监测功率合并器的制造方法

监测功率合并器的制造方法
【专利摘要】所公开的实施例示出了带有传感器的熔融光纤合并器，传感器策略性地分布在不同的位置，从而允许熔融光纤合并器的性能监测。此外，所公开的实施例示出了用于确定导致任何性能下降的原因的各种处理。
【专利说明】监测功率合并器 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请要求2012年 1 月 24 日提交的，标题为"Performance Monitoring in Power Combiner (在功率合并器中的性能监测）"，序列号为61/590, 316的美国临时专利申请的优 先权，其全文通过引用合并于此。

【背景技术】 发明领域
[0002] 本发明总体上涉及光学器件，并且更具体地，涉及光纤光学器件。 相关技术描述
[0003] 用于高功率应用的熔融光纤合并器接收来自外部源的多个，并将光能合并进入单 个的公共输出光纤。就光能可以在这些装置中累积来说，存在熔融光纤合并器可能遭遇灾 难性故障的可能性。如人们可以意识到的，还需要继续努力以减少故障的情况。


【发明内容】

[0004] 所公开的的系统和方法涉及光纤合并器。因此，一些实施例涉及包括监测与光纤 合并器相关联的热状态，和分析所监测的热状态的步骤的处理。

【专利附图】

【附图说明】
[0005] 参照下面的附图，本发明的许多方面都可以被更好地理解。附图中的部件不一定 是按比例绘制的，其重点在于清楚地说明本发明的原理。此外，在附图中，若干附图中的相 似标号表不相应部分。
[0006] 图1示出了熔融光纤合并器的侧视图的一个实施例。
[0007] 图2是示出用于监测熔融光纤合并器性能的处理的一个实施例的流程图。
[0008] 图3是更详细地示出了图2的监测步骤的一个实施例的流程图。
[0009] 图4是更详细地示出了图2的判断步骤的一个实施例的流程图。

【具体实施方式】
[0010] 熔融光纤合并器用于高功率的光学应用。包括聚合物和玻璃材料的熔融光纤合并 器接收多个输入部，并将来自这些输入部的光能合并为共同的输出光纤。通常，熔融光纤合 并器的操作限制在很大程度上由在熔融光纤合并器中的不同位置产生的热加热决定的。这 种加热可以产生达到或超过该聚合物或玻璃材料的热极限的温度。当此情况发生时，熔融 光纤合并器将遭遇灾难性的损坏和故障。
[0011] 为了防止发生故障（包括灾难性的和非灾难性的故障），监测在所述熔融光纤合 并器的不同位置的热状态是有益的。从所监测的热状态，可以确定热故障的原因，并且因此 改善熔融光纤合并器的性能。所公开的的实施例示出了具有传感器的熔融光纤合并器，该 传感器策略性地分布在不同位置，从而允许熔融光纤合并器的性能监测。此外，所公开的实 施例示出了用于确定导致任何性能下降的原因的各种处理。
[0012] 考虑到这一点，现在详细参考附图中所示实施例的描述。虽然几个实施例结合这 些图进行了描述，但是没有任何意图将本发明限制为在此公开的一个或多个实施例。相反， 意图是要覆盖所有的替换、修改和等同物。
[0013] 图1示出一个实施例的熔融光纤合并器100的侧视图，该熔融光纤合并器100具 有传感器160、162、164、166、168,用来监测该熔融光纤合并器100的各位置处的热状态。在 图1所不的实施例中所不，烙融光纤合并器100包括与多个尾纤120a. .. 120b (统称为120) 烙融的信号光纤110。信号光纤110包括芯112和包层114,其中输入信号116被注入至信 号光纤110,并被包含在芯112中。信号光纤110和尾纤120通常在其各自的输入接头118、 128a·· .128b (统称为128)处接合到输入源（未示出）。因此，这些输入接头118、128是客 户（customer)的光纤激光源在此处典型地通过熔接接头接合到熔融光纤合并器100的位 置。
