CN1222793C - 可变光纤光栅及色散补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型的可变光纤光栅，该光纤光栅可以不改变工作中心波长而对色散量进行有效改变。本发明也提供一种色散补偿器，该色散补偿器采用该可变光纤光栅。通过提供一个围绕内圆柱(1)的外圆柱(2)而制作固定件，所述内圆柱(1)由具有较低线性膨胀系数的材料制成，所述外圆柱(2)由具有较高线性膨胀系数的材料制成，并且将光纤光栅固定在一个制作在内圆柱(1)上的凹槽(3)中。通过调节光纤光栅的固定位置，光纤光栅的膨胀系数和收缩系数在所述光纤光栅的轴向上随具有较高的线性膨胀系数的材料的膨胀和收缩而变化，从而使色散量得到控制。

Description

可变光纤光栅及色散补偿器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅，特别地涉及一种其色散补偿量可以变化的可变光纤光栅。

背景技术

一种光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，以下简称为“FBG”)是一种光纤元件，其特性为其折射率沿光纤的轴向方向呈周期性分布，并且反射特定波长的光。利用光栅周期Λ以及有效折射率n_eff，可将该FBG的反射光的波长λ用方程(1)来表示。

λ＝2n_effΛ                                       (1)

该FBG可应用于光多路复用器/多路分解器、光开关、光滤波器等器件中，并且是一种基本的光通信元件。FBG的一个实例是啁啾光纤光栅(chirped optical fiber grating)，其光栅周期或者有效折射率沿该光栅的轴向方向是变化的。啁啾光纤光栅广泛地应用于宽带滤波器，但是其最吸引人之处是应用于色散补偿光纤光栅，色散补偿光纤光栅补偿了光传输路径中色散的累积。

图8所示为一种色散补偿光纤光栅的结构简图。在图8中，参考符号11表示光传输的路径，而参考符号12表示一个光学循环器。光从传输路径11进入光学循环器的端口1，被传输到端口2，并入射到光纤光栅13。该光纤光栅13包括一个纤芯14以及一个包层15，并且纤芯14设置一个高折射率段以形成光栅段16。该光纤光栅13是一种啁啾光纤光栅，其高折射率段的周期或者有效折射率沿其轴向方向是变化的。

入射到光纤光栅13的光线在光栅段16被反射，但由于光栅周期沿光纤的轴向是变化的并且反射位置随波长而不同，所以反射光线经过的光路长度是不同的，该光路长度由其波长决定。在图8所示的情况中，长波长的光在光栅段16的左侧发生反射，该处具有长光栅周期或者高有效折射率，而短波长的光在光栅段16的右侧发生折射，该处具有短光栅周期或者低有效折射率。当该反射光经过光学循环器12而从端口3射出时，每种波长都会产生一个时差。将此随波长而变化的时差称为色散，并且通常采用ps/nm来表示其单位。

对于波长为1550nm的情况，在光通信中普遍采用的单模光纤具有约为每1km光纤长度17ps/nm的色散。如果色散较大，则将会导致通过光纤所传输的光脉冲变宽，因此不能精确的传输信息，原因是一个脉冲列的各个脉冲彼此叠加。因而，通过采用一种特别设计的其色散与构成光传输路径的光纤所产生的色散精确反向的色散补偿光纤光栅，就可以对光传输路径内累积的色散进行补偿，该色散补偿导致了光通信系统的重要改进。

然而，在光传输路径中产生的色散根据所采用的光纤类型和长度的不同而变化。因此，为实现彻底的色散补偿，有必要对每个将要补偿的光纤分别设计各自的色散补偿光纤光栅。

通常，采用相位掩膜法来制备光纤光栅，但为制备不同规格的光纤光栅，需要具有不同特性的相位掩膜。这些相位掩膜成本昂贵，因此色散补偿光纤光栅的价格也很高。

此外，由于一个光学传输路径的色散根据环境变化例如温度变化而改变，因此所需色散补偿量在夜晚及白天、以及不同季节之间而发生变化。因此，普通的色散补偿光纤光栅的问题是不能在各种条件下对色散进行完全补偿。因此，需要一种具有变化结构的色散补偿光纤光栅，其色散补偿特性随需要而变化。

