专利名称：光放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光放大器。
背景技术：
为改进掺铒光纤放大器的增益平稳度，已知可借助箔加热器来升高掺铒光纤的温度，从而限制掺铒光纤因外部热环境的变化而经受的温度偏移。这种箔加热器典型地由一个加工成特定长度和相应阻抗、夹在两层非导电材料之间的刻蚀导电轨(conductive track)组成。
图1是一个此种已知光放大器的俯视图、侧视图和分解透视图，在该光放大器中，一段特定长度的铒光纤(erbium optical fibre)卷绕在一个铝卷轴2上，而一个压板6利用插入在自身和铝卷轴2之间的一个导热垫圈8和一个箔加热器10，将铝卷轴2固定在一个壳体4中。压板6由一个螺钉12定位，并且箔加热器10的电连接由一个安装在该加热器的凸出部分16上的标准PCB连接器14实现。
由于在这种配置中，箔加热器10藉由导热垫圈8的接合作用压紧在卷轴2上，所以当箔加热器10的功率提高时，所产生的热能会传递到卷轴2，并由此传递到饵光纤。
然而，此种箔加热器的制造成本相对昂贵，这成为包括此类箔加热器的光放大器的加工成本居高不下的主要原因。此类加热器的机械复杂性意味着它们的加工和装配成本必然很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包含加热器的光放大器，该加热器制造成本低廉、能够简化该光放大器的装配并缩短装配时间。
根据本发明，这里提供了一种包括一个多层板结构的光放大器，该多层板结构包括至少一个采用非导电材料的支撑层和至少一个采用导电材料的导电层、一个安装在该板结构上的光纤的卷轴，和一个用于加热所述光纤的加热器，其特征在于，该加热器是位于所述至少一个导电层内、对所述光纤进行电阻加热的电阻轨(resistive track)。
由于该加热器是该板结构上的电阻轨，所以这种光放大器的制造成本相对低廉，并且可在该光放大器的组装期间纳入该加热器，而无需采用额外花费的组装步骤。这意味着提供加热器几乎就不需要什么成本。采用这种结构还可缩短产品投入市场的时间，并且随之而来的零件数目减少使得该光放大器更易于装配并可缩短装配时间。同时性能也得到了提高，能够使光纤达到同一温度所需的功耗降低，也就是同一功耗能够达到更高的光纤温度。
该电阻轨优选埋在支撑层内，这使得轨的厚度更容易控制，并因而提高了作为电压的函数的功率耗散的一致性。另外，由于埋入的轨可避免潜在的损害，所以提高了该加热器的可靠性。
总体上，该板结构是一个安装有加热器驱动电路和其它相关部件的印刷电路板。在一个优选的实现方案中，该加热器是该印刷电路板的刻蚀的铜轨。在这种情况下，该刻蚀的轨的长度可作为所需功率耗散和最大电压的函数进行选择。另外，对该轨的形状的选择可有助于使感应最小化和更均匀地加热。
此外，可提供用于监控该加热器的温度以控制该加热器的加热的测温工具，例如至少一个位于该加热器附近的热敏电阻。可提供可替代性光学传感工具，以监控该放大器的光输出信号从而控制增益平稳度和该加热器的加热。
尽管该卷轴总体上呈圆形，但也可根据具体应用而具有其它形状。对卷轴的形状的唯一限制是其不能超出该光纤的最小弯曲半径。该卷轴优选包括一段卷绕在一个由导热材料制成的架上的光纤，该导热材料例如铝合金。
由于该加热器轨位于该印刷电路板内，所以热量散失到周围板中的机会高于传递到该卷轴上的机会。为应对这种损耗，该板可具有一个以上围绕该加热器的隔热孔或切口以减少该加热器附近的热损耗。此外，优选提供一个围绕该加热器的至少一部分的隔热套以减少该加热器附近的热损耗。
为更充分地理解本发明，参照附图作为示例，附图包括图1是用于光放大器的已知箔加热器的俯视图、侧视图和分解透视图；图2是根据本发明的光放大器中的加热器的俯视图；图3是图2的加热器所用的驱动电路的电路图；图4包括了示出图2的加热器的结构的局部的复数个示意图；图5和图6是图2的加热器的分解透视图和装配透视图；图7是根据本发明的另一种光放大器的俯视图；和图8示出了本发明的一个发展，其在装配中的不同阶段示出在a)、b)、c)和d)中。
具体实施例方式
以下参照图2～图6描述的优选光放大器配置是掺饵光纤放大器(EDFA)。然而，这仅是本发明的应用的一个示例，应理解，本发明还可用于要求加热器加热一段光纤的多种其它应用中。例如，为改变单段光纤的某些光学特性，可使用类似装置加热和/或张紧该段光纤。