[0014] 如图1所示，在输入接头118、128处存在热传感器160a. .. 160b (统称为160)，用 于监测在那些接头118、128处的热状态。具体而言，输入接头传感器160提供了在输入接 头118U28处发生了什么的指示。例如当纤芯光穿过接头时，输入接头传感器160处的热 斜率（温度相对于输入功率的变化，或△温度/ △功率（瓦特））的测量提供对输入或发 射功率的线性校准。由于在图1的实施例中的接头118U28将单模光纤连接，因此可以期 望在这些接头118、128处看到非常低的光损耗。此外，如果在接头118、128处存在任何损 失的光，则预计该损失的光具有非常低的数值孔径（NA)，例如，0. 08,这将在与发射功率相 比较时产生小的热斜率。因此，在输入接头118U28处异常大的热斜率可能是高于正常NA 的光作为包层光传播穿过输入接头118U28的证据。应当理解的是，虽然图1示出了单模 的实施例，但类似原理也适用于多模的实施例。对于这种多模实施例，热斜率可以高于针对 单模实施例的热斜率。然而，类似于单模实施例，多模实施例可能类似地根据预期的热性能 进行校准。
[0015] 继续看图1，如果每个输入接头118U28具有其自身的传感器160,则也可以测量 未被使用的尾纤120的热状态。因此，在任何未使用的尾纤120的输入部处的热量可能是 向后传播的纤芯光的证据，因为在不传播光的尾纤120处的加热是未预期的。
[0016] 随着沿光传播方向向前移动，由于多根光纤110、120在烙融光纤合并器100内聚 集，熔融光纤合并器100通常展现为锥体130。如图1所示，信号光纤110和尾纤120聚集， 并逐渐变细形成玻璃锥体130。
[0017] 如图1所示，热传感器162被定位在玻璃锥体130处，以监测玻璃锥体130处的热 状态。典型地，玻璃锥体130预期不会被加热，因为它是玻璃结构。然而，如果有足够高NA 的光（例如，大于0.1)进入锥体130,并且随着它向锥体130下传播，变成更高NA的光，那 么在玻璃锥体130处可以产生高温。当这种情况发生时，更高NA的光可能被限制在横向驻 波条件下，从而产生热量。换言之，在玻璃锥体130处的高温表示来自输入激光的包层光引 起对锥体加热。因此，定位在玻璃锥体130处的传感器162允许测量发生在该位置的热状 态。
[0018] 越过玻璃锥体130外，熔融光纤合并器100可选地接合到输出玻璃光纤。输出光 纤可以包括已去除（或剥离）涂层的区域，涂覆区和剥离区之间的过渡部被指定为输出带 边缘140。对于图1的实施例，该系统包括输出带边缘140,这是附着于玻璃锥体130的输 出玻璃光纤上的聚合物涂层开始的位置。如图1所示，另一个热传感器164被定位在输出 带边缘140,以监测在输出带边缘140的热状态。
[0019] 当存在具有不能被包含在聚合物涂层中的足够高的NA的入射光时，输出带边缘 140易于加热。通常，在输出带边缘140处的大的热斜率是非常高NA (例如，对于硅树脂或 低折射率聚合物涂覆材科大于约0.3或0.45)的光照射在输出带边缘140的证据。因此， 在输出带边缘140处高热斜率可以表示差的接合。
[0020] 模式剥离器150可以位于在输出带边缘140后，以在输出之前除去任何残余的包 层光。就模式剥离器150具有模式剥离器输入部152和模式剥离器输出部154来说，存在 模式剥离器输入部传感器166和模式剥离器输出部传感器168,以分别监测在模式剥离器 输入部152处和模式剥尚器输出部154处的热状态。
[0021] 所述模式剥离器输入部传感器166检测存在于包层114中的光。通常，这表示光 具有足够低的NA，使得其穿过所述输出带边缘140,并随后由涂覆材料引导。这样，由于一 小分数（和比例）的光将损失在包层中，在模式剥离器输入部152处的传感器166测得的 热斜率提供了保持在芯中的传输功率的线性校准。
[0022] 模式剥离器输出部154应该看不到包层光，因为模式剥离器150具有在光到达模 式剥离器输出部154之前将包层光剥除的功能。因此，如果模式剥离器输出部传感器168 检测到异常的热斜率，那么此异常的热斜率就是向后传播的包层光的证据。
[0023] 给定各传感器160、162、164、166、168提供在熔融光纤合并器100内的不同热状态 的证据，能够基于在这些不同位置处的热读数检测各种状况。例如，基于传感器读数的不同 排列，可以判断熔融光纤合并器100内的热异常是否是由于制造缺陷或不当安装。此外，传 感器的读数可以用来监测正常操作期间的性能，当出现异常情况时触发警报。此外，热监测 可用于测量熔融光纤合并器100内的实际应力。因此，对于故障分析，实际应力可以用来量 化将烙融光纤合并器1〇〇推动到规定保修范围（warranty)之外的任何操作，并且任何超出 限制的操作的幅度可作为未来设计优化的因素。
