入玻璃管的過程圖。
圖14是依照本發(fā)明，一個管封裝的可調(diào)光纖分布反饋激光器的側(cè)視圖。
圖15是依照本發(fā)明，標(biāo)準(zhǔn)光纖中光柵的光傳輸曲線圖，說明了包層的模式耦合。
圖16是依照本發(fā)明，一個管封裝的光纖光柵的光傳輸曲線圖，說明了包層的模式耦合有所減少。
實現(xiàn)發(fā)明的最佳方式如圖1所示，一個管封裝的布拉格光纖光柵包括一個已知的光波導(dǎo)10，例如標(biāo)準(zhǔn)的無線電通訊單模光纖，布拉格光柵12壓入于(或嵌入于或壓印于)光纖10中。光纖10外徑約125微米，含有石英玻璃(SiO2)，石英玻璃含適量摻雜物使得光14可以沿著光纖10傳導(dǎo)。光柵12與以下一些專利所述相似，如美第4725110、4807950號專利，Glenn等人的“光纖內(nèi)光柵壓縮方法”；美第5388173號專利，Glenn的“光纖內(nèi)非周期性光柵的形成方法和裝置”，為更好理解本發(fā)明，有必要結(jié)合起來作為參考。不過，根據(jù)需要，嵌入、蝕刻、壓入或其他任何方式都可以用來在光纖28中形成波長可調(diào)的光柵或反射部件。這里用的術(shù)語“光柵”是指任意一種反射部件。此外，反射部件(或光柵)12還可用于光的反射和/或傳輸。
其他原料和規(guī)格的光纖或波導(dǎo)10需要時也可以用。舉個例子，光纖10可由任何一種玻璃制成，如石英玻璃、磷酸鹽玻璃或其他玻璃，也可由玻璃和塑料復(fù)合制成，還可以單獨由塑料制成。在高溫情況下，玻璃材料的光纖較理想。光纖10的外徑為80微米或者用其他長度。此外，任何一種光波導(dǎo)都可以代替光纖，如多模光波導(dǎo)、雙折射波導(dǎo)、偏振保持光波導(dǎo)、極化光波導(dǎo)、多芯線光波導(dǎo)或多包層光波導(dǎo)，還有扁平波導(dǎo)、平面波導(dǎo)(在這里波導(dǎo)為矩形)或其他。這里采用的術(shù)語“光纖”包括上述的所有波導(dǎo)。
光14入射，到達(dá)光柵12，光柵反射一部分光線，如圖中實線16，這些光線的反射波長λb集中于預(yù)定波段，而入射光14中其他波長(在預(yù)定波長范圍之內(nèi))的光則通過光柵，如圖中線條18所示。
光纖10帶有光柵12，裝在一個柱狀毛細(xì)玻璃管20中并至少要與其部分焊接。毛細(xì)管外徑d1約3毫米，長度L1約為10毫米。光柵12的長度Lg約為5毫米。另一種方案，例如通過使用增長光柵或縮短管等方法，使管20的長度L1與光柵12的長度Lg基本上一致。其他大小規(guī)格和長度的管20和光柵12也適用。此外，光纖10焊接在管20上時不一定要焊在管中央，其任何一處皆可。而且，管20與光纖10熔焊的熔焊區(qū)也無須超過管的全長L1。
管20由一種玻璃材料制成的，如天然石英或人造石英、熔凝硅石、硅石(SiO2)、制成顆粒的硼硅酸耐熱玻璃、制成顆粒的維克玻璃(大約95％的硅和5％的其它成分如氧化硼)或其它玻璃。制造管20(或者說管的鉆孔內(nèi)表面)的材料應(yīng)該能夠熔焊(即發(fā)生分子焊接或熔化)在光纖10的外表面(或者說包層)，這樣基本上可以消除管內(nèi)表面與光纖外表面之間的分界面(即無法區(qū)分管內(nèi)表面和光纖包層)。
為了在大溫度范圍內(nèi)達(dá)到管20和光纖10的最佳熱膨脹匹配，管材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與纖維材料的基本匹配，如熔化的石英管和光纖。一般而言，玻璃材料的熔點越低，熱膨脹系數(shù)越高。因而，對于石英光纖(具有較高熔點和較低熱膨脹系數(shù))和其它玻璃制成的管(具有較低熔點和較高熱膨脹系數(shù))，會導(dǎo)致溫度過高時管20和光纖10之間的熱膨脹不匹配。不過，在本發(fā)明中，光纖10的熱膨脹系統(tǒng)不需要與管20相匹配(下文將詳細(xì)論述)。
管20除了用玻璃材料制成以外，用其它材料也可以與光纖10熔焊。比如說，塑料制的光纖可以與塑料制的管熔焊。
