一种紧凑型光纤放大器的制作方法

本发明涉及一种光纤型的光放大器，尤其涉及一种光放大器的放大光纤部分的紧凑结构。

背景技术：

各种类型的光纤型的光放大器，比如铒掺杂光纤放大器（edfas）和分布式拉曼放大器（dras）,都是光通讯系统普遍使用的部件，在需要放大一个衰减的光信号的时候不需要进行光-电-光信号的转换。

在掺铒光纤放大器的案例中,一个光泵浦激光器（典型工作在980nm）被耦合到一段掺铒光纤中，输入光信号在铒纤中与泵浦光同时传输。泵浦光和铒掺杂对传输的光信号通过光激发的铒离子的跃迁产生放大作用。分布式拉曼放大器（dras）通过注入短的，高功率的脉冲到一段传输光纤来支持光信号的传输。这些脉冲（或与光信号同向传播或与光信号反向传播）激发光子到高能级，当这些光子跃迁回基态时会产生受激辐射。

一个光放大器模块是由各种各样的部件组成的，典型的光大器模块是由光纤耦合元件，和一些情况下集合（或混合）的形态，例如，一个隔离器和波分复用滤波器的组合件，或一个隔离器和增益平坦滤波器的组合件，诸如此类。当然，更低的成本和更小尺寸的模块会降低整个系统的成本。因此，使用更小的器件，更混合或更小的模块已经流行有一段时间了。事实上，在工业上一直存在更小型化和更低成本的压力。

一种缓解这种需求的方法是持续减小各种器件的尺寸，如果可能，增加器件的集成程度。然而，在光放大器模块自身的成本也是一个问题的环境下，这并不容易实现。事实上，这些器件的尺寸已经减小到一个很难使用低成本劳动力进行组装的程度（也就是，一些这种器件的尺寸已经达到1mmx1mmx1mm的量级）。

此外，即使减小光放大器模块的尺寸，比如通过增加混合器件的集成程度，这些混合器件必须彼此通过光纤熔接和布线来实现耦合。由于光纤的最小弯曲半径和相对大数量的光纤熔接点和光纤保护套管的要求是不变的，更进一步混合现有结构很快就达到了技术极限，尺寸极限和经济可行性。“弯曲半径”是规定一个信号损耗的可接受程度的决定性因素。特别是，光信号的损耗随信号传输的光纤的半径变小而增大。在光纤半径特别小的情况下，光纤本身也会出现物理上的失效。

综上，一种光纤光放大器要继续在满足成本降低和尺寸减小的期望的同时保持性能要求，需要另一种方法来实现光放大器模块中的放大光纤的结合。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种紧凑型光纤[yjw1]。

根据本发明的一种实施方案，一种典型的光放大器由一个光学模块和一个光纤模块组成。其中光学模块用于放置各种用于处理放大的信号的光学器件，从而把放大的信号处理成一种可接受的输出形式，其中光纤模块用来放置实际用于实现放大的光纤。这种创新型的光纤模块包含一个柔性绝缘材料（例如，聚酰亚胺）基底，基底表面有一层压敏胶。光纤在绝缘材料上盘绕成光纤线圈结构并被胶涂层固定在位置上。一个由更硬的材料制成的支撑托盘用于给予柔性材料机械强度，且可能成型包含导轨来保证光纤线圈的半径不会小于定义的最小光纤弯曲半径。

本发明的一种具体实施方案，在这种方案中，被配置成一个稀土元素掺杂的光纤放大器，特定波长的泵浦光与输入光信号同时在一卷稀土（例如：铒）掺杂光纤中传播。另一种本发明的实施方案采用的是分布式拉曼放大器（dra）的形式，其中高功率的激光脉冲被注入到一个输入光信号传播的信号通路中。