参见图2，所示根据本发明的光放大器包含一个埋在印刷电路板(PCB)22中的电阻轨20(如该图中虚线所示)形式的加热器。该轨20由1盎司(oz)铜刻蚀而成并具有环结构，该环结构包括一个在接近90度的圆周上延伸的环组24和同样在90度的圆周上延伸的环组26、28和30，环组24依次连接至环组26、28和30，这种互连使得所有这些环组都连接在一起，从而形成一个输入端和输出端都位于该加热器圆周上同一点32处的连续轨。这种构造使感应降低并使加热更均匀。四个切口34、36、38和40延伸过PCB 22并大体上围绕该加热器，以便将该PCB的位于这些切口内部的区域与该PCB的外围区域隔离开。这使该加热器沿PCB 22的中心部分向外的热量损耗降至最低。
应注意，为减少散失到PCB 22及更远处的热量，在该加热器下的PCB22中不应设置铜层，也就是在切口34、36、38和40的范围之内不应设置铜层。
借助标准光刻工艺在PCB 22的下介电层上形成轨20，在该工艺中，在该下介电层上形成铜层的图案，并蚀刻该铜层至在该下介电层上仅留下所需的铜轨形状。然后，在该下介电层的顶部上覆盖另一介电层，并且该轨的厚度典型地为约0.1mm以使该轨夹在这两层之间。而后，贯穿该PCB 22形成切口34、36、38和40。
在该PCB上还安装有一个具有图3所示电路图的加热器驱动电路，该加热器驱动电路包括一个微控制器42，该微型控制器42包含一个从用于测量该加热器的温度的测温传感器46接收模拟温度信号的模-数转换器(ADC)44；一个用于从ADC 44接收数字输入信号的比例/积分/微分(PID)控制器48；以及一个用于将来自PID控制器48的数字输出信号转换为模拟输出信号的数-模转换器(或脉冲宽度调制器)50，该模拟输出信号用于控制为该加热器轨供应电流的加热器驱动器52。可控制该加热器驱动电路以降低该加热器两端的可变电压，并根据温度控制该加热器。更具体地说，PID控制器48允许设定一个定点值(理想状态)，以使该加热器受控在一个所谓的闭控制环中，在该闭控制环中，PID控制器48根据来自测温传感器的自身输入值逐步调整自身输出。该PID将精确控制该加热器，以使温度逼近并收敛于一个定点。通过设置比例、积分和微分常数，可以方便地校准或调节该PID控制器，以使与该定点相关的过调量和振荡降至最低，并可通过设置积分调整常数改变该PID控制器的反应速度。
测温传感器包括两个彼此完全相对地设置在一个卷轴架58内侧的热敏电阻54和56，如图4最左侧图(a)所示。如图4的详细截取图(b)和的局部截面图(c)所示，每一热敏电阻54、56都设置为紧接卷轴架58的内侧，并通过铜接线接通至从该PCB表面和一个导热垫圈60之间凸出的轨20，该导热垫圈60夹在卷轴架58和PCB 22之间。
正如从图5的分解图中清楚看出的，该加热器包括以下顺次安装在PCB22上的更多部件导热垫圈60；卷轴架58，铒光纤按照图4(c)的截取图所示以多层结构卷绕在该卷轴架58上；和一个压板62，其具有一个形成隔热套的向下延展的壁64。这些部件通过螺钉66固定到PCB 22上，以利用夹在卷轴架58和加热器轨20附近的PCB 22之间的导热垫圈60，将卷轴架58压在加热器轨20附近的PCB 22上。这样即可确保热能从加热器传递到卷轴架58，并进而传递到卷绕在该架上的光纤。压板62的悬垂壁64形成了一个隔热套，该隔热套有助于减少因对流而从该加热器散失的热量。PCB22中的导热垫圈60和切口34、36、38和40起到使周围环境状况和光纤温度之间的温度差最大化的作用，其中光纤温度是加热器功率耗散的函数。
卷轴架58由导热材料制成，例如由铝合金制成，这使得光纤能够在卷轴架58上连续成层地卷绕。这种架被设计为在卷绕之后支撑光纤，以便于移动和装配到光放大器中。另外，光纤的成层卷绕，保持了光纤的紧密接触，并使热量可以均匀地扩散。架的尺寸和形状取决于具体应用，并且光纤最好卷绕成紧密的圈以使空间利用率最大化。对该架的唯一一条形状限制是其不应超出光纤的最小弯曲半径。PCB上的加热器轨的形状反映了待加热的架的形状，在图解的实施例中，架的形状当然是圆形。也可用其它材料来制作架以提高热传导性或降低加工成本，例如使用塑料模塑。
在上述实施例中，支撑结构是PCB，亦即一个包含复数个介电层和一个或更多导电层(通常是铜层)的多层结构。然而，在这类应用中也可采用多层支撑结构的其它种类，具体地说，可使用陶瓷层替代介电层，并可使用电阻不受温度影响的替代性导电层。尽管在该特定实施例中，轨是通过刻蚀形成的，但是可替代地，也可以通过激光切割或激光微调来形成轨。然而，已经发现与PCB加工相关的标准加工工艺和公差使得加热器具有优良的性能，因此节约了与设计相关的成本。
在本发明的发展中，用于控制加热器的温度的加热器驱动电路的晶体管形成部分具有一个散热片68，该散热片68与夹在导热垫圈60和加热器轨20附近的PCB 22之间的铜环70形成热接点(参见图4(c))。如此，由该晶体管发散的热量可用来补充加热器的加热。
