光放大器的製作方法
2023-12-03 12:27:36 2
專利名稱：光放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光放大器。
背景技術：
為改進摻鉺光纖放大器的增益平穩度，已知可藉助箔加熱器來升高摻鉺光纖的溫度，從而限制摻鉺光纖因外部熱環境的變化而經受的溫度偏移。這種箔加熱器典型地由一個加工成特定長度和相應阻抗、夾在兩層非導電材料之間的刻蝕導電軌(conductive track)組成。
圖1是一個此種已知光放大器的俯視圖、側視圖和分解透視圖，在該光放大器中，一段特定長度的鉺光纖(erbium optical fibre)卷繞在一個鋁捲軸2上，而一個壓板6利用插入在自身和鋁捲軸2之間的一個導熱墊圈8和一個箔加熱器10，將鋁捲軸2固定在一個殼體4中。壓板6由一個螺釘12定位，並且箔加熱器10的電連接由一個安裝在該加熱器的凸出部分16上的標準PCB連接器14實現。
由於在這種配置中，箔加熱器10藉由導熱墊圈8的接合作用壓緊在捲軸2上，所以當箔加熱器10的功率提高時，所產生的熱能會傳遞到捲軸2，並由此傳遞到餌光纖。
然而，此種箔加熱器的製造成本相對昂貴，這成為包括此類箔加熱器的光放大器的加工成本居高不下的主要原因。此類加熱器的機械複雜性意味著它們的加工和裝配成本必然很高。
發明內容
本發明的目的在於提供一種包含加熱器的光放大器，該加熱器製造成本低廉、能夠簡化該光放大器的裝配並縮短裝配時間。
根據本發明，這裡提供了一種包括一個多層板結構的光放大器，該多層板結構包括至少一個採用非導電材料的支撐層和至少一個採用導電材料的導電層、一個安裝在該板結構上的光纖的捲軸，和一個用於加熱所述光纖的加熱器，其特徵在於，該加熱器是位於所述至少一個導電層內、對所述光纖進行電阻加熱的電阻軌(resistive track)。
由於該加熱器是該板結構上的電阻軌，所以這種光放大器的製造成本相對低廉，並且可在該光放大器的組裝期間納入該加熱器，而無需採用額外花費的組裝步驟。這意味著提供加熱器幾乎就不需要什麼成本。採用這種結構還可縮短產品投入市場的時間，並且隨之而來的零件數目減少使得該光放大器更易於裝配並可縮短裝配時間。同時性能也得到了提高，能夠使光纖達到同一溫度所需的功耗降低，也就是同一功耗能夠達到更高的光纖溫度。
該電阻軌優選埋在支撐層內，這使得軌的厚度更容易控制，並因而提高了作為電壓的函數的功率耗散的一致性。另外，由於埋入的軌可避免潛在的損害，所以提高了該加熱器的可靠性。
總體上，該板結構是一個安裝有加熱器驅動電路和其它相關部件的印刷電路板。在一個優選的實現方案中，該加熱器是該印刷電路板的刻蝕的銅軌。在這種情況下，該刻蝕的軌的長度可作為所需功率耗散和最大電壓的函數進行選擇。另外，對該軌的形狀的選擇可有助於使感應最小化和更均勻地加熱。
此外，可提供用於監控該加熱器的溫度以控制該加熱器的加熱的測溫工具，例如至少一個位於該加熱器附近的熱敏電阻。可提供可替代性光學傳感工具，以監控該放大器的光輸出信號從而控制增益平穩度和該加熱器的加熱。
儘管該捲軸總體上呈圓形，但也可根據具體應用而具有其它形狀。對捲軸的形狀的唯一限制是其不能超出該光纖的最小彎曲半徑。該捲軸優選包括一段卷繞在一個由導熱材料製成的架上的光纖，該導熱材料例如鋁合金。
由於該加熱器軌位於該印刷電路板內，所以熱量散失到周圍板中的機會高於傳遞到該捲軸上的機會。為應對這種損耗，該板可具有一個以上圍繞該加熱器的隔熱孔或切口以減少該加熱器附近的熱損耗。此外，優選提供一個圍繞該加熱器的至少一部分的隔熱套以減少該加熱器附近的熱損耗。
為更充分地理解本發明，參照附圖作為示例，附圖包括圖1是用於光放大器的已知箔加熱器的俯視圖、側視圖和分解透視圖；圖2是根據本發明的光放大器中的加熱器的俯視圖；圖3是圖2的加熱器所用的驅動電路的電路圖；圖4包括了示出圖2的加熱器的結構的局部的複數個示意圖；圖5和圖6是圖2的加熱器的分解透視圖和裝配透視圖；圖7是根據本發明的另一種光放大器的俯視圖；和圖8示出了本發明的一個發展，其在裝配中的不同階段示出在a)、b)、c)和d)中。
具體實施例方式
以下參照圖2～圖6描述的優選光放大器配置是摻餌光纖放大器(EDFA)。然而，這僅是本發明的應用的一個示例，應理解，本發明還可用於要求加熱器加熱一段光纖的多種其它應用中。例如，為改變單段光纖的某些光學特性，可使用類似裝置加熱和/或張緊該段光纖。