[0024] 这些和其他类型的分析可以通过将所述传感器可操作地连接到计算机或其它专 用硬件设备来执行，该设备包括用于判断熔融光纤合并器1〇〇的正确制造、正确安装或正 确操作的合适的逻辑部，或者用来实施熔融光纤合并器1〇〇的故障分析的逻辑部。实施热 监测的处理的各种实施例在图2至图4中示出。
[0025] 图2是示出了用于监测熔融光纤合并器100性能的处理200的一个实施例的流程 图。在图2的实施例中，处理200开始于步骤210,通过步骤220用传感器（诸如在图1所 述的传感器160、162、164、166和168)监测与烙融光纤合并器100相关联的热状态。此后， 处理200在步骤230中生成性能数据。利用所生成的230数据，然后该处理200在步骤240 判断所监测的热状态是否正常。如果所监测的热状态是正常的，则处理200继续监测230 热状态。然而，如果所监测的热状态不正常（例如，测量结果显示出高的热斜率等），那么处 理200在步骤250触发警报，并结束于步骤260,希望在熔融光纤合并器100发生任何损坏 之前。可以理解，检查熔融光纤合并器100内不同点处的热数据的能力为诊断潜在的问题， 或简单地监测熔融光纤合并器100的性能，提供了有用的手段。
[0026] 图3是更详细地示出图2的监测步骤220的一个实施例的流程图。在图3的实施 例中，处理200在步骤310中通过监测输入接头118、128来监测输入光纤的热状态。接着， 处理200按顺序：（a)在步骤320中监测在锥体130处的热状态；(b)在步骤330中监测输 出带边缘140的热状态；和（c)在步骤340和350分别监测在模式剥离器150的输入部152 和输出部154的热状态。对应于这些位置，图2中的性能数据包括与以下位置处的热状态 相关联的数据：(a)输入光纤或输入接头118、128 ;(b)锥体130 ;(c)输出带边缘140 ;(d) 模式剥离器输入部152 ;(e)模式剥离器输出部154 ;或（f)这些部件的任意组合。然后，在 步骤230产生来自步骤220的监测位置的性能数据。
[0027] 图4是更详细地示出图2的判断步骤240的一个实施例的流程图。如图4所示，处 理200在步骤240中判断在输入光纤中的热斜率在步骤410是否正常。如果在输入光纤处 的热斜率是不正常的（例如，高的热斜率），那么在步骤250中触发警报。通过示例的方式， 警报可以包括具有高于正常数值孔径（NA)的包层光传播通过输入接头118U28的指示。
[0028] 接下来，处理200在步骤420中判断在该锥体130处的热斜率是否正常。如果在 锥体130处的热斜率是不正常的（例如，高的热斜率），则在步骤250中触发警报。在锥体 130处高热斜率的情况下，警报可以包括指示高NA光被困在锥体130内的横向驻波中。
[0029] 接着，处理在步骤430中判断在输出带边缘140处的热斜率是否正常。如果在输 出带边缘140的热斜率具有高的热斜率，那么在步骤250触发警报，例如，指示非常高NA的 光撞击输出带边缘。在输出带边缘处存在非常高NA的光可能是输入激光和烙融光纤合并 器100之间的不良接合的证据。
[0030] 接着，该处理在步骤440和450中判断模式剥离器150的输入部152和输出部154 处的热斜率是否正常。在该模式剥离器150的输出部154处具有异常高的热斜率会在步骤 250触发警报，例如，指示向后传播的包层光的存在。
[0031] 可以理解的是，这些不同的指示可以单独使用或与其他指示组合使用，从而为熔 融光纤合并器100提供有用的诊断手段。下面提供几个诊断例。
[0032] 通过举例的方式，如果输入接头118、128和锥体130都显示出高的热斜率，则系统 可以诊断该问题是由来自客户的输入激光的包层光所引起的。在另一个例子中，如果输入 接头118U28和输出带边缘140都表现出高的热斜率，则系统可以诊断该问题是由不良接 合造成的。在第三个例子中，如果模式剥离器输出部154表现出高的热斜率，则系统可以诊 断该问题是由向后传播的包层光所造成的。
[0033] 即使在一些接头128处没有输入部时，热监测还可以提供信息。对于那些情况，如 果输入光纤（没有输入部）具有高的热特征（它不应该具有的），那么这将是一个迹象，即 存在从向后传播的芯光产生的热量。
[0034] 可以理解的是，这种类型的监测可以用于检修熔融光纤合并器100的任何问题。 例如，如果两个输入接头118、128和锥体130都表现出正常的热状态，那么这将指示不存在 任何制造上的缺陷，并且因此，任何故障或性能问题可归结为不正确的安装或其他非制造 处理。