在光纖10通出管20處的管的軸端有一個內(nèi)區(qū)22，該區(qū)遠(yuǎn)離光纖向內(nèi)部逐漸變尖(呈漏斗型)以減輕光纖的張力。這時，管20與光纖10之間的區(qū)域28會填滿材料以減輕張力，如酰亞胺、硅酮或其它等。管20的外轉(zhuǎn)角(outer corner)為楔形的(傾斜的或成角度的)，如圖中邊24所示，這樣管能與其它部件(圖中未畫出)緊密嚙合，并/或有余地來調(diào)節(jié)管20承壓的角度。調(diào)節(jié)傾斜轉(zhuǎn)角24的角度可以實現(xiàn)預(yù)期的功能。管20橫剖面的形狀除了圓形外還有方形、矩形、橢圓形、蛤殼形或其它形狀，而其側(cè)剖面形狀除了有矩形外，還可以是圓形、方形、橢圓形、蛤殼形或其它形狀。
還有一種方案是，不采用漏斗形內(nèi)區(qū)22，而是在光纖10通出管20處，管軸部的一端或兩端設(shè)置一個外部漏斗形(或凹槽形、圓錐形、或噴嘴形)部件，如圖中虛線27所示，該部件外形逐漸縮小至光纖10(下文將用圖12作詳細(xì)論述)。我們發(fā)現(xiàn)，若凹槽形部件27的使用可以在光纖10在通出管20處增加該接合面及其附近區(qū)域所受的拉力。例如，沿著縱軸方向拉伸光纖10，拉力可達(dá)到6磅以上。
在光纖10通出管20處，光纖有一層表面防護(hù)緩沖層21用來保護(hù)光纖的外表面免受損傷。緩沖層由聚酰亞胺、硅酮、特氟綸(聚四氟乙烯)、碳、金和/或鎳等材料制成，厚度約25微米。其它厚度和緩沖材料也適用。若存在錐形內(nèi)區(qū)22，且足夠大，緩沖層21就可插入其中，光纖從無緩沖層到有緩沖層便有了一個過渡。而如果管20的軸端有外部錐形部件27時，緩沖層21應(yīng)該起始于光纖通出管20的錐形部件27處。如果緩沖層起始點落在這之后，暴露出來的無緩沖光纖部分需要再另外涂上緩沖層(圖中未標(biāo)出)，該附加層把管20外的無緩沖層部分全部覆蓋住，同時也使緩沖層21和/或管20的錐形區(qū)域27或其它形狀的軸端，部分重疊。
把光纖10裝入并與管20熔焊時，光柵(或光柵區(qū)域)周圍的管會被加熱、破裂繼而熔化。(將在下文討論)布拉格光柵12壓入光纖10的時機可以在毛細(xì)管20套上光纖10和光柵12之前，也可以在這之后。
針對本文所示的所有方案，光纖10和/或光柵12焊接到管20上時，管對光纖10和/或光柵12有一個初始的預(yù)作用(壓力或張力)也或沒有。舉個例子，如果制造管20的硼硅酸耐熱玻璃或其它玻璃熱膨脹系數(shù)要比光纖10的要大，則當(dāng)管被加熱、焊接到光纖上并冷卻后，光柵就處于管20施加的壓力狀態(tài)。另一種方案是，在管加熱焊接過程中，通過拉伸光柵使其裝入管后處于拉伸狀態(tài)。還有，光纖光柵12裝入管20后，管也可以既不產(chǎn)生拉力也不產(chǎn)生壓力。
若光柵在套上管20之后在壓入光纖10內(nèi)，則可以通過穿透管寫入光纖的技術(shù)。該項技術(shù)在序列號為(Cidra Docket第CC-0130號)的、于1998年12月4日申報的美國專利申請中有說明，名為“制造管封裝的布拉格光柵的方法和裝置”，本文引用引用作為參考。
若光柵是在套上管20之前壓入光纖10，毛細(xì)管20的熔點應(yīng)該足夠低，使得該玻璃管軟化并焊到光纖10上以后其反射率不會因此明顯“遜色”(或說退火、削弱)以致于達(dá)不到預(yù)期水準(zhǔn)。光柵暴露在高溫下，這種現(xiàn)象是可能發(fā)生的。由硼硅酸耐熱玻璃或相當(dāng)?shù)牟Ａе瞥傻拿?xì)管，其軟化溫度低于石英光纖，正好符合此要求。如果硼硅酸耐熱玻璃或其它玻璃的熱膨脹系數(shù)比管20中的光纖10大的話，管被加熱、焊接到光纖上冷卻后，光柵就處于管的壓迫狀態(tài)。還有一種方案，就是在管加熱熔焊過程中，通過拉伸光柵使其裝入管后處于拉伸狀態(tài)。還有，光纖光柵12裝入管后，同樣也可以既不被拉伸也不承壓。
如圖12所示，毛細(xì)管20的幾何形狀可以根據(jù)應(yīng)用需求變化而改變。例如，管20的形狀象一根“狗骨頭”，中間部分30窄而外面部分32要更寬。狹窄部分30外徑d2約為2毫米，長度L2約9.25毫米。而寬的部分32外徑d3約為4毫米，長度L3約6.35毫米。這兩部分也可以做成其它長度。舉例來說，L3的長度可以比6.36毫米長得多(如大于25.4毫米)或遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6.36毫米。另外也可以如d2＝1mm，d3＝3mm，L3＝4mm，L2＝7.37mm。大小規(guī)格可以根據(jù)應(yīng)用的需求來定。