參見圖2，所示根據本發明的光放大器包含一個埋在印刷電路板(PCB)22中的電阻軌20(如該圖中虛線所示)形式的加熱器。該軌20由1盎司(oz)銅刻蝕而成並具有環結構，該環結構包括一個在接近90度的圓周上延伸的環組24和同樣在90度的圓周上延伸的環組26、28和30，環組24依次連接至環組26、28和30，這種互連使得所有這些環組都連接在一起，從而形成一個輸入端和輸出端都位於該加熱器圓周上同一點32處的連續軌。這種構造使感應降低並使加熱更均勻。四個切口34、36、38和40延伸過PCB 22並大體上圍繞該加熱器，以便將該PCB的位於這些切口內部的區域與該PCB的外圍區域隔離開。這使該加熱器沿PCB 22的中心部分向外的熱量損耗降至最低。
應注意，為減少散失到PCB 22及更遠處的熱量，在該加熱器下的PCB22中不應設置銅層，也就是在切口34、36、38和40的範圍之內不應設置銅層。
藉助標準光刻工藝在PCB 22的下介電層上形成軌20，在該工藝中，在該下介電層上形成銅層的圖案，並蝕刻該銅層至在該下介電層上僅留下所需的銅軌形狀。然後，在該下介電層的頂部上覆蓋另一介電層，並且該軌的厚度典型地為約0.1mm以使該軌夾在這兩層之間。而後，貫穿該PCB 22形成切口34、36、38和40。
在該PCB上還安裝有一個具有圖3所示電路圖的加熱器驅動電路，該加熱器驅動電路包括一個微控制器42，該微型控制器42包含一個從用於測量該加熱器的溫度的測溫傳感器46接收模擬溫度信號的模-數轉換器(ADC)44；一個用於從ADC 44接收數字輸入信號的比例/積分/微分(PID)控制器48；以及一個用於將來自PID控制器48的數字輸出信號轉換為模擬輸出信號的數-模轉換器(或脈衝寬度調製器)50，該模擬輸出信號用於控制為該加熱器軌供應電流的加熱器驅動器52。可控制該加熱器驅動電路以降低該加熱器兩端的可變電壓，並根據溫度控制該加熱器。更具體地說，PID控制器48允許設定一個定點值(理想狀態)，以使該加熱器受控在一個所謂的閉控制環中，在該閉控制環中，PID控制器48根據來自測溫傳感器的自身輸入值逐步調整自身輸出。該PID將精確控制該加熱器，以使溫度逼近並收斂於一個定點。通過設置比例、積分和微分常數，可以方便地校準或調節該PID控制器，以使與該定點相關的過調量和振蕩降至最低，並可通過設置積分調整常數改變該PID控制器的反應速度。
測溫傳感器包括兩個彼此完全相對地設置在一個捲軸架58內側的熱敏電阻54和56，如圖4最左側圖(a)所示。如圖4的詳細截取圖(b)和的局部截面圖(c)所示，每一熱敏電阻54、56都設置為緊接捲軸架58的內側，並通過銅接線接通至從該PCB表面和一個導熱墊圈60之間凸出的軌20，該導熱墊圈60夾在捲軸架58和PCB 22之間。
正如從圖5的分解圖中清楚看出的，該加熱器包括以下順次安裝在PCB22上的更多部件導熱墊圈60；捲軸架58，鉺光纖按照圖4(c)的截取圖所示以多層結構卷繞在該捲軸架58上；和一個壓板62，其具有一個形成隔熱套的向下延展的壁64。這些部件通過螺釘66固定到PCB 22上，以利用夾在捲軸架58和加熱器軌20附近的PCB 22之間的導熱墊圈60，將捲軸架58壓在加熱器軌20附近的PCB 22上。這樣即可確保熱能從加熱器傳遞到捲軸架58，並進而傳遞到卷繞在該架上的光纖。壓板62的懸垂壁64形成了一個隔熱套，該隔熱套有助於減少因對流而從該加熱器散失的熱量。PCB22中的導熱墊圈60和切口34、36、38和40起到使周圍環境狀況和光纖溫度之間的溫度差最大化的作用，其中光纖溫度是加熱器功率耗散的函數。
捲軸架58由導熱材料製成，例如由鋁合金製成，這使得光纖能夠在捲軸架58上連續成層地卷繞。這種架被設計為在卷繞之後支撐光纖，以便於移動和裝配到光放大器中。另外，光纖的成層卷繞，保持了光纖的緊密接觸，並使熱量可以均勻地擴散。架的尺寸和形狀取決於具體應用，並且光纖最好卷繞成緊密的圈以使空間利用率最大化。對該架的唯一一條形狀限制是其不應超出光纖的最小彎曲半徑。PCB上的加熱器軌的形狀反映了待加熱的架的形狀，在圖解的實施例中，架的形狀當然是圓形。也可用其它材料來製作架以提高熱傳導性或降低加工成本，例如使用塑料模塑。
在上述實施例中，支撐結構是PCB，亦即一個包含複數個介電層和一個或更多導電層(通常是銅層)的多層結構。然而，在這類應用中也可採用多層支撐結構的其它種類，具體地說，可使用陶瓷層替代介電層，並可使用電阻不受溫度影響的替代性導電層。儘管在該特定實施例中，軌是通過刻蝕形成的，但是可替代地，也可以通過雷射切割或雷射微調來形成軌。然而，已經發現與PCB加工相關的標準加工工藝和公差使得加熱器具有優良的性能，因此節約了與設計相關的成本。
