專利名稱：用于光纖器件溫度調(diào)諧的金屬化光纖分布式微加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于光纖器件溫度調(diào)諧的金屬化光纖分布式微加熱器。特別涉及到對于光纖光柵的調(diào)諧和光纖折射率的調(diào)制。
背景技術(shù)：
在光纖調(diào)諧和光纖傳感技術(shù)中，各種光纖器件，如光纖光柵、光纖干涉儀等發(fā)揮了重要作用。這些器件的波長調(diào)諧特性是實際應(yīng)用中十分關(guān)注的性能。光纖光柵是一種窄帶反射型濾波器，實際應(yīng)用要求可以調(diào)諧其峰值位置。尤其是在密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)中，需要可調(diào)諧的光源、可調(diào)諧的濾波器。在啁啾光纖光柵色散補償器件，和長周期光纖光柵增益平坦濾波器中，需要動態(tài)調(diào)整其中心波長和色散補償量，動態(tài)調(diào)整增益譜曲線。在這些應(yīng)用中，還要求有較高的調(diào)諧速度。在許多用于傳感和測量的光纖干涉儀中，如光纖馬赫-曾德干涉儀，需要對干涉儀的一個臂的折射率進行調(diào)整，以獲得穩(wěn)定的、靈敏的輸出；還需要對干涉儀的一個臂進行折射率調(diào)制，以獲得調(diào)制輸出或開關(guān)特性。
利用光纖折射率隨溫度、應(yīng)力和其他物理效應(yīng)可以實現(xiàn)調(diào)諧。參考文獻[1][Ball G.A.，Morey W.W.Continuously tunable single-mode erbium fiber laser，Opt.Lett.，1992，17(6)420-422]報道，采用壓電陶瓷(PZT)使光纖形變，從而達到調(diào)諧的目的。據(jù)該文獻報道，光纖形變90μm時，波長調(diào)諧范圍為0.72nm。這一結(jié)構(gòu)的缺點是需要在PZT上施加很高的電壓。
參考文獻[2][余有龍，劉治國，董孝義，王江，“基于懸臂梁的光纖光柵線性調(diào)諧”，光學(xué)學(xué)報，Vol.19，No.5，May，1999]提出了懸臂梁調(diào)諧技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)將光纖光柵固定在懸臂梁的一個側(cè)面上。懸臂梁自由端運動時，引起一個側(cè)面拉伸，另一側(cè)面壓縮，從而使光纖光柵發(fā)生形變，達到調(diào)諧的目的。這一結(jié)構(gòu)的調(diào)諧速度比較慢。
參考文獻[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]利用光纖的折射率與溫度的關(guān)系，通過控制外界環(huán)境的溫度可對光纖光柵進行調(diào)諧。它采用的加熱機構(gòu)距離被加熱的光纖比較遠(yuǎn)，因此調(diào)諧效率低，速度慢。參考文獻[4][董新永，溫午麒，魏玉花，劉志國，開桂云和董孝義，“光纖布喇格光柵的金屬管封裝與電調(diào)諧”，光子學(xué)報，Vol.30，No.4，pp.422-424，2001]采用稍大于光纖直徑的金屬套管作為加熱體，通過施加電流使光纖溫度上升，達到調(diào)諧的目的。該結(jié)構(gòu)改善了加熱效率。但是由于金屬套管不可能完全接觸光纖，熱效率和調(diào)諧速度仍然受到限制。
參考文獻[5][Eggleton B.J.，et.al.Electrically Tunable Power EfficientDispersion Compensating Fiber Bragg Grating，IEEE Photonics TechnologyLetters，Vol.11，No.7，pp854-856，1999]采用在光纖表面直接金屬化、通過電流加熱的調(diào)諧，制作了色散補償光纖光柵。但是，實際應(yīng)用還需要對光纖或光纖器件(如光纖光柵)的不同部位進行不同要求的調(diào)諧，以達到改變其透射或反射的光譜特性。因此，一種具有分布式調(diào)諧功能的元件是很有必要的。上述在先技術(shù)都不具有這樣的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種直接制備在光纖外表面的分布加熱元件，以實現(xiàn)高效、高速、在時間和空間上可以調(diào)節(jié)控制的調(diào)諧裝置。