在壓力傳感器裝置中使用“狗骨(dogbone)”形狀的管能夠增強光柵的波長偏移感光度，而且管20在牽引裝置中容易控制住。該項技術(shù)在序列號為(Cidra Docket第CC-0036號)、名為“光纖光柵壓力傳感器”的美國專利申請中有說明。而基于壓力可調(diào)光柵與激光器裝置如同期申報的序列號為(Cidra Docket第CC-0129B號)、名為“壓力調(diào)諧光纖與激光器”的美國專利申請所述，該專利申請也適用于其它應(yīng)用。此外，“狗骨”形狀的管的尺寸規(guī)格還易于調(diào)節(jié)以達(dá)到要求的感光度。
寬的部分32的內(nèi)側(cè)過渡區(qū)33可以是陡沿，也可以象虛線34那樣彎曲。彎曲結(jié)構(gòu)34承受的壓力要比銳沿或邊角結(jié)構(gòu)增加得緩，故而減少了破裂的可能性。而如前文所述，管20的部分段32，或者有錐形內(nèi)區(qū)22，或者在其端部有外部凹槽結(jié)構(gòu)32。此外，如前文所述，部分段32還有錐形(或傾斜的)的外轉(zhuǎn)角24。
另外，“狗骨”形狀的幾何結(jié)構(gòu)并不要求是對稱的，例如，兩個部分段32的長度L3可以根據(jù)需要有所不同。一種方案是，該“狗骨”結(jié)構(gòu)為單邊的，此時寬的部分段只有一個，即部分段32而非兩個，該部分段位于窄部分段30的一側(cè)，另一側(cè)則可以是圖中所示的直邊37，它的斜面角24同前文所述。這時，管的側(cè)面呈“T”型，這種單邊的管在這里也看成“狗骨形”。除了狗骨形，其它幾何形狀，只要能夠增強張力靈敏度，或能調(diào)整管20上的受力角度，或?qū)崿F(xiàn)其它所需特性的，都適用。
圖3所示的毛細(xì)管20又是另外一種形狀，它有其它一些沿著毛細(xì)管20軸向伸展的幾何部件。尤其值得注意的是，沿著管20的軸向左邊擴展的部分段36，其末端有一個凹槽部件27。而沿著毛細(xì)管右邊軸向擴展的部分段51(末端也有一個凹槽部分27)，要超出其它軸的端頭。另外，光柵52、50分別包含于光纖10內(nèi)，光纖位于擴展段36、51中的其中某一段或兩段。下面例舉圖3中管20規(guī)格大小的一個樣本，當(dāng)然其它規(guī)格也是適用的。如，L6約為26.7mm，L7約11.66mm，L8約12.7mm，L9約為2.29mm，d7約0.183mm，d2、d3及其它狗骨形結(jié)構(gòu)的規(guī)格在上文中已討論過。制作長軸端51的方法可以沿用本文狗骨形或其它形狀管的制作方法，或者將部分段51在部分段53所在處焊接到部分段32上(于光纖10封裝入管20之前或之后)。還有一種方法，如圖3所示，管20可以用兩根管組成，其中內(nèi)管長度為L6，從狗骨形部件30、32的孔58中插入并與30、32焊接，這種方法與圖5要討論的類似。
本文討論的所有目的的具體大小、形狀和材料僅僅是鑒于更好講解的原因，起個說明性作用，其實可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，這取決于應(yīng)用、尺寸、性能、生產(chǎn)工藝或設(shè)計需求及其它等因素。
如圖4所示，長軸端51與光纖10的焊接區(qū)在光柵50的附近，而在其末端附近區(qū)域90處未焊接在一起。其時，區(qū)域90中充滿了環(huán)氧樹脂或上述的其它填料。位于區(qū)域90中的管20的內(nèi)徑d6長約125.01～135微米，要比光纖10的直徑長約0.01～10微米。還可根據(jù)需求采納其它規(guī)格。在光纖10通出擴展段51的位置，光纖有一層表面防護(hù)緩沖層21同上所述是用來保護(hù)光纖的外表面免受損傷的。
