專利名稱：光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光放大器。
背景技術(shù)：
為改進(jìn)摻鉺光纖放大器的增益平穩(wěn)度，已知可借助箔加熱器來(lái)升高摻鉺光纖的溫度，從而限制摻鉺光纖因外部熱環(huán)境的變化而經(jīng)受的溫度偏移。這種箔加熱器典型地由一個(gè)加工成特定長(zhǎng)度和相應(yīng)阻抗、夾在兩層非導(dǎo)電材料之間的刻蝕導(dǎo)電軌(conductive track)組成。
圖1是一個(gè)此種已知光放大器的俯視圖、側(cè)視圖和分解透視圖，在該光放大器中，一段特定長(zhǎng)度的鉺光纖(erbium optical fibre)卷繞在一個(gè)鋁卷軸2上，而一個(gè)壓板6利用插入在自身和鋁卷軸2之間的一個(gè)導(dǎo)熱墊圈8和一個(gè)箔加熱器10，將鋁卷軸2固定在一個(gè)殼體4中。壓板6由一個(gè)螺釘12定位，并且箔加熱器10的電連接由一個(gè)安裝在該加熱器的凸出部分16上的標(biāo)準(zhǔn)PCB連接器14實(shí)現(xiàn)。
由于在這種配置中，箔加熱器10藉由導(dǎo)熱墊圈8的接合作用壓緊在卷軸2上，所以當(dāng)箔加熱器10的功率提高時(shí)，所產(chǎn)生的熱能會(huì)傳遞到卷軸2，并由此傳遞到餌光纖。
然而，此種箔加熱器的制造成本相對(duì)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(jī)械復(fù)雜性意味著它們的加工和裝配成本必然很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種包含加熱器的光放大器，該加熱器制造成本低廉、能夠簡(jiǎn)化該光放大器的裝配并縮短裝配時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明，這里提供了一種包括一個(gè)多層板結(jié)構(gòu)的光放大器，該多層板結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)采用非導(dǎo)電材料的支撐層和至少一個(gè)采用導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層、一個(gè)安裝在該板結(jié)構(gòu)上的光纖的卷軸，和一個(gè)用于加熱所述光纖的加熱器，其特征在于，該加熱器是位于所述至少一個(gè)導(dǎo)電層內(nèi)、對(duì)所述光纖進(jìn)行電阻加熱的電阻軌(resistive track)。
由于該加熱器是該板結(jié)構(gòu)上的電阻軌，所以這種光放大器的制造成本相對(duì)低廉，并且可在該光放大器的組裝期間納入該加熱器，而無(wú)需采用額外花費(fèi)的組裝步驟。這意味著提供加熱器幾乎就不需要什么成本。采用這種結(jié)構(gòu)還可縮短產(chǎn)品投入市場(chǎng)的時(shí)間，并且隨之而來(lái)的零件數(shù)目減少使得該光放大器更易于裝配并可縮短裝配時(shí)間。同時(shí)性能也得到了提高，能夠使光纖達(dá)到同一溫度所需的功耗降低，也就是同一功耗能夠達(dá)到更高的光纖溫度。
該電阻軌優(yōu)選埋在支撐層內(nèi)，這使得軌的厚度更容易控制，并因而提高了作為電壓的函數(shù)的功率耗散的一致性。另外，由于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(jié)構(gòu)是一個(gè)安裝有加熱器驅(qū)動(dòng)電路和其它相關(guān)部件的印刷電路板。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)度可作為所需功率耗散和最大電壓的函數(shù)進(jìn)行選擇。另外，對(duì)該軌的形狀的選擇可有助于使感應(yīng)最小化和更均勻地加熱。
此外，可提供用于監(jiān)控該加熱器的溫度以控制該加熱器的加熱的測(cè)溫工具，例如至少一個(gè)位于該加熱器附近的熱敏電阻?？商峁┛商娲怨鈱W(xué)傳感工具，以監(jiān)控該放大器的光輸出信號(hào)從而控制增益平穩(wěn)度和該加熱器的加熱。
盡管該卷軸總體上呈圓形，但也可根據(jù)具體應(yīng)用而具有其它形狀。對(duì)卷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。該卷軸優(yōu)選包括一段卷繞在一個(gè)由導(dǎo)熱材料制成的架上的光纖，該導(dǎo)熱材料例如鋁合金。