本發(fā)明的微加熱器包括電路板7、固定于電路板7上有剝?nèi)ス饫w外涂覆層4的裸光纖3。在裸光纖3的外表面上覆蓋有金屬加熱層2；有N≥2個電極5均勻地加在金屬加熱層2上，將金屬加熱層2分成N≥1個串聯(lián)的加熱單元201；每個加熱單元201上置有測溫元件1；每根電極5和每個測溫元件1都連接到電路板7上的控制電路6上。如

圖1所示。
所說的控制電路6有兩種結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)是每兩個電極5之間串聯(lián)有開關(guān)電路601、可控硅602和輸出降壓變壓器604的分壓線圈603。每個開關(guān)電路601、每個可控硅602和每個測溫元件1都連接到觸發(fā)控制器605上。觸發(fā)控制器605與計算機接口13或數(shù)字信號處理器相連。也就是說每個加熱單元201的溫度是由計算機或數(shù)字信號處理器通過觸發(fā)控制器605控制的。如圖7所不。
或者所說的控制電路6是第二種結(jié)構(gòu)，如圖10所示的結(jié)構(gòu)。在每兩個電極5之間與加熱單元201并聯(lián)有可變電阻606。所有的可變電阻606串聯(lián)后接于穩(wěn)壓電源607上。所有的可變電阻606的控制端(或稱調(diào)阻器的變阻端)和測溫元件1都接于等效電阻調(diào)制器608上。等效電阻調(diào)制器608與計算機接口13或數(shù)字信號處理器相連。同樣是每個加熱單元201的溫度由計算機和數(shù)字信號處理器通過等效電阻調(diào)制器608控制。
根據(jù)需要，在金屬加熱層2的外圍可以包有保溫層8，保持金屬加熱層2的溫度。如圖2所示?；蛘咴诮饘偌訜釋?的外圍加有致冷器12，是使金屬加熱層2的溫度迅速降低下來。如圖7所示?；蛘呒炔患颖貙?，也不加致冷層12，如圖1、圖8、圖9、圖10所示。
如上所述的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的微加熱器的金屬加熱層2是采用真空蒸鍍、化學(xué)鍍和電鍍方法直接在去除光纖外涂覆層4后的裸光纖3表面上形成的一種金屬層。如上述，根據(jù)需要，金屬加熱層2外可以涂覆保溫層8。本發(fā)明實施例中所采用的保溫涂覆材料，是采用溶膠凝膠技術(shù)制備的耐高溫材料。在加熱層2外也可以置有致冷層12，即可以與散熱或致冷材料相接觸?？梢圆捎冒雽?dǎo)體致冷器的冷端作為致冷層12。金屬加熱層2同電極5之間的連接，采用合金焊料鉛焊、或耐高溫導(dǎo)電膠等。
本發(fā)明的微加熱器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬加熱層2由多段加熱單元201串聯(lián)而成。每一段加熱單元201上安裝一個測溫元件1。該測溫元件1采用熱敏電阻或熱電耦。微加熱器的電極5和測溫元件1連接在驅(qū)動電路和溫度反饋的控制電路6上。光纖和控制電路都制作在印刷電路板7上。通過計算機或數(shù)字信號處理器(DSP)可以獲得溫度分布可控的調(diào)諧。
與在先技術(shù)的溫度調(diào)諧比較，本發(fā)明的微加熱器具有明顯的優(yōu)點(1)熱效率高。由于金屬加熱層2緊密接觸裸光纖3，熱量直接傳入纖芯，加熱的效率很高。設(shè)裸光纖3的比熱為C1；金屬加熱層2材料的電阻率為ρ，比熱為C2；金屬加熱層2的厚度為h，內(nèi)徑為r(r與裸光纖3的外徑相等，一般為125微米)；金屬加熱層2外表面的等效散熱系數(shù)為s，可以得到，在施加電流I時，溫升為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時的近似。由于裸光纖3很細(xì)，金屬加熱層2的鍍層可以做得很薄，金屬加熱層2同裸光纖3之間沒有其他隔熱或傳導(dǎo)層，因此熱效率可以做得很高。
(2)加熱速度快。由于裸光纖3和金屬加熱層2的體積重量很小，總的熱容量很小，因此溫度的變化速度很快。根據(jù)熱量的傳導(dǎo)定律，傳導(dǎo)的熱量正比于溫度梯度Q＝-κT。式中κ為光纖材料的熱導(dǎo)率。本發(fā)明將金屬加熱層2直接制作在光纖表面上，離開纖芯的距離只有60微米。因此可以獲得大的溫度梯度。總熱容量小也有利于溫度調(diào)諧的速率。近似地，溫度上升和下降的時間變化規(guī)律可以用下面的公式來描述上升T=T0+PσC[1-exp(-σt)];]]>下降T＝T0+ΔTexp(-Ot)式中P為所加的功率，C為熱容量，σ為表征熱量耗散的參數(shù)，它可以表示為σ＝2s(r+h)/[r2C1+(2r+h)hC2]≈2s/(rC1+2hC2)。
