CN101236271A - 一种无源温度补偿光纤光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无源温度补偿光纤光栅，包括纤芯与包层，纤芯中有一段为光栅区，其特征在于：光栅区的包层的平均厚度小于两端光纤包层的厚度，光栅区两端的光纤均为圆型光纤，在包层较薄的部位覆盖着具有负热光系数热光聚合物。当环境温度发生变化时，普通光纤光栅本身的Bragg波长随温度增加而向长波长方向漂移，而具有负热光系数的热光聚合物随温度的增加导致光纤光栅的Bragg波长向短波长方向漂移，这就实现了光纤光栅的温度补偿。本发明的光纤光栅可用在光纤激光器、密集波分复用/解复用器、光分插复用器(OADM)、色散补偿器、滤波器、光放大器的增益平坦化、超窄光脉冲产生器、泵浦激光器的波长锁定等高性能光通信器件中。
Description
技术领域
本发明涉及光纤器件技术领域，特别涉及一种无源温度补偿光纤光栅。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)作为一门新兴技术，具有极其广阔的应用前景，光纤布拉格光栅(FBG)的选频特征使之成为光纤通信中一种重要的无源器件，受到普遍关注。使用光纤光栅可制成光纤激光器、密集波分复用/解复用器、光分插复用器(OADM)、色散补偿器、滤波器、光放大器的增益平坦化、超窄光脉冲产生器、泵浦激光器的波长锁定等高性能光通信器件，目前正向实用化方向发展。光纤布拉格光栅(FBG)的选频特征会随环境温度的改变而发生改变，这种对温度的敏感性已成为光纤光栅器件在光纤通信领域实用化的主要困扰之一，成为目前研究的热点。
目前常用的光纤光栅的温度补偿封装方法主要是利用光纤光栅以外材料的温度膨胀系数的不同，例如采用负热膨胀系数(也称为热缩型材料)，对光纤光栅的自身Bragg波长的温度漂移进行机械补偿。这类方法由于需要制作附加具有负热膨胀系数的机械支架或包层等，因而工艺较复杂，体积比全光纤器件要大很多。
美国专利US6044189就是一种热胀冷缩型的光纤光栅温度补偿方法，该专利公开了以下制作方法，将光纤光栅固定在由两种不同热膨胀系数构成的外封装结构上，当环境温度改变时，通过封装材料的长度变化改变FBG所受应力而使之抵消由温度变化产生的布拉格波长的变化影响，从而达到温度补偿的效果。此种光纤光栅温度补偿封装方法可以对光纤光栅起到较好的温度补偿作用，但是封装工艺比较复杂，而且封装后的器件尺寸比较大。
美国专利US 6240225介绍了一种基于热缩型材料的光纤光栅温度补偿方法，该专利公开了以下方法，将一种负热膨胀系数的材料覆盖在光纤光栅上，当环境温度升高时利用负热膨胀系数的材料的收缩作用补偿光纤光栅的温度效应。
中国专利CN101009520A也是制成具有负的热膨胀系数的封装套管来补偿光纤光栅的温度效应。
这些专利和方法在一定程度上都实现了光纤光栅的温度补偿封装，但是这些方法采用的都是材料的机械伸缩作用来起到温度补偿的效果，这类方法的不足就在于有附加机械装置，使得最终的器件体积比全光纤器件要大得多，而且也容易损坏光纤光栅。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构简单、可靠性高、制作成本低的无源温度补偿光纤光栅。
实现本发明目的的技术方案如下：一种无源温度补偿光纤光栅，包括纤芯与包层，纤芯中有一段为光栅区，其特征在于：光栅区的包层的平均厚度小于两端光纤包层的厚度，光栅区两端的光纤为圆型光纤，在包层较薄的部位覆盖着具有负热光系数热光聚合物。
所述光栅区可以为D型光纤段；也可以为圆型光纤，但其包层外径小于两端光纤的外径。
进一步地，光栅区与两端圆型光纤有平滑的过渡区，在包层较薄的部位覆盖着一样的热光聚合物。
进一步地，所述光纤光栅还包括外围的保护装置，所述保护装置可为套管，优选金属套管；所述保护装置也可以为一槽体外加一套管，所述光栅区置于槽体内，所述槽体紧套在套管上，所述槽体可以为U型槽或V型槽或凵型槽，所述套管优选金属套管。
