CN101581835A - 一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置 - Google Patents

Abstract

一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置，属于光通信领域，为了解决采用温度调谐技术调谐啁啾布拉格光栅存在响应速度慢的问题。本发明的啁啾光栅上镀有正磁致伸缩膜和负磁致伸缩膜，正、负磁致伸缩膜是横截面为等腰三角形的五面体，正、负磁致伸缩膜沿啁啾光栅的轴线的中垂线镜像设置，正、负磁致伸缩膜的对称线都与啁啾光栅的轴线重合，正、负磁致伸缩膜的顶点和啁啾光栅的中心点重合，正磁致伸缩膜的三角形底边长度是啁啾光栅直径的3.5～5倍，正磁致伸缩膜的厚度是啁啾光栅直径的1.1～1.5倍，镀有正、负磁致伸缩膜的啁啾光栅设置在螺旋管内部，螺旋管的线圈两端分别与直流电源的正负极相连。本发明装置用于光通信中的色散补偿。

Description

一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置

技术领域

本发明涉及一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置，属于光通信领域。

背景技术

近年来，随着光通信得发展，网络容量也在不断扩大。实用化光通信网络的单波传输速率已达到10Gbit/s量级甚至40Gbti/s，色散已成为光信号传输质量劣化、误码率增加的不可忽视因素。实践证明，无论是主干网，还是城域网，光传输系统的色散补偿都是维护传输质量的必要单元。与此同时，光通信网络相关支撑器件的多样化和可配置功能使得普通的点到点波分复用通信系统拥有灵活节点，实现高效的灵活组网。城域网通过不同拓扑结构将具有不同传输物理特性的子网络连接。特别是光交换/路由器、光分插复用器等关键光节点技术能完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，增加光网络传输路径不确定性。而光信号色散、光脉冲展宽与路径密切相关，色散补偿单元必须具备动态可调谐功能才适应下一代光通信网发展需要。从国内外实验研究来看，动态色散补偿技术对优化光网络传输质量、充分发挥组网灵活性起到重要作用已成为研究色散问题的下一个发展方向。

色散是光纤的传输特性之一，光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中由于时延造成的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲产生相互重叠现象，即产生了码间干扰，造成误码。为了避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。

光纤光栅(FBG)是一种光纤无源器件，它是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光的相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生折射率沿纤芯轴向的周期性变化，从而形成永久性空间相位光栅，其功能实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。随着紫外写入光纤光栅制作技术的日益完善，光纤光栅在诸多领域的应用得到了迅速发展，尤其在光纤通信领域。根据光纤光栅的各种不同折射率调制及光谱特性，光纤光栅在光纤通信领域中可以应用于滤波器、色散补偿器、解复用器、上下路由器和光纤激光器等等。通常状态下，光纤光栅应用于上述器件时是预先设定固定波长，这使得它应用的灵活性受到了很大的限制。如果采用可调谐光纤光栅就可以较好地解决这一问题。例如：在滤波器中，通过光纤光栅的调谐可以选择不同波长的光信号滤出；色散补偿器中，通过调谐可以补偿不同的色散量和不同波长的色散量；随着超大容量密集波分复用系统的发展，系统的可配置性，网管的灵活性，色散补偿的动态可调谐性，掺铒光纤放大器(EDFA)的增益平坦化等已经成为迫切需要解决的问题，光纤光栅的调谐技术为此类问题提供一条有效途径。

现有的啁啾布拉格光栅(CFBG)调谐技术主要以温度调谐为主，贝尔实验室采用分布式光纤薄膜加热器来分段控制Bragg光纤光栅的周期，使其具有衰减、反射、附加色散或选择性可调色散补偿功能。法国Highwave公司基于Bragg光纤光栅的商用化动态色散补偿器。对于10Gbps系统的应用，其色散补偿量可从700ps/nm到1300ps/nm，对于40Gbps系统的应用，其色散补偿量可从300ps/nm到700ps/nm。日本三菱电子推出两款基于FBG技术采用温度控制方法的可调色散补偿器。适于40Gbps应用的FQ-40C其色散调谐范围可达350ps/nm；而适于10Gbps应用的FQ-10E其色散调谐范围可达1400ps/nm。这些方法由于采用温度调谐，响应速度慢。

发明内容

本发明的目的是解决采用温度调谐技术调谐啁啾布拉格光栅存在响应速度慢的问题，提供了一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置。

