光纖耦合器的可變光學衰減器的製作方法
2023-04-25 05:31:21 1
專利名稱：光纖耦合器的可變光學衰減器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學衰減裝置，特別涉及一種熱補償的光纖耦合器的可變光學衰減器(VOA)。
本發明的技術背景各種設計的VOA廣泛地應用於本地的和長途的電話網。這些裝置的用途(例如)包括濾光器、開關、分離器、光信號的合成器/耦合器、光多路轉接器等。人們認為，熱補償的、光纖耦合的VOA對於高性能電信系統的發展將是必不可少的。設計可行的和可靠的包裝、以便在20至25年的預期使用壽命內經受各種熱的和機械的負載的能力顯然是十分重要的。
使用光纖耦合的可變開關的各種光學系統是已知的(例如，參見米勒等人的、名稱為「旋轉可變光學開關」的美國專利第5,146,519號；科克等人的、名稱為「光纖可彎曲耦合器/開關裝置」的美國專利第5,353,363號)。光信號的可變衰減是通過雙錐形耦合器的彎曲或轉動(扭轉)負載實現的，該雙錐形耦合器包括一對在一狹窄區域內熔融在一起的光纖。通常，該耦合器在一狹窄區域內被彎曲，從而可選擇一耦合比。
在結構上，光纖耦合器的可變光學衰減包裝是多材料組件，其中，材料的交互作用、它們的尺寸和形狀、以及熱引起的或機械的負載如所使用的材料的性能一樣重要。用於雙錐形耦合器的熔融的石英玻璃的、以及相對於還包括粘結劑的殼體材料(金屬合金或包裝塑料)的光纖的熱收縮失配造成熱引起的應力，該應力將影響光衰減。為了將在熔融的玻璃耦合器和負載機構和殼體之間的熱收縮失配產生的、在熔融耦合器裡的熱引起的應力的不利影響減到最低程度，可利用對準技術機械地調整光纖。然而，這種調整在光衰減中造成新的溫度相關變化，這是通過熱失配和調整引起的誤對準的複合作用產生的。用於這種包裝裡的負載裝置不完全被熱補償，且在組裝於保護殼體內的時候產生額外的失配應力。這些包裝對於機械衝擊和震動也是敏感的，因此，耦合比的再現性隨時間而變化。此外，這些包含負載裝置、以便提供可變的彎曲或轉動的包裝在製造時是非常昂貴的。
理想的是獲得一種高精度的、全部熱量自動補償的、光纖耦合的、可變的光學衰減系統，它在大的偏移和溫度範圍內可容易地進行調整，且相當廉價，它是由通常可獲得的、容易機加工的材料製造的，並且在操作上是可靠的。除此之外，殼體設計不僅應該機械地保護易碎的玻璃元件，而且對在光學衰減中可能由熱引起的轉移進行補償，並降低到最低程度。
本發明的一個目的是以這樣的方式設計一種上述類型的光纖耦合的可變光學衰減包裝，即結構簡單、小型化、使用廉價的材料進行製造、並且在各種環境條件下可靠地工作。
本發明的簡要說明在本發明的一個實施例裡，一光纖耦合的可變光學衰減器包括一熔融的雙錐形石英玻璃耦合器，該耦合器包括一對在一狹窄區域內熔融在一起的光纖波導。該耦合器安裝在一保護殼體裡，帶有一被夾住的端部和一自由的端部。該殼體是用金屬合金或包裝塑料製造的。為了減少在耦合器的被夾住部分裡的熱失配應力，該耦合器安裝成通過低模量材料製造的套筒，它被作為減應力緩衝器。利用一電動機驅動機構使耦合器的自由端偏移。該機構包括一步進電動機、一產生偏心運動的軸、以及一推桿，推桿垂直於電動機和軸，它們串聯連接。推桿的端部通過一V形槽與環繞著耦合器的自由端的一球形套管接觸而與耦合器相連。由電動機、軸、推桿和耦合器形成的運動鏈傳送電動機的轉動，並通過推桿的軸向運動使耦合器自由端側向偏移。建立該運動鏈構件和殼體的尺寸及熱力參數，以便滿足在包含該運動鏈的殼體裡的幾乎所有熱補償的條件。在此可將所有的熱補償稱為光學裝置的足夠的尺寸穩定性，從而由於溫度變化引起的輸出變化在使用時可以忽略不計。電動機驅動的機構還安裝有一剛性框架，以便限定耦合器的軸向偏移，並防止它在錯誤操作或運輸時與意外跌落有關的機械衝擊產生的過度偏移。