在图8示出的本发明另一个未图解的发展中，提供了一个由与上述轨20类似的电阻轨70形成的对数放大器(log amp)加热器，以便加热对数放大器电路。如图8a所示，在PCB 72中待安装该对数放大器电路的区域周围提供一个切口71，有助于该对数放大器电路的隔热。这有助于降低由贯穿PC B面的传导所引起的热损耗。该加热器轨的长度，由该加热器获得与环境空气温度的所需温度差ΔT所需的功率耗散来决定。该加热器轨的形状，首先由所需长度决定，其次由不能与PCB上的任何部件形成电短路这一必要条件决定，这些部件例如轨和通孔等。该对数放大器电路需要测量该放大器的功率。然而，该电路易于受到随温度变化的变量的影响。因此，通过将该电路的温度控制在环境温度之上的一个固定值，就能够确保该测量电路的性能稳定。在图8b)中示出该对数放大器电路的部件73安装在PCB 72上。如图8c)所示，一个铝环框74环绕该电路的外侧设置，并且如图8d)所示，一个泡沫插件75设置在这些部件之上以降低因对流和辐射造成的热损耗。
权利要求
1.一种包括一个多层板结构的光放大器，该多层板结构包括至少一个采用非导电材料的支撑层和至少一个采用导电材料的导电层、一个安装在该板结构上的光纤的卷轴，和一个用于加热所述光纤的加热器，其特征在于，该加热器是位于所述至少一个导电层内、对所述光纤进行电阻加热的电阻轨。
2.根据权利要求1所述的光放大器，其中所述电阻轨埋入所述支撑层内。
3.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述板结构是印刷电路板。
4.根据权利要求3所述的光放大器，其中所述加热器是所述印刷电路板的刻蚀的铜轨。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的光放大器，其中在所述板结构上安装有一个加热器驱动电路。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的光放大器，其中提供有用于监控所述加热器的温度以控制所述加热器的加热的测温工具。
7.根据权利要求6所述的光放大器，其中所述测温工具包括至少一个位于所述加热器附近的热敏电阻。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的光放大器，其中所述卷轴大体上呈圆形。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的光放大器，其中所述卷轴包括一段卷绕在一个由导热材料制成的架上的光纤。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的光放大器，其中所述板结构具有一个以上围绕所述加热器的隔热孔以降低所述加热器附近的热损耗。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的光放大器，其中提供有一个围绕所述加热器的至少一部分的隔热套以降低所述加热器附近的热损耗。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的光放大器，其中所述卷轴利用一个紧固组件安装在所述板结构上。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的光放大器，其中所述光纤为铒光纤。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的光放大器，其中所述光纤的加热由所述板结构上的晶体管所发散的热来补充。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的光放大器，其中所述加热器另外还适于加热相关的电子线路。
全文摘要
一种光放大器包括印刷电路板PCB(22)，PCB 22具有至少一个采用非导电材料的支撑层和至少一个采用导电材料的导电层，和一个采用PCB(22)上的导电轨(20)形式的箔加热器。一段特定长度的铒光纤卷绕在一个安装在PCB(22)上的铝卷轴(58)上，该铝卷轴(58)由一个压板(62)利用一个插入在其间的导热垫圈(60)压紧，以使光纤可由该加热器来加热。在PCB(22)上提供有围绕该加热器的切口(34、36、38和40)以使该加热器的热损耗降至最低。该加热器的形式使其可在该光放大器的组装期间制作出来，而无需采用额外花费的组装步骤。
文档编号H01S3/06GK1918758SQ200580004390
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月9日 优先权日2004年2月10日
发明者彼得·威尔逊·麦卡格 申请人:波科海姆技术公共有限公司