可見熱容量直接決定了升溫的速率，小的熱容量保證了快的升溫速度。如果金屬加熱層2的外圍的致冷層12采用半導(dǎo)體致冷，可以實現(xiàn)快的降溫速度。
(3)采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，金屬加熱層2是由N≥1個串聯(lián)的加熱單元201構(gòu)成的。由計算機控制，在不同兩電極之間施加不同的電流，則不同的加熱單元201的溫度變化就不同。所以計算機控制可以在裸光纖3的軸向獲得具有所要求的某種特殊形式的溫度分布。這一功能在動態(tài)色散補償、高階色散補償、特殊光譜濾波器等應(yīng)用中具有重要的應(yīng)用意義。
圖5在實施例2中光纖光柵峰值波長隨微加熱器工作電流的變化關(guān)系曲線。
圖6溫度調(diào)制的時間響應(yīng)曲線。
圖7為本發(fā)明實施例3，控制電路6為第一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明微加熱器實施例4在無源光纖環(huán)形腔溫度調(diào)諧中應(yīng)用的示意圖。
圖9為本發(fā)明在實施例5中分布式微加熱器在動態(tài)色散補償中的應(yīng)用的示意圖。
圖10為本發(fā)明在實施例6中，控制電路6為第二種結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式實施例1如圖2所示的結(jié)構(gòu)。電極5的數(shù)量N＝2。金屬加熱層2是采用真空鍍膜的方法直接鍍在裸光纖3外表面上。在金屬加熱層2的外周覆蓋有耐高溫材料構(gòu)成的保溫層8。控制電路6為上述第一種結(jié)構(gòu)。
實施例2見圖3所示的結(jié)構(gòu)。采用真空蒸發(fā)技術(shù)，在寫入了紫外光折變光纖光柵10的表面上，鍍制了鈦鉑薄膜作為過渡層11；在鈦鉑薄膜外表面電鍍了鎳金屬層作為金屬加熱層2。鈦鉑薄膜的過渡層11主要是為了使鎳金屬加熱層2與光纖光柵10結(jié)合得更緊密牢固。在鍍鎳層的二端鉛焊二根電極5，控制電路6采用上述第一種結(jié)構(gòu)。在兩電極5間就可以加電流進行調(diào)諧。圖4為隨加熱電流變化的光纖光柵10透射光譜曲線。圖5為峰值波長隨工作電流變化的函數(shù)關(guān)系?？梢钥吹讲ㄩL移動基本上同電流的平方成正比。在0.15安培的電流下可以調(diào)諧1nm。圖6為溫度變化的時間關(guān)系曲線。圖中下部曲線I是施加的電流波形，上部II是采用一個單頻激光器作光源，用微加熱器調(diào)制的光纖光柵作為濾波器，測量的光信號波形。可以看到，上升時間大致在30ms左右。
實施例3如圖7所示的結(jié)構(gòu)?？刂齐娐?采用上述的第一種結(jié)構(gòu)?？刂齐娐?采用常規(guī)的可控硅整流電路和熱敏電阻傳感的結(jié)構(gòu)?？梢詫崿F(xiàn)溫度分布的控制。圖中602為可控硅，601是一個開關(guān)電路，或者是脈沖信號驅(qū)動器，603是輸出降壓變壓器604的分壓線圈。605為溫度比較電路和可控硅觸發(fā)電路構(gòu)成的觸發(fā)控制器，并帶有數(shù)字信號處理器(DSP)或計算機接口13。604是一個給分布式加熱層2供電的多組輸出降壓變壓器。12是半導(dǎo)體致冷器冷頭作為致冷層，調(diào)節(jié)其溫度可改變調(diào)諧速度。電極5的數(shù)量N＝5，金屬加熱層2是由N＝4個加熱單元201串聯(lián)構(gòu)成的。
實施例4本發(fā)明用于光纖無源器件的調(diào)諧。如圖8所示的結(jié)構(gòu)，是一個可調(diào)無源光纖環(huán)形腔15的例子。光信號從光纖3輸入時，經(jīng)過耦合器14，一部分光能量進入光纖環(huán)16。它的重要特性是輸出光信號相位受到了周期性的調(diào)制。這一周期就是其重要參數(shù)之一自由光譜寬度Δλ＝λ2/nL。式中L是光纖環(huán)16的長度；n是光纖3的折射率，它是溫度的函數(shù)。λ為輸入光束的波長。應(yīng)用中溫度需要精確調(diào)節(jié)到一定的數(shù)值。為此可以在一段光纖環(huán)16上制作金屬加熱層2，從而對自由光譜寬度進行微調(diào)。控制電路6采用上述第二種結(jié)構(gòu)。
