用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器的制作方法

文档序号:7923234阅读:292来源:国知局
专利名称:用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器的制作方法
技术领域
本发明是一种用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器。特别涉及到对于光纤光栅的调谐和光纤折射率的调制。
背景技术
在光纤调谐和光纤传感技术中,各种光纤器件,如光纤光栅、光纤干涉仪等发挥了重要作用。这些器件的波长调谐特性是实际应用中十分关注的性能。光纤光栅是一种窄带反射型滤波器,实际应用要求可以调谐其峰值位置。尤其是在密集波分复用通信系统中,需要可调谐的光源、可调谐的滤波器。在啁啾光纤光栅色散补偿器件,和长周期光纤光栅增益平坦滤波器中,需要动态调整其中心波长和色散补偿量,动态调整增益谱曲线。在这些应用中,还要求有较高的调谐速度。在许多用于传感和测量的光纤干涉仪中,如光纤马赫-曾德干涉仪,需要对干涉仪的一个臂的折射率进行调整,以获得稳定的、灵敏的输出;还需要对干涉仪的一个臂进行折射率调制,以获得调制输出或开关特性。
利用光纤折射率随温度、应力和其他物理效应可以实现调谐。参考文献[1][Ball G.A.,Morey W.W.Continuously tunable single-mode erbium fiber laser,Opt.Lett.,1992,17(6)420-422]报道,采用压电陶瓷(PZT)使光纤形变,从而达到调谐的目的。据该文献报道,光纤形变90μm时,波长调谐范围为0.72nm。这一结构的缺点是需要在PZT上施加很高的电压。
参考文献[2][余有龙,刘治国,董孝义,王江,“基于悬臂梁的光纤光栅线性调谐”,光学学报,Vol.19,No.5,May,1999]提出了悬臂梁调谐技术。这种结构将光纤光栅固定在悬臂梁的一个侧面上。悬臂梁自由端运动时,引起一个侧面拉伸,另一侧面压缩,从而使光纤光栅发生形变,达到调谐的目的。这一结构的调谐速度比较慢。
参考文献[3][Xu M.G.,Geiger H.,Archambault J.L.et al.,Novelinterrogating system for fiber Bragg grating sensors using an acousto-optic tunablefilter,Electron.Lett.,1993,29(17)1510-1511]利用光纤的折射率与温度的关系,通过控制外界环境的温度可对光纤光栅进行调谐。它采用的加热机构距离被加热的光纤比较远,因此调谐效率低,速度慢。参考文献[4][董新永,温午麒,魏玉花,刘志国,开桂云和董孝义,“光纤布喇格光栅的金属管封装与电调谐”,光子学报,Vol.30,No.4,pp.422-424,2001]采用稍大于光纤直径的金属套管作为加热体,通过施加电流使光纤温度上升,达到调谐的目的。该结构改善了加热效率。但是由于金属套管不可能完全接触光纤,热效率和调谐速度仍然受到限制。
参考文献[5][Eggleton B.J.,et.al.Electrically Tunable Power EfficientDispersion Compensating Fiber Bragg Grating,IEEE Photonics TechnologyLetters,Vol.11,No.7,pp854-856,1999]采用在光纤表面直接金属化、通过电流加热的调谐,制作了色散补偿光纤光栅。但是,实际应用还需要对光纤或光纤器件(如光纤光栅)的不同部位进行不同要求的调谐,以达到改变其透射或反射的光谱特性。因此,一种具有分布式调谐功能的元件是很有必要的。上述在先技术都不具有这样的功能。

发明内容
本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足,提供一种直接制备在光纤外表面的分布加热元件,以实现高效、高速、在时间和空间上可以调节控制的调谐装置。
本发明的微加热器包括电路板7、固定于电路板7上有剥去光纤外涂覆层4的裸光纤3。在裸光纤3的外表面上覆盖有金属加热层2;有N≥2个电极5均匀地加在金属加热层2上,将金属加热层2分成N≥1个串联的加热单元201;每个加热单元201上置有测温元件1;每根电极5和每个测温元件1都连接到电路板7上的控制电路6上。如

图1所示。
所说的控制电路6有两种结构。第一种结构是每两个电极5之间串联有开关电路601、可控硅602和输出降压变压器604的分压线圈603。每个开关电路601、每个可控硅602和每个测温元件1都连接到触发控制器605上。触发控制器605与计算机接口13或数字信号处理器相连。也就是说每个加热单元201的温度是由计算机或数字信号处理器通过触发控制器605控制的。如图7所不。