为改变色散补偿光纤光栅的色散特性，有必要控制反射波长随轴向变化的特性，并且现在有几种实现这种控制的方法。其中的一个方法是对光纤光栅采用温度分布，另外一种方法是采用应变分布。

在对光纤光栅采用温度分布的方法中，通过沿光纤光栅的轴向设置一个温度分布使反射波长发生变化。在此方法中，需要沿光纤光栅的轴向提供一个精确的温度分布，但是由于采用一个点热源很难得到期望的温度分布形态，所以一个分布式的热源是必要的。作为此类方法的一个实例，现在有一种将金薄膜镀在光纤光栅上，并且整个光纤光栅的温度受到控制的方法。

然而，镀膜(deposition)装置造价昂贵，从而增加了制造成本，并且，该方法必需进行特定的镀膜工艺，同时需要精确改变光纤光栅轴向的镀膜厚度，而该工艺需要复杂的控制。此外，也需要在镀金膜的区段安装电极的操作，而复杂的结构和精确操作的要求导致产量很低，从而使成本变高。

此外，由于光纤光栅的反射中心波长向长波长的一侧漂移，当将工作波长设置在一个具体的波长时难于改变色散量，而这种改变是波长多路复用通信所必须的。

另一方面，一种对光纤光栅采用应变分布的方法，通过对光纤光栅的轴向采用不同的应变而改变反射光。然而，采用这种方法也难于得到一种应变沿轴向方向呈连续变化的结构，并且因此难于获得大的色散改变。

发明内容

本发明解决了上述问题。本发明的目的是提供一种能够有效改变其色散的小型光纤光栅，以及提供一种不改变工作中心波长而且具有可变色散特性的光纤光栅，并且提供一种采用所述可变色散光纤光栅的色散补偿器。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一个可变光纤光栅，其中将一个光纤光栅固定在一个固定件上，该固定件包括至少两种材料，每种材料具有不同的线性膨胀系数，并且采用将具有较低的线性系数的材料围绕具有较高线性膨胀系数的材料周围的方式而制作，其中使光纤光栅的结构满足：所述光纤光栅的膨胀系数和收缩系数，在上述光纤光栅的轴向上，跟随具有较高的线性膨胀系数的材料的膨胀和收缩而变化，从而通过调节上述光纤光栅的固定位置使色散量可变。

因此，可以实现一种色散可变的光纤光栅，该光纤光栅是小型的，并且能够有效改变其色散量。

本发明的第二方面是提供一种如第一方面所述的可变光纤光栅，其中所述的固定件是通过设置一个围绕内圆柱的外圆柱而制作的，该外圆柱包括具有较低的线性膨胀系数的材料，而内圆柱包括具有较高的线性膨胀系数的材料，这样，具有不同的线性膨胀系数的两种材料之间的界面形状构成了一个圆。

这样，可使在界面上所产生的压力变得均匀。

本发明的第三方面是一种如第一方面或者第二方面所述的可变光纤光栅，其中具有不同线性膨胀系数的各种材料是采用金属制作的。

因此，可以提供一种具有高刚性的可变光纤光栅。

本发明的第四方面是一种如第一或者第二方面所述的可变光纤光栅，其中在具有不同的线性膨胀系数的两种材料之中，只有具有较低的线性膨胀系数的材料是由金属材料制作的。

因此，可以在保持外侧刚性的情况下，获得一个较大的线性膨胀系数之差。

本发明的第五方面是一种如第一到第四方面的任一方面所述的可变光纤光栅，其中固定在固定件中的光纤光栅是一个啁啾光纤光栅，该光纤光栅的光栅周期或者有效折射率沿光纤的轴向而变化。

本发明的第六方面是一种如第一到第四方面的任一方面所述的可变光纤光栅，其中固定在固定件中的光纤光栅的光栅周期沿光纤的轴向方向是恒定的。

因此，通过温度调制的方式可以形成一个啁啾光纤光栅。

本发明的第七方面是一种如第一到第六方面的任一方面所述的可变光纤光栅，其中将多个光纤光栅固定到固定件。

因此，通过改变多个光纤光栅的固定位置，可同时改变每个光纤光栅的特性，因此可以使每个光纤光栅产生不同的特性改变。

本发明的第八方面是一种如第一到第七方面的任一方面所述的可变光纤光栅，其中在构成固定件并且具有较高的线性膨胀系数的材料中制作了一个凹槽，并且将光纤光栅固定在该凹槽中。