如圖5所示，本發(fā)明管封裝的光柵，其中使用的管20可由多個同心管共同焊接而成。例如，一根小的內(nèi)部毛細(xì)管180外徑d4約0.5mm(0.0197in.)，置于稍大的外部毛細(xì)管182內(nèi)，182的直徑d1同上，這兩根管焊在一起。小管180某一端或兩端圍繞著光纖10收縮，形成凹槽部分27。內(nèi)管和外管的直徑d1和d4還可視需要選用其它值，而且也可以利用兩個以上的同心管。制造管的材料是一樣的，這樣可以使超溫引起的熱膨脹不匹配降到最低限度。外管的形狀還可以如圖中虛線184所示呈狗骨狀，或上文中提到的其它形狀。另外，狗骨形的管還可由兩只單獨的管188和190在內(nèi)管180上焊接而成，188和190位于光柵兩側(cè)相對的位置，如虛線186所示。
如圖6和圖7，管20焊在光纖10上光柵12相對的兩側(cè)，焊點與光柵相鄰或與光柵的距離在預(yù)定范圍L10內(nèi)。L10長度任意，甚至就在光柵的邊緣(即L10＝0)。尤其要指出的是，管20中編號為200的部分段是焊在光纖上的，而光柵12四周的中間段202并沒有焊接其上，該區(qū)域中的空氣或與周圍環(huán)境一樣，或為真空(或有一定氣壓)，部分填充或填滿了膠合劑，如環(huán)氧樹脂或其它諸如某種聚合物或硅酮等填料。
上文提到管20的內(nèi)徑d6比光纖10的直徑要長約0.01～10微米，如125.01～135微米，其它長度在此也適用。但是，為了防止管20受軸向壓力時光纖變形，直徑的長度d6應(yīng)盡可能和光纖的接近。不過，L10不需要在光柵兩側(cè)對稱。圖7中所示的方法也可得到相同的結(jié)果，即在光柵12相對的兩側(cè)焊接獨立的管210、212，并焊上外管214與二者交叉。管210和212還可能超出214號外管的端頭，如虛線216所示。另外，管20還可能是單個的整體，其形狀表現(xiàn)出管212和214形狀。
圖8中，對于本文所述的所有具體目的，管20內(nèi)除了只封裝一個光柵外，還可以封裝兩個或多個光柵，如圖中150、152，光柵嵌在光纖10中。光柵150、152的反射波長和/或曲線一樣，或者有所不同。多個光柵150、152可分別用于著名的法布里珀羅裝置中。此外，管20中光纖10可以內(nèi)嵌一個或多個光纖激光器。為了更好地理解本發(fā)明，光纖傳感器可參考以下美國專利中的描述第5513913號“活性多點式激光傳感器”，第5564832號“Birefringent多點式激光傳感器”，第5666372號“壓力調(diào)諧激光器”。在多光柵的情況下，光柵150、152會形成一個光諧振腔，因此至少要給150、152之間的光纖(如果需要的話，還可包括光柵150、152本身和/或兩者外側(cè)的光纖)涂上稀土攙雜劑，如鉺和/或鐿。
如圖14，使用的另一類可調(diào)光纖激光器為可調(diào)分布式反饋光纖激光器，可參考以下資料V.C Lauridsen等人論文“分布式反饋光纖激光器設(shè)計”，見Electronic Letters，Oct.15，1998，Vol.34，No.21，pp2028-2030；P.Varming等人發(fā)表的“紫外線加工引發(fā)永久性π/2相移的涂鉺分布式反饋光纖激光器”，見IOOC’95，Tech.Digest，Vol.5，PD1-3，1995；美國第5771251號專利，由Kringlebotn等人發(fā)明的“光纖分布式反饋激光器”；美國第5511083號專利，由D’Amato等人發(fā)明的“偏振光纖激光源”。在該圖中，將光柵12寫入涂有稀土的光纖并在光柵的中間點附近的區(qū)域180處設(shè)定相移為λ/2(λ為激光波長)，此處共振條件良好，以單縱向方式連續(xù)調(diào)諧卻不產(chǎn)生波型跳變。除了單個光柵配置的情況外，還可配置兩個光柵，如150、152，二者有足夠的距離以形成長度為(N＋)λ的諧振腔，N為整數(shù)(包括0)，光柵150、154都處于涂有稀土的光纖中。
如圖9和圖10所示，兩個或兩個以上的光纖10、250中，每根光纖封裝于管20內(nèi)，而且都至少含有一個光柵，分別為12和252。圖中，光纖20中有一個鉆孔，在加熱、焊接管20以前該孔就應(yīng)足夠容納下兩根光纖，其形狀除可以是圓形外，還可以是方形、矩形等。而且該鉆孔也不一定要在管的正中央。
