光纤装置及其光致退火方法

摘要

本发明涉及一种适用于辐射环境下操作的光纤装置，尤其是指掺稀土元素光纤的光纤元件组。光纤装置通过光致退火装置回复掺稀土元素光纤所受的辐射破坏，其中该光致退火光源包括至少一个相对于泵激光源更短的波长范围。利用此短波长光致退火方法，几乎能完全回复波长范围至少从900纳米至1700纳米因辐射产生的掺稀土元素光纤的光功率衰减。此短波长光致退火机方法对于现有技术中的980纳米光致退火方法，其对于辐射引发功率耗损的半功率回复速度可高达100倍以上。本发明可应用于太空通讯、遥测、姿态量测、导航、或是其它辐射环境如核子发电厂设施等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于辐射环境下操作的光纤元件组。尤其是指减轻一 具有掺稀土元素光纤元件的光纤元件组所受的辐射损害。

背景技术

在我们的日常生活中，太空科技所扮演的角色愈来愈重要。但是，太空 飞行器如卫星等在发射之后，由于高速运转于轨道中，就几乎无法维修。如 果需要动用航天飞机维修，其经费则相当昂贵。因此，在太空中应用的元件、 模块和系统皆需要通过特殊的设计与严格的测试，才能在太空辐射照射的环 境下，不需维修而能在设计的生命周期内正常运作。

由于具有体积小、重量轻、宽带和抗电磁干扰等优点，光纤系统与其元 件组不断的发展并使用在太空科技与核能设施上，其应用包括通讯、感测与 导航等等。然而，众所周知，使用光纤的元件其作用功效会因为辐射引发的 衰减(RIA)而严重降低。此辐射引发的衰减将使该光纤元件产生严重的光 输出功率损耗，因而其使用生命周期将大大受限。故需要提出一种有效的方 法，降低由辐射引发的光功率衰减。

在现有技术中，已提出一些用来降低辐射引发的光功率衰减的技术方案， 比如利用热退火(US 4229069)和预先浸氢(US 6130981)的方法降低被动 单模光纤(未掺稀土元素)的辐射引发的光功率衰减。然而，热退火的方法 须要加温至200℃到300℃才能有效降低辐射引发的衰减，如此高温的环境 可能会损害或降低该元件其周遭元件组的功能。另一方面，预先浸氢的方法 需要密封的外层才能避免氢气向外扩散，而此密封外层的制程复杂并且昂贵。

此外，在现有技术中，光致退火方法虽已提出用来降低被动单模光纤， 例如玻璃光纤和掺锗光纤(US 4232228)，以及掺铒光纤的辐射引发的衰减， 但成效不彰。此外，该现有技术将活性掺铒光纤光致退火的案例，仅以980 纳米的光实施光致退火，并无使用其它波长。

有鉴于此，申请人经过悉心试验与研究，并以跳脱传统智慧的方法，终 于提出本案“短波长光致退火装置应用于辐射照射下的掺稀土元素光纤及其 元件组”，其构想并实施一光致退火装置，其波长光谱至少包括相对于泵激光 源光谱更短的波长范围，以有效的使掺稀土元素光纤元件以光致退火的方式 回复其衰减。

利用此短波长光致退火方法，几乎能完全回复因辐射产生的掺稀土元素 光纤的光功率衰减，并且回复速度相当快速，其回复的光功率衰减的波长范 围至少从900纳米至1700纳米。发明人已有实验测量的案例显示可在5.6秒 内回复一半衰减的光功率(见图6)，如此快速的回复速度和几乎使辐射引发 的衰减完全回复的设计不但前所未有，且在公开的文献中也无先例。以下为 本案的简要说明。

发明内容

为有效地解决与光纤元件组有关的辐射引发的衰减的问题，其中所述的 光纤元件组包括至少一掺稀土元素光纤，本发明提出一种新颖并具实用性的 光致退火装置，将其配置于此光纤元件组上，可以快速地且几乎完全地回复 辐射引发的衰减。

本发明所提出的光致退火装置，由一光纤元件组与一光致退火光源组成。 该光纤元件组包括一掺稀土元素光纤元件，并与该光致退火光源连接。较佳 的，该退火光源波长小于或等于增益稀土元素(如铒或镱)所需的泵激光源 波长。当此退火光源耦合进入光纤元件组时，其可回复因辐射引发的光功率 衰减至少超过50％，较佳情况下为至少75％，且最佳情况下为至少99％，其 有效作用范围是指位于900纳米至1700纳米波长范围内的任一波长。相对于 传统的980纳米光致退火方法，本发明使用相对于增益稀土元素光纤元件所 用波长更短的波长实行光致退火，产生几乎完全回复位于900纳米至1700 纳米范围内的辐射引发的衰减，并且其回复时间至少缩短了100倍以上。如 此快速的回复速度和几乎完全回复辐射引发的光功率衰减特性，使得本发明 装置极适合使用于太空科技与核能设施上，其应用包括通讯、感测与导航等 等。