耦合器的自由端上安裝有套管，套管具有與推桿端部接觸的球形磨光表面。該接觸套管被設計成能熱補償由於溫度變化引起的殼體的軸向膨脹，並將推桿的垂直(軸向)運動轉換成耦合器的側向彈性偏移。耦合器的運動部分相對接觸套管的球形表面的幾何中心平衡，從而在發生機械衝擊時保護耦合器。為了降低光纖波導中的熱應力，殼體上還安裝有熱補償裝置，該裝置以串聯方式位於殼體和離開殼體的光纖之間。熱補償裝置是一雙材料層疊圓柱體，它包括若干用非常低彈性模量和非常高膨脹的材料(例如，RTV矽樹脂)製成的薄墊圈(層)，並由金屬圓盤分隔開，還設有與光纖波導的軸線重合的中心孔。由於適當地選擇材料的熱彈性性能以及墊圈的尺寸，因此，附加在運動鏈上的熱補償裝置能顯著地減少光纖裡的、必然存在的熱應變。金屬圓盤的功能是在從外部向光纖施加負載的情況下限制彈性體的偏移。如果這些墊圈被粘結在高彈性模量材料上以限制彈性體的側向變形，那麼單個厚的彈性體墊圈在負載下將比一半厚度的兩個墊圈產生更大的偏移，。光纖被固定地粘結在熱補償器的最內側零件上，而其由彈性體和金屬的層疊層攜帶，最終，外側零件固定地粘結在殼體上。這種布置允許內側零件和外側零件之間的相對運動，而所述的運動是由材料的熱膨脹/收縮產生的，這樣，可維持內側零件和光學熔融耦合器之間的固定尺寸關係。
在本發明的另一實施例裡，用來可變地衰減傳送通過的光信號的裝置包括一安裝該裝置的殼體；一光纖耦合器，它具有第一端部、第二端部和在第一端部和第二端部之間的腰部；一套筒，它環繞著第一端部的至少一部分；用來相對殼體的安裝表面固定耦合器的第一端部的裝置；一套筒，它環繞著耦合器的第二端部的一部分；一電動機，它與殼體的安裝表面連接；一以可轉動的方式與電動機安裝在一起的軸；用來支承耦合器的第二端部的裝置，其中，該裝置的一端與軸相連，以便使耦合器的第二端部偏移；一沿給定方向限定所述支承裝置的運動方向的裝置；以及一熱補償元件，它具有一孔，它以串聯方式對準耦合器的一端部，其中，耦合器光纖延伸通過該孔，並在該孔的周圍固定在熱補償元件上，由此，耦合器的第二端部的偏移可變化地影響通過耦合器的傳輸損耗。
按照該實施例的一個方面，將耦合器的第一端部相對於殼體的安裝表面固定的裝置包括一剛性夾緊構件，該構件與環繞著第一端部的套筒相連。
按照另一方面，環繞著耦合器的第二端部的一部分的套筒包括一磨光的球形外表面，該表面與支承裝置接觸。
按照另一方面，軸具有一偏心的轉動軸線，從而在轉動時提供偏心運動。
按照另一方面，限制所述支承裝置運動方向的裝置包括一機械止動件。
按照另一方面，熱補償元件包括一雙材料層疊結構，該結構包括一層低彈性模量(150-500psi)高膨脹(150-300×106/℃-1)材料，該材料非常靠近固定在其上的一金屬層材料，並固定在一罩殼上，而罩殼又固定在殼體上。
按照另一方面，耦合器包括一監控光功率的光纖輸出口。
按照另一方面，該裝置包括一鎖定機構，這樣，傳送通過該裝置的輸出信號在該裝置經受一電力損失時基本上是穩定的。
按照另一方面，該裝置包括用來阻止支承裝置的不受控制的運動的裝置。
附圖的簡要說明將參考下面附圖更詳細介紹本發明。
圖1是VOA的一個實施例的俯視圖，其中，卸去殼體蓋子；圖2是沿圖1中的2-2線的剖視圖；圖3是熱補償元件的一個實施例的剖視圖；圖4是圖1實施例中的VOA的立體圖；圖5是本發明的VOA的另一實施例的立體圖；以及圖6是圖5中的VOA的零件分解圖。
本發明的較佳實施例的詳細說明參看圖1、2和4，其中，相同的標號表示裝置的相同的部分，一光源(未畫出)通過裝置的輸入端給雙錐形熔融石英玻璃耦合器101提供寬帶燈光信號，耦合器101具有自由的第二端部1和通過一低模量材料套筒2安裝在夾板2a裡的固定的第一端部3。該套筒較佳的是用RTV矽材料製造，它與其它的特徵一起提供一減應力緩衝器。耦合器安裝在一保護殼體4裡。耦合器的第二端部1的一部分被套管5a包著，該套管5a包括一磨光的球形表面5。平衡塊6也環繞著第二端部靠近套管5a的一部分。