圖11說明的是另一種情況。除了象圖10中所示的那樣緊挨在一起，光纖10、250也可以按照預(yù)置的間隔分離開，該間隔長度只要在管外徑范圍之內(nèi)即可。另外對于圖中所示的所有目的，部分焊接或全部焊接光纖和/或光柵的方法有完全焊在管20內(nèi)部、或部分焊在其內(nèi)部，或焊在其外表面，分別如圖中500、502、504所示。
圖12還說明一種情況，管20僅在光柵12所在的位置與光纖焊接。圖中，若管比光柵長，則同上文所述，設(shè)置錐形/漏斗形內(nèi)區(qū)22，而在管20和光纖10之間的區(qū)域28內(nèi)填滿填料。
如圖13，下面介紹一種將管20焊接到光纖周圍的技術(shù)和裝置。把管套入光纖至光柵12所在之處或?qū)⒃谥帲漤敹伺c一剛性支撐，準(zhǔn)線的底端連接，另外，真空管350上附著了一個齒輪351。350的頂端與真空連接件352的一端相連，該連接件有一個可旋轉(zhuǎn)的真空密封裝置354，連接件另一端與彎曲真空管356一端相連，356的另一端連接在真空泵358上。真空泵358將管20抽成真空，對其施加足夠大的壓力使其受熱時在光纖上破裂。將管20放置于適當(dāng)位置后由環(huán)氧樹脂密封裝置360進(jìn)行密封以保持剛性管350中的真空度。為了保持管20內(nèi)的真空狀態(tài)，可以使用光纖10的外部緩沖層21(見圖4)、環(huán)氧樹脂或其它等方法來堵塞住或密封管20的底端361，也可用其它密封方法。
連接件352附著在一個旋轉(zhuǎn)馬達(dá)362上，馬達(dá)與齒輪366連接，而該齒輪與附著在真空管350上的齒輪351嚙合。當(dāng)馬達(dá)362旋轉(zhuǎn)時，帶動齒輪366，繼而帶動另一齒輪351，最后引起管350、管20和光纖10繞著光纖10與管20的縱軸旋轉(zhuǎn)，如箭頭367所示。旋轉(zhuǎn)管20和光纖10能夠起到圓周上受熱均勻的作用。
連接件352還附著在豎直平移腳架370的活動部件368上，而腳架上的螺旋齒輪372附著在另一個馬達(dá)351上。齒輪372與部件368、連接件352及馬達(dá)362嚙合并使其沿著平移腳架370方向上下垂直運動，如箭頭374所示。也可以采用其它配置和硬件來達(dá)到旋轉(zhuǎn)和平移管20的目的。
有一個固定的熱源380，例如CO2激光器，如DeMaria電光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的LC-50激光器，該熱源能夠為管20的局部區(qū)域382(它實際為一條激光焊焊縫)提供預(yù)定數(shù)量的熱量，其裝配形式允許管20垂直移動穿過加熱區(qū)域382。激光器380產(chǎn)生的激光柱直徑為3mm，其波長為10.6微米左右時對管20的供應(yīng)約30-40瓦功率的能量。其它能源及光柱的大小和形狀能提供并達(dá)到一定數(shù)量的熱能，則同樣適用于管20。另外，本文僅說明了管20的某一側(cè)，除此之外，還可以在管20周圍的別處甚至完全圍繞管進(jìn)行說明。圖中，用平面鏡或圓柱鏡(圖中未顯示)同時切割和/或反射光柱384，使其到達(dá)管20周圍預(yù)定的區(qū)域。
根據(jù)需要也可以采用其它加熱裝置和/或加熱技術(shù)，例如用焊炬(如丙烷/氧焊炬或氧/氫焊炬)，鎢絲(或鉬絲)加熱器，其它類型的激光器、小爐子(如帶絕緣套的細(xì)金屬絲)或其它等所有加熱技術(shù)，只要能提供充分的熱量使管20在光纖上破裂即可。此外，如果熱源380能給光纖10和管20的四周均勻供熱，管20和光纖10則沒必要在加熱過程中繞著光纖10的縱軸旋轉(zhuǎn)。
真空技術(shù)能在管20上產(chǎn)生壓潰力，除此以外其它技術(shù)還有如，給管20施加外壓，同時要保證內(nèi)壓低于外壓。外壓的施加可通過機械的或液壓及其它等方式。還有另一種情況，即如果管20的內(nèi)徑d6(如圖4，6所示)與光纖的外徑很接近的話，比如僅大1微米(內(nèi)徑長約126微米)，則管20僅受自身的表面張力就可以在光纖上破裂，這種情況就不需要真空或其它壓潰力。