本发明包括啁啾光栅、正磁致伸缩膜、负磁致伸缩膜、螺旋管和直流电源，

啁啾光栅上镀有正磁致伸缩膜和负磁致伸缩膜，正磁致伸缩膜和负磁致伸缩膜是横截面为等腰三角形的五面体，正磁致伸缩膜和负磁致伸缩膜沿啁啾光栅的轴线的中垂线镜像设置，正磁致伸缩膜的对称线和负磁致伸缩膜的对称线都与啁啾光栅的轴线重合，正磁致伸缩膜的顶点、负磁致伸缩膜的顶点和啁啾光栅的中心点重合，正磁致伸缩膜的三角形底边长度是啁啾光栅直径的3.5～5倍，正磁致伸缩膜的厚度是啁啾光栅直径的1.1～1.5倍，

镀有正磁致伸缩膜和负磁致伸缩膜的啁啾光栅设置在螺旋管内部，

螺旋管的线圈两端分别与直流电源的正负极相连，正磁致伸缩膜的磁致伸缩系数为正数，负磁致伸缩膜的磁致伸缩系数为负数。

本发明的优点：本发明提出使用磁致伸缩材料作为驱动器，对啁啾光栅进行调谐，达到快速、动态的色散补偿的目的，响应速度达到毫秒级。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是啁啾光栅的封装示意图，图3是图2的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括啁啾光栅1、正磁致伸缩膜2、负磁致伸缩膜3、螺旋管4和直流电源5，

啁啾光栅1上镀有正磁致伸缩膜2和负磁致伸缩膜3，正磁致伸缩膜2和负磁致伸缩膜3是横截面为等腰三角形的五面体，正磁致伸缩膜2和负磁致伸缩膜3沿啁啾光栅1的轴线的中垂线7镜像设置，正磁致伸缩膜2的对称线和负磁致伸缩膜3的对称线都与啁啾光栅1的轴线重合，正磁致伸缩膜2的顶点、负磁致伸缩膜3的顶点和啁啾光栅1的中心点重合，正磁致伸缩膜2的三角形底边长度是啁啾光栅1直径的3.5～5倍，正磁致伸缩膜2的厚度是啁啾光栅1直径的1.1～1.5倍，

镀有正磁致伸缩膜2和负磁致伸缩膜3的啁啾光栅1设置在螺旋管4内部，

螺旋管4的线圈两端分别与直流电源5的正负极相连，正磁致伸缩膜2的磁致伸缩系数为正数，负磁致伸缩膜3的磁致伸缩系数为负数。

工作原理：

光纤光栅是一种无源器件，它是利用光纤材料的光敏性，通过紫外曝光方法在光纤中形成一种空间折射率分布，即在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，这种结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。啁啾光栅利用其内部的光栅周期不同，可使沿光纤长度方向在不同位置反射不同波长，即产生啁啾效应，它能对光脉冲产生一个压缩的作用；光脉冲在光纤传输过程中由于色散作用，脉冲宽度展宽，引起码间干扰，使得误码率提高，通信质量度下降。利用啁啾效应对展宽的光脉冲进行压缩，使其回复到原有状态，从而光信号能传播更远，对展宽的光脉冲进行压缩过程就是色散补偿。光纤光栅的色散补偿是利用了它的啁啾效应，所以为了实现动态色散补偿必须实现光纤光栅的啁啾量在一定范围内的可调。

光纤光栅调谐技术，从原理上讲，可分为温度调谐和应力调谐。光纤光栅中心反射波长λ_B可以表示为：

λ_B＝2n_effΛ    (1)

公式(1)中Λ为光栅的周期，n_eff是光栅区的有效折射率。

由此可知，布拉格波长随n_eff和Λ变化而变化。在应力作用下，由光栅周期的延伸及弹光效应而引起布拉格波长的变化，在外界温度改变时，有热膨胀效应和热光效应而引起布拉格波长的变化。光纤的热效应和力效应是互相独立的，当温度和应力发生变化时，布拉格波长的对应量可表示为：

Δλ_B/λ_B＝(1-P_e)ε+(a+ξ)ΔT    (2)

公式(2)中ε为光纤光栅的轴向应变ΔT为光栅区温度的变化量；P_e为光纤的有效弹光系数，a和ξ是热膨胀系数和热光系数。由公式(2)可以看出，无论是应变还是温度，对光栅布拉格波长的影响都是线性的。因此，通过拉伸或压缩光纤光栅，或者通过改变光纤光栅温度来改变n_eff和Λ，可以达到调谐的目的。和温度相比，应变对光纤光栅的扰动具有速度较快的特点。本发明采用应力调谐方式，采用磁致伸缩材料作为应力调谐机构的驱动器。