或者所说的控制电路6是第二种结构,如图10所示的结构。在每两个电极5之间与加热单元201并联有可变电阻606。所有的可变电阻606串联后接于稳压电源607上。所有的可变电阻606的控制端(或称调阻器的变阻端)和测温元件1都接于等效电阻调制器608上。等效电阻调制器608与计算机接口13或数字信号处理器相连。同样是每个加热单元201的温度由计算机和数字信号处理器通过等效电阻调制器608控制。
根据需要,在金属加热层2的外围可以包有保温层8,保持金属加热层2的温度。如图2所示。或者在金属加热层2的外围加有致冷器12,是使金属加热层2的温度迅速降低下来。如图7所示。或者既不加保温层8,也不加致冷层12,如图1、图8、图9、图10所示。
如上所述的结构,本发明的微加热器的金属加热层2是采用真空蒸镀、化学镀和电镀方法直接在去除光纤外涂覆层4后的裸光纤3表面上形成的一种金属层。如上述,根据需要,金属加热层2外可以涂覆保温层8。本发明实施例中所采用的保温涂覆材料,是采用溶胶凝胶技术制备的耐高温材料。在加热层2外也可以置有致冷层12,即可以与散热或致冷材料相接触。可以采用半导体致冷器的冷端作为致冷层12。金属加热层2同电极5之间的连接,采用合金焊料铅焊、或耐高温导电胶等。
本发明的微加热器的总体结构如图1所示。金属加热层2由多段加热单元201串联而成。每一段加热单元201上安装一个测温元件1。该测温元件1采用热敏电阻或热电耦。微加热器的电极5和测温元件1连接在驱动电路和温度反馈的控制电路6上。光纤和控制电路都制作在印刷电路板7上。通过计算机或数字信号处理器(DSP)可以获得温度分布可控的调谐。
与在先技术的温度调谐比较,本发明的微加热器具有明显的优点(1)热效率高。由于金属加热层2紧密接触裸光纤3,热量直接传入纤芯,加热的效率很高。设裸光纤3的比热为C1;金属加热层2材料的电阻率为ρ,比热为C2;金属加热层2的厚度为h,内径为r(r与裸光纤3的外径相等,一般为125微米);金属加热层2外表面的等效散热系数为s,可以得到,在施加电流I时,温升为ΔT=ρI2π2h(2r+h)[r2C1+h(2r+h)C2+2(r+h)s]----(1)]]>≈ρI22π2hr2[rC1+2hC2+2s]----(2)]]>(2)式是在h<<r时的近似。由于裸光纤3很细,金属加热层2的镀层可以做得很薄,金属加热层2同裸光纤3之间没有其他隔热或传导层,因此热效率可以做得很高。
(2)加热速度快。由于裸光纤3和金属加热层2的体积重量很小,总的热容量很小,因此温度的变化速度很快。根据热量的传导定律,传导的热量正比于温度梯度Q=-κT。式中κ为光纤材料的热导率。本发明将金属加热层2直接制作在光纤表面上,离开纤芯的距离只有60微米。因此可以获得大的温度梯度。总热容量小也有利于温度调谐的速率。近似地,温度上升和下降的时间变化规律可以用下面的公式来描述上升T=T0+PσC[1-exp(-σt)];]]>下降T=T0+ΔTexp(-Ot)式中P为所加的功率,C为热容量,σ为表征热量耗散的参数,它可以表示为σ=2s(r+h)/[r2C1+(2r+h)hC2]≈2s/(rC1+2hC2)。
可见热容量直接决定了升温的速率,小的热容量保证了快的升温速度。如果金属加热层2的外围的致冷层12采用半导体致冷,可以实现快的降温速度。
(3)采用图1所示的结构,金属加热层2是由N≥1个串联的加热单元201构成的。由计算机控制,在不同两电极之间施加不同的电流,则不同的加热单元201的温度变化就不同。所以计算机控制可以在裸光纤3的轴向获得具有所要求的某种特殊形式的温度分布。这一功能在动态色散补偿、高阶色散补偿、特殊光谱滤波器等应用中具有重要的应用意义。
图5在实施例2中光纤光栅峰值波长随微加热器工作电流的变化关系曲线。
图6温度调制的时间响应曲线。
图7为本发明实施例3,控制电路6为第一种结构示意图。
图8为本发明微加热器实施例4在无源光纤环形腔温度调谐中应用的示意图。
图9为本发明在实施例5中分布式微加热器在动态色散补偿中的应用的示意图。
图10为本发明在实施例6中,控制电路6为第二种结构的示意图。
具体实施例方式实施例1如图2所示的结构。电极5的数量N=2。金属加热层2是采用真空镀膜的方法直接镀在裸光纤3外表面上。在金属加热层2的外周覆盖有耐高温材料构成的保温层8。控制电路6为上述第一种结构。
实施例2见图3所示的结构。采用真空蒸发技术,在写入了紫外光折变光纤光栅10的表面上,镀制了钛铂薄膜作为过渡层11;在钛铂薄膜外表面电镀了镍金属层作为金属加热层2。钛铂薄膜的过渡层11主要是为了使镍金属加热层2与光纤光栅10结合得更紧密牢固。在镀镍层的二端铅焊二根电极5,控制电路6采用上述第一种结构。在两电极5间就可以加电流进行调谐。图4为随加热电流变化的光纤光栅10透射光谱曲线。图5为峰值波长随工作电流变化的函数关系。可以看到波长移动基本上同电流的平方成正比。在0.15安培的电流下可以调谐1nm。图6为温度变化的时间关系曲线。图中下部曲线I是施加的电流波形,上部II是采用一个单频激光器作光源,用微加热器调制的光纤光栅作为滤波器,测量的光信号波形。可以看到,上升时间大致在30ms左右。
