專利名稱：光纖保持裝置以及散熱裝置的制作方法
光纖保持裝置以及散熱裝置交叉引用的相關(guān)申請
本發(fā)明要求于2007年3月27日提交的美國專利申請?zhí)?0/908,245的優(yōu)先權(quán)，在此 通過參考將其合并入本發(fā)明中。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明通常涉及光纖保持裝置，尤其涉及一種利于將光纖內(nèi)多余的熱耗散到保持裝 置內(nèi)的保持器。
背景技術(shù)：
光纖被用作傳輸介質(zhì)，既可用于點對點的光傳輸，也可用于修正光學(xué)特性，例如作 為光纖激光器或光;^文大器中的增益介質(zhì)，或者在通信網(wǎng)絡(luò)中作為色散補償介質(zhì)。當(dāng)光纖 被用于修正光學(xué)特性而不是用于光傳輸時，通常優(yōu)選將光纖封裝于相對緊湊的容積內(nèi)， 所述封裝容積將被包含到線性尺寸一般小于0.5米的密閉裝置中。
典型的光纖激光器或者光纖放大器由長度范圍在10毫米~ 100米之間的光纖構(gòu)成， 絕大多數(shù)的光纖長度范圍一般在1 ~30米之間，并且光纖的最小可允許彎曲半徑通常在 10 ~ 20毫米之間。其他專用的光纖長度通常也在同樣的參數(shù)范圍內(nèi)。根據(jù)應(yīng)用(的不同)， 光纖會釋放出大量的熱能(如超過1瓦特)，因此需要光纖具有較為有效的排熱措施。 此外，在操作過程中，應(yīng)優(yōu)先確保用于光纖激光器中的光纖不動或者防止其意外損壞。 由于光纖具有易碎特性，因此需要保護(hù)光纖避免遭受外部應(yīng)力(如撓力、壓力和張力)， 所述外部應(yīng)力可損壞光纖和/或使光纖傳送的信號發(fā)生衰減。例如，在光纖路徑中無論任 何一處都不能被猛烈彎曲。除了可能造成光纖易壞或易碎外，如果將光纖彎曲超過一定 的臨界角度時，被傳輸?shù)牟糠止饷}沖將泄漏，而不會在纖芯中被反射，因此衰減了傳輸 的光脈沖信號并且降低了信號質(zhì)量。因此，布置光纖的路線以使光纖中的彎曲具有足以 基本上避免如漏光現(xiàn)象發(fā)生的半徑，這是必要的。Daoud等人的美國專利6,980,726中 披露了 一種用于避免污染物進(jìn)入光纖密封裝置中的光纖彎曲限制器。
傳統(tǒng)上，通過類似于線軸的軸裝置將緊湊光纖段保持，即繞中心軸或心軸以多匪并 列的方式向外纏繞成盤狀的巻線，因而所需軸裝置具有明顯的厚度以適應(yīng)多匪纏繞；或 者光纖可以用膠帶、塑料纏繞層或者類似的裝置將其自身捆綁以形成松散的盤繞圏。例如，Daoud等人的名稱為"雙螺旋S型光纖盒(Double Helical-S Fiber Tray)"的美國專利 6，738,554中披露了一種以S型結(jié)構(gòu)纏繞的光纖盒。上述專利中的光纖所具有的光纖長 度依賴于在封裝內(nèi)構(gòu)造的層結(jié)構(gòu)中的其他長度的光纖。然而，這些已知的容納光纖的方 法以及裝置未必能確保散熱效率或者防止光纖移動或意外損毀，并且這些裝置通常不具 有所需的緊湊結(jié)構(gòu)。
因此需要一種緊湊裝置用于保持、保護(hù)光纖并且將光纖內(nèi)部多余的熱耗散掉。
如在IOOW或更高的高功率操作條件下，對于光纖內(nèi)的熱積累和熱傳遞尤為值得關(guān) 注。在這些例子中，光纖內(nèi)的激光在溫度升高時必然導(dǎo)致其傳輸功率的損耗。這種現(xiàn)象 在，(Yb-doped)光纖中尤為突出，因為這種摻雜物中的能級彼此非常接近。當(dāng)溫度 升高時，激光中低能級的熱粒子數(shù)增加并且高能級的熱粒子數(shù)減少，導(dǎo)致熱粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 減少以及激光功率降低。因此，應(yīng)盡可能地保持纖芯溫度接近室溫且確保在7(TC以下。 當(dāng)溫度升高時操作光纖激光器的另 一個缺點在于當(dāng)隨時間的變化光纖溫度超過70°C后 也會造成光纖上聚合物涂層的退化，因此也會造成纖芯材料的退化。在具有上百瓦輸出 功率的光纖激光器中，每米光纖通常僅僅具有幾平方厘米的表面積卻可以消耗掉幾瓦的 功率，因此必須使散熱器中的熱阻最小化以確保纖芯溫度接近室溫。光纖的包覆層和聚 合物層具有大的熱阻因此會導(dǎo)致光纖溫度升高幾攝氏度或幾十?dāng)z氏度。