[0035] 从所公开的实施例中，人们可以很容易地认识到，其它的排列和组合可以用于诊 断熔融光纤合并器1〇〇的潜在问题。因此，所公开的实施例提供了一种有用的诊断手段，以 及一种有用的研发手段。
[0036] 如上所示，该性能监测处理可以由硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在优选 实施例（多个）中，性能监测处理由存储在存储器中的、并且由适当的指令执行系统执行的 软件或固件来实现。如果在硬件中实现，如在替代实施例中，性能监测处理可以由任何以下 在本领域中已知的技术或其组合来实现：具有用于执行对数据信号的逻辑功能的逻辑门的 离散逻辑电路（多个）、具有适当组合的逻辑门电路的专用集成电路（ASIC)、可编程门阵列 (多个）（PGA)、现场可编程门阵列（FPGA)等。
[0037] 如本发明领域技术人员合理理解的是，在流程图中的任何处理描述或块应该被理 解为表示模块、段、或部分代码，其中包括一个或多个用于实现在所述处理中的特定逻辑功 能或步骤的可执行指令，并且在本发明优选实施例的范围之内包括可替换的实施方式，其 可以不按所示或所讨论的顺序执行上述功能，包括实质上同时发生或以相反的顺序，这取 决于涉及的功能。
[0038] 该处理可以通过使用一种计算机程序来实施，该计算机程序包含用于执行逻辑功 能的可执行指令的有序列表，它可以被包含任何计算机可读介质中，通过或连接指令执行 系统、装置或设备来使用，诸如基于计算机的系统、包含处理器的系统，或可以从指令执行 系统、装置或设备中获得指令并执行该指令的其它系统。在本文的上下文中，"计算机可读 介质"可以是包含、存储、通信、传播或传输该程序的任何装置，通过或结合指令执行系统、 装置或设备结合使用的程序来使用。该计算机可读介质可以是，例如但不限于，电子的、磁 的、光的、电磁的、红外的或半导体的系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更具 体示例（非穷举列出）可包括以下：具有一条或多条导线的电连接器（电子的）、便携式 计算机磁盘（磁的）、随机存取存储器（RAM)(电子的）、只读存储器（ROM)(电子的）、可擦 除可编程只读存储器（EPROM或闪存）（电子的）、光纤（光的）、和便携式光盘只读存储器 (CDR0M)(光的）。注意，计算机可读介质甚至可以是在其上打印有程序的纸张或其它合适 的介质，因为程序可以通过以电子方式获取，例如，对纸张或其它介质的光学扫描，然后编 译、解释或者如果需要的话，以合适的方式进行其他处理，然后存储在计算机存储器中。
[0039] 可以理解的是，该热传感器160、162、164、166、168可以用热敏电阻、热吸收材料、 光纤布拉格光栅（FBG)、热电偶、光电检测器或用于监测热状态的其它合适的材料来实现。 在一些实施例中，热传感器还可以使用热成像技术来实现。在那些实施例中，除了通过离散 传感器之外，在各个位置的热监测还可以由在成像系统中可获得的图像强度或其它颜色编 码来实现。
[0040] 尽管示例性实施例已被示出和描述，但本领域普通技术人员将明白，可以对本发 明所描述的进行许多改变、修改或变更。因此，所有这样的改变、修改和变更，应该视为落在 本发明的范围之内。
【权利要求】
1. 一种热监测系统，包括： 输入光纤，用于接收光信号；， 玻璃锥体，所述输入光纤在该玻璃锥体处聚集并融合在一起； 光学耦合到所述玻璃锥体的输出光纤，所述输出光纤包括输出带边缘，所述输出光纤 还包括模式剥离器，所述模式剥离器包括模式剥离器输入部和模式剥离器的输出部； 输入接头传感器，每个输入接头传感器可操作地耦合至对应的输入光纤，每个输入接 头传感器用于监测与其对应的输入光纤相关联的热状态； 可操作地耦合到所述玻璃锥体的锥体热传感器，所述锥体热传感器用来监测与所述玻 璃锥体相关联的热状态； 可操作地耦合到所述输出带边缘的输出带边缘热传感器，所述输出带边缘热传感器用 来监测与所述输出带边缘相关联的热状态； 可操作地耦合到所述模式剥离器输入部的模式剥离器输入部传感器，所述模式剥离器 输入部传感器用来监测与所述模式剥离器输入部相关联的热状态；和 可操作地耦合到所述模式剥离器输出部的模式剥离器输出部传感器，所述模式剥离器 输出部传感器用来监测与所述模式剥离器输出部相关联的热状态。
