专利名称：全光纤集成化光功率监控器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光功率监控器，具体涉及将可变光衰减器和全光纤光功率监测器二者集成在 一根光纤上，同时具有光功率的监测和控制功能的全光纤的集成化光功率监控器及其帝,方法。 属于光纤通信、光纤传感及光纤3封，术领域。
背景技术：
光功率监控器是光网络的DTOM(密驗分复用)以及全光网所需的关键器件之一。在光网络应 用中，各光路，特别是光纤中的光功率的管理是一项重要的技术内容。例如，在光纤放大器中， 为保证系统的良好检测特性，通常要求各通信信道中传输的光功率是均衡的，这就有了多路光功 率均衡器。另外，在光信号脉冲的接收端，为了降低的误码率，保证系统电信号的一致性，也要 对各路光信号的功率进行管理和控制。以DWDM系统中的信道光功率均衡为例，随着信道数目的增 加，所需要的光功率监控器件的数目也会不断增加，因此将这些原本分立的器件组合成模i央甚至 集成化是必要的。随着高速光通信的发展，对光纤通信系统中的光功率的管理技术和管理成本提 出了更高的要求。
目前光纤通信用的光功率的监控(监观,控制)器件主要结构有三类 一是光机结构器件，一 般是由分立的MEMS可调光衰减器和光纤Tap耦合器结构。这类分立器件的优点是技术成熟，使用 简便，目前已经实用化。但分立元件的不足之处是插入光学损耗较大，耗用电功率较大，而机械 结构导致当构成多路复用系统时体积较大等。同时由于技术复杂、目前成本仍较高。第二类是光 波导结构的器件，它是将光波导器件制备在晶体或半导体等衬底材料上。它们的优点是易实现多 器件、多功能的光电集成，器件的机械稳定性较好。不足之处则是器件的制作成本非常高，与光 纤的耦合很困难，不仅连接损耗较大，而且热稳定性也较差。因此目前除调制器外，还没有火量 进入商用。第三类为全光纤结构器件。这类全光纤无源器件它们直接以通信光纤本身为基本波导 基底，再利用特殊工艺和辅助材料，使光纤波导中产生电光、磁光、声光、热光、加上波导耦合效应，从而实现光无源器件的应用功能。这类器件的主要优点包括
1) 与光纤传输系统有着良好的兼容性，插入损耗很小；
2) 容易根据需要制成偏振相关或偏振无关器件，可直接应用于全光通信的全波带条
3) 制 件的光学和电学性能较好，体积较小；
4) 对于电气控制器件，所需电功 小；
5) 适宜构成阵列复用装置。
美国专利US7346240B1公开了一个集戯纤监测器和可变綠减器的专利。它是将二根光纤 分别作为入射光纤和出射光纤同时联接到一个反射镜上，反,射镜设计成可部分透射，在反射镜后 面放置一个光电探测器，这个透射光就被光电探测器收集作为监测光。在入射光纤或出射光纤放 置机械式光闸可变光衰减器就将光纤监测器和可变光衰减器组合在了一起。这个方案由于采用了 机械式光闸可变光衰减器使装置可靠性下降，同时用反射镜来作为分光装置也将光纤的纤芯切断 了。
美国专利US7043132B2介绍了一种基于电光效应的平面光学波导的可变光衰减器，并在平面 光学波导上设计分光装置和光电探测器，从而形成光功率监测器与可变光衰减器的组合。采用平 面光学波导的器件制作成本非常高，与光纤的耦合很困难，耦合损耗也较大。
美国EigenLight公司也推出了将光功率监测器与可变光衰减器组装在一起的光功率监控器。 其光功率监测器的分光原理是美国专利US7116870B2，它是将光纤弯曲并用二氧化碳激光在包层上 开一小口作为分光结构，从而探测包层模来实现纤芯中光功率监测的。而且这种光功率监控器中 的可变光衰减器是手工机械调节型的，不能实现电动控制。