由電動機10(較佳的是一具有鎖定能力的微型步進電機)、軸9、推桿8和耦合器101形成的運動鏈以機械方式傳送電動機的轉動，通過推桿8的軸向運動使耦合器自由端側向偏移。軸9較佳的是具有圓形截面，並且其中心偏離縱向轉動軸線，以便通過轉動提供偏心運動。在殼體一側壁和耦合器支承25之間的彈簧20提供一力，以便在推桿未被驅動時使耦合器第二端移動進入一基本上未偏移的位置。該裝置還安裝一剛性框架7，以便限制耦合器的軸向偏移並保護它免受因誤操作或運輸時的意外跌落而產生的過度偏移。除此之外，用來引導推桿8的導塊12具有一中心導孔和兩個側孔(未畫出)。在導孔各端的兩點(未畫出)引導推桿8在導塊12內作軸向運動。一彈簧11迫使推桿8與導塊12的引導點接觸，並還給推桿提供防轉動控制。
該裝置還在殼體和光纖輸入/輸出端之間以串聯方式安裝熱補償裝置13和14。熱補償器是一雙材料層疊圓柱體，如圖3所示，它包括若干由非常低彈性模量(例如150-500psi)和非常高膨脹(150-300×106/℃-1)的材料製成的薄墊圈(層)16，它們由金屬圓盤17分開，並在分界面20處互相粘結，罩殼15粘結在光纖上，並與固定在保護殼體上的罩殼18同軸線連接。如圖3所清楚顯示的，應力補償器上設有一中心孔，中心孔與光纖波導的軸線重合。由於根據該層疊體的熱和應力分析適當地選擇墊圈的材料性能和尺寸，因此加在運動鏈上的應力補償裝置可顯著地減少光纖上的熱失配應變和由於安裝前必然產生的光纖偏置定位造成的應變。
從理論上說，由光纖、金屬或塑料殼體、粘結材料層及上述運動機構組成的不同的玻璃耦合器形成一自動調溫型的機構系統，它由於不可避免的熱壓縮失配而經受「剩餘的」熱引起的應力。除此之外，因端部偏置而定位的光纖將經受額外的彎曲應力。這些熱引起的應力將影響光學系統裡的可變衰減和插入損失。
在圖5-6所示的本發明的另一實施例裡，光纖耦合器VOA包括一殼體4，其上安裝一如下所述的熔融光纖耦合器101。耦合器101具有第一端部3、第二端部1和在第一和第二端部中間的腰部。套筒104環繞著第一端部3，並通過安裝支架106固定在殼體上。另一個套筒108環繞著耦合器的第二端部1的一部分，而一較大直徑的套筒延伸部分110環繞著靠近套筒108的耦合器端部l。套筒108的一部分較佳的是具有一磨光的球形外表面112，這有助於移動時耦合器的弧形路徑的彎曲移動。電動機114與殼體的安裝表面連接，而軸116以可轉動的方式安裝在電動機上。電動機較佳的是一電動的、可逆的、可鎖定的步進電動機。軸116具有一轉動軸線，圖6所示它偏離中心，以便提供偏心運動。構件118支承耦合器的自由端部分，並作為力的傳送機構，類似於前面所述的第一實施例中的推桿8。構件118具有一孔120，該孔通過與球形套筒部分112的連接來支承耦合器的自由端。構件118還具有一U形孔122，U形孔122跨騎在凸輪116上，這樣，偏心凸輪的轉動使構件118側向移動，從而使耦合器的自由端部分偏移。固定在殼體上的支架124包括一懸臂部分，它防止構件118的未受控制的運動。構件118上還設有一銷釘(未畫出)，該銷釘橫向突出，與一固定螺釘(未畫出)連接，以便作為機械止動件防止構件118在耦合器端部的未偏移方向移動。該裝置還包括一熱補償元件130，它與圖3中的裝置13和14相同。元件130與在殼體端部裡的一縫槽132嚙合。
上面描述的本發明的兩個實施例介紹了一種設計方法，它使用三個熱補償系統，幾乎獲得衰減的與溫度無關的控制(temperature-independent control)。這些是在包封該運動鏈的殼體上的運動鏈的「全部」熱補償；通過負載傳送接觸套管裝置5、112的「局部」熱補償；以及以串聯方式位於光纖和殼體之間的減熱應力器13、14及130。通過使用上述的熱補償的負載機構可獲得理想的衰減。可允許的插入損失偏移的預報是基於在組件的結構件裡的全部應力和在由不相同的材料組成的粘結區域裡的局部失配應力的分析。它提供了在衰減包裝中的非常低程度的熱敏度下操作的前景。