還有，光纖10和管20之間介質(zhì)或填料的成分與光纖10和管20的相似，如優(yōu)質(zhì)的玻璃粉或玻璃焊劑(如石英粉)。它們與光纖10和管20焊接可以加速熔焊的進(jìn)程。這樣，管往光纖10上焊接時就不會破裂很多甚至根本就不破裂。
將管20焊接到光纖10上需要將管20加熱并用加熱器380從下至上(對著真空源)焊接。對于管20某個給定部分段，用預(yù)定的溫度加熱(如石英管或熔凝硅石管大約在1800攝氏度)，直到管20足夠軟，乃至于在壓潰力下能夠破裂并與管20焊接。而后再移動管20，對其下一段進(jìn)行加熱和焊接。這種加熱技術(shù)可以防止管/光纖內(nèi)表面產(chǎn)生氣泡。例如，平移腳架以0.06mm/sec左右的速度豎直移動管20，同時管20以100rmp的速度旋轉(zhuǎn)。根據(jù)需要可采用其它的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度。
管20的縱軸在加熱過程中豎直定位能將重力效應(yīng)減到最小，達(dá)到最佳軸對稱；不過也可根據(jù)需要選擇其它定位方法。另外，除了移動管20和光纖10，還可垂直移動熱源56或整體移動熱源38和光纖/管。
使管破裂并將其焊接到光纖10上，其它相關(guān)技術(shù)如下，美國第5734626號專利，由Duck等人發(fā)明，題為“光纖制造方法及其封裝”；和/或美國第4915467號專利，由Berkey發(fā)明，題為“具有整數(shù)精度連接池(connection wells)的光纖耦合器的制作方法”等，為了更好地理解本發(fā)明，本文中引為參考。其它將光纖10與管20焊接的技術(shù)還有如采用高溫玻璃焊劑，如硅石焊料(粉或固體顆粒)，這樣光纖10、管20和焊料都熔焊在一起。還可采用激光焊接/熔焊或其它焊接技術(shù)。此外，光纖焊接的方法有完全焊在管20內(nèi)部、或部分焊在其內(nèi)部，或焊在其外表面(下文將參考圖11論述)。
除了將毛細(xì)管20沿著光纖10套至預(yù)定位置以外，還可將管20縱向分割成兩片或多片，然后在光柵焊接到光纖上的指定位置組合起來。
制造凹槽部分27(如圖1)的方法各式各樣，如通過加熱管并拉伸管20和/或光纖10而成。另外，管20的凹槽端27可以用其它玻璃信息技術(shù)，如對毛細(xì)管20的軸端進(jìn)行打磨、拋光或蝕刻?；瘜W(xué)蝕刻(如氫氟酸蝕刻或其它)、激光蝕刻、激光增強化學(xué)蝕刻等技術(shù)是通過打磨和拋光在不使用直接接觸力的情況下減小外徑。其它制造凹槽端27的方法也適用。部分端27的生產(chǎn)過程可以發(fā)生在加熱管20并焊至光纖10的過程之前，也可以在其間或其后。
另外，錐形內(nèi)區(qū)22也可由多種技術(shù)形成。比如，管20不與區(qū)域22中的光纖10焊接，或者在該指定區(qū)域加熱管20，使其熱膨脹，對其施加內(nèi)壓而產(chǎn)生寬于管20的內(nèi)徑的區(qū)域22。
對上文所討論的狗骨形結(jié)構(gòu)，可通過對毛細(xì)管20進(jìn)行蝕刻、打磨或拋光等方式以信差狹窄直徑d2和/或傾斜轉(zhuǎn)角24，這些在上文有關(guān)凹槽部分27的敘述中有所說明。也可以采用其它方法來形成狹窄直徑部分30和轉(zhuǎn)角24。在管20中形成狗骨型(或其它形狀后)，管20的表面要用火進(jìn)行拋光，并去除雜質(zhì)以增加強度。
此外，對本圖中的所有具體目的，光纖10除了完全穿透管20外，也可以是單端的。例如，光纖10只有一端通出了管20。這時，另一端應(yīng)該位于光纖通出處或通出處前方。這里術(shù)語“管(tube)”意指具有本文所述屬性的原料制成的部件。