集成化全光纤光功率监控器件具有集成度高、尺寸小、以及易于光纤系统连接的优点，是满 足这些更高要求的理想器件。全光功率监控器的集成化是指在单一的光纤基底上加工出实现光功 率监控所需的不同功能的器件。用于集成化的光纤基底本身就是光功率监控器的分光结构，而无 需加入分立附加耦合器进行分光，而且由于基底就是光纤，所以可以与光纤系统直接;)^t在一起。 因此集成化全光纤光功率监控器件结构紧凑具有集成度高、尺寸小、以及易于光纤系统连接的优 点，是符合通信发展趋势的光功率管理元器件。美国专利US20050074208公开了一种集成化全光纤光功率监控器件的技术方案，它是在光纤 上的一个平坦的抛磨区用光刻技术或者类似技术在抛磨区的左段蒸镇上两个平板电极，然后在电
极上覆盖一种能随着纟显度而发生反射率变化的材料，左段形成可变光衰减器，右段则由一个光电 二极管形成一个光功率监测器。该技术方案具有集成度高、尺寸小的优点，但是由于将可变光衰 减器和光功率监测器制作在同一个抛磨区上，从而相互干扰大，光功率监测器会受到可变光衰减 器的极大干扰；另外，其采用在光纤上蒸镀平板电极的制作方法难度极大，制作成本高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种尺寸小且相互干扰小、可靠性高的全光纤集 成化光功率监控器。
本发明的目的还在于提供一种全光纤集成化光功率监控器的帝w乍方法。
一种全光纤集成化光功率监控器，包括光功率监测器和可变光衰减器，其特征在于在一段
光纤的包层上设置了第一分光缺口和第二分光缺口，第一分光缺口与第二分光缺口相距5~25腿， 第一分光缺口是可变光衰减器的泄漏光通道，第二分光缺口是光功率监测器的泄漏光iKI。
上述技术方案由于光功率监测器和可变光衰减器的泄漏M道是隔开的，因此其相互干扰小。 由于是在同一光纤上设置了两个器件，而不是将各自设置了一个器件的两段光乡千熔接在一起，从 而集成度高，尺寸小，不易折断，可靠性更高。
进一步地，所述第二分光缺口沿光纤轴向的微为V形，V形缺口底部距纤芯表面3 5um。在 光纤上制作光功率监测器的方法有多种，比较有代表性的一种方法如美国专利US20050074208所 述，在一个平坦的抛磨区放置光电探测器构成光纤光功率监测器。实验证明，V形缺口外围放置光 电探测器构成的光纤光功率监测器的探测效率要比平坦的抛磨区要高得多，可以实现更低的插入 损耗。中国发明专利申请200810029414.1详细公开了一种基于V形缺口的全光纤光功率监测器。
进一步地，所述第一分光缺口是D型光纤段，其底部与纤芯表面的平均距离为1 5ura。 D型光 纤段是可变光衰减器的泄漏光M， D型光纤段的底部与纤芯表面的平均距离如果大于5um，光将 较难泄漏出去，如果小于lum，则对制作方法提出了非常苛亥啲要求，难以实现。
进一步地，所述第一分光缺口上覆盖着负热光系数的聚合物，第一分光缺口所在的光纤段置 于U型槽内，在U型槽的第一分光缺口徵卜围螺旋缠绕了加热电阻丝。
进一步地，所述可变光衰减器还包括金属外壳，金属外壳将加热电阻丝、第一分光缺口段光 纤固定于其内，金属外壳内充满着导热胶。所述光纤为单模光纤或多模光纤，也可以是保偏光纤。 一种全光纤集成化光功率监控器的制作方法，包括如下歩骤
(1) 用轮式光纤侧边抛磨法将光纤的-小段设为制作可变光衰减器的侧边抛磨区，制作侧边 抛磨的D型光纤段；
(2) 与可变光衰减器侧边抛磨区相隔5 25腿的地方制作第二个侧边抛磨区，将光纤的此侧边
抛磨区沿光纤轴向抛磨成V形；
(3) 将D型光纤段置于U型槽内；在抛磨的D型光纤段的抛磨区覆盖负热光系数的聚合物；
(4) 在放置有D型光纤段的U型+曹的外部螺旋缠绕加热电阻丝；
(5) 加热电阻丝固化热光聚合物，制作成可变光衰减器；
(6) 将V形侧边抛磨区的光纤拉伸直；
(7) 将光电探测器感应平面面对V形侧边抛磨区放置；
(8) 将侧边抛磨光纤一端接到光源上，另一端接到光功率计上，并将光电探测器的电极引脚
接到电流表或电压表上，测定光电探测器接收光能后的输出光电流或转换电压，调整光电探测器
的位置，当光电探测器输出光电流或转换电压最大时，封装固定v形缺口段光纤与光电探测器间的