本发明的一种典型实施方案采用的一种光纤放大器形式，这种光纤放大器包含一个光学模块和一个光纤模块，其中光学模块包含光元件用于产生一个放大版本的输出光信号，其中光纤模块光耦合到光学模块中。光纤模块用于放置一段放大光纤，这个放大光纤用于通过泵浦光对传输光信号产生增益，这个光纤模块包含一个特定的柔性基底用于支撑这段以扁平线卷的形式存在的放大光纤和一个放置在柔性基底底下的支撑结构，这个支撑结构包含用于把光纤模块结合到光学模块上的端子。

本发明的一种可选实施方案可能采用一种光纤线圈支撑结构的形式，这种光纤线圈支撑结构由一个包含一个中心卷线轴（形成一个边界用于定义一个光纤线圈的最小直径）的光纤控制组件和一个外边界元件（形成一个边界用于定义一个光纤线圈的最大直径）。一片底部支撑薄片被附着到光纤控制组件的表面，一个外盖被覆盖到外边界元件结构的上表面和至少中心卷线轴的一部分，从而在底部支撑片和外盖之间产生一个空间来支撑和放置一段光纤线圈。

本发明其它进一步的特点将会在以下的讨论和参考附图中进行说明。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是根据本发明形成的一种典型的光纤放大器的等轴测图；

图2是图1中的光纤放大器的爆炸视图；

图3展示了一段放大光纤，在放大器的光纤模块中以扁平光纤线圈的外形使用；

图4是图3中的放大光纤线圈被布置在一个典型的光纤模块上的示意图；

图5是光纤模块的支撑结构部件图，图中展示了用于控制放大光纤盘绕成圈的弯曲半径的参数；

图6展示了一种替代结构，这种结构用于接合创新型的光放大器的光纤模块到光学模块上；

图7展示了一种紧凑结构，这种紧凑结构中的光纤模块的材料可以提供电隔离，从而允许电子电路板可以紧靠光放大器布置；

图8是根据本发明形成的一种光纤模块的替代实施方案的爆炸图；

图9是图8中的光纤模块的等轴测图；

图10是图9中的光纤模块的一部分的剖视图；

图11中展示了一套典型的3个光纤线圈，这套光纤线圈可能被装在图8的光纤模块中；

图12是第一个光纤线圈放置在光纤模块中的示意图；

图13展示了一个总装图，其中有一对光纤熔接光纤线圈被放置在光纤模块的外圈，与第一个光纤线圈分开放置；

图14是一个展示把外盖安装到图13中的模块上的爆炸图；

图15是图9中的典型光纤模块已经安装好外盖的外形图；

图16展示了根据本发明的一种光纤支撑结构中可能使用的一个中心卷轴的一种可选的几何结构；

图17展示了根据本发明的一种光纤支撑结构中可能使用的外边界元件的一个可选的几何结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

图1是根据本发明形成的一种典型的紧凑型的光纤放大器10的等轴测图.光纤放大器10包含一个光学模块12和一个放大光纤模块14.光学模块12可能采用传统形式，包含各种光学元件，混合器件等用于产生一个放大的输出信号，这个输出信号符合确定的系统要求（比如，本底噪声，隔离度，增益谱形，插损等等）。光纤模块14安放有一段（相对长）的放大光纤，这段放大光纤用于实现输入光信号的实际放大功能。有很多不同的结构可能用于提供光学模块12要求的光学功能，本文引用待审的美国申请编号15/072,520（2016年3月17号申请），该申请描述了几种优选的实施方案。

为了清晰起见，图1中展示的光纤模块14没有包含放大光纤。当设计一个稀土掺杂光纤放大器时，光纤模块14中会放置有一段掺杂光纤（比如，掺铒光纤）。在分布式拉曼放大器的情况下，光纤模块14中通常会放置一段传统单模光纤。典型的安装放大光纤到模块14中的制程会在下方中结合图3-5进行说明。