實施例5本發(fā)明可用于啁啾光纖光柵的動態(tài)色散補償器。圖9是其結(jié)構(gòu)示意圖。在啁啾光纖光柵18上制備了本發(fā)明的分布式金屬加熱層2。電極5數(shù)量N＝8，金屬加熱層2的溫度及其分布由控制電路6控制?？刂齐娐?采用上述第一種結(jié)構(gòu)。光信號從光纖環(huán)形器17的輸入端口19輸入，光脈沖的波形如B入所示。光脈沖經(jīng)過啁啾光纖光柵18的反射之后，從輸出端口20輸出。光脈沖波形得到改善，脈寬壓縮，如B縮所示。為了獲得最佳色散補償效果，利用啁啾光纖光柵18上制作的金屬加熱層2，可以調(diào)整啁啾光纖光柵18的反射光譜的幅度和寬度。B0和B1是動態(tài)調(diào)諧反射譜的曲線示意圖。
實施例6如圖10所示的結(jié)構(gòu)?？刂齐娐?采用上述的第二種結(jié)構(gòu)。金屬加熱層2上的電極5數(shù)量N＝5。在分布式金屬加熱層2上的每段加熱單元201上都并聯(lián)一個可變電阻606。它們的阻值由等效電阻調(diào)整器608控制。改變可變電阻606的阻值，可以改變流過金屬加熱層2的電流。該控制電路6也帶數(shù)字信號處理器或計算機接口13。全部電路由穩(wěn)流電源607供電。
權(quán)利要求
1.一種用于光纖器件溫度調(diào)諧的金屬化光纖分布式微加熱器，包括<1>電路板(7)，固定于電路板(7)上的剝?nèi)ス饫w外涂覆層(4)的裸光纖(3)，在裸光纖(3)的外表面上覆蓋有金屬加熱層(2)；其特征在于<2>有N≥2個電極(5)均勻地加在金屬加熱層(2)上。將金屬加熱層(2)分成N≥1個串聯(lián)的加熱單元(201)；<3>每個加熱單元(201)上置有測溫元件(1)；<4>每根電極(5)和每個測溫元件(1)都連接到電路板(7)上的控制電路(6)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光纖器件溫度調(diào)諧的金屬化光纖分布式微加熱器，其特征在于所說的控制電路(6)是每兩個電極(5)之間串聯(lián)有開關(guān)電路(601)、可控硅(602)和輸出降壓變壓器(604)的分壓線圈(603)，每個開關(guān)電路(601)、每個可控硅(602)和每個測溫元件(1)都連接到觸發(fā)控制器(605)上，觸發(fā)控制器(605)與計算機接口(13)或數(shù)字信號處理器相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光纖器件溫度調(diào)諧的金屬化光纖分布式微加熱器，其特征在于所說的控制電路(6)是每兩個電極(5)之間與加熱單元(201)并聯(lián)有可變電阻(606)，所有的可變電阻(606)串聯(lián)后接于穩(wěn)壓電源(607)上，所有可變電阻(606)的控制端和測溫元件(1)都接于等效電阻調(diào)整器(608)上，等效電阻調(diào)整器(608)與計算機接口(13)或數(shù)字信號處理器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光纖器件溫度調(diào)諧的金屬化光纖分布式微加熱器，其特征在于在金屬加熱層(2)的外圍或者包有保溫層(8)，或者置有冷卻層(12)，或者保溫層(8)和冷卻層(12)都沒有。
全文摘要
一種用于光纖器件溫度調(diào)諧的金屬化光纖分布式微加熱器，主要適用于光纖光柵的調(diào)諧和光纖折射率的調(diào)制。含有在裸光纖或光纖光柵的外表面上覆蓋的金屬加熱層。金屬加熱層上均勻分布有N≥2個電極，將金屬加熱層分成N≥1個串聯(lián)的加熱單元。每個加熱單元上置有測溫元件。每根電極和每個測溫元件都連接到控制電路上?？刂齐娐酚袃煞N結(jié)構(gòu)供選擇。由計算機通過控制電路控制金屬加熱層的溫度變化，從而達到調(diào)諧或調(diào)制的目的。具有加熱效率高，加熱速度快，能夠獲得沿光纖軸向溫度分布不同的要求，對于動態(tài)色散補償、高階色散補償、特殊光譜濾波器等也有重要的應(yīng)用意義。
文檔編號H04J14/02GK1391134SQ0213622
公開日2003年1月15日 申請日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者方祖捷, 耿健新, 李琳, 趙嶺 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所