因此，可以准确地控制光纤光栅的固定位置。

本发明的第九方面是一种如第八方面所述的可变光纤光栅，其中采用树脂固定凹槽中的光纤光栅。

这样，可以精确地将内圆柱的膨胀和收缩传递到光纤光栅。

本发明的第十方面是一种如第九方面所述的可变光纤光栅，其中树脂的线性膨胀系数、杨氏模量(Young’s modulus)以及泊松比(Poisson’s ratio)与制作固定件的具有较高线性膨胀系数材料的线性膨胀系数、杨氏模量以及泊松比是相同的。

因此，使温度变化所引起的固定件和树脂之间发生应变差的概率最小，并且能够稳定光纤光栅的特性。

本发明的第十一方面是一种如第一到第十方面的任一方面所述的可变光纤光栅，其中提供了一个温度控制机构用以调节光纤光栅的温度。

从而可以对色散量进行精确调节。

本发明的第十二方面是一种如第一到第十一方面的任一方面所述的可变光纤光栅，其中将该光纤光栅固定在固定件上，其固定位置的设置满足：当温度在工作温度范围内变化时，在光纤光栅的每一端的反射波长的变化方向彼此是相反的。

因此，通过采取温度变化的方法，可以只改变色散量，而抑制反射中心波长的改变，即工作中心波长的改变。

本发明的第十三方面是一种色散补偿器，该色散补偿器采用如本发明的第一到第十二方面的任一方面所述的可变光纤光栅而补偿了光路的色散。

因此，能够实现一种小型的并且能够有效进行色散补偿的色散补偿器。

附图说明

图1所示为一个用于本发明的光纤光栅的具有一个凹槽的双圆柱。

图2所示为一个圆柱由于受压产生的形变。

图3所示为一个双圆柱由于受热产生的形变。

图4所示为当内圆柱采用铝制作，而(A)外圆柱采用钛，(B)或者外圆柱采用镍铁合金(invar)制作时，固定在固定件(内圆柱)中的光纤光栅每1℃的波长漂移量，以及固定件(内圆柱)的有效线性膨胀系数。

图5所示为当内圆柱采用PTFE制作，而(A)外圆柱采用钛，或者(B)外圆柱采用镍铁合金制作时，每1℃光纤光栅的波长漂移量。

图6所示为当内圆柱采用PCTFE制作的，而(A)外圆柱采用钛，或者(B)外圆柱采用镍铁合金制作时，每1℃光纤光栅的波长漂移量。

图7所示为当采用本发明的可变光纤光栅作为一个可变带宽滤波器时，带宽与传输损耗之间的关系图。

图8所示为基于光纤布拉格光栅的色散补偿器的结构示意图。

图9所示为本发明的一个具体实施例的结果的图表。

图10所示为本发明的具体实施例的结果的图表。

图11所示为本发明的具体实施例的结果的图表。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例给予细致说明。

本发明的可变光纤光栅是通过将一个光纤光栅固定在一个固定件上而形成的。该固定件包括至少两种材料，每种材料具有不同的线性膨胀系数，并且采用将具有较高的线性膨胀系数的材料由具有低线性膨胀系数的材料围绕的形式来制作。

图1所示为用于本发明的可变光纤光栅的具有一个凹槽的双圆柱的实例。

在图1中，参考符号1表示包括具有较高线性膨胀系数的材料的内圆柱。外圆柱2包括具有较低线性膨胀系数的材料，与内圆柱1的外围结合，这两个圆柱形成固定件。参考符号3表示制作在包括较高线性膨胀系数材料的内圆柱1上面的凹槽，并且将光纤光栅固定在该凹槽3中。在本实例中，制作在内圆柱1上的凹槽3是一个螺旋凹槽，沿内圆柱1的轴向具有螺旋形状，并且从内圆柱1中心轴到凹槽3的距离沿凹槽的纵向而变化。在图1中，假定内圆柱1的内半径为r_a，其外半径为r_b，而外圆柱2的内半径为r_c，其外半径为r_d。