图2是典型紧凑型光放大器10的另一个视图，在这种情况下，爆炸图展示了光学模块12与光纤模块14分离，图中还展示了组成光纤模块14的一系列典型的器件。同时参看图1和图2，一个输入光信号通过一根光纤尾纤连接16进入光学模块12。这个输入光信号和泵浦光（可能通过一个独立的外部泵浦源或安装在光学模块12中泵浦源来提供）在光学模块12中结合并通过一根尾纤光纤连接17耦合到光纤模块14中。光信号和泵浦光之后在放置于光纤模块14中的一段放大光纤20中传输，放大的光信号最终从光纤模块14中输出。放大的信号之后通过光纤尾纤18耦合回光学模块12.各种后置放大光功能（增益平坦，功率调节等根据特定的系统要求）作用于信号，处理后的信号从光学模块12的光纤尾纤19输出，这个输出信号是作为光放大器10的放大的输出信号。

在图2的具体实施方案中，展示的光纤模块14包含一个坚硬的支撑部件22，这个支撑部件有一个相对圆的末端部分24和另一端的一对端子26和28，这对端子用于接合光纤模块14和光学模块12.一片由合适的绝缘材料（比如聚酰亚胺基材料）制成的柔性基底30被安放于支撑部件22内，一种压敏胶粘剤涂层31应用于柔性基底30上。胶粘剤涂层用于保证放大光纤20完整的粘附到基底30上。图2还展示了一个顶部盖板32和一个底部盖板34，用于把放大光纤20包在光纤模块14（图1展示的总装图）内。

这种特定的结构有多种变形，其中包括使用更少或更多的端子来机械连接光纤模块14到光学模块12上。此外，虽然优选在柔性材料30上涂一层胶粘性涂层，可能有一些类型的柔性材料本身自带粘性而不需要再添加额外的涂层。

本发明的其中一个方面是使用放大光纤成一个扁平线圈卷的特殊结构（同现有技术普遍使用捆扎的光纤集束的对比）。在图3的图示中，放大光纤20以盘绕的方式展示，这种盘绕的方式会形成两个平绕线卷的堆叠，如图中所示的20-1和20-2。图4举例说明了一个放大光纤20的光纤线圈放置在支撑结构22的圆形部分24.在制造紧凑型光放大器的这个部分的过程中，放大光纤盘绕到柔性材料30上，施加一个足够的压力以使胶粘性涂层31能把绕好的光纤固定在位置上。

在掺铒光纤放大器的实施中，放大光纤20是一段长约一米的掺铒光纤（有些时候，可能需要多于一米）。分布式拉曼放大器的放大光纤20可能是一段长数米的普通单模光纤。为了把这些相对长的放大光纤放入到相对小尺寸的封装中，需要理解弯曲损耗对传播的信号的影响。也就是说，如果一段光纤被弯曲成一条弯曲半径很小的曲线（在这个方案中，当形成一个线卷时），传播的信号的一大部分将会散射出中心区域；损耗随光纤弯曲半径减小而增大。很小的光纤弯曲半径也可能会造成光纤本身损坏。另一方面，如果弯曲半径维持在一个很大的数值（也就是，给光纤一个相对温和的弯曲），适合容纳一米或二米的放大光纤的封装的尺寸对于很多的cfp封装的要求来说将会太大。

图5是一个根据本发明形成的一种典型支撑结构22，用于控制放大光纤20的绕线结构的曲率。特别的是，支撑结构22的圆形部分24包含一个中心孔36，选择合适的中心孔36的直径d来防止放大光纤20不被盘绕成一个非常小弯曲半径。选用合适的圆形部分24的外径d来保证光放大器10的最终尺寸在特殊封闭设计强制要求的边界内。中心孔36可能包含一个边缘38用于防止放大光纤进入这个中心区域。同样，支撑结构22的外围可能包含一个边缘40用来把光纤保持在指定的范围内。

在一个典型的组装过程中，放大光纤20被盘绕到支撑结构22的柔性基底30的表面上，其中中心孔36（带边缘38）和外边缘40作为这个过程的参考线。也就是说，放大光纤20盘绕成一个平面结构，而不是现有技术的捆绑的方式，采用微型的熔接保护套管来连接光纤尾纤17和18。照此，这部分的光放大器可能采用自动化的方法来进行组装，形成一个高重复性的，高成品率和低成本并且小型封闭的制程。