本发明提出一种光纤元件组，其与一光致退火光源连接，并包括至少一 个掺稀土元素光纤，且该光纤元件组具有第一端与第二端。其中第一端与第 二端可为输出、输入或未使用端。而光致退火光源耦合至光纤元件组以回复 辐射引发的衰减。

本发明还提出一种光纤元件组，其包括至少一个掺稀土元素光纤，并有 一光源耦合至该光纤元件组。此光源可使用光致退火回复该掺稀土元素光纤 因辐射引发的衰减，并同时增益该掺稀土元素光纤元件。

本发明又提出一种光致退火的方法，其包括以下步骤：提供一光致退火 光源，与一光纤元件组，该光纤元件组包含至少一掺稀土元素光纤；由该光 致退火光源传送光到该光纤元件组；及通过该光致退火光源，回复该掺稀土 元素光纤的辐射引发的衰减。

综上所述，本发明公开了一种适用于辐射环境下操作的光纤元件组。尤 其是指减轻一具有掺稀土元素光纤元件的光纤元件组所受的辐射损害。此辐 射损害的减轻是由于一光致退火装置的作用，其中该光致退火光源所使用的 波长范围小于或等于用来增益掺稀土元素光纤的泵激光源所用波长。

附图说明

图1为本发明中通用光纤装置架构的示意图；

图2a及图2b分别为本发明中光纤装置的第一与第二较佳实施例的示意 图，其中图2a为一单行后向架构，而图2b为一复行后向架构；

图3a及图3b分别为本发明中光纤装置的第三与第四较佳实施例的示意 图，其中图3a为一单行后向架构，而图3b为一复行后向架构；

图4为本发明中光纤装置的第五较佳实施例的示意图；

图5为图4所用架构中，掺铒光纤的吸收光谱，其中数据线(a)是以钴60 照射达129.2krad时测量的结果，数据线(b)是自我修复5.5个月后在室温下 测量的结果，数据线(c)是以290mW功率的976纳米镭射光致退火98分钟后 测量的结果，数据线(d)是以10mW功率的532纳米镭射光致退火103分钟后 测量的结果，及数据线(e)是以钴60照射前的先行测量的结果；以及

图6为本发明中掺铒光纤对于950纳米波长段的辐射引发衰减随时间的 变化图，其中数据线(a)显示以10mW功率的532纳米镭射光致退火的测量结 果，数据线(b)显示以290mW功率的976纳米镭射光致退火的测量结果。

附图标号说明

100、200、300：光致退火光源

101、201、301、401：光纤元件组

1021：第一端

1022：第二端

202、3041、3042、404：分波多任务器

203、305、405：掺铒光纤

204、306、403：光阻隔器

205、307、406：输出端

206、303：光反射器或光纤端子

207、308、407：光纤接合点

302、402：泵激镭射

具体实施方式

本发明将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得本领域技术人员 可据此完成，但是本发明的实施并非将由下列实施例而被限制其实施型态。

请参阅图1，为本发明中通用光纤装置架构的示意图，其中一光纤元件 组连接至一光致退火光源。图1中显示的光纤装置包括了光致退火光源100， 耦合至光纤元件组101，其中光纤元件组101包含至少一掺稀土元素光纤。 较佳选择下，光纤元件组101包含分波多任务器(WDMs)、用来激发掺稀土 元素光纤的泵激镭射(Pump Laser)、光阻隔器(Isolator)、复数条光纤，该光纤 元件组101并具有第一端1021与第二端1022，其中第一端1021与第二端1022 可为输出端、输入端或未使用端。众所周知，掺稀土元素光纤的功能会因为 辐射引发的衰减而大大降低。而此辐射引发的光功率衰减，包括一种由辐射 产生的结构缺陷所相应产生的光吸收能带，其可被光致退火所修复。将光致 退火光源100(可为一镭射或一宽带光源)所发出的光导入光纤元件组101 内的掺稀土元素光纤中，以此回复此光纤因辐射引发的光功率衰减。较佳地 选择下，此光致退火光源的波长范围为355纳米至980纳米，而辐射引发的 衰减至少在900纳米至1700纳米的波长范围可有效回复。根据以上所述，在 辐射环境下，光纤元件组101的功能在配置光致退火光源100后，能有效快 速地使光功率衰减加以回复。