如圖15、圖16。我們發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明能夠減少芯線和包層模之間典型地由光纖光柵引起的耦合，這是因為光纖的芯線和包層之間端部交叉區(qū)域增大的緣故。這樣，因為巨大的包層區(qū)域消耗了耦合包層模而減少了光纖的芯線和包層之間的耦合，故而寫入光纖10的芯線中的光柵12使光傳輸損失降低，光學(xué)表面較傳統(tǒng)光柵也更為干凈。一般，芯線和包層之間的交叉區(qū)域的差別越大，交疊的模式域越小，包層模之間的耦合也越低。當(dāng)管20在光柵12所在處最小限度地焊到光纖上時，如上文所述，管20即成為光纖包層的一部分。因此，包層厚度的增加減少了芯線和包層模之間典型地由光纖光柵引起的耦合。管20的厚度的可以設(shè)置以達(dá)到最佳效果。圖15顯示了一個標(biāo)準(zhǔn)光柵在光纖中的傳輸曲線，該光纖芯線直徑為9微米，外徑為125微米。圖中100個尖峰顯示出該光柵與包層模的耦合。圖16顯示的是本文所討論的管封裝光柵和外徑為3毫米的管20的光傳輸曲線，其中光柵的芯線直徑為9微米。從曲線上少量的尖峰表明與包層模之間耦合大大減少了。根據(jù)需求調(diào)整光纖芯線和管20的直徑可以使光耦合降低到預(yù)期的水平。
本文如果沒有作另外的聲明，有關(guān)于文中特別實施例的所有特點、特性、替換物或修正都可適用、都有效，并可以和文中其它實施例結(jié)合起來，這一點請讀者務(wù)必理解。另外要指出，本文中的圖沒有按比例畫。
雖然文中對本發(fā)明進(jìn)行了描述并為其中的典型實施例配以了插圖，還需要對上述及其它多方面進(jìn)行補充和刪節(jié)，前提是不脫離本發(fā)明的本質(zhì)和范疇。
權(quán)利要求
1.管封裝的光纖裝置，包括一根光纖，其中至少嵌有一種反射部件；和一只管，上述的光纖和反射部件沿著該管的縱軸方向封裝于其中，該管至少與該光纖的一部分焊接；
2.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管由玻璃材料制成。
3.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管在該反射部件所在的位置與該光纖焊接。
4.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管在該反射部件相對的軸側(cè)與該光纖焊接。
5.權(quán)利要求1中的裝置，其中該光纖由玻璃材料制成。
6.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管至少有一個外部沿軸向變細(xì)的部件。
7.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管至少有一端沿軸向擴展。
8.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管至少有一個沿軸向變細(xì)的部件。
9.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管至少有一部分段是圓筒形。
10.權(quán)利要求1中的裝置，其中該管的形狀包括狗骨形。
11.權(quán)利要求1中的裝置，其中該光纖在該管內(nèi)至少封裝了兩個反射部件，至少要在光纖的這兩個部件之間涂上稀土摻雜劑以形成光纖激光器。
12.權(quán)利要求11中的裝置其中所說的光纖激光器在產(chǎn)生激光的波長處發(fā)射激光，該波長隨著該管所受的作用力的改變而改變。
13.權(quán)利要求1中的裝置，其中該光纖至少在該反射部件所在的那一部分涂有稀土摻雜劑，配置反射部件以形成分布式反饋激光器。
14.權(quán)利要求13中的裝置，其中所說的分布式反饋光纖激光器在產(chǎn)生激光的波長處發(fā)射激光，該波長隨著隨著該管上的作用力的改變而改變。
15.權(quán)利要求1中的裝置，其中所說的管在反射部件所在之處焊接到所說的光纖上，該管的外徑使得與包層模的耦合要小于管未在反射部件所在處與光纖焊接時產(chǎn)生的耦合。
16.權(quán)利要求1中的裝置，其中所說的管在反射部件所在之處焊接到所說的光纖上，光纖的外徑使得光耦合基本上消失。
17.在管中封裝光反射部件的方法包括a)取一根光纖，其光柵預(yù)定的位置在反射部件要嵌入的位置；b)在該光柵的位置將管環(huán)繞該光纖；c)加熱管直至至少與光纖的一部分焊接，使得該預(yù)定的光柵區(qū)域被封裝在該管中；d)在光纖內(nèi)該光柵區(qū)域嵌入一個反射部件。
18.權(quán)利要求17中的方法，其中第(d)步在第(b)步和第(b)步之間執(zhí)行。