在本發明的發展中，用於控制加熱器的溫度的加熱器驅動電路的電晶體形成部分具有一個散熱片68，該散熱片68與夾在導熱墊圈60和加熱器軌20附近的PCB 22之間的銅環70形成熱接點(參見圖4(c))。如此，由該電晶體發散的熱量可用來補充加熱器的加熱。
在圖8示出的本發明另一個未圖解的發展中，提供了一個由與上述軌20類似的電阻軌70形成的對數放大器(log amp)加熱器，以便加熱對數放大器電路。如圖8a所示，在PCB 72中待安裝該對數放大器電路的區域周圍提供一個切口71，有助於該對數放大器電路的隔熱。這有助於降低由貫穿PC B面的傳導所引起的熱損耗。該加熱器軌的長度，由該加熱器獲得與環境空氣溫度的所需溫度差ΔT所需的功率耗散來決定。該加熱器軌的形狀，首先由所需長度決定，其次由不能與PCB上的任何部件形成電短路這一必要條件決定，這些部件例如軌和通孔等。該對數放大器電路需要測量該放大器的功率。然而，該電路易於受到隨溫度變化的變量的影響。因此，通過將該電路的溫度控制在環境溫度之上的一個固定值，就能夠確保該測量電路的性能穩定。在圖8b)中示出該對數放大器電路的部件73安裝在PCB 72上。如圖8c)所示，一個鋁環框74環繞該電路的外側設置，並且如圖8d)所示，一個泡沫插件75設置在這些部件之上以降低因對流和輻射造成的熱損耗。
權利要求
1.一種包括一個多層板結構的光放大器，該多層板結構包括至少一個採用非導電材料的支撐層和至少一個採用導電材料的導電層、一個安裝在該板結構上的光纖的捲軸，和一個用於加熱所述光纖的加熱器，其特徵在於，該加熱器是位於所述至少一個導電層內、對所述光纖進行電阻加熱的電阻軌。
2.根據權利要求1所述的光放大器，其中所述電阻軌埋入所述支撐層內。
3.根據權利要求1或2所述的光放大器，其中所述板結構是印刷電路板。
4.根據權利要求3所述的光放大器，其中所述加熱器是所述印刷電路板的刻蝕的銅軌。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的光放大器，其中在所述板結構上安裝有一個加熱器驅動電路。
6.根據權利要求1到5中任一項所述的光放大器，其中提供有用於監控所述加熱器的溫度以控制所述加熱器的加熱的測溫工具。
7.根據權利要求6所述的光放大器，其中所述測溫工具包括至少一個位於所述加熱器附近的熱敏電阻。
8.根據權利要求1到7中任一項所述的光放大器，其中所述捲軸大體上呈圓形。
9.根據權利要求1到8中任一項所述的光放大器，其中所述捲軸包括一段卷繞在一個由導熱材料製成的架上的光纖。
10.根據權利要求1到9中任一項所述的光放大器，其中所述板結構具有一個以上圍繞所述加熱器的隔熱孔以降低所述加熱器附近的熱損耗。
11.根據權利要求1到10中任一項所述的光放大器，其中提供有一個圍繞所述加熱器的至少一部分的隔熱套以降低所述加熱器附近的熱損耗。
12.根據權利要求1到11中任一項所述的光放大器，其中所述捲軸利用一個緊固組件安裝在所述板結構上。
13.根據權利要求1到12中任一項所述的光放大器，其中所述光纖為鉺光纖。
14.根據權利要求1到13中任一項所述的光放大器，其中所述光纖的加熱由所述板結構上的電晶體所發散的熱來補充。
15.根據權利要求1到14中任一項所述的光放大器，其中所述加熱器另外還適於加熱相關的電子線路。
全文摘要
一種光放大器包括印刷電路板PCB(22)，PCB 22具有至少一個採用非導電材料的支撐層和至少一個採用導電材料的導電層，和一個採用PCB(22)上的導電軌(20)形式的箔加熱器。一段特定長度的鉺光纖卷繞在一個安裝在PCB(22)上的鋁捲軸(58)上，該鋁捲軸(58)由一個壓板(62)利用一個插入在其間的導熱墊圈(60)壓緊，以使光纖可由該加熱器來加熱。在PCB(22)上提供有圍繞該加熱器的切口(34、36、38和40)以使該加熱器的熱損耗降至最低。該加熱器的形式使其可在該光放大器的組裝期間製作出來，而無需採用額外花費的組裝步驟。
文檔編號H01S3/06GK1918758SQ200580004390
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月9日 優先權日2004年2月10日
發明者彼得·威爾遜·麥卡格 申請人:波科海姆技術公共有限公司