動態調節拉速、加熱溫度和幅度製造熔錐器件的新方法
2023-05-20 09:38:56
專利名稱：動態調節拉速、加熱溫度和幅度製造熔錐器件的新方法
技術領域：
本發明屬於信息技術領域，具體說是提供一種製造高性能無源器件熔錐型光纖耦合器的新方法。
背景技術：
熔錐型光纖器件是一種在光通信系統、計算機網絡、有線電視、儀器儀表、傳感技術等信息傳輸和信息處理領域使用相當普遍而又十分關鍵的無源器件。熔錐型光纖器件以其很低的附加損耗。很高的方向性、良好的環境穩定性、控制方法簡單靈活、適於批量生產、易與光纖鏈路連接等優點，倍受人們的青睞。熔融拉錐工藝經過多年的提高和發展，已經成為一門對光器件開發具有舉足輕重的技術——熔融型光纖器件技術縮寫為FBT。從理論上講除了光非互易器件以外，它可以開發所有其他各類器件。
熔錐型光纖器件是將二根或多根光纖採用熔融拉錐技術製成。以最基礎的2×2熔錐型光纖耦合器為例來加以說明。將二根光纖平行放置固定在左右兩個支承平臺上。任定一根光纖為主光纖，左端輸入某個波長的光，右端進入光功率探測器，初始光功率為P0。另一根光纖稱為副光纖，左端一般為懸空端，右端進入另一個光功率探測器，初始光功率為0。二光纖的中部為剝去光纖塗復層的加熱區，使用絞合或夾持法，使剝去塗復層後的二光纖表面相互接觸。用CCD監視器實時顯示加熱區光纖外形。一般用火焰加熱加熱區，同時左右兩個支承平臺以恆速拉開，二光纖的加熱區經火焰熔融和支承臺拉伸，變成雙錐形(中間細，兩側粗)。當熔錐區的光纖芯徑細到一定程度，主光纖中的光功率將耦合轉換到副光纖中。如果不考慮熔錐過程中的附加損耗，隨拉錐長度的變化，副光纖右端的輸出功率P2在0和P0間呈振蕩形變化，主光纖右端的輸出功率P1在P0和0間呈振蕩形變化，任一時刻P1+P2＝P0。根據二個光探測器探測到的光功率，得到耦合比CR＝P2/P1+P2。理想情況下，在主副光纖功率耦合曲線的第一個交點處，停止拉伸和撤離火焰，就可在熔錐區獲得耦合比為50％的3dB標準耦合器。但要精確控制耦合比相當困難。首先在功率耦合曲線的交點處，恰恰是主副光纖功率轉換變化最激烈處，即此處耦合曲線的斜率最大，而控制機構總存在時間響應的延遲，往往會得不到精確耦合比的耦合器；其次很快撤離火焰，一方面耦合器周圍受熱時和冷卻時，空氣的折射率不同，另一方面受熱時和冷卻時熔錐區光纖芯和光纖包層折射率會有變化，這些都會影響熔錐區組合波導的折射率分布進而影響耦合比；還有當機器受到停止信號後，機械拖動裝置有運動慣性，使光纖受到拉伸，而這時又撤離火焰，就無法使光纖消除由拉伸和冷卻產生的這些應力，不但使最後產品的耦合比發生變化，還會影響偏振相關損耗和附加損耗，甚至還可能在耦合區產生微裂，產品使用一段時間後，就會出現故障，影響可靠性。
某個波長下的耦合比、附加損耗和偏振相關損耗是耦合器的三個最重要的光性能技術指標。儘管國內外許多熔融拉錐設備以美國Aster公司為代表的設備和以日本NTT-AT公司為代表的設備在火焰溫度和拉錐速度上都作了許多改進，如拉速作不同設置，火焰可移開、旋轉和加速，但都沒有在製造耦合器的全過程中對火焰溫度和拉速進行調控，特別在熔融耦合發生後沒有將耦合比與火焰溫度和拉速進行閉環控制，沒有將三個最重要的光學指標作最佳化控制，影響了產品的質量和成品率的提高。Bloom專利(Patent number US6112555，Date ofPatent Sep.5.2000)雖然提出了對拉伸速度和加熱溫度進行動態控制。但還是沒有在各個工藝環節儘量降低附加損耗和偏振相關損耗。本發明採用的是一個完整的技術方案。