通過使用上述類型的衰減包裝可獲得許多額外的優點。本發明使用的殼體材料是廉價的。電接口使用了簡單的四導線設計，它允許增加、減少和重新設置。這些材料的熱一機械性能是眾所周知的，並可預測。該衰減包裝可精確機加工。
權利要求
1．一種裝置，它可變地衰減傳送通過該裝置的光信號，包括一殼體；一光纖耦合器，它具有第一端部、第二端部和在第一端部和第二端部中間的腰部；用來相對殼體的安裝表面固定耦合器的第一端部的裝置；一套筒，它環繞著耦合器的第二端部的一部分；一平衡塊，它與靠近套筒的耦合器的第二端部的一部分連接；一電動機，它與殼體的安裝表面連接；一可轉動的方式與電動機安裝在一起的軸；用來支承耦合器的第二端部的裝置；對著支承裝置提供復原力的裝置，以便抵消耦合器的第二端的偏移；一力傳遞裝置，其一端與軸配合接觸，其另一端與套筒配合接觸，以便對著耦合器的第二端部施加一側向力；一與安裝表面連接的構件，它具有一孔，力傳遞件經過該孔，該孔具有的一尺寸給力傳遞裝置的軸向運動提供導向路徑；以及一熱補償元件，它具有一孔，它通過該孔以串聯方式對準耦合器的一端部，其中，耦合器光纖延伸通過該孔，並在該孔周圍固定在熱補償元件上，由此，耦合器的第二端部的偏移可變化地影響通過耦合器的傳輸損耗。
2．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，相對於殼體的安裝表面固定耦合器的第一端部的裝置包括一剛性夾緊構件以及與夾緊構件和耦合器的第一端部的一部分對接的非剛性材料。
3．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，套筒包括一磨光的球形外表面。
4．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，平衡塊環繞著耦合器的第二端部的一部分。
5．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，軸具有一偏心的轉動軸線，從而在轉動時提供偏心運動。
6．如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，力傳遞件是一推桿，其端部具有一V形槽，以便與套筒的球形表面配合接觸。
7．如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，與安裝表面連接的部分包括在孔內的相對軸向端處的引導點，以便引導推桿通過該孔的軸向運動，並且還包括一與殼體連接的彈簧，該彈簧具有與推桿配合接觸的一部分，以便迫使推桿與引導點接觸。
8．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，熱補償元件包括一雙材料層疊結構，該結構包括一層低彈性模量(150-500psi)高膨脹(150-300×106/℃-1)材料，它非常靠近固定在其上的一金屬層材料，並固定在一罩殼上，而罩殼又固定在殼體上。
9．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括一供電動機用的電源接頭。
10．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，耦合器包括一光纖輸出埠，以便監控光功率。
11．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括一鎖定機構，以便使傳送通過該裝置的輸出信號在該裝置經受一電功率損失時基本上是穩定的。