机械连接光纤模块14到光学模块12（如上所述，光连接是通过光纤尾纤17和19实现的）可能有多种不同的结构图1和2所示的典型结构采用的是直接扣合摩擦的装配方式来接合光纤模块14的端子26，28和相对应的光学模块12的壳体46上的连接元素42，44（如图2所示）。

图6是一个替代接合结构的等轴测图，在这个方案中使用的是一套螺丝48来连接光纤模块的端子26，28到光学模块12的壳体46上。在这个创新的紧凑型的光放大器模块的视图中明确展示了边缘38和40的细节。在光放大器10的下方，展示了光纤模块14和光学模块12的连接。在这个视图中，端子26和28是可见的，使用如图示的加固元素42和42’进行固定。装合螺丝50和52如图所示用来接合端子26到光学模块12上，相类似的装合螺丝50’和52’用来固定端子28。

如上所述，另一个本发明的紧凑型放大器模块结构的优势是光纤模块14的支撑结构22是由绝缘材料制成的。照此，就可以把相关的电路放置到靠近光纤模块14的位置而又不影响它的性能。图7是一种典型的说明这个方面的创新型的紧凑型光放大器的图例。为了清晰起见，用于封闭放大光纤20的保护层未在图中展示在这个方案中，电路板100展示为直接布置在紧凑光放大器10的底部，沿光学模块12和光纤模块14底部伸展。

这种用于光纤光放大器的创新型的光纤模块可以用于不同类型的掺杂光纤放大器（比如一个掺铒光纤放大器）或一个分布式拉曼放大器，唯一的不同是盘绕到模块的柔性基底上的光纤的类型不同。支撑结构22（特别是中心孔32）的特定尺寸可能会随特定光放大器的设计标准相关的最小弯曲半径而变化。

图8展示了一种用于封闭和支撑一个或多个光纤线圈，特别是适合应用于光放大器或其它光纤基础的设备的低剖面结构的另一个实施方案。光纤支撑结构80在图8的爆炸视图中展示，以及以组装后的形式在图9中展示。在这个具体实施方案中，光纤支撑结构80包含一个控制部件，这个控制部件由一个外边界元件82和一个卷线轴83组成，其中卷线轴83被布置在外边界元件82的内部区域。卷线轴83的尺寸规定了被布置在光纤支撑结构80和盘绕在卷线轴83周围的光纤线圈的最小允许弯曲半径。在一些实施方案中，外边界元件82可能包含一个光纤导入84和86.外边界元件82和卷线轴83可能由任何包括相对坚硬的塑料在内的合适的材料制成。

根据本发明的这个实施方案，第一个塑料材料的薄片90（例如聚酰亚胺，聚碳酸酯诸如此类）被附着到外边界元件82的底面82b和卷线轴83的底面83b上。这第一个塑料材料薄片在下文被定义为光纤支撑结构80的“底部薄片90”。光纤线圈20被布置在底部薄片90之上，其中光纤线圈20的直径小于外边界元件82的内径。塑料材料的顶部薄片92（以底部薄片90相同或类似的材料制成）随后被布置来覆盖外边界元件82的上表面82t.薄片90和92可能被焊接到外边界元件82（例如，超声波，热焊或化学焊接）或粘贴到圆环上。

在本发明的实施方案的一个或多个结构中，顶部薄片92可能包含一个预定宽度w,这个预定宽度允许顶部薄片92轻微延伸出外边界元件82的内表面82i.图10是图9中的结构的一部分的剖视图，图中展示了顶部薄片92相对于外边界元件82和底部薄片90的一个伸出部分d。如图10所示，伸出部分d被设计来产生一个有顶部覆盖的光纤支撑结构80的外部部分，这个伸出部分的长度要稍微大于至少两个光纤直径。这个结构允许光纤的熔接部分被安放在这个伸出部分的底下，这个将会在下方描述。在装配操作过程中，根据不同的情况，顶部薄片的伸出部分可以包含如槽或切口之类的特征，以此允许光纤以受控的样式从结构中引出。