2. 一种系统，包括： 熔融光纤合并器；和 用来监测与所述熔融光纤合并器相关联的热状态的传感器。
3. 如权利要求2所述的系统，该熔融光纤合并器包括： 接收光信号的输入光纤；和 玻璃锥体，所述输入光纤在该玻璃锥体处聚集并融合在一起。
4. 如权利要求3所述的系统，所述传感器包括： 输入接头传感器，每个输入接头传感器可操作地耦合至对应的输入光纤，每个输入接 头传感器用来监测与其对应的输入光纤相关联的热状态。
5. 如权利要求3所述的系统，该传感器包括： 可操作地耦合到所述玻璃锥体的锥体热传感器，所述锥体热传感器用来监测与所述玻 璃锥体相关联的热状态。
6. 如权利要求3所述的系统，还包括光学耦合到所述玻璃锥体的输出光纤，所述输出 光纤包括输出带边缘，所述输出光纤还包括模式剥离器，该模式剥离器包括模式剥离器输 入部和模式剥离器输出部。
7. 如权利要求6所述的系统，所述传感器包括： 可操作地耦合到所述输出带边缘的输出带边缘热传感器，所述输出带边缘热传感器用 来监测与所述输出带边缘相关联的热状态。
8. 如权利要求3所述的系统，所述传感器包括： 可操作地耦合到所述模式剥离器的输入部的模式剥离器输入部传感器，所述模式剥离 器输入部传感器用于监测与所述模式剥离器的输入部相关联的热状态；和 可操作地耦合到所述模式剥离器的输出部的模式剥离器输出部传感器，所述模式剥离 器输出部传感器用来监测与所述模式剥离器的输出部相关联的热状态。
9. 如权利要求3所述的系统，所述传感器包括： 用于监测与所述模式剥离器的输出部相关联的热状态的装置。
10. 如权利要求3所述的系统，还包括： 可操作地耦合到所述传感器的非瞬时计算机可读介质，所述非瞬时计算机可读介质包 括： 基于所监测的热状态来判断熔融光纤合并器的正确制造的逻辑部； 基于所监测的热状态来判断熔融光纤合并器的正确安装的逻辑部； 基于所监测的热状态来判断熔融光纤合并器的正确操作的逻辑部；和 基于所监测的热状态来实施熔融光纤合并器的故障分析的逻辑部。
11. 一种方法，包括： 监测与熔融光纤合并器相关联的热状态；和 分析所述热状态。
12. 如权利要求11所述的方法，所述热状态的监测进一步包括： 监测输入光纤热状态； 监测锥体热状态； 监测输出带边缘热状态； 监测模式剥离器输入部热状态；和 监测模式剥离器输出部热状态。
13. 如权利要求12所述的方法，所述分析热状态包括： 判断所述输入光纤热状态是否表现出高的热斜率； 判断所述锥体热状态是否表现出高的热斜率； 判断所述输出带边缘热状态是否表现出高的热斜率； 判断所述模式剥离器输入部热状态是否表现出高的热斜率；和 判断所述模式剥离器输出部热状态是否表现出高的热斜率。
14. 如权利要求13的方法： 响应于所述输入光纤热状态和所述锥体热状态都表现出高的热斜率的判断，指示异常 的热状态是由来自输入激光的包层光引起的。
15. 如权利要求13的方法： 响应于所述输入光纤热状态和所述输出带边缘热状态都表现出高的热斜率的判断，指 示异常的热状态是由坏接头造成的。
16. 如权利要求13的方法： 响应于所述模式剥离器输出部热状态表现出高的热斜率的判断，指示异常的热状态是 由向后传播的包层光所引起的。
17. 如权利要求12的方法，还包括： 判断输入光纤是否被光学耦合到输入源； 判断所述输入光纤的热状态是否表现出高的热斜率；和 响应于判断所述输入光纤未被光学稱合到输入源，并且进一步响应于判断所述输入光 纤的热状态表现出高的热斜率，指示异常的热状态是由向后传播的纤芯光引起的。
18. 如权利要求13的方法： 响应于判断所述输入光纤热状态和锥体热状态都表现出正常的热斜率，指示不存在制 造缺陷。
19. 如权利要求12的方法，进一步包括： 响应于判断所述热状态不正常，触发警报。
20. 如权利要求12所述的方法，还包括： 生成性能数据，所述性能数据包括： 输入光纤热状态数据； 锥体热状态数据； 输出带边缘热状态数据； 模式剥离器输入部热状态数据；和 模式剥离器输出部热状态数据。
【文档编号】G02B6/255GK104160312SQ201380012288
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年1月24日 优先权日:2012年1月24日
【发明者】W·R·霍兰特, W·J·斯特雷切恩, S·苏利万 申请人:Ofs菲特尔有限责任公司