由于該加熱器軌位于該印刷電路板內(nèi)，所以熱量散失到周圍板中的機(jī)會(huì)高于傳遞到該卷軸上的機(jī)會(huì)。為應(yīng)對(duì)這種損耗，該板可具有一個(gè)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(yōu)選提供一個(gè)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(fā)明，參照附圖作為示例，附圖包括圖1是用于光放大器的已知箔加熱器的俯視圖、側(cè)視圖和分解透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)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(qū)動(dòng)電路的電路圖；圖4包括了示出圖2的加熱器的結(jié)構(gòu)的局部的復(fù)數(shù)個(gè)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(jù)本發(fā)明的另一種光放大器的俯視圖；和圖8示出了本發(fā)明的一個(gè)發(fā)展，其在裝配中的不同階段示出在a)、b)、c)和d)中。
具體實(shí)施例方式
以下參照?qǐng)D2～圖6描述的優(yōu)選光放大器配置是摻餌光纖放大器(EDFA)。然而，這僅是本發(fā)明的應(yīng)用的一個(gè)示例，應(yīng)理解，本發(fā)明還可用于要求加熱器加熱一段光纖的多種其它應(yīng)用中。例如，為改變單段光纖的某些光學(xué)特性，可使用類似裝置加熱和/或張緊該段光纖。
參見(jiàn)圖2，所示根據(jù)本發(fā)明的光放大器包含一個(gè)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)銅刻蝕而成并具有環(huán)結(jié)構(gòu)，該環(huán)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)在接近90度的圓周上延伸的環(huán)組24和同樣在90度的圓周上延伸的環(huán)組26、28和30，環(huán)組24依次連接至環(huán)組26、28和30，這種互連使得所有這些環(huán)組都連接在一起，從而形成一個(gè)輸入端和輸出端都位于該加熱器圓周上同一點(diǎn)32處的連續(xù)軌。這種構(gòu)造使感應(yīng)降低并使加熱更均勻。四個(gè)切口34、36、38和40延伸過(guò)PCB 22并大體上圍繞該加熱器，以便將該P(yáng)CB的位于這些切口內(nèi)部的區(qū)域與該P(yáng)CB的外圍區(qū)域隔離開(kāi)。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(yīng)注意，為減少散失到PCB 22及更遠(yuǎn)處的熱量，在該加熱器下的PCB22中不應(yīng)設(shè)置銅層，也就是在切口34、36、38和40的范圍之內(nèi)不應(yīng)設(shè)置銅層。
借助標(biāo)準(zhǔn)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，并蝕刻該銅層至在該下介電層上僅留下所需的銅軌形狀。然后，在該下介電層的頂部上覆蓋另一介電層，并且該軌的厚度典型地為約0.1mm以使該軌夾在這兩層之間。而后，貫穿該P(yáng)CB 22形成切口34、36、38和40。
在該P(yáng)CB上還安裝有一個(gè)具有圖3所示電路圖的加熱器驅(qū)動(dòng)電路，該加熱器驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)微控制器42，該微型控制器42包含一個(gè)從用于測(cè)量該加熱器的溫度的測(cè)溫傳感器46接收模擬溫度信號(hào)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)44；一個(gè)用于從ADC 44接收數(shù)字輸入信號(hào)的比例/積分/微分(PID)控制器48；以及一個(gè)用于將來(lái)自PID控制器48的數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(或脈沖寬度調(diào)制器)50，該模擬輸出信號(hào)用于控制為該加熱器軌供應(yīng)電流的加熱器驅(qū)動(dòng)器52?？煽刂圃摷訜崞黩?qū)動(dòng)電路以降低該加熱器兩端的可變電壓，并根據(jù)溫度控制該加熱器。更具體地說(shuō)，PID控制器48允許設(shè)定一個(gè)定點(diǎn)值(理想狀態(tài))，以使該加熱器受控在一個(gè)所謂的閉控制環(huán)中，在該閉控制環(huán)中，PID控制器48根據(jù)來(lái)自測(cè)溫傳感器的自身輸入值逐步調(diào)整自身輸出。該P(yáng)ID將精確控制該加熱器，以使溫度逼近并收斂于一個(gè)定點(diǎn)。通過(guò)設(shè)置比例、積分和微分常數(shù)，可以方便地校準(zhǔn)或調(diào)節(jié)該P(yáng)ID控制器，以使與該定點(diǎn)相關(guān)的過(guò)調(diào)量和振蕩降至最低，并可通過(guò)設(shè)置積分調(diào)整常數(shù)改變?cè)揚(yáng)ID控制器的反應(yīng)速度。