相对位置；
(9) 将侧边抛磨光纤和光电探测器进行保护性外封装，制作成光纤光功率监测器；
(10) 将二个相邻侧边抛磨区上制作的器件间的光纤段拉伸直，并将二个器件固定在保护外壳上。
进一步地，步骤(5)在加热电阻丝固化热光聚合物之后，在加热电阻丝上涂布导热胶，然后 将加热电阻丝和U型槽封装在金属外壳内。
所舰侧边抛磨区的侧边抛磨光纤的制作方法是在普舰信光纤上，利用光学微加工技术， 先在一小段长度上将圆柱形的光纤包层抛磨掉一部分光纤，形成一个侧边抛磨区，然后在相邻光
纤段上再经侧边抛磨形成另一个侧iiii磨区，而在未抛磨过的光纤段，仍是圆柱形。
所述负热光效应的聚合物是折射率随温度升高而斷氐的聚合物。
所述U型槽在器件制作期间g载聚合物材料的作用，聚合物固化后具有保护抛磨光纤的作用。
所述螺旋缠绕加热电阻丝在器f牛制作期间作为聚合物材料的固化热源，器件制作完成后作为 引发热光效应的温度控制部件。
所述光电探测器接收由V型侧边抛磨区中由光纤纤芯中分光出来的光能量，用以监观銜芯中的传输光能量c
本发明的光功率监控器主要适用于对响应时间要求不高iax寸插入损耗和衰》或范围等参数要求 较高的光纤网络中，例如应用于光功率监控、温度的监控及测量等领域。
本发明的全光纤集成化光功率监控器的工作原理如下通常，足够厚度的光纤包层保证了在 纤芯中传播的光场，以及在光纤包层中倏逝波场的能量不会泄漏到光纤外部。当用抛磨的方、法使 光纤的包层厚度减小到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了一个 纤芯中传输光的倏逝波场的"泄漏窗口"。在此"窗口"处，人们就有可能利用倏逝场来激发、 控制、探测光纤纤芯中的传输光波的无损传播或泄漏。因为是利用侧边抛磨光纤争层中的倏逝场 原理估城器件或传繊，所以制成的器件也称为光纤倏逝场器件。在D型抛磨光纤段，用聚合物热 光材料包裹住，并在其中埋入加热电极，通过电极加热改变、，可以引起器件中热光材料的温场 的改变，并由有机聚合物的热光特性引起波导的有效折射率随温度变化而变化，从而导致由光纤 芯、光纤包层、以及热光材料等共同构成可变光衰减器。根据光纤中光能的出射方向，将另一抛 磨区设计成沿光纤轴向呈V型的侧边抛磨区，将光电探测器置于伸直的光纤的侧边抛磨区夕卜侧，低 插入损耗下实现光纤纤芯中光功率的探测。
本发明将热光材料与侧iiii磨光纤结合，即将具有热光效应的聚合物材料直接覆盖在侧边抛 磨光纤上，构成可控帝恍纤芯中傲俞光泄漏的复合波导结构。同时制作的光纤光功率监测器所基 于的是具有沿光纤轴向呈v型的侧iiji磨区的侧边抛磨光纤，它不仅能实现光纤纤芯中光泄漏分 光，还可实现较高效率的光电探测謝妾收分光能量。用侧鹏磨光纤替代了集成光学方法的晶体、 硅基或聚合物波导材料，对光纤纤芯无破坏、光路中无插入元件、可与光纤系统直接離，制成 的全光纤集成化光功率监控器既具有集成光学光功率监控器器件可电控的优点，又没有了机械型 可变光衰减器对光纤纤芯的切断和机械驱动机构，提高了器件的可靠性、降低了成本，减小了器 件的封装体积。本发明从基本原理出发，禾,先进的轮式侧边抛磨技术，制备了侧边抛磨光纤， 将热光材料覆盖在侧边抛磨光纤上，制作出全光纤集成化光功率监控器，与现有技术相比，具有
如下优点和有益效果器flffi入损耗小(<0.7dB)、衰减范围大(0-80dB)、偏振相关损耗小 (<0. 17dB)、背向反射小(〉70dB)、可用电驱动调控、可靠性高、制作成本低。本申请专利的集成化器件是利用侧边抛磨光纤技术将全光纤光功率监控器和全光纤光功率监 观U器二者集成在一根光纤上，成为全光纤的集成化光电器件，同时实现光纤中光功率的监测功能 和控制功能。这种集成不是将二个器件分别制作，然后再将各自的尾纤熔接起来的连接法，这样 'j^fefc的二个独立器件的连接光纤段最少要40瞧以上，而且熔接点很易折断。本发明的集成是 直接在一根光纤上制作二个侧边抛磨区，在同一根光纤上制作二个器件，二个器件的侧边抛磨区 相邻距离仅5 25mm。距离太近，会引入干扰。距离过长，整,件尺寸就会增加。