当用于支撑一个光纤线圈，通常光纤线圈的直径仅会占用光纤支撑结构80一部分可用体积。在这种情况下，光纤支撑结构80未被占用的区域（比如，被顶部薄片的伸出部分覆盖的区域）可能被留作额外光纤的存放，这个在安装过程或返修过程中放置熔接点是很有必要的。图11说明了光纤支撑结构80可能封装在内的一套光纤。图中展示了一个如上文所述的预先制作的光纤线圈20，以及第一个熔接部分20-1和第二个光纤熔接部分20-2，这两个熔接部分分别耦合到光纤线圈20的光纤两端。图12展示了光纤线圈20放置于光纤支撑结构80的底部薄片90上，这个动作是在把光纤熔点20-1和20-2放置之前的，光纤熔点20-1和20-2旋转到光纤结构80外部部分且位于由顶部薄片92的伸出部分下方。光纤线圈不一定必须是平面的，或可能包含一系列的扁平线卷，这些平面线圈以堆叠的结构放置到光纤支撑结构80的中心线轴83的周围。

事实上，光纤熔接点20-1和20-2从预先制作的光纤线圈20延伸出来的长度需要被控制到一定的精度，以此保证熔接点自然落在光纤支撑结构中的预先确定的位置，这个位置被选择来达到光纤受最小应力的目的，从而实现高可靠性。这个长度被更详细的规定，光纤被盘绕成更小尺寸的线卷以使其能装入到预留的结构的外部部分。因此，光纤在最小应力状态使用（比如，光纤无因为线长不受控或不充分控制造扭曲引起的残留应力）。图13展示了光纤熔接点20-1和20-2被旋转在光纤支撑结构80内。

如图13所示，熔接的光纤20-1和20-2的线圈会自然展开到结构预留部分的最大直径。因此，熔接点驻留在最大可用直径（举例说明：靠近外边界元件82的内表面82i）从而在它们的最终部署状态承受最小可能的弯曲应力，以此保证高可靠性和较低的插入损耗。

图3也展示了顶部薄片92的伸出部分d,这个伸出部分d允许熔接点20-1和20-2被放置在顶部薄片92的底下，然后如上文所述，放置在光纤支撑结构的底部薄片90的外部部分。在这个视图中还展示了槽94，用于控制把熔接点20-1和20-2放置在光纤结构80内。

在它的最终装配形式中，光纤支撑结构80可能还还包含一个外盖用于包住和保护存放的光纤线圈20，以及熔接点20-1和20-2（和/或其它任何光纤包含在支撑结构80内图14是一个典型结构的爆炸图，其中展示了光纤结构80的一个外盖板100）.图15是一个总装图，其中展示了外盖板100放置并附着到光纤结构80的顶部薄片92上。

图8-15所示的特定的实施方案描述使用了一种圆形的外边界元件82和卷线轴83，其它形状的外边界元件和卷线轴也可能采用，只要光纤盘绕在卷线轴上时的弯曲不超过最小可允许的弯曲半径即可。例如，可能使用一个有点圆角的三角形形状的卷线轴，如图16所示的卷线轴83a。

图17是一种典型光纤支撑结构80a的俯视图，在这个实施方案中，利用一个非圆形的外边界元件82a(这个结构符合根据本发明的给定光纤的最小弯曲半径的限制条件).在这个具体实施方案中，外边界元件82a的内边82ai是呈七边形的，这个结构可以提供足够的空间用于放置光纤线圈20，以及额外的空间给可能增加的任何光纤熔接点。值得注意的是外边界元件82a的外形可能是任何合适的形状。在其它方案中，外边界元件的外周可能是圆形的，或可能与内边82ai保持一致的设计，即七边形。当然，七边形的外边界元件82a应该只是其中一种典型方案。根据特定的应用环境，各种其它的形状也可能使用，只要符合弯曲半径的要求即可。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。