測(cè)溫傳感器包括兩個(gè)彼此完全相對(duì)地設(shè)置在一個(gè)卷軸架58內(nèi)側(cè)的熱敏電阻54和56，如圖4最左側(cè)圖(a)所示。如圖4的詳細(xì)截取圖(b)和的局部截面圖(c)所示，每一熱敏電阻54、56都設(shè)置為緊接卷軸架58的內(nèi)側(cè)，并通過(guò)銅接線接通至從該P(yáng)CB表面和一個(gè)導(dǎo)熱墊圈60之間凸出的軌20，該導(dǎo)熱墊圈60夾在卷軸架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(dǎo)熱墊圈60；卷軸架58，鉺光纖按照?qǐng)D4(c)的截取圖所示以多層結(jié)構(gòu)卷繞在該卷軸架58上；和一個(gè)壓板62，其具有一個(gè)形成隔熱套的向下延展的壁64。這些部件通過(guò)螺釘66固定到PCB 22上，以利用夾在卷軸架58和加熱器軌20附近的PCB 22之間的導(dǎo)熱墊圈60，將卷軸架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卷軸架58，并進(jìn)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(gè)隔熱套，該隔熱套有助于減少因?qū)α鞫鴱脑摷訜崞魃⑹У臒崃俊CB22中的導(dǎo)熱墊圈60和切口34、36、38和40起到使周圍環(huán)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(shù)。
卷軸架58由導(dǎo)熱材料制成，例如由鋁合金制成，這使得光纖能夠在卷軸架58上連續(xù)成層地卷繞。這種架被設(shè)計(jì)為在卷繞之后支撐光纖，以便于移動(dòng)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，并使熱量可以均勻地?cái)U(kuò)散。架的尺寸和形狀取決于具體應(yīng)用，并且光纖最好卷繞成緊密的圈以使空間利用率最大化。對(duì)該架的唯一一條形狀限制是其不應(yīng)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(shí)施例中，架的形狀當(dāng)然是圓形。也可用其它材料來(lái)制作架以提高熱傳導(dǎo)性或降低加工成本，例如使用塑料模塑。
在上述實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)是PCB，亦即一個(gè)包含復(fù)數(shù)個(gè)介電層和一個(gè)或更多導(dǎo)電層(通常是銅層)的多層結(jié)構(gòu)。然而，在這類應(yīng)用中也可采用多層支撐結(jié)構(gòu)的其它種類，具體地說(shuō)，可使用陶瓷層替代介電層，并可使用電阻不受溫度影響的替代性導(dǎo)電層。盡管在該特定實(shí)施例中，軌是通過(guò)刻蝕形成的，但是可替代地，也可以通過(guò)激光切割或激光微調(diào)來(lái)形成軌。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與PCB加工相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)加工工藝和公差使得加熱器具有優(yōu)良的性能，因此節(jié)約了與設(shè)計(jì)相關(guān)的成本。
在本發(fā)明的發(fā)展中，用于控制加熱器的溫度的加熱器驅(qū)動(dòng)電路的晶體管形成部分具有一個(gè)散熱片68，該散熱片68與夾在導(dǎo)熱墊圈60和加熱器軌20附近的PCB 22之間的銅環(huán)70形成熱接點(diǎn)(參見(jiàn)圖4(c))。如此，由該晶體管發(fā)散的熱量可用來(lái)補(bǔ)充加熱器的加熱。
在圖8示出的本發(fā)明另一個(gè)未圖解的發(fā)展中，提供了一個(gè)由與上述軌20類似的電阻軌70形成的對(duì)數(shù)放大器(log amp)加熱器，以便加熱對(duì)數(shù)放大器電路。如圖8a所示，在PCB 72中待安裝該對(duì)數(shù)放大器電路的區(qū)域周圍提供一個(gè)切口71，有助于該對(duì)數(shù)放大器電路的隔熱。這有助于降低由貫穿PC B面的傳導(dǎo)所引起的熱損耗。該加熱器軌的長(zhǎng)度，由該加熱器獲得與環(huán)境空氣溫度的所需溫度差ΔT所需的功率耗散來(lái)決定。該加熱器軌的形狀，首先由所需長(zhǎng)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(duì)數(shù)放大器電路需要測(cè)量該放大器的功率。然而，該電路易于受到隨溫度變化的變量的影響。因此，通過(guò)將該電路的溫度控制在環(huán)境溫度之上的一個(gè)固定值，就能夠確保該測(cè)量電路的性能穩(wěn)定。在圖8b)中示出該對(duì)數(shù)放大器電路的部件73安裝在PCB 72上。如圖8c)所示，一個(gè)鋁環(huán)框74環(huán)繞該電路的外側(cè)設(shè)置，并且如圖8d)所示，一個(gè)泡沫插件75設(shè)置在這些部件之上以降低因?qū)α骱洼椛湓斐傻臒釗p耗。