本发明的光纤光栅的制作方法之一：在普通光纤Bragg光栅上，利用光学微加工技术，在光栅区的长度上将圆柱形的光纤光栅包层抛磨掉一部分，其包层抛磨过的那段光纤光栅的横截面呈大写英文字母D，即为D型光纤段，而在未抛磨过的光纤段，仍是圆柱形。然后在包层较薄部位覆盖上具有负热光系数的热光聚合物。
所述负热光系数的热光聚合物是折射率随温度变化的具有负热光效应的聚合物，可以采用Dowcorning公司所生产的OE4100或OE4110。
本发明的无源温度补偿光纤光栅可用在光纤激光器、密集波分复用/解复用器、光分插复用器(OADM)、色散补偿器、滤波器、光放大器的增益平坦化、超窄光脉冲产生器、泵浦激光器的波长锁定等高性能光通信器件中。
本发明的工作原理如下：依据光纤Bragg光栅的耦合方程，光纤光栅的Bragg反射波长λB表示为
λB＝2neff·Λ (1)
其中neff为传导模的有效折射率，其数值与光纤光栅区域的几何结构、纤芯材料折射率及包层材料折射率等相关；Λ为光栅周期。neff和Λ都受外界环境温度影响而改变：当温度升高时，由于光纤材料自身的热光效应，其有效折射率neff会增加。与此同时，由于热胀冷缩效应，光栅周期Λ也会增长，综合起来会使Bragg反射波长λB向长波长方向漂移，即产生红移。光栅波长漂移量与温度的改变量成线性关系，可用下式表示。
ΔλT＝(αf+ξ).λB.ΔT (2)
式中αf为光纤材料的热胀系数，ξ为光纤的有效热光系数。
对于普通光纤Bragg光栅，式(2)中的αf及ξ都为正，二者随温度的变化都导致光栅的布拉格波长作红移。而对于一侧的包层厚度被抛磨成只剩1μm左右的侧边抛磨光纤光栅，当在抛磨区再次覆盖其它与原来包层材料不同的材料时，侧边抛磨光纤光栅的热光系数ξ就不仅与光纤原有材料的特性相关，还与侧边抛磨区再次覆盖的材料的特性相关。如果覆盖材料为负热光系数的聚合物材料，则式(2)中的有效热光系数ξ就有可能为负值，当环境温度升高时，会影响Bragg反射波长λB向短波长方向漂移，即出现蓝移。此时，依据(2)式，αf的波长红移作用与ξ的波长蓝移作用相互抵消，就可达到光纤光栅的温度补偿作用。
与传统的采用材料的机械伸缩作用起到光纤光栅温度补偿的方法相比，本发明是利用负热光系数的热光聚合物随温度而发生的折射率的变化而获得温度补偿，方法新颖，具有补偿效果好、可靠性高、制作成本低等优点。
附图说明
图1为实施例1未覆盖热光聚合物时的示意图；
图2为实施例1覆盖热光聚合物后的示意图；
图3为实施例1进行温度补偿处理前后光纤光栅的Bragg波长随温度的变化曲线对比；
图4为实施例2的示意图；
图中示出：1：纤芯；2：圆型光纤；3：平滑过渡区；4：光栅区；5：D型光纤段；6：负热光系数的热光聚合物；7：细圆型包层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
如图1所示，在普通光纤光栅的光栅区4进行侧边抛磨，抛磨成D型光纤段5，D型光纤段的平面到纤芯外表面的的距离为5um，D型光纤段5与两端的圆型光纤2有小段平滑过渡区3，然后在抛磨区上覆盖具有负热光系数的热光聚合物6，如图2所示，利用其负热光效应实现光纤光栅的温度补偿。
所述热光聚合物采用Dowcorning公司所生产的OE4100。
图3中的曲线31对应温度补偿后的情况，曲线32对应未进行温度补偿的情况。由图3可以看出，本实施例的光纤光栅能起到较好的温度补偿作用。对于73℃至79℃的温区内的6℃温度变化，经过温度补偿处理后的光纤光栅的Bragg波长都几乎稳定在同一个值下；在环境温度从63℃至79℃的范围内，环境温度改变了16℃，而经过温度补偿处理后的光纤光栅的中心波长只改变了0.01nm，平均温度敏感度为0.000625nm/℃，与未补偿的光纤光栅相比(温度敏感度为0.01nm/℃)其温度敏感度降低为原值的1/16；在环境温度从58℃增大至101℃时(变化43℃)，其中心波长只改变了0.11nm，平均温度敏感度为0.002558nm/℃，可见在58℃至101℃温度区域内，本实施例的温度补偿方案使其温度敏感度降低为原值的约1/4。这表明本实施例较好地实现了光纤光栅的温度补偿。