12．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括一光學傳感器和相關的裝置，以便控制耦合器的偏移程度。
13．一種裝置，它可變地衰減傳送通過該裝置的光信號，包括一殼體；一光纖耦合器，它具有第一端部、第二端部和在第一端部和第二端部中間的腰部；一套筒，它環繞著第一端部；用來相對殼體的安裝表面固定耦合器的第一端部的裝置；一套筒，它環繞著耦合器的第二端部的一部分；一電動機，它與殼體的安裝表面連接；一以可轉動方式與電動機安裝在一起的軸；用來支承耦合器的第二端部的裝置，所述裝置的一端與軸配合接觸，以便使耦合器的第二端部偏移；用來沿給定方向限定所述支承裝置的運動方向的裝置；一熱補償元件，它具有一孔，它通過該孔以串聯方式對準耦合器的一端部，其中，光纖延伸通過該孔，並在該孔周圍固定在熱補償元件上，由此，耦合器的第二端部的偏移可變化地影響通過耦合器的傳輸損耗。
14．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，相對於殼體的安裝表面固定耦合器的第一端部的裝置包括一剛性夾緊構件，它與環繞著第一端部的套筒配合接觸。
15．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，環繞著耦合器的第二端部的一部分的套筒包括一磨光的球形外表面，該表面與支承裝置配合接觸。
16．如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，還包括另一套筒，它環繞著耦合器第二端部的一部分，並靠近環繞著第二端部一部分的套筒。
17．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，軸具有一偏心的轉動軸線，從而在轉動時提供偏心運動。
18．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，限制所述支承裝置的運動方向的裝置包括一機械止動件。
19．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，熱補償元件包括一雙材料層疊結構，該結構包括一層低彈性模量(150-500psi)、高膨脹(150-300×106/℃-1)材料，它非常靠近固定在其上的一金屬層材料，並固定在一罩殼上，而罩殼又固定在殼體上。
20．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，耦合器包括一光纖輸出埠，以便監控光功率。
21．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，還包括一鎖定機構，以便使傳送通過該裝置的輸出信號在該裝置經受一電功率損失時基本上是穩定的。
22．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，還包括限制支承裝置的未受控制的運動的裝置。
全文摘要
一種光纖耦合的可變光學衰減器包括一光纖耦合器，它通過一低模量材料製造的套筒(2)而安裝在一殼體(4)裡，並具有一被夾住的端部和另一自由端(1)。耦合器的自由端通過一裝有電動機的機構被偏移。該機構包括在一運動鏈裡的一步進電動機(10)、一提供偏心運動的軸(9)、以及與耦合器連接的支承/偏移構件。確定運動鏈構件的結構和材料參數以滿足對於包圍該鏈的殼體的熱補償的條件。殼體上安裝有熱補償裝置(14)。
文檔編號G02B6/28GK1317101SQ99810744
公開日2001年10月10日 申請日期1999年8月13日 優先權日1998年9月11日
發明者W·L·迪博英特恩, M·烏斯伊茨科 申請人:康寧股份有限公司