此外侧边抛磨光纤加工成本低廉，以它作为集成化基底可以火大降低集成化器件的成本。 本发明昀全光乡m成化光功率监控器可用在光纤激光器、光放大器的增益平坦化、超窄光脉 冲产生器等高性能光通信器件中。
图l为本发明的全光纤集成化光功率监控器结构示意歐为实施例l光纤双侧纖磨区基底的测厚曲线图3是全光纤集成化光功率监控器器件封装示意图4为全光纤集成化光功率监控器传输光功率与光电探测器电路输出电压关系测试曲线； 图5是实施例1电流-光功率衰减曲线。
图中，1:光纤；2:纤芯；3:包层；4:光功率监测M磨区；5:可变光衰减 磨区；6: 负热光系数的聚合物；7:电卩腿；8:光电探测器；9:光电探测器的引线；10: f斜户外壳。
下面结合附图和实施例对本发明作进一歩i也详细描述。 实施例i
本实施例采用单模9/125um的光纤。
如图1所示，本发明的一种全光纤集成化光功率监控器，在光纤1上制作了可变光衰》或器和 光功率监测器。在覆盖有热光聚合物6的可变光衰减器抛磨区5置于U型槽(图中未示出)内， 可变光衰减器抛磨区5抛磨成D型光纤段，其抛磨区覆盖着负热光系数的聚合物6，外围螺旋缠绕 着加热电阻丝(也称电极)7，形成可变光衰减器。光功率监测器抛磨区4抛磨成V型，夕hffl设置着光电探测器8。
全光纤集成化光功率监控器的制作方法，包括如下步骤
(1) 用轮式光纤侧边抛磨法将光纤l的.-小段设为制作可变光衰减器的侧边抛磨区5，制作侧
边抛磨的D型光纤段；
(2) 与可变光衰减器侧边抛磨区5相隔15mm的地方制作第二个侧边抛磨区4，将光纤的此侧边 抛磨区4沿光纤轴向抛磨成V形；对抛磨后的光纤进行测厚，观,曲线如图2所示，由于所用光纤为 9/125um的光纤，由图可知，D型光纤段与纤芯的距离约为5um， V型缺口底部与纤芯的距离约为3咖;
(3) 将D型光纤段置于U型槽内；在抛磨的D型光纤段的抛磨区5覆盖负热光系数的聚合物6;
(4) 在放置有D型光纤段的U型槽的外部螺旋缠绕加热电阻丝7;
(5) 加热电阻丝固化热光聚合物，在加热电阻丝上涂布导热胶，然后将加热电阻丝和U型槽 封装在金属外壳内，制作成可变光衰减器；
(6) 将V形侧iiM磨区4的光纤拉伸直；
(7) 将光电探测器感应平面面X寸V形侧边抛磨区放置；
(8) 将侧边抛磨光纤一端接到光源上，另一端接到光功率计上，并将光电探测器的电极引脚 接到电流表或电压表上，观!l定光电探测器接收光能后的输出光电流或转换电压，调整光电探测器 的位置，当光电探测器输出光电流或转换电压最大时，封装固定V形缺口段光纤与光电探测器间的 相对位置；
(9) 将侧边抛磨光纤和光电探测器进行保护性外圭寸装，制作成光纤光功率监测器；
(10) 将二个相邻侧边抛磨区上制作的器件间的光纤段拉伸直，并将二个器件固定在保护外 壳10上。
对进行了夕卜封装后的器件进行测试并标定，得到电流-光功率衰减曲线如图5所示，与封装前 的器件相比，封装后的器件测试曲线具有更好的稳定性和可重复性，器件受外界的影响显著减小， 衰减量变化稳定。当器件中所加的电流舰0.33A时，衰减量稳步下降，通光功率逐步上升，最 终达到插入损耗为0. ldB的通光状态。由于我们采用的电源精度为0.01A，下降沿的采样点有限。 多次实验结果证明，该方法制作的全光纤可变光衰减器的性能可以实现插入损耗〈0. ldB，衰减范 围0-80dB，偏振相关损耗〈0. 02dB，背向反射〉70dB。
权利要求
1、—种全光纤集成化光功率监控器，包括光功率监测器和可变光衰减器，其特征在于在—段光纤的包层上设置了第一分光缺口和第二分光缺口，第一分光缺口与第二分光缺口相距5～25mm，第一分光缺口是可变光衰减器的泄漏光通道，第二分光缺口是光功率监测器的泄漏光通道。