为提高器件的可靠性和稳定性，可将完成聚合物材料固化的器件封装在金属套管内。
实施例2
如图4所示，本实施例的无源温度补偿光纤光栅包括纤芯1，纤芯1中刻了光栅，光栅区4的包层为细圆型包层7，细圆型包层7的厚度为10um，两端为圆型光纤2，光栅区4与圆型光纤2有平滑的过渡区3，在包层较薄部位覆盖着具有负热光系数的热光聚合物6。
在普通的光纤光栅上，经过腐蚀法可以制备如图4所示的光纤光栅，在被腐蚀的外表面涂覆具有负热光系数的热光聚合物即可得到无源温度补偿光纤光栅。
也可以通过拉锥法制备如图4形状的光纤，然后刻入光栅，然后在包层较薄部位覆盖具有负热光系数的热光聚合物。
比较实施例：
针对封装方法和补偿原理，将实施例1与美国专利US6044189中的光纤光栅温度补偿封装方法做比较。
1补偿原理的比较
实施例1利用具有负热光系数的聚合物材料的负热光效应及侧边抛磨光纤光栅实现光纤光栅的温度补偿。而美国专利US6044189通过封装材料的长度变化改变FBG所受应力而使之抵消由温度变化产生的布拉格波长的变化影响，从而达到温度补偿的效果。
本发明的补偿方法经理论与实验的共同验证，补偿效果好、可靠性高。
2封装方法的比较
美国专利US6044189中将光纤光栅固定在由两种不同热膨胀系数构成的外封装结构上，，用该方法封装光纤光栅，封装后的器件尺寸较大，难于小型化。实施例1可采用U型槽作为侧边抛磨光纤的固定和支撑架，在其中放入侧边抛磨光纤光栅，再在外围套上属套管，封装后的器件尺寸较小。
Claims (10)
1、一种无源温度补偿光纤光栅，包括纤芯与包层，纤芯中有一段为光栅区，其特征在于：光栅区的包层的平均厚度小于两端光纤包层的厚度，光栅区两端的光纤为圆型光纤，在包层较薄的部位覆盖着具有负热光系数热光聚合物。
2、根据权利要求1所述的光纤光栅，其特征在于：所述光栅区为D型光纤段。
3、根据权利要求1所述的光纤光栅，其特征在于：所述光栅区为圆型光纤，光栅区的包层外径小于两端光纤的外径。
4、根据权利要求1至3任一项所述的光纤光栅，其特征在于：光栅区与两端圆型光纤有平滑的过渡区，包层较薄部位覆盖着一样的热光聚合物。
5、根据权利要求4所述的光纤光栅，其特征在于还包括外围的保护装置。
6、根据权利要求5所述的光纤光栅，其特征在于所述保护装置为套管。
7、根据权利要求6所述的光纤光栅，其特征在于所述套管为金属套管。
8、根据权利要求5所述的光纤光栅，其特征在于所述保护装置为一槽体外加一套管，所述光栅区置于槽体内，所述槽体紧套在套管上。
9、根据权利要求8所述的光纤光栅，其特征在于所述槽体为U型槽或V型槽或凵型槽。
10、根据权利要求8所述的光纤光栅，其特征在于所述套管为金属套管。
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| CN101566637A (zh) * | 2009-05-21 | 2009-10-28 | 浙江大学 | 一种用于检测人体唾液酒精浓度的生物传感器 |
| CN106842764A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-06-13 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 无源温度补偿增益平坦滤波器滤波谱型的确定方法 |
| CN114993282A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-09-02 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法和纤长补偿器 |
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2008
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