灌封材料(Potting compound),以及甚至是"導(dǎo)熱"灌封材料通常與金屬材料相比 具有較低的導(dǎo)熱率；因此實質(zhì)上采用具有任何熱厚度的灌封材料都將明顯增加熱阻以及 升高纖芯溫度。從污染物和光損的角度看，將光纖附近，尤其是光纖頭附近的有機物數(shù) 量最小化也非常重要。在目前的設(shè)計中通常采用光纖聚合物涂層并且必須對該涂層進(jìn)行 處理，但是灌封材料通常為體積較大的有機物并且很少經(jīng)過清潔處理。在全功率的熱操 作環(huán)境下，采用灌封材料大大增加了端面帶有揮發(fā)性有機物的光纖的污染風(fēng)險。因此灌 封材料不是解決光纖內(nèi)過多熱問題所需要的解決方法。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種保持光纖的優(yōu)越方法，所述方法采用直接將 熱傳遞到高導(dǎo)金屬材料中，并且沒有增加光纖受有機物污染的風(fēng)險。 [10]本發(fā)明的目的之一在于提供一種可保持一段以緊湊方式排列的光纖的光纖保持器， 同時確保光纖的彎曲半徑至少是預(yù)定的半徑，以避免可能發(fā)生光纖損壞、額外的光泄漏， 從而有利于將光纖內(nèi)的熱耗散到保持器。[11]本發(fā)明提供一種將光纖保持在其內(nèi)的光纖保持裝置，包括基底所述基底的上表面具 有第一螺旋通道用于保持和容納所述光纖，所述第一螺旋通道包括第一位置部、多個 轉(zhuǎn)圏以及第二位置部，所述光纖從所述第一位置部進(jìn)入所述通道；所述多個轉(zhuǎn)圏用于保 持纏繞在其中的所述光纖；所述光纖從所述第二位置部導(dǎo)出所述通道，其中封裝于所述 螺旋通道內(nèi)的所述光纖的彎曲半徑至少為2cm。[12]本發(fā)明提供一種光纖保持裝置，包括基底，所述基底的上表面具有第一螺旋通道用 于保持和容納所述光纖，所述第一螺旋通道包括第一位置部、多個轉(zhuǎn)圏以及第二位置 部，所述光纖從所述第一位置部進(jìn)入所述通道；所述多個轉(zhuǎn)圏用于保持纏繞在其中的所 述光纖；所述光纖從所述第二位置部導(dǎo)出所述通道，其中所述通道轉(zhuǎn)圏具有橫截面，所 述橫截面適于容納所述光纖以便所述光纖在其插入所述通道后不能彈出所述通道。 [13]本發(fā)明提供一種光纖保持裝置，包括基底所述基底的上表面具有第一螺旋通道用于 保持和容納所述光纖，所述第一螺旋通道包括第一位置部、多個轉(zhuǎn)圈以及第二位置部， 所述光纖從所述第一位置部進(jìn)入所述通道；所述多個轉(zhuǎn)圈用于保持纏繞在其中的所述光 纖；所述光纖從所述第二位置部導(dǎo)出所述通道，其中所述螺旋通道形成阿基米德螺旋結(jié) 構(gòu)，所述阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)在連續(xù)轉(zhuǎn)圏之間具有相等的間距。


[14]在此將結(jié)合附圖對本發(fā)明可仿效的實施例進(jìn)行更詳細(xì)的描述。[15]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的側(cè)面裝載光纖保持裝置的俯視圖；[16]圖2是根據(jù)圖1的光纖保持裝置的橫截面的側(cè)視圖；[17]圖3a是根據(jù)本發(fā)明的光纖保持裝置的橫截面的側(cè)視圖，其中槽的側(cè)壁垂直于槽的 平底面并且具有將光纖包含在槽形通道內(nèi)的蓋子；[18]圖3b是根據(jù)本發(fā)明的光纖保持裝置的橫截面的側(cè)視圖，其中槽或通道的外側(cè)壁與 槽的平底面成銳角；[19]圖3c是根據(jù)本發(fā)明的光纖保持裝置的橫截面的側(cè)視圖，其中槽的外側(cè)壁與槽的平底面先形成鈍角并且隨后形成銳角以在側(cè)壁中形成容納光纖的槽；[20]圖4a是根據(jù)本發(fā)明的光纖保持裝置的橫截側(cè)視圖，其中光纖直徑大于通道深度并且其中提供與光纖接觸且容納光纖的蓋子，從而將光纖中的熱傳遞到蓋子和通道壁內(nèi)以達(dá)到散熱；[21]圖4b是類似于圖4a中的光纖保持裝置的橫截面的側(cè)視圖，其中平板的兩側(cè)各具有一個通道用于保持光纖，并且其中兩個通道具有連接它們的內(nèi)槽或者光孔并且可實現(xiàn) 光纖在一側(cè)上纏繞并且穿過另 一側(cè)以纏繞到第二側(cè)上。