以温度调制的方式，通过采用将光纤光栅固定到一个具有双圆柱结构的固定件的结构，该固定件包括具有不同线性膨胀系数的材料，同时改变到内圆柱1中心轴的距离，以及光纤光栅同内圆柱1的材料一起膨胀和收缩，从而实现可变光纤光栅的原理如下所述。

首先，如图2的剖面图所示，如果对一个内半径为r_a而外半径为r_b的圆柱施加一个内侧压力P_a以及一个外侧压力P_b，对于距圆柱中心距离为r的点，其径向位移可用方程(2)表示。

$u=\frac{1-v}{E}\·\frac{r_a^2{P}_a-r_b^2{P}_b}{r_b^2-r_a^2}r+\frac{1+v}{E}\·\frac{r_a^2{r}_b^2(P_a-P_b)}{r_b^2-r_a^2}\·\frac{1}{r}---\left(2\right)$

在方程(2)中，E是制作圆柱的材料的杨氏模量，而v是泊松比。

以下讨论如图1所示包括两种具有相互不同的线性膨胀系数的材料的双圆柱的情况。对于形成双圆柱的两个圆柱，假定其内圆柱(以下简称为“圆柱1”)的线性膨胀系数为α₁，而其外圆柱(以下简称为“圆柱2”)的线性膨胀系数为α₂，并假设α₁大于α₂。

图3所示为沿该双圆柱中心轴的一侧剖面图。在图3中，阴影部分表示圆柱1和圆柱2。其中，假设圆柱1的内半径为r_a，圆柱1的外半径为r_b，而假设圆柱2的内半径为r_c，圆柱2的外半径为r_d。假设在任何温度改变之前，圆柱1的外半径r_b和圆柱2的内半径为r_c是相等的，即r_b＝r_c＝R。

如果温度升高ΔT，则当圆柱1和圆柱2独立存在时，由于α₁＞α₂所以圆柱1的外半径膨胀的程度要大于圆柱2的内半径的膨胀程度。

在图3的中部所示为当圆柱1在径向上膨胀u_b，而圆柱2在径向上膨胀u_c的情况。

然而，当将圆柱1装配在圆柱2的内侧时，对于此双圆柱，圆柱1的外半径与圆柱2的内半径必需相等，因此，在圆柱1和圆柱2的界面处会产生压力。图3的下部所示的情况是：在圆柱1中产生一个向心压力P，而在圆柱2中产生一个与中心方向反向的压力P。

如果假设此压力为P，则由压力P而引起的圆柱1的外半径的变化量Δu_b可通过将p_a＝0，p_b＝p，r＝r_b代入方程(2)而得到的方程(3)来确定。

${\mathrm{\Δu}}_b=-\frac{P}{E_1}(\frac{r_a^2+r_b^2}{r_b^2-r_a^2}-v_1)r_b---\left(3\right)$

以同样的方式，圆柱2的内半径改变量Δu_c可通将P_a＝P，P_b＝0，r＝r_c代入方程(2)中而得到的方程(4)来确定。

${\mathrm{\Δu}}_c=+\frac{P}{E_2}(\frac{r_c^2+r_b^2}{r_d^2-r_c^2}+v_2)r_c---\left(4\right)$

其中，改变量u_b和u_c之差对应于由于温度升高而引起圆柱1和圆柱2的交叠程度。相反地，当线性膨胀系数为α的圆柱内温度升高ΔT时其半径r的改变量为αrΔT，u_b和u_c之差可由方程(5)来表示。

|Δu_b|+|Δu_c|＝u_b-u_c＝(α₁-α₂)RΔT                   (5)

由于r_b和r_c近似相等，所以假设r_b＝r_c＝R，根据方程(3)，(4)以及(5)，当温度改变ΔT时，圆柱1和圆柱2之间的界面处所产生的压力可由方程(6)来表示。

$P=\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)\mathrm{\ΔT}}{\frac{1}{E_1}(\frac{r_a^2+R^2}{R^2-r_a^2}-v_1)+\frac{1}{E_2}(\frac{R^2+r_d^2}{r_d^2-R^2}+v_2)}---\left(6\right)$

用该压力P替换方程(2)中的P_b，并假设P_a＝O，由温度变化ΔT而引起的圆柱1内位置为r处的位移量u_r可由方程(7)来确定，其中方程(7)中P即方程(6)所表达的P。

