CN101009520A - 一种新型光纤光栅温度补偿封装的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用负温度系数的封装套管补偿光纤光栅温度系数的方法。使用一种并不具有负温度系数的材料，经过特殊加工处理，制成具有微弱负的热膨胀系数的封装套管，刚好能够完全补偿光纤光栅温度变化引起的波长漂移。利用制成的封装套管对光纤光栅在高温下快速封装，制作出对温度不敏感的具有高度热稳定性的光纤光栅，并对其进行多次高低温循环老化。本发明操作简单、成本低廉，更重要的是其温度特性好，光纤光栅在－10℃到60℃的环境下，温度系数可达到0.0005nm/℃，而且具有良好的长期温度特性。封装后光纤光栅的体积小、重量轻、抗冲击能力强，是一种理想的光纤光栅封装方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅温度补偿封装的方法，属于光纤通信、光纤传感和光纤器件技术领域。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)的出现被认为是继掺铒光纤放大器(EDFA)出现之后光纤通信领域又一具有重大意义的事件，FBG广泛应用于光纤通信的各个领域，具有广泛的应用前景。
由于FBG是通过光纤轴线方向的折射率调制来实现的，因此当外界温度发生变化时，光纤的折射率，以及光纤的尺寸都会发生变化，从而导致了写在光纤上的光纤光栅的变化。这样就会造成FBG的波长随温度发生变化，没有封装的光纤光栅的温度系数为0.014nm/℃。当环境温度由零下20到60℃变化时，光栅的中心反射波长变化约1nm，严重地影响了其在光纤通信中的应用。在光纤光栅传感领域，由于光纤光栅对温度和应力都敏感，在测量应力时，温度的影响很难消除。因此，光纤光栅的封装技术是光纤光栅在各种应用中都必须解决的一项关键技术。
光纤光栅的温度补偿方法具体可分为两类：一是有源方式，即由外加电路控制光栅器件所在的工作环境温度；二是无源方式，即以适当的结构与材料对光纤光栅进行封装，通过封装材料的长度变化改变光纤光栅所受应力而使之抵消由折射率变化产生的影响，从而达到温度补偿的效果。相比之下，采用无源方式进行温度补偿封装的适用范围广、维护成本低，是一种更有前景的方法。此外，由于写入光纤光栅时需要去除光纤涂覆层，而且经过紫外曝光，退火一系列物理过程后，光栅变得很脆易断，对外界水气，杂质更加敏感，所以也需要封装结构将其保护起来使其性能免受影响。文献1(光纤光栅的温度稳定的金属封装，Journal of lightwave technology，2003，21(5)：1377-1383)报道的封装方式不需要预加应力，但是需要镀金属层，工艺复杂而且封装的长度较长，且温度系数仍有1pm/℃。文献2(具有温度补偿的光纤光栅的探头，Optical Fiber SensorsConference Technical Digest，2002，1(15)：347-350)报道的封装方式结构也比较复杂且温度系数在1.5pm/℃左右。文献3(光纤光栅的温度补偿，光学学报，2003，2003，23(6)：677-679)报道的封装方式虽然结构简单，但是由于负温度材料需要粘结在光栅上，这样有可能造成光栅特性的改变，比如偏振模色散的增大，而且温度系数仍是1.7pnm/℃。另外，还有一些商用的光纤光栅是用陶瓷封装的，不仅成本很高、体积大，而且怕碰易碎。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种利用负温度系数的封装套管补偿光纤光栅温度系数的方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
步骤1：本发明使用一种具有微弱的负热膨胀系数的封装套管，利用无源方式对光纤光栅进行温度补偿封装，刚好完全补偿光纤光栅温度变化引起的波长漂移。采用的封装套管体积小、重量轻，而且具有一定的硬度和韧度，不仅可以保护光栅，还可以排除外界杂质的影响，使其更加方便的应用。这种封装材料本身并不具有负热膨胀系数，但是经过高温加热处理过程中，使材料长时间的自然延伸，材料内部分子按顺序重新排列，这样，沿着分子排列的方向就具有了负的热膨胀系数，使封装套管具有微弱的负热膨胀系数的特性，刚好完全补偿光纤光栅温度变化引起的波长漂移。
步骤2：为了使带有光纤光栅的光纤与封装管紧密的结合，需要将光纤光栅两端的涂覆层去掉，这样，裸光纤和封装管可以很好的粘结在一起，使封装效果达到最佳。
步骤3：将光纤光栅放入封装管内，注意光栅在管内并非紧贴管壁，有一层空气层。这样做的好处是：一是使光纤光栅的外包层是空气层而不是其它折射率材料层，保证了其特性不变；二是可以起到一定的绝热作用，对外界温度不敏感，当然负温度系数材料本身也是热的不良导体；三是将光栅悬空可以使光栅内部应力均匀，不加入外部啁啾。而且还应当在干燥的环境下封装，否则空气层中易含水气反而影响光栅性能。