19.權(quán)利要求17中的方法，進(jìn)一步包括在該加熱步驟過程中，給該管施加壓潰力。
20.權(quán)利要求17中的方法，其中要將該管和該光纖的縱軸垂直定位。
21.權(quán)利要求17中的方法，其中加熱的步驟由一個激光器來完成。
22.權(quán)利要求17中的方法，其中該管在該反射部件所在之處與該光纖焊接。
23.權(quán)利要求17中的方法，其中該管在該反射部件的相對軸側(cè)與該光纖焊接。
24.權(quán)利要求17中的方法，其中嵌入的步驟包括在該光纖內(nèi)相應(yīng)數(shù)量的光柵區(qū)域至少嵌入兩個反射部件，光纖至少在反射部件之間的那一部分涂上稀土摻雜劑以形成一個激光器。
25.一個管封裝的光反射部件的制造過程包括a)取一根光纖，其光柵預(yù)定的位置在反射部件要嵌入的位置；b)在該光柵的位置將管環(huán)繞該光纖；c)加熱管直至至少與光纖的一部分焊接，使得該預(yù)定的光柵區(qū)域被封裝在該管中；d)在光纖內(nèi)該光柵區(qū)域嵌入一個反射部件。
26.權(quán)利要求25過程的產(chǎn)品，其中第(d)步在第(b)步和第(b)步之間執(zhí)行。
27.權(quán)利要求25過程的產(chǎn)品進(jìn)一步包括在加熱步驟過程中，給該管施加壓潰力。
28.權(quán)利要求25過程的產(chǎn)品，其中要將該管和該光纖的縱軸垂直定位。
29.權(quán)利要求25過程的產(chǎn)品，其中加熱的步驟由一個激光器來完成。
30.權(quán)利要求25過程的產(chǎn)品，其中在該加熱步驟過程中將該管和該光纖圍繞光纖和管的縱軸旋轉(zhuǎn)。
31.權(quán)利要求25過程的產(chǎn)品，其中該管在該反射部件所在之處與該光纖焊接。
32.權(quán)利要求25過程的產(chǎn)品，其中該管在該反射部件的相對軸側(cè)與該光纖焊接。
33.在一個管中封裝一個光纖反射部件，其方法包括a)取一根光纖，至少有一個反射部件嵌入其中；b)至少在該反射部件所在之處將管環(huán)繞該光纖；c)在預(yù)定溫度下加熱管直至管至少與光纖的一部分焊接，這樣反射部件就被封裝在管中；
34.權(quán)利要求33的方法，進(jìn)一步包括在加熱步驟過程中，給該管施加壓潰力。
35.權(quán)利要求33的方法，其中要將該管和該光纖的縱軸垂直定位。
36.權(quán)利要求33的方法，其中加熱的步驟由一個激光器來完成。
37.權(quán)利要求33的方法，其中該管在該反射部件所在之處與該光纖焊接。
38.權(quán)利要求33的方法，其中該管在該反射部件的相對軸側(cè)與該光纖焊接。
全文摘要
管封裝的光纖光柵包含嵌在玻璃毛細(xì)管20中的光纖10,該光纖至少包含一個壓入的布拉格光柵。光線14入射到達(dá)光柵12后,反射光線16波長為λ1。管可以是其他形狀(如“狗骨形”),并且/或者可以使用多個中心管,或光柵也可以使用多個或一對。光纖10至少要在兩個光柵150、152之間的部分段涂上涂料,封裝入管20之后形成管封裝的壓力可調(diào)激光器。要在管20內(nèi)構(gòu)造一個可調(diào)分布式反饋激光器,則可單獨由光柵12或由光柵150、152共同構(gòu)成。另外,管20有一內(nèi)區(qū)22,呈錐形遠(yuǎn)離光纖10,減輕光纖的張力,或者,管20有一個錐形(或凹槽)部分27,其外形逐漸變細(xì)至光纖10以增加光纖的拉力。此外,管封裝光柵12后,由于管20于光柵所在區(qū)域12與光纖10焊接后,使包層的直徑增加,因此可以看到從光纖芯線至包層模的模式耦合降低了。
文檔編號G02B5/18GK1334929SQ99816041
公開日2002年2月6日 申請日期1999年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月4日
發(fā)明者M·R·菲爾納爾德, T·J·拜利, M·B·米勒, J·M·沙利文, M·A·達(dá)維斯, P·奧格勒, A·D·克西, M·A·普特納姆, R·N·布魯卡托, P·E·桑德爾斯 申請人:塞德拉公司