發明內容
本發明是在製造耦合器的全過程中對火焰溫度、擺動幅度和光纖拉速進行調控。可分為二光纖光功率耦合前、二光纖光功率耦合中和二光纖光功率耦合後的三個階段進行調控。
二光纖光功率耦合前平行放置的二光纖，在去除光纖塗復層的熔錐區，用機械夾持法使二光纖表面相互接觸。火焰以預先設定的離開熔錐區一定距離加熱光纖，並以初速平行於光纖擺動。同時支承平臺從靜止開始加速拉伸二光纖，最後以勻速拉伸光纖。隨加熱區拉長，相應跟蹤增大火焰擺幅。CCD監視器觀察光纖加熱區，調整有關參數，使加熱區無彎曲，錐度變化平緩。這一階段目前的熔錐設備在火焰到位後，於光纖發生軟化時支承平臺才勻速拉伸光纖，由於火焰衝力，造成光纖彎曲，一開始就導致器件性能變壞；若選擇先勻速拉伸光纖，再使火焰到位加熱熔錐區，這往往會使光纖受到過大張力，使器件產生內應力和微裂紋，影響器件可靠性；另外目前的熔錐設備，隨加熱區的拉長，火焰並不跟蹤伸長的熔錐區，從而導致熔錐區達不到平緩變化的雙錐形，這樣影響器件的光性能技術指標。Bloom專利也沒有對這一階段的參數加以控制。
二光纖光功率耦合中隨拉伸時間的加長，主副光纖間開始發生光功率耦合。當耦合比達到1％或適當再高一些時，表示二光纖間已經完成了物理熔融，這一點可作為初始控制點，此時已經不需要過多的熱量熔融光纖，只需要保持拉伸光纖所需的軟化光纖的熱量；這時平臺拉速也相應降低。熱量和拉速的改變可影響耦合區的雙錐形狀，進而影響耦合比。降低拉速和減低熱量可以使耦合比隨時間的變化趨於平緩。本發明減低熱量通過提高火焰擺速來實現。如需要，可適當微量移開火焰，可使熔錐熱量減得更多。目前的熔錐設備，在二光纖熔融耦合中，並沒有將耦合比與火焰溫度和拉速進行閉環控制。這一階段Bloom專利雖然考慮了閉環控制，但採用加熱源從光纖上移開和減低拉伸速度，火焰並不跟蹤拉伸距離於是就不能很好消除熔錐器件由於拉伸和較快的冷熱變化引起的應力，從而對附加損耗、偏振相關損耗以及器件的長期穩定性產生負面影響。
二光纖光功率耦合後光功率發生耦合後，根據二個光功率探測器探測到得光功率P1、P2，計算耦合比CR(％)＝P2/P1+P2和耦合比的變化率d(CR)/dt[由單位時間(每秒)耦合比的差值來確定]。當耦合比達到預定控制點後，繼續降低拉伸速度；繼續提高火焰擺動速度，火焰擺幅跟蹤拉伸的熔錐區。如需要以很低的速度微微移開光纖一個距離。如果在預定控制點，控制器計算到d(CR)/dt超過希望的變化率，控制器可以繼續選擇低拉伸速度和增加火焰擺動速度，火焰進行跟蹤拉伸的熔錐區。控制器不斷慢慢調節拉伸速度和熱量，直到d(CR)/dt低於0.5％/秒，在CR到達指定的耦合比後停止拉伸，火焰繼續擺動並慢慢以低速移開光纖的熔錐區。火焰的擺動與撤離應使熔錐區充分退火，消除應力而不能影響耦合比CR的改變。事實上拉伸停止後的熱量只要能維持光纖軟化而不使光纖熔融，這時拉錐區的形狀不會發生變化，耦合比基本也不會改變。目前的熔錐設備，在二光纖熔融耦合後也沒有將耦合比與火焰、溫度和速度進行閉環控制。這一階段Bloom專利考慮了閉環控制，但同樣不能很好消除熔錐器件在加工過程中產生的內應力，也不能最大程度降低熔錐區組合波導折射率在加工前後的變化率。本發明在器件加工的最後階段，對這些不足之處也作了進一步的改進。