步骤4：对光纤两端施加微弱的应力，利用光谱仪监测光纤光栅的中心波长，将光纤光栅的中心波长微调到理想波长，采用热固化胶将光纤光栅的两端与封装管快速粘结在一起。注意胶不能碰到光栅，否则会引起光栅性能的劣化。经多次实验证明采用一定温度下的瞬间热固化的方式可以使光纤和封装材料粘结的更牢固，应力的传递更加迅速和直接。施加预应变的作用是在有效的温度范围内，负温度系数材料都可以作用于光栅，但是预应变不应过大，防止应力疲劳。同时应当注意的是，热固化胶粘结的是裸纤和封装管，这样做的目的是使封装长期稳定性更好，减小应力疲劳。
步骤5：还必须要对封装完的光纤光栅进行温度从-20℃到80℃范围内的高低温循环老化，实现光纤光栅的长期稳定性。
在高温环境下，封装管由于具有负的热膨胀系数而收缩，在这种环境下将光纤光栅封在封装管里，当封装完的光栅处于低于封装温度的环境下时，封装管处于膨胀的状态刚好补偿由于温度下降使光栅波长往短波长的偏移量，使封装完的光栅具有非常好的温度不敏感特性。利用本发明提出的高温封装技术和高低温循环老化方法，可制作出波长长期稳定并具有对温度不敏感的实用化的光纤光栅。
本发明的有益效果和优点是：本发明提出的方法操作简单、成本低廉，封装后光纤光栅的体积小、重量轻而抗冲击能力强，更重要的是其温度特性好，光纤光栅在-10℃到60℃的环境下，温度敏感度可达到0.0005nm/℃，而且具有良好的长期温度特性。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅结构图；
图2为本发明的恒温加热封装图；
图3为本发明的封装后光纤光栅中心波长随温度变化曲线图。
附图标号： 1-在纤芯中写入的光纤光栅， 2-光敏光纤的纤芯，3-光纤包层， 4-光纤的涂覆层， 5-带有光纤光栅的封装管，6-高温恒温器， 7、8-光纤光栅的两端尾纤
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
首先为了使光纤光栅具有稳定的性能，必须进行高温长时间退火。在光敏光纤上写入的光纤光栅的结构如图1所示，写光栅部分的涂覆层必须去掉。写完的光纤光栅经退火后，要对写入光纤光栅的裸光纤部分进行涂覆保护。
其次是制作具有负热膨胀系数的封装管。封装管的负热膨胀系数与制作温度紧密相关，为了制作的封装管刚好能完全补偿光纤光栅波长的漂移，在制作封装管的过程中，要严格控制高温加热处理温度，使封装管的负热膨胀系数不会过大或过小。为了使带有光纤光栅的光纤与封装管紧密的结合，需要将光纤光栅两端的涂覆层去掉，这样，裸光纤和封装管可以很好的粘结在一起，使封装效果达到最佳。光纤光栅预处理完后，进行高温快速封装，将光纤光栅1置于封装管5中，此时，应当注意光栅在管内并非紧贴管壁，有一层空气层。把这两者都放入高温恒温器6中，如图2所示为光纤光栅高温封装装置，将带有光纤光栅的封装管5置于高温恒温器6中，并对光纤两端施加微弱的应力，对光纤光栅中心波长进行微调，使封装完的波长刚好为理想的波长。采用热固化胶将光纤光栅的两端与封装管快速粘结在一起。注意胶不能碰到光栅，否则会引起光栅性能的劣化。同时应当注意的是，热固化胶粘结的是裸纤和封装管，这样做的目的是使封装长期稳定性更好，减小应力疲劳。这样就利用高温封装技术可以制作出温度不敏感的光纤光栅。
最后，对封装完的光纤光栅进行老化，采用温度从-20℃到80℃范围内的高低温循环老化。经老化处理后的光纤光栅具有长期的波长稳定性，高度的温度不敏感特性。一个封装后的光纤光栅的温度特性测试图如图3所示，其中，横坐标是测量温度(℃)，纵坐标是测量得到的波长(nm)。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例，但本发明的其它变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (1)
1.一种新型光纤光栅温度补偿封装的方法，其特征在于包含以下几个步骤：
步骤1：把不具有负热膨胀系数的材料，经过高温加热处理过程，使材料长时间的自然延伸，材料内部分子按顺序重新排列，得到具有微弱的负温度系数的封装套管；
步骤2：需要将光纤光栅两端的涂覆层去掉，这样，裸光纤和封装管可以很好的粘结在一起，使封装效果达到最佳；
步骤3：将光纤光栅置于封装管内，并把两者一起放到高温恒温器中；
步骤4：对光纤两端施加微弱的应力，将光纤光栅的中心波长微调到理想波长，采用热固化胶将光纤光栅的两端与封装管迅速粘结在一起；
步骤5：，将封装完的光纤光栅进行温度从-20℃到80℃范围之内的高低温循环老化。经老化处理后的光纤光栅具有长期的波长稳定性。
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