2、 根据权利要求1所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于所述第二分光缺口沿光 纤轴向的微为V形，V形缺口底部距纤芯表面3 5ura。
3、 根据权利要求1或2所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于所述第一分光缺口 是D型光纤段，其底部与纤芯表面的平均距离为1 5urn。
4、 根据权利要求3所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于所述第一分光缺口上覆 盖着负热光系数的聚合物，第一分光缺口所在的光纤段置于U型槽内，在U型槽的第一分光缺口 段外围螺旋缠绕着加热电阻丝。
5、 根据权禾腰求4所述的全光纤集成化光功率监控器，^f寺征在于所述可变光衰减器还包 括金属外壳，金属外壳将加热电阻丝、第一分光缺口段光纤固定于其内，金属外壳内充满着导热 胶。
6、 根据权禾腰求l所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于所述光纤为单模光纤或 多模光纤。
7、 根据权利要求1所述的全光纤集成化光功率监控器，其特征在于所述光纤为保偏光纤。
8、 一种全光纤集成化光功率监控器的制作方法，包括如下歩骤(1) 用轮式光纤侧，磨法将光纤的一小段设为制作可变光衰减器的侧:iiM磨区，制作侧边抛磨的D型光纤段；(2) 与可变光衰减器侧边抛磨区相隔5 25mm的地方制作第二个侧边抛磨区，将光纤的此侧边 抛磨区沿光纤轴向I^成V形；(3) 将D型光纤段置于U型槽内；在抛磨的D型光纤段的抛磨区覆盖负热光系数的聚合物；(4) 在放置WD型光纤段的U型槽的外部螺旋缠绕加热电阻丝；(5) 加热电阻丝固化热光聚合物，制作成可变光衰减器；(6) 将V形侧逝旭磨区的光纤拉伸直；(7) 将光电探测器感应平面面对V形侧边抛磨区放置；(8) 将侧边抛磨光纤一端接到光源上，另一端接到光功率计上，并将光电探测器的电极引脚 接到电流表或电压表上，测定光电探测^l妾收光能后的输出光电流或转换电压，调整光电探测器 的位置，当光电探测器输出光电流或转换电压最大时，封装固定V形缺口段光纤与光电探测器间的相对位置；(9) 将侧边抛磨光纤和光电探测器进行保护性外封装，制作成光纤光功率监测器；(10) 将二个相邻侧边抛磨区上制作的器件W的光纤段拉仲直，并将二个器件固定在保护外壳上。
9、根据权利要求8所述的全光纤集成化光功率监控器的制作方法，其特征在于所述歩骤(5) 在加热电阻丝固化热光聚合物之后，在加热电阻丝上涂布导热胶，然后将加热电阻丝和U型槽封 装在金属外壳内。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤集成化光功率监控器及其制作方法。一种全光纤集成化光功率监控器，包括光功率监测器和可变光衰减器，在一段光纤的包层上设置了第一分光缺口和第二分光缺口，第一分光缺口与第二分光缺口相距5～25mm，第一分光缺口是可变光衰减器的泄漏光通道，第二分光缺口是光功率监测器的泄漏光通道。本发明的一种全光纤集成化光功率监控器，采用侧边抛磨的方法制作，加工成本低廉，以它作为集成化基底可以大大降低集成化器件的成本。本发明的一种全光纤集成化光功率监控器，具有可电控的优点，又没有了机械型光功率监控器件对光纤纤芯的切断和机械驱动机构，插入损耗小、背向反射极小，提高了器件的可靠性、减小了器件的封装体积。
文档编号G02B6/42GK101435899SQ200810219620
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者张凌童, 昊 潘, 肖雅婷, 覃家荣, 哲 陈 申请人:暨南大学