圖(1)是本發明的基本框圖。圖中28、30為平行放置的二光纖。光源為某個工作波長λ的光源。D1、D2為二個光功率探測器。51為光纖熔錐區，52為CCD實時監測顯示器，50加熱微火焰，電機A4使50左右擺動，電機A3使50上下移動。S1、S2為二個支承平臺，26為將二光纖夾持固定在S1、S2上。電機A1、A2使S1、S2向相反方向拉伸光纖。36為控制器，對火焰和支承平臺進行控制。
圖(2)是熔錐耦合器的耦合比隨拉伸時間的變化曲線。10相當於1550nm波長的耦合比曲線。12相當於1310nm波長的耦合比曲線。
圖(3)實線為恆拉速，恆加熱溫度1550nm波長普通耦合器的耦合比曲線，虛線為使用本發明經二個耦合比控制點進行閉環控制得到的普通耦合器的耦合比曲線。
圖(4)實線為恆拉速、恆加熱溫度下普通波分復用器的耦合比曲線，虛線為使用本發明從預定控制點10d(或12d)進行閉環控制得到的耦合比曲線。
圖(5)實線為1550nm波長寬帶耦合器的耦合曲線，虛線為使用本發明從預定控制點10w進行閉環控制得到的耦合比曲線。
具體實施方案本發明在製造耦合器的全過程中對火焰溫度、擺動幅度和光纖拉速進行調控。圖(1)為本發明系統框圖。熔融拉錐機一開始運行，火焰50按預先設置的燃氣和氧氣流量、到位後離開光纖加熱區的初始高度d0和初始擺幅加熱，同時平臺S1、S2從靜止拉速Vp＝0開始以加速度αp變速拉伸光纖，經時間t後以勻速Vp拉伸光纖。隨著熔錐區加熱拉長，相應增大火焰擺幅，使得熔錐區始終處於加熱範圍。這些參量的設置，要使監視器52上實時顯示的熔錐區形狀無彎曲畸變、錐度變化平緩、邊緣平滑為合適，否則適時調整這些參量。將這些滿意的參數存儲於控制裝置36中，供下次使用。加工不同類型的光纖時，這些參數會有適當調整。
隨拉伸時間的加長，主光纖28與副光纖30間開始發生耦合，當耦合比達到1％(或適當再高一些)時表示二光纖間已完成了物理熔融，這一點可作為初始控制點，開始將耦合比與平臺拉速、火焰溫度和幅度進行閉環控制。在初始控制點後，已經不需要過多的熱量熔融光纖，只需要保持拉伸光纖所需的軟化光纖的熱量；這時拉速也相應降低。熱量和拉速的改變可影響耦合區的雙錐形狀，進而影響耦合比。降低拉速和減低熱量可以使耦合比隨時間的變化率趨於平緩。本發明減低熱量通過提高火焰擺速來實現。如需要，造當可微量移開火焰。
根據探測器D1、D2探測到的光功率P1、P2，由控制器36計算耦合比CR(％)＝P2/(P1+P2)和耦合比的變化率d(CR)/dt[由單位時間(每秒)耦合比的差值來確定]。當耦合比達到預定控制點後，控制器36繼續降低拉伸速度Vp，有多組加速度αp可選(這時實際為減速，αp為負值)；同時加快火焰擺動速度Vf4，有多組加速度αf4可選，火焰擺動幅度仍跟蹤熔錐區的伸長。如需要，火焰以很低的速度Vf3，微量移開光纖一個距離(這時離開光纖加熱區的實際距離為d0+Δd)。如果在預定控制點控制器計算到的d(CR)/dt超過希望的變化率，控制器36可繼續重複選擇拉伸速度和增加火焰擺動速度。這樣控制器慢慢調節拉伸速度和熱量，直到d(CR)/dt低於0.5％/秒，在CR到達指定的耦合比後停止拉伸，而火焰繼續以Vf4擺動並慢慢以Vf3移開光纖的熔錐區。火焰的擺動與撤離應使熔錐區充分退火，消除應力而基本不能影響耦合比CR。事實上拉伸停止後的熱量只要能維持光纖軟化而不使光纖熔融，這時拉錐區的形狀不會發生變化，耦合比也基本不會變化。
由於本發明對火焰溫度、幅度和光纖拉速實行了全過程調控，因此可以批量生產精確耦合比、低附加損耗和低偏振相關損耗的產品。