请参阅图2a，为本发明中第一较佳实施例的示意图，其中一光致退火光 源200耦合至光纤元件组201。光纤元件组201为一单行后向架构，其中三 端分波多任务器202的输入端与光致退火光源200衔接；而其前向输出端经 光纤接合点207与掺稀土元素光纤203连接；而其反向输出端口配置一光阻 隔器204与输出端205连接。前向光则由光纤端子(Fiber Terminator)206终结 其走向。较佳选择下，掺稀土元素光纤203为一掺铒光纤(EDF)。而此光致 退火光源200同时也是用来增益掺稀土元素光纤203的泵激光源。当光由光 致退火光源200发出，耦合进入光纤元件组201后，可将掺稀土元素光纤203 因辐射引发的结构缺陷以光致退火方式修复，也同时增益此掺稀土元素光纤 203。在此种架构下，掺稀土元素光纤203的放大自发性辐射(ASE)光，其输 出方向与泵激光的传输方向相反。根据本实施例，掺稀土元素光纤203因辐 射引发的光功率衰减，在900纳米至1700纳米的波长范围中，可几乎被光致 退火光源200所发出的光完全回复。

请参阅图2b，为本发明中第二较佳实施例的示意图，其中一光致退火光 源200耦合至光纤元件组201。光纤元件组201为一复行后向架构，其中三 端分波多任务器202的输入端与光致退火光源200衔接；而其前向输出端经 光纤接合点207与掺稀土元素光纤203连接后，其终端由一光反射器206将 部分前向光反向折回后向输出端；而后向输出端口配置有一光阻隔器204与 输出端205连接。较佳选择下，掺稀土元素光纤203为一掺铒光纤(EDF)。 而此光致退火光源200更可以同时作为用来增益掺稀土元素光纤203的泵激 光源。当光由光致退火光源200发出，耦合进入光纤元件组201后，可将掺 稀土元素光纤203因辐射引发的结构缺陷以光致退火方式修复，也同时增益 此掺稀土元素光纤203。在此种架构下，被光致退火光源200所激发的掺稀 土元素光纤203，发出放大自发性辐射(ASE)光，其前向行走的放大自发性辐 射(ASE)光，被光反射器206所反射进入增益的掺稀土元素光纤203中，将 光功率再放大。而此掺稀土元素光纤203上所输出的放大自发性辐射(ASE) 光，其输出方向与泵激光的传输方向相反。根据本实施例，掺稀土元素光纤 203因辐射引发的衰减，在900纳米至1700纳米的波长范围中，可几乎被光 致退火光源200所发出的光完全回复。

请参阅图3a，为本发明第三较佳实施例的示意图，其中一光致退火光源 300耦合至光纤元件组301。光纤元件组301为一单行后向架构，其中包括第 一具三端分波多任务器3041，分别与泵激镭射302及光致退火光源300连接； 第一具三端分波多任务器3041与第二具三端分波多任务器3042两者间以光 纤相连接。第二具三端分波多任务器3042其前向输出端经光纤接合点308 与掺稀土元素光纤305连接；而其反向输出端口配置一光阻隔器306与输出 端307连接。前向光则由光纤端子303终结其走向。较佳选择下，掺稀土元 素光纤305为一掺铒光纤(EDF)。当光由光致退火光源300发出进入光纤元 件组301后，此退火光可将掺稀土元素光纤305因辐射引发的结构缺陷修复。 泵激镭射302可激发掺稀土元素光纤305，使之产生放大自发性辐射(ASE) 光。其中，光致退火光源300所发出的退火光可连续或间歇式的操作。在此 种架构下，掺稀土元素光纤305上所输出的放大自发性辐射(ASE)光，其输 出方向与泵激光的传输方向相反。根据本实施例，掺稀土元素光纤305因辐 射引发的衰减，在900纳米至1700纳米的波长范围中，可几乎被光致退火光 源300所发出的光完全回复。