$u_r=-(\frac{1-v_1}{E_1}\·\frac{R^2}{R^2-r_a^2}\·r+\frac{1+v_1}{E_1}\·\frac{{r_a^{2}R}^2}{R^2-r_a^2}\·\frac{1}{r})P---\left(7\right)$

由温度变化而引起的圆柱1半径为r处的总位移u_T为热膨胀的αrΔT和外圆柱的存在而引起的位移u_r的和。因此，u_T可由方程(8)而表示。

$u_T={\mathrm{\α}}_1\mathrm{r\ΔT}+u_r$

$={\mathrm{\α}}_1{r}_a\mathrm{\ΔT}-(\frac{1-v_1}{E_1}\·\frac{R^2}{R^2-r_d^2}\·r+\frac{1+v_1}{E_1}\·\frac{r_a^2{R}^2}{R^2-r_a^2}\·\frac{1}{r})P---\left(8\right)$

由于可将圆周方向的收缩系数用u/r来表示，因此，圆柱1内半径为r处的有效线性膨胀系数α_total可由方程(9)表示。

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{total}}=\frac{u_T}{r}\·\frac{1}{\mathrm{\ΔT}}---\left(9\right)$

$=A-B\·\frac{1}{r^2}$

其中，

$A{=\mathrm{\α}}_1-\frac{1-v_1}{E_1}\·\frac{R^2}{R^2-r_a^2}\·\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)}{\frac{1}{E_1}(\frac{r_a^2+R^2}{R^2-r_a^2}-v_1)+\frac{1}{E_2}(\frac{R^2+r_d^2}{r_d^2-R^2}+v_2)}$

$B=\frac{1+v_1}{E_1}\·\frac{{r_a}^2{R}^2}{R^2-{r_a}^2}\·\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)}{\frac{1}{E_1}(\frac{{r_a}^2+R^2}{R^2-{r_a}^2}-v_1)+\frac{1}{E_2}(\frac{R^2+{r_d}^2}{{r_d}^2-R^2}+v_2)}$

在这种情况下，如果将具有不同线性膨胀系数的材料相结合，使其接触表面的轮廓线呈一个圆形，则内侧材料的有效线性膨胀系数沿径向而变化。

下面对通过采用上述双圆柱结构的固定件而实现控制光纤光栅色散的方法给予说明。由于用方程(1)表示了光纤光栅的反射波长，反射波长随温度的变化率dλ/dT如方程(10)所示。

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=2(\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}}{\∂T}\·\mathrm{\Λ}+\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\·n_{\mathrm{eff}})---\left(10\right)$

此外，如果假设光纤的线性膨胀系数为α，也可表示为Λ/T＝αΛ，因此方程(10)可表示为方程(11)的形式。

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=2(\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}}{\∂T}\·\mathrm{\Λ}+\mathrm{\α\Λ}{n}_{\mathrm{eff}})---\left(11\right)$

$=2(\frac{\∂n_{\mathrm{eff}}}{\∂T}+\mathrm{\α}{n}_{\mathrm{eff}})\mathrm{\Λ}$

其中，熔融状态的石英的折射率随温度的变化率为n/T＝+9.8×10^-6，并且为一个常数值。

如果将光纤的纵向方向定义为X轴，由于在此所采用的光纤光栅是一种啁啾光纤光栅，所以光栅周期Λ为X的函数。其中，为简便起见，分析一种线性啁啾光纤光栅的情况，该光栅是对于色散补偿最普遍采用的一种光纤光栅。在此情况中，光栅周期Λ可用方程(12)来表示。

Λ＝Λ₀+CX                                     (12)

其中，Λ₀为常数，并且C是一个称为啁啾率的常数，该常数表示光栅周期的变化率。通过将方程(12)代入到方程(11)中，并对X求一阶导数，可以得到光纤光栅的色散量随温度的变化关系。对方程(12)求一阶导数得到如下的方程(13)。

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\·\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dx}}+2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\α}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dx}}+2\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dx}}\frac{d{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{dT}}---\left(13\right)$

由于方程(13)右侧的第二项和第三项的值很小，因此将这些项忽略从而得到方程(14)。

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\·\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dx}}---\left(14\right)$