结合图2说明啁啾光栅1封装方法。啁啾光栅1的镀膜方法采用磁控溅射法，分两次在啁啾光栅1上镀上伸缩方向相反的两种磁致伸缩材料——正磁致伸缩膜2和负磁致伸缩膜3，由于两个薄膜为等腰三角形，镜像设置在啁啾光栅1的轴线的中垂线7的左右，即沿啁啾光栅1轴线方向产生一个宽度线性变化的薄膜，所以沿啁啾光栅1轴线方向产生的应变为梯度应变，在相同磁场作用下，磁致伸缩系数为正数的正磁致伸缩膜2伸长，因为沿啁啾光栅1轴线方向的应力是梯度变化的，进而驱动力沿啁啾光栅1轴向也成线性关系，从而在啁啾光栅1轴向产生梯度应变，因此改变了啁啾光栅1的啁啾率。由于正磁致伸缩膜2的三角形顶点、负磁致伸缩膜3的三角形顶点和啁啾光栅1的中心点重合，啁啾光栅1的中心不发生变形，所以啁啾光栅1的中心波长不发生漂移。本发明镀有磁致伸缩薄膜的啁啾光栅1设置在螺旋管4内部，螺旋管4的线圈两端分别与直流电源5的正负极相连，当直流电源5接通时螺旋管4内部产生恒定的磁场，左N右S，或左S右N，在此磁场的作用下，正磁致伸缩膜2拉伸，负磁致伸缩膜3收缩，改变了啁啾率的啁啾光栅1如图2所示。通入螺旋管4的电流增大，产生的磁场强度随着增加，正磁致伸缩膜2拉伸程度加大，负磁致伸缩膜3收缩程度加大，从而啁啾光栅1的色散补偿量增加。反之，通入螺旋管4的电流减小，产生的磁场强度随着减弱，正磁致伸缩膜2拉伸程度减小，负磁致伸缩膜3收缩程度减小，从而啁啾光栅1的色散补偿量减少。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，正磁致伸缩膜2的材质选用磁致伸缩系数为300×10^-6的TbFe₂，负磁致伸缩膜3的材质选用磁致伸缩系数为-300×10^-6的SmFe₂，其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，啁啾光栅1选用反射率为95％以上的高反射率光栅，其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一至三任一个实施方式的不同之处在于，一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置包括三端口的环形器6，环形器6的第一个端口A为色散补偿信号输入端，环形器6的第二个端口B与啁啾光栅1的一端相连，环形器6的第三个端口C为色散补偿信号输出端，其它组成和连接关系与实施方式一至三相同。

光脉冲在光纤中传输过程中由于色散效应脉冲展宽，每隔一段距离设置一个本发明装置，由于色散而展宽的光脉冲信号由环形器6的第一个端口A进入，再由环形器6的第二个端口B进入本发明装置，经色散补偿后的光脉冲信号由环形器6的第三个端口C输出，继续在光纤中传输。

Claims (4)

1、一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置，其特征在于，它包括啁啾光栅(1)、正磁致伸缩膜(2)、负磁致伸缩膜(3)、螺旋管(4)和直流电源(5)，

啁啾光栅(1)上镀有正磁致伸缩膜(2)和负磁致伸缩膜(3)，正磁致伸缩膜(2)和负磁致伸缩膜(3)是横截面为等腰三角形的五面体，正磁致伸缩膜(2)和负磁致伸缩膜(3)沿啁啾光栅(1)的轴线的中垂线(7)镜像设置，正磁致伸缩膜(2)的对称线和负磁致伸缩膜(3)的对称线都与啁啾光栅(1)的轴线重合，正磁致伸缩膜(2)的顶点、负磁致伸缩膜(3)的顶点和啁啾光栅(1)的中心点重合，正磁致伸缩膜(2)的三角形底边长度是啁啾光栅(1)直径的3.5～5倍，正磁致伸缩膜(2)的厚度是啁啾光栅(1)直径的1.1～1.5倍，

镀有正磁致伸缩膜(2)和负磁致伸缩膜(3)的啁啾光栅(1)设置在螺旋管(4)内部，

螺旋管(4)的线圈两端分别与直流电源(5)的正负极相连，正磁致伸缩膜(2)的磁致伸缩系数为正数，负磁致伸缩膜(3)的磁致伸缩系数为负数。

2、根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置，其特征在于，正磁致伸缩膜(2)的材质选用磁致伸缩系数为300×10^-6的TbFe₂，负磁致伸缩膜(3)的材质选用磁致伸缩系数为-300×10^-6的SmFe₂。

3、根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置，其特征在于，啁啾光栅(1)选用反射率为95％以上的高反射率光栅。

4、根据权利要求1、2或3所述的一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置，其特征在于，一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置包括三端口的环形器(6)，环形器的第一个端口(A)为色散补偿信号输入端，环形器(6)的第二个端口(B)与啁啾光栅(1)的一端相连，环形器(6)的第三个端口(C)为色散补偿信号输出端。

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