请参阅图3b，为本发明第四较佳实施例的示意图，其中一光致退火光源 300耦合至光纤元件组301。光纤元件组301为一复行后向架构，其中包括第 一具三端分波多任务器3041，分别与泵激镭射302及光致退火光源300连接； 第一具三端分波多任务器3041与第二具三端分波多任务器3042两者间以光 纤相连接。第二具三端分波多任务器3042的前向输出端经光纤接合点308 与掺稀土元素光纤305连接，其终端由一光反射器303将部分前向光反向折 回后向输出端；而后向输出端口配置有一光阻隔器306与输出端307连接。 较佳选择下，掺稀土元素光纤305为一掺铒光纤(EDF)。当此光致退火光源 300发出的光进入光纤元件组301后，此退火光可将掺稀土元素光纤305因 辐射引发的结构缺陷修复。泵激镭射302可激发掺稀土元素光纤305，使之 产生放大自发性辐射(ASE)光。其中，光致退火光源300所发出的退火光可 连续或间歇式的操作。在此种架构下，被泵激镭射302所激发的掺稀土元素 光纤305，其前向行走的放大自发性辐射(ASE)光，被光反射器303所反射， 进入增益的掺稀土元素光纤305中，将光功率再放大。而此掺稀土元素光纤 305上所输出的放大自发性辐射(ASE)光，其输出方向与泵激光的传输方向相 反。根据本实施例，掺稀土元素光纤305因辐射引发的衰减，在900纳米至 1700纳米的波长范围中，可几乎被光致退火光源300所发出的光完全回复。

请参阅图4，为本发明第五较佳实施例的示意图，其中一光致退火光源 400耦合至光纤元件组401。此光纤元件组401所包括的三端分波多任务器 404与泵激镭射402连接；其另一端经由一光阻隔器403与输出端406连接； 而另一端则经光纤接合点407与掺稀土元素光纤405连接后，与光致退火光 源400相连。较佳选择下，掺稀土元素光纤405为一掺铒光纤(EDF)。当此 光致退火光源400发出的光进入光纤元件组401后，此退火光可将掺稀土元 素光纤405因辐射引发的结构缺陷修复。泵激镭射402可激发掺稀土元素光 纤405，使之产生放大自发性辐射(ASE)光。其中，光致退火光源400所发出 的退火光可连续或间歇式的操作。在此种架构下，掺稀土元素光纤405上所 输出的放大自发性辐射(ASE)光，其输出方向与泵激光的传输方向相反。根 据本实施例，掺稀土元素光纤405因辐射引发的衰减，在900纳米至1700 纳米的波长范围中，可几乎被光致退火光源400所发出的光完全回复。

请参阅图5，为图4架构下所测量的掺铒光纤吸收光谱。如图所示，辐 射引发的衰减在900纳米至1700纳米的波长范围中，几乎被光致退火光源所 发出的532纳米波长的光完全回复。比较图中数据线(d)显示的以10mW功率 的532纳米镭射光致退火103分钟后测量的结果与数据线(e)显示的以钴60 照射前测量的结果，显示两者的测量结果曲线彼此几乎重叠，代表掺铒光纤 的辐射引发的衰减几乎完全回复至辐射照射前的状态。

请参阅图6，为532纳米与976纳米两种不同波长的光致退火光源回复 辐射引发的衰减所需时间的比较图。如图所示，532纳米波长的光致退火效 应相当的优越。以较低输出功率(10毫瓦)的532纳米镭射对辐射引发的衰减 光致退火，仅需5.6秒的时间即可回复一半的衰减，而使用较高输出功率(290 毫瓦)的976纳米镭射光致退火，却需要2679秒的回复时间。这个结果显示， 短波长与长波长光致退火的回复时间有远大于100倍以上的差别。因此，532 纳米的短波长镭射对掺铒光纤的退火效率与波长较长的976纳米镭射相比， 表现非常突出。

总结而言，在辐射环境中使用的光纤元件组，可通过配置一光致退火光 源以减轻其内掺稀土元素光纤因辐射所造成的衰减。由光致退火光源发出退 火光，当此光波长小于激发稀土元素所需的泵激波长时，即可以很快的退火 效率回复辐射引发的衰减，使得光纤元件组得以维持其功能而不被辐射影响。 因此，本发明所提出的光退火装置，尤其适合于在辐射环境下操作，比如太 空、核子发电厂设施等。

根据以上所述，本发明实为一兼具工业应用性、新颖性并在工业技术发 展上极具价值的发明。以上所述，仅为本发明的最佳实施例而已，并不能用 于限定本发明所要求保护的范围，本发明的保护范围应当以权利要求来限定。 即所有依照本发明权利要求所做的相同或类似的变化与修饰，皆应属于本发 明的保护范围之内，谨请审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。