通常光纤线性膨胀系数α沿其轴向是恒定的，则方程右侧为零，即温度变化不会引起色散的改变。

另一方面，当假设线性热膨胀α沿轴的改变满足如下的方程(15)，

α＝α₀+α_XX                                      (15)

方程(16)给出方程(11)的一阶导数，

$\frac{d^2}{{\mathrm{dX}}^2}\·\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=2n_{\mathrm{eff}}C{\mathrm{\α}}_{X}X---\left(16\right)$

可以得到色散改变量沿光纤光栅轴向而变化的结构。因此，可以采用温度调制的方式而控制色散量。

当采用这种方式时，采用具有不同线性膨胀系数的材料而制作双圆柱结构的固定件，内圆柱的线性膨胀系数沿径向具有不同的值。如果将光纤光栅固定到该固定件上，对其固定位置进行调节，使光纤光栅的线性膨胀系数沿轴向而变化，则可以通过温度调制的方式而控制色散量。

例如，通过采用将光纤光栅固定到包括一个双圆柱的固定件的内圆柱上，当改变距离内圆柱中心轴的距离，且光纤光栅随制作内圆柱的材料共同膨胀和收缩时，可以通过温度调制的方式而控制色散量。当改变光纤光栅与内圆柱1的中心轴的距离时，可以通过在内圆柱1上制作一个螺旋形的凹槽而实现对光纤光栅的固定，并且将光纤光栅固定在该螺旋凹槽内。

此外，可固定到固定件上的光纤光栅的数目并不局限于一个，而可以将多个光纤光栅固定于其上。此时，通过改变多个光纤光栅的固定位置，可同时改变每个光纤光栅的特性，因此可以对每个光纤进行不同的特性改变。

一种将光纤光栅固定到内圆柱的可能的方法是：在内圆柱部分制作一个与光纤光栅具有相同或较大直径的凹槽，并且沿此凹槽将光纤光栅固定。通过将凹槽设置于预先设计的位置，可以固定光纤光栅并且使其位置精确地符合与内圆柱中心的距离。

此外，在将光纤光栅嵌入凹槽后通过利用树脂等物质将凹槽填充，可以稳定地将内圆柱的膨胀和收缩传递到光纤光栅。此时，如果采用填充到凹槽内的树脂的诸如线性膨胀系数、杨氏模量以及泊松比等物理性质与固定件的内侧材料的物理性质是相同的，则可以最小化由温度变化而引起的内圆柱和树脂之间的应变差的发生，并且使性能变得稳定。因此，优选地树脂的物理性质与固定件的内侧材料的物理性质是相同的。

对于采用作为固定件的各种材料的组合问题，该材料必须具有不同的线性膨胀系数，但是两种材料都采用金属会产生较高的刚性。此外，为获得有关色散的极大的可变性能，两种材料的线性膨胀系数之差应该尽可能的大。因此，优选地外圆柱采用金属制作，而内圆柱采用一种非金属材料诸如氟塑料(fluroplastic)或者塑料而制作。

另外，在上述说明中，固定件的形状是一个圆柱，但假如内侧材料的线性膨胀系数和外侧材料的线性膨胀系数不相同，由于温度升高而导致的接触面上所产生的压力会引起波长漂移，因此可以采用另外一种形状以更好地满足上述目的。然而，由于如果两种材料的接触面是圆形的，则接触面上所产生的压力是均匀的，所以优选地将接触面设置为圆形的。用于将两种材料以圆形的形状而紧密装配在一起的方法包括热套装配法和压力装配法。

上述基于温度变化控制色散量的方法是通过引入一种用于调节光纤光栅温度的温度控制机构而实现的。

如此可变光纤光栅的实例所述，将光纤光栅固定到固定件，该固定件包括至少两种材料，每种材料具有不同的线性膨胀系数，并且采用将具有较低的线性膨胀系数的材料围绕具有较高的线性膨胀系数的材料的方式而进行制作，并且通过调节光纤的固定位置使其满足：光纤光栅的膨胀系数和收缩系数沿光纤光栅的轴向跟随具有较高的线性膨胀系数的材料的膨胀和收缩而变化，从实现色散量可变。因此，可以实现一种可变的光纤光栅，该光纤光栅是小型的，并且其色散量能够有效变化。