实施例3如图7所示的结构。控制电路6采用上述的第一种结构。控制电路6采用常规的可控硅整流电路和热敏电阻传感的结构。可以实现温度分布的控制。图中602为可控硅,601是一个开关电路,或者是脉冲信号驱动器,603是输出降压变压器604的分压线圈。605为温度比较电路和可控硅触发电路构成的触发控制器,并带有数字信号处理器(DSP)或计算机接口13。604是一个给分布式加热层2供电的多组输出降压变压器。12是半导体致冷器冷头作为致冷层,调节其温度可改变调谐速度。电极5的数量N=5,金属加热层2是由N=4个加热单元201串联构成的。
实施例4本发明用于光纤无源器件的调谐。如图8所示的结构,是一个可调无源光纤环形腔15的例子。光信号从光纤3输入时,经过耦合器14,一部分光能量进入光纤环16。它的重要特性是输出光信号相位受到了周期性的调制。这一周期就是其重要参数之一自由光谱宽度Δλ=λ2/nL。式中L是光纤环16的长度;n是光纤3的折射率,它是温度的函数。λ为输入光束的波长。应用中温度需要精确调节到一定的数值。为此可以在一段光纤环16上制作金属加热层2,从而对自由光谱宽度进行微调。控制电路6采用上述第二种结构。
实施例5本发明可用于啁啾光纤光栅的动态色散补偿器。图9是其结构示意图。在啁啾光纤光栅18上制备了本发明的分布式金属加热层2。电极5数量N=8,金属加热层2的温度及其分布由控制电路6控制。控制电路6采用上述第一种结构。光信号从光纤环形器17的输入端口19输入,光脉冲的波形如B入所示。光脉冲经过啁啾光纤光栅18的反射之后,从输出端口20输出。光脉冲波形得到改善,脉宽压缩,如B缩所示。为了获得最佳色散补偿效果,利用啁啾光纤光栅18上制作的金属加热层2,可以调整啁啾光纤光栅18的反射光谱的幅度和宽度。B0和B1是动态调谐反射谱的曲线示意图。
实施例6如图10所示的结构。控制电路6采用上述的第二种结构。金属加热层2上的电极5数量N=5。在分布式金属加热层2上的每段加热单元201上都并联一个可变电阻606。它们的阻值由等效电阻调整器608控制。改变可变电阻606的阻值,可以改变流过金属加热层2的电流。该控制电路6也带数字信号处理器或计算机接口13。全部电路由稳流电源607供电。
权利要求
1.一种用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器,包括<1>电路板(7),固定于电路板(7)上的剥去光纤外涂覆层(4)的裸光纤(3),在裸光纤(3)的外表面上覆盖有金属加热层(2);其特征在于<2>有N≥2个电极(5)均匀地加在金属加热层(2)上。将金属加热层(2)分成N≥1个串联的加热单元(201);<3>每个加热单元(201)上置有测温元件(1);<4>每根电极(5)和每个测温元件(1)都连接到电路板(7)上的控制电路(6)上。
2.根据权利要求1所述的用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器,其特征在于所说的控制电路(6)是每两个电极(5)之间串联有开关电路(601)、可控硅(602)和输出降压变压器(604)的分压线圈(603),每个开关电路(601)、每个可控硅(602)和每个测温元件(1)都连接到触发控制器(605)上,触发控制器(605)与计算机接口(13)或数字信号处理器相连。
3.根据权利要求1所述的用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器,其特征在于所说的控制电路(6)是每两个电极(5)之间与加热单元(201)并联有可变电阻(606),所有的可变电阻(606)串联后接于稳压电源(607)上,所有可变电阻(606)的控制端和测温元件(1)都接于等效电阻调整器(608)上,等效电阻调整器(608)与计算机接口(13)或数字信号处理器相连。
4.根据权利要求1所述的用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器,其特征在于在金属加热层(2)的外围或者包有保温层(8),或者置有冷却层(12),或者保温层(8)和冷却层(12)都没有。
全文摘要
一种用于光纤器件温度调谐的金属化光纤分布式微加热器,主要适用于光纤光栅的调谐和光纤折射率的调制。含有在裸光纤或光纤光栅的外表面上覆盖的金属加热层。金属加热层上均匀分布有N≥2个电极,将金属加热层分成N≥1个串联的加热单元。每个加热单元上置有测温元件。每根电极和每个测温元件都连接到控制电路上。控制电路有两种结构供选择。由计算机通过控制电路控制金属加热层的温度变化,从而达到调谐或调制的目的。具有加热效率高,加热速度快,能够获得沿光纤轴向温度分布不同的要求,对于动态色散补偿、高阶色散补偿、特殊光谱滤波器等也有重要的应用意义。
文档编号H04J14/02GK1391134SQ0213622
公开日2003年1月15日 申请日期2002年7月26日 优先权日2002年7月26日
发明者方祖捷, 耿健新, 李琳, 赵岭 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1