權(quán)利要求
1.一種包括一個(gè)多層板結(jié)構(gòu)的光放大器，該多層板結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)采用非導(dǎo)電材料的支撐層和至少一個(gè)采用導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層、一個(gè)安裝在該板結(jié)構(gòu)上的光纖的卷軸，和一個(gè)用于加熱所述光纖的加熱器，其特征在于，該加熱器是位于所述至少一個(gè)導(dǎo)電層內(nèi)、對(duì)所述光纖進(jìn)行電阻加熱的電阻軌。
2.根據(jù)權(quán)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(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光放大器，其中所述板結(jié)構(gòu)是印刷電路板。
4.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中在所述板結(jié)構(gòu)上安裝有一個(gè)加熱器驅(qū)動(dòng)電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中提供有用于監(jiān)控所述加熱器的溫度以控制所述加熱器的加熱的測(cè)溫工具。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光放大器，其中所述測(cè)溫工具包括至少一個(gè)位于所述加熱器附近的熱敏電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中所述卷軸大體上呈圓形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中所述卷軸包括一段卷繞在一個(gè)由導(dǎo)熱材料制成的架上的光纖。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中所述板結(jié)構(gòu)具有一個(gè)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(jù)權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中提供有一個(gè)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(jù)權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中所述卷軸利用一個(gè)緊固組件安裝在所述板結(jié)構(gòu)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中所述光纖為鉺光纖。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中所述光纖的加熱由所述板結(jié)構(gòu)上的晶體管所發(fā)散的熱來(lái)補(bǔ)充。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述的光放大器，其中所述加熱器另外還適于加熱相關(guān)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(gè)采用非導(dǎo)電材料的支撐層和至少一個(gè)采用導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層，和一個(gè)采用PCB(22)上的導(dǎo)電軌(20)形式的箔加熱器。一段特定長(zhǎng)度的鉺光纖卷繞在一個(gè)安裝在PCB(22)上的鋁卷軸(58)上，該鋁卷軸(58)由一個(gè)壓板(62)利用一個(gè)插入在其間的導(dǎo)熱墊圈(60)壓緊，以使光纖可由該加熱器來(lái)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制作出來(lái)，而無(wú)需采用額外花費(fèi)的組裝步驟。
文檔編號(hào)H01S3/06GK1918758SQ200580004390
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者彼得·威爾遜·麥卡格 申請(qǐng)人:波科海姆技術(shù)公共有限公司