以下对本发明的一个色散补偿器的实例给予说明。

如图8所示，在本实例中的色散补偿器是采用将上述的可变光纤光栅与一个光学循环器12相连的方式而形成的，例如，控制可变光纤光栅中的色散量以便消除光路11所产生的色散叠加。因此，通过使信号从光学循环器的端口1传输到端口2，并且经光纤光栅13而反射，对具有由光路11所产生的叠加色散的光信号进行了色散补偿。然后，该反射光从光学循环器的端口2经过端口3而输出。

根据本实例中的色散补偿器，通过采用一种结构，其中利用本发明的可变光纤光栅对光路所产生的色散进行补偿，从而实现一种小型的并且能够有效进行色散补偿的色散补偿器。

以下对一个具体实施例给予说明。

通过利用表1所示的材料而制作的一个双圆柱结构的固定件从而制备一个可变光纤光栅，并且将光纤光栅固定在此固定件上。

表1

材料名称	线性膨胀系数(10-6)[1/k]	杨氏模量1010[Pa]	泊松比
				钛	8.6	11.57	0.321
镍铁合金	0.13	14.4	0.259
				铝	23.1	7.03	0.345
PCTFE	60	0.15	0.4
				PTFE	100	0.05	0.4

在表1的材料中，采用镍铁合金和钛作为外圆柱材料，而采用铝，聚四氟乙烯(以下简称为PTFE)，以及聚氯三氟乙烯(以下简称为PCTFE)作为内圆柱材料。将表1所示的线性膨胀系数，杨氏模量以及泊松比代入方程(9)中以确定内圆柱的线性膨胀系数随半径的变化关系。其中，假设r_a＝2.5cm，R＝3.5cm，而r_b＝4.5cm。

然后，将所确定的线性膨胀系数α代入方程(11)中，从而确定具有此线性膨胀系数的光纤光栅因温度变化而引起的波长漂移度。其中，假设光栅周期为普遍采用的1.55μm波长带，而Λ＝531nm，n_eff＝1.455，n/T＝9.8×10^-6。

图4到图6给出了这种情况的计算结果。

图4所示为当内圆柱采用铝制作的情况，图5所示为内圆柱采用PTFE制作的情况，而图6所示为当内圆柱采用PCTFE制作的情况。在每个图中，(a)表示当外圆柱采用钛制作，而(b)表示当外圆柱采用镍铁合金制作的情况。

以下内容给出将因此得到的波长漂移量转换成光纤光栅的色散补偿量的可变范围的结果。

目前，商业可购买的相位掩膜的掩膜长度约为100mm。因此，如果相应地将光栅长度设置为100mm，并且将反射带宽设置为1.2nm，该带宽值为补偿一个WDM波长的色散所需的带宽，则光纤光栅的色散量为800ps/nm。该光纤光栅是固定于如图4所示的固定件上，其内圆柱采用铝制作而其外圆柱采用钛制作。

在这种情况下，如果将光纤光栅的长波长反射端确定为内圆柱的最外侧直径(r＝3.5cm)的位置，而将短波长反射端设定为最内侧的直径(r＝2.5cm)的位置，则长波长反射端将每1℃向长波长端移动0.0346nm，并且短波长反射端每1℃向长波长端移动0.0291nm。因此，光纤光栅的带宽每1℃增加0.0055nm(＝0.0346nm-0.0291nm)。

如果温度变化量为30℃，则带宽变化为0.0055nm/℃×30℃＝0.165nm。如果长度为常数，由于带宽和色散量成反比关系，色散量为800ps/nm×1.2nm/(1.2nm+0.165nm)＝703ps/nm，且其变化为800-703＝93ps/nm。

该93ps/nm的色散变化量近似与普遍用于传输的480km的光纤中，当温度发生100℃变化时(从-30℃到70℃)的色散变化相同，该值足以补偿由光传输路径的温度所引起的变化。

此外，如果将光纤光栅的长波长反射端和短波长反射端的固定位置倒置，则温度升高会引带宽起变窄。因此，当升高30℃时色散量为800ps/nm×1.2nm/(1.2nm-0.165nm)＝928ps/nm，并且可以使色散量增加928-800＝128ps/nm。