製造普通耦合器，二光纖為對稱結構，生產中使用同一種光纖。圖(2)為2×2熔錐耦合器，耦合比CR隨拉伸時間t的變化曲線，曲線10相應於1550nm的光波長，曲線12相應於1310nm的光波長。要控制1550nm的波長的耦合過程，一般在0-10a-10b段。本來常拉速、常加熱溫度時耦合比曲線0-10a-10b現經二個耦合比控制點，二次調節拉速和火焰沿虛線最終到達精確耦合比的10a』點，停機後耦合比幾乎不變，如圖(3)所示。
製造通常的波分複合器，如光源用1550nm波長，關鍵耦合比預定控制點選在10C左側合適的耦合比位置10d上。使用本發明獲圖(4)虛線所示的耦合比隨時間的變化曲線。如用1310nm波長，關鍵耦合比控制點選在12C左側合適的耦合比位置12d上。這樣可以獲得器件中心波長穩定、隔離度高的波分復用器。
製造雙窗口寬帶耦合器，二光纖應為非對稱結構。生產中通常採用二根相同結構的光纖，將其中的一根光纖的熔錐區先拉細，然後再與另一根未處理過的光纖在熔錐區相互接觸，再用與製造普通耦合器相似的步驟進行熔融拉錐。由於熔融拉錐區所形成的組合波導內，激勵的對稱和反對稱模傳播常數的不同，使28、30兩光纖間的光功率不能完成全轉換，形成圖(5)所示波長為1550nm的耦合曲線。使用本發明選擇1550nm耦合曲線剛過頂點下降不遠處的10W點為關鍵預定控制點，即可獲得精確耦合比50％的雙窗口寬帶耦合器。也可使用1310nm波長的耦合曲線，不過關鍵控制點要選在靠近曲線頂點的上升段上。
利用本發明，還可製造混合型光纖器件，它由兩種或兩中以上結構不同的光纖熔融而成。這時製造寬帶耦合器無需預拉其中一根光纖。
本發明可用於單根、雙根結構相同或者結構不同的單模光纖、多模光纖熔錐器件的製造。
權利要求
(1)本發明在熔錐器件製造的全過程中對火焰溫度、擺動幅度和光纖拉伸速度進行調控。其技術特徵是火焰離熔錐區一個初始距離，與光纖軸線平行擺動，擺動幅度跟蹤拉伸距離，火焰擺動的速度、幅度和高度可調，通過加速擺動火焰降低加熱溫度，如需要火焰再離開熔錐區一個小距離，更多地減少熱量；拉伸光纖的速度從加速到勻速到減速，拉伸的速度可調。
(2)根據權利要求(1)，本發明在光纖間發生光功率耦合前根據CCD實時監視器，調節拉速、加熱溫度；光纖間發生光功率耦合中和後，使用光功率耦合信號，閉環控制減低拉速和加熱溫度。器件達到最終所需耦合比時停止拉伸，繼續擺動火焰，再慢慢撤除熱源。
(3)根據權利要求(1)和(2)，本發明可用於熔融拉錐(FBT)技術製造的器件，包括普通耦合器、寬帶耦合器(WIC)、波分復用器(WDM)、衰減器、稀疏波分復用器(CWDM)等。
(4)根據權利要求(3)，本發明可用於單根、雙根和多根結構相同或者結構不同光纖製造的熔錐器件。
(5)根據權利要求(4)，本發明可用於單模光纖或多模光纖製造的器件。
(6)根據權利要求(1)，本發明可使用一個或多個熱源加熱熔錐區。熱源可以用火焰也可用電加熱、雷射加熱等其他熱源。
全文摘要
本發明提供一種製造光纖熔錐器件的新方法。在器件製造的過程中對火焰溫度、幅度和光纖拉伸速度進形調控。在去除光纖塗覆層的熔錐區，火焰以預先設定的離開熔錐區一定距離加熱光纖，並以初始速度v
文檔編號C03B37/028GK1861536SQ20051002568
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月9日 優先權日2005年5月9日
發明者陸善達 申請人:上海凱通電訊設備廠