具體實施例[22]如圖1和圖2所示的光纖保持裝置8,其中具有螺旋通道12的側(cè)面裝載平板固定 器10用于以螺旋狀方式保持一段光纖14。術(shù)語"螺旋"在本說明書中被定義為平面上繞 固定的中心點以距該中心點連續(xù)增加或減少的距離進(jìn)行盤旋的彎曲。 [23]如圖所示，光纖14可以從左側(cè)進(jìn)入平板固定器10頂端內(nèi)部的通道12。所述光纖 向通道12的內(nèi)部至少盤旋一次，但通常如圖1所示進(jìn)行數(shù)次盤旋，并且最終從螺旋的 內(nèi)部盤出，盤出口直接在螺旋面上方或者其下方以便光纖盤出，例如通過通道盤出且穿 過平板上的自由空間，或者通過進(jìn)入通道或者光孔將光纖向平板底部盤出。在一個未示 出的可替換實施例中，光纖可以僅從螺旋面上方或下方的平板側(cè)邊的開口盤出。通常置 于保持裝置8內(nèi)的光纖14是雙向的并且可以沿任一可能的方向取向，換句話說，即光 纖同樣可以從螺旋的內(nèi)部進(jìn)入通道，然后向外盤出。因為基本上用一個平面保持整個光 纖，并且平板可以相對較薄，因此整個結(jié)構(gòu)的體積非常小而完全可被包含入激光器或者 光放大器中。[24]在單純的近圓狀螺旋固定器中，當(dāng)螺旋的臨近轉(zhuǎn)圏之間的間距(pitch)給定，而且最小和最大螺旋半徑分別為^in和rmax，那么光纖長度(length )由下述公式得出[25] length = 7i (rmax2-rmin2) / pitch[26]因此通?？梢酝ㄟ^可能的數(shù)值計算出可放置在一個固定器中的光纖長度，例如當(dāng) rmin = 30mm、 rmax = 100mm以及間距=1.5mm時，則光纖長度為19.1米。上例中計算出 的光纖長度很好地適應(yīng)了典型光纖激光器和放大器應(yīng)用所需要的光纖長度。 [27]所述平板可以通過許多材料直接制造出，所述材料如金屬、陶瓷、塑料或者合成物。 優(yōu)選如鋁的金屬，因為這種金屬具有高導(dǎo)熱并且可以有效的將熱從光纖中散出。也可以 優(yōu)選如氮化鋁的陶瓷材料，因為這種材料不僅具有高導(dǎo)熱而且具有低的熱膨脹系數(shù)，這 種特性很好地匹配于硅材料的特性，而硅通常作為光纖的基質(zhì)?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的加工技 術(shù)制作平板內(nèi)的螺旋通道。為了實現(xiàn)最佳散熱效果，優(yōu)選采用表面非常光滑和干凈的通 道和平板。在一些實施例中，也可以優(yōu)選表面通道基本為平面；應(yīng)該控制好光纖的直徑； 并且優(yōu)選光纖應(yīng)該鍍有柔性涂層，如聚合物層的柔性涂層可以使得光纖與固定器均勻接 觸。[28]圖3a、圖3b和圖3c示出了根據(jù)本發(fā)明的幾個實施例的橫截面。在如圖3a所示的 具體實施例中，固定板36與主平板30上部相連以確保光纖不會從通道32中意外導(dǎo)出。 可以將固定板36固定到主平板30上或者它們之間優(yōu)選采取活動連接。如圖4a所示， 可以選擇通道的深度以使光纖略微伸出主平板表面上部，從而使得固定板與光纖物理接 觸并且擠壓光纖，這樣可以利用通道底部和固定板提高散熱。[29]有意將通道的外形成形為如圖3b和圖3c所示的形狀以固定被置于通道內(nèi)的光纖。 在這些實施例中，利用光纖自身的彈性通過擠壓使其緊貼于通道最外側(cè)壁，所述通道最 外側(cè)壁傾斜或者采用其他掏槽結(jié)構(gòu)以便在操作時有利于避免光纖意外地移動或者從通 道內(nèi)導(dǎo)出。采取光纖緊貼于通道外壁有利于通過外壁提高光纖的散熱，并且如圖3b所 示的實施例中，光纖也可以緊貼于通道底面且在那種位置也有利于增加光纖散熱。圖3b 示出的實施例明顯方便容納光纖并且通過側(cè)壁提供足夠的散熱。通道側(cè)壁具有大體上符 合光纖形狀的槽形側(cè)壁，因此提高了側(cè)壁和光纖的接觸面積。盡管有可能增加生產(chǎn)成本， 在優(yōu)選實施例中側(cè)壁具有的形狀完全符合光纖的形狀以使光纖緊貼側(cè)壁。對于常見的圓 形光纖，橫截面呈半圓形的外側(cè)壁半徑約等于光纖半徑以便光纖可被緊密收容。 [30]圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，其中在主平板40a內(nèi)的成形通道42a 與固定板48a連接。如圖示出的通道深度確保光纖44略微伸出主平板40a表面上部， 使得固定板48a與光纖44物理接觸并且擠壓光纖44，這樣可以通過至少三個表面提高 散熱，所述三個表面為通道42a的底面、固定板48a以及通道42a的最外側(cè)壁。 [31]如圖4b所示的主平板40b的兩側(cè)具有盤旋狀通道42a和42b。這種裝置可以保持 光纖的數(shù)量是圖4a中示出的只有一側(cè)通道的固定器的兩倍。位于固定器一側(cè)通道42a 中的光纖可以穿過另一側(cè)至通道42b,例如光纖可以通過如圖所示的通道47或者光孔通 過平板，或者通過其他合適的路徑。為了方便期間，也提供了底部固定板48b。 [32]如圖3b、圖3c、圖4a和圖4b所示，將通道成形是為了固定光纖。當(dāng)將光纖裝載 到固定器時，在便于使用方面，這是明顯有利的。高功率光纖激光器中的光纖非常大而 且堅硬，并且在沒有切實的加強措施來確保光纖緊貼于通道內(nèi)的情況下，在裝載時會發(fā) 生光纖意外地彈出。本發(fā)明的目的之一就在于利用光纖的硬度將光纖自身鎖定于其被裝 載的適合的位置。這種緊密的鎖定措施對于良好的熱接觸以及散熱也是重要的，這對于 高功率光纖激光器尤為重要。
權(quán)利要求
1.一種將光纖保持在其內(nèi)的光纖保持裝置，包括基底，所述基底的上表面具有第一螺旋通道用于保持和容納所述光纖，所述第一螺旋通道包括第一位置部，所述光纖從所述第一位置部進(jìn)入所述通道；多個轉(zhuǎn)圈，所述多個轉(zhuǎn)圈用于保持纏繞在其中的所述光纖；以及第二位置部，所述光纖從所述第二位置部導(dǎo)出所述通道，其中收容于所述螺旋通道內(nèi)的所述光纖的彎曲半徑至少為2cm。
2. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述第一位置部具有第一開口，所述 第一開口位于所述基底的一側(cè)用于保持所述光纖的第一端，并且其中所述第二位置部具 有第二開口 ，所迷第二開口位于所述螺旋通道的中心處用于保持所述光纖的第二端。
3. 如權(quán)利要求2所限定的光纖保持裝置，其中所述通道的橫截面具有基本平坦的底 部和兩個直立的側(cè)壁，并且其中至少一個直立的側(cè)壁的上部相對于另 一個所述直立的側(cè) 壁向內(nèi)傾斜并且與所述平底面成小于90度的角以便保持所述光纖，從而使得所述光纖 在其插入所述通道后不能彈出所述通道。
4. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述通道轉(zhuǎn)向部具有適于容納所述光 纖的橫截面，以使所述光纖在其插入所述通道后不能彈出所述通道。
5. 如權(quán)利要求4所限定的光纖保持裝置，其中所述通道橫截面具有側(cè)壁，所述側(cè)壁 至少部分向內(nèi)傾斜以便保持所述光纖，從而使得所迷光纖在其插入所述通道后不能彈出 所述通道。
6. 如權(quán)利要求4所限定的光纖保持裝置，其中所述通道的橫截面具有基本平坦的底 部和兩個直立的側(cè)壁，并且其中至少一個直立的側(cè)壁相對于另 一個直立的側(cè)壁向內(nèi)傾斜 以便保持所述光纖，從而所述光纖在其插入所述通道后不能彈出所述通道。
7. 如權(quán)利要求4所限定的光纖保持裝置，其中所述基底為金屬或金屬復(fù)合物，用于 使光纖內(nèi)多余的熱被耗散。
8. 如權(quán)利要求5所限定的光纖保持裝置，其中所述另 一個側(cè)壁并不傾斜且與所述平 坦的底部成直角，并且其中所述向內(nèi)傾斜的側(cè)壁較所述另一個側(cè)壁更為遠(yuǎn)離所述螺旋通 道的中心。
9. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述螺旋通道形成阿基米德螺旋結(jié) 構(gòu)，所述阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)在連續(xù)轉(zhuǎn)圈之間具有相等的間距。
10. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述第二開口的延伸與所述基底成銳角。
11. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，進(jìn)一步包括蓋子，所述蓋子用于覆蓋 所述通道并且將所述光纖包含在所述基底內(nèi)，使得所述光纖不能彈出所述通道。
12. 如權(quán)利要求11所限定的光纖保持裝置，其中所述光纖的所述直徑大于所述槽的 深度，以便當(dāng)所述蓋子被放置到所述基底上時所述光纖和所述蓋子相接觸，因此可以使 所述光纖向所述基底和所述蓋子散熱。
13. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，在所述基底的下表面具有保持所述光纖 第二螺旋通道，所述第二螺旋通道包括第一開口 ，所述第一開口位于所述基底的所述下表面用于保持所述光纖； 多個轉(zhuǎn)圈，所述多個轉(zhuǎn)圈用于保持纏繞在其中的所述光纖； 中心；以及第二開口，所述第二開口位于所述螺旋通道的所述中心用于保持所述光纖的第二。
14. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，在所述基底的下表面具有保持另一不同 的光纖的第二螺旋通道，所述第二螺旋通道包括第一開口，所述第一開口位于所述基底的所述下表面用于保持所述另一不同的光纖；多個轉(zhuǎn)圏，所述多個轉(zhuǎn)圏用于保持纏繞在其中的所述另 一不同的光纖； 中心；以及第二開口，所述第二開口位于所述螺旋通道的所述中心用于保持所述另 一不同的光 纖的第二端。
15. 如權(quán)利要求13或14所限定的光纖保持裝置，進(jìn)一步包括第一蓋子和第二蓋 子，所述第一蓋子覆蓋所述基底的所述上表面，并且所述第二蓋子覆蓋所述基底的所述 下表面。
16. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述基底為散熱材料。
17. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述通道的側(cè)壁包括與所述通道的 基底成銳角的部分，用于摩擦嚙合所述側(cè)壁之間的所述光纖以增加所述側(cè)壁和所述光纖 之間的熱接觸。
18. 如權(quán)利要求17所限定的光纖保持裝置，其中所述側(cè)壁還包括與所述通道的所述 基底成鈍角的部分，用于嚙合所述光纖以增加熱接觸。
19. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中最為遠(yuǎn)離所述中心的外部內(nèi)側(cè)壁包 括用于嚙合所述光纖的有一定角度的側(cè)壁，以便將所述光纖鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢茫瑥亩?加所述側(cè)壁和所述光纖之間的導(dǎo)熱率。
20. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述通道的側(cè)壁包括相互之間成鈍 角的兩個部分，以便確保所述光纖與所述兩個部分均接觸。
21. 如權(quán)利要求1所限定的光纖保持裝置，其中所述通道的外壁的橫截面為半圓形 并且設(shè)置其大小以符合且緊密適應(yīng)所述光纖的形狀。
22. —種側(cè)面裝載平板，在其端面內(nèi)具有安全容納光纖的螺旋通道，以使所述光纖 駐留在所述通道內(nèi)并且至少與所述通道的 一個側(cè)壁接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將光纖保持其內(nèi)的光纖保持裝置。所述裝置的上表面具有保持和容納光纖的螺旋通道的基底。通道具有第一位置部，光纖從第一位置部進(jìn)入并被引導(dǎo)至多個轉(zhuǎn)圈用于保持纏繞在其中的光纖，在另外一端的第二位置部光纖導(dǎo)出通道，其中封裝在螺旋通道內(nèi)的光纖具有的彎曲半徑至少為2cm。這樣的尺寸使得保持裝置形成散熱器以將光纖中的熱散至基底內(nèi)。優(yōu)選將螺旋通道設(shè)計成將光纖固定在通道內(nèi)并且防止由于光纖的彈力意外彈出通道，使得光纖位于槽內(nèi)或者通道內(nèi)。
文檔編號G02B6/38GK101276030SQ200810084250
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者馬丁·門德爾 申請人:Jds尤尼弗思公司