此外，当内圆柱采用铝制作而外圆柱采用镍铁合金制作时，或者当内圆柱采用PCTFE或者PTFE制作时，由于波长漂移量对半径的依赖关系要大于一个温度单位，因此在相同的温度变化范围内能够得到较大的变化范围。此外，在相同的变化范围内，可在一个较小温度范围进行色散补偿。

例如，当将光纤光栅固定在一个固定件时，该固定件的内圆柱是采用PCTFE制作而其外圆柱采用镍铁合金制作，则内圆柱的最内侧的直径的波长移动为-0.035nm/℃，而最外侧直径的波长移动为0.012nm/℃，因此，每1℃的带宽变化为0.012-(-0.035)nm/℃＝0.047nm/℃。由于0.165nm的带宽变化是获得上述93ps/nm的相同变化所必须的，这样得出0.165/0.047＝3.5℃，表明仅通过4℃左右的温度变化可以达到这个结果。

因此，通过将一个沿其轴向具有一个恒定的光栅周期的光纤光栅固定到上述固定件上，可以通过温度调制的方式而形成一个啁啾光纤光栅。例如，如果将光纤光栅固定在一个内圆柱采用PCFTE而外圆柱采用镍铁合金制作的固定件，则每1℃的带宽变化为0.046nm。因此，当要形成一个带宽为1.2nm的啁啾光纤光栅时，由于1.2/0.046＝26℃，因此温度变化为26℃。一种具有均匀周期的光纤光栅也可以被采用作为有足够带宽的光纤光栅，以允许采用作为一个色散补偿光纤光栅。

在这种情况下，内圆柱是采用PCTFE或者PTFE制作的，可以根据光纤光栅的固定位置使波长移动方向反向。所以，由于可以在光纤光栅的两端倒转反射波长的变化方向，因此可以通过温度变化而仅改变色散量，同时抑制反射中心波长，即工作中心波长的变化，。

此外，采用温度控制以改变光纤光栅的反射波长频带，则可利用此实例的光纤光栅作为一个可变频带滤波器。另外，如果频带变化，则反射系数和透射系数也相应改变，也因此能够利用光纤光栅作为一个可变的透射/反射滤波器。例如，图7所示为采用光栅长度为100mm而折射系数变化量为0.0015的光纤光栅时所得到的透射阻带和反射带宽的关系。

图6所示为将一个啁啾光纤光栅以螺旋形状固定到一个计算中所采用的形状的双环结构上所得到的实际特性。该螺旋凹槽的设计使线性膨胀系数沿凹槽的纵向呈线性变化，这样使波长移动对温度的变化率在螺旋中心附近为零。因此，可以得到一种结构，其中只有色散量是变化的，而保持群延迟频率的线性和中心波长特性不变。其中，固定光纤光栅使具有较长的光栅周期的一边位于螺旋凹槽较短半径的位置。

图9所示为反射光谱的随温度的变化关系。可以确定随温度的升高，反射光谱的短波长端向长波长侧移动而长波长端向短波长侧移动。因此可以达到相应于只有反射频带改变而实际上反射中心波长不发生变化的设计特点。

图10所示为群延迟频率特性。可以确定只有群延迟光谱的倾斜度(inclination)发生改变，同时保持线性形状。

图11所示为此实例的色散量以及反射中心波长随温度的变化。该色散量被确定为图10中所示的组延迟特性的线性近似倾角。

因此，通过将温度从12℃改变44℃到56℃，色散量从750ps/nm变化到2000ps/nm。此外，此时的中心波长变化在所有可变频带上小于0.1nm，证实根据这种设计可以实现具有大的可变色散区域并且实际上无中心波长移动的色散补偿器。

其中，对于其螺旋凹槽的设计使得线性膨胀系数沿螺旋凹槽的方向而呈线性变化的情况进行多次实验，但是如果线性膨胀系数以次有方式(secondary manner)而变化，则可使色散倾斜度可变。此外，通过将光纤光栅的固定位置的线性膨胀系数表示为一个沿光纤轴向的可选函数，可以轻易地得到期望的变化特性。

如上所述，根据本发明，将一种光纤光栅固定到一个包括至少两种材料的固定件上，每种材料具有不同的线性膨胀系数，并且采用将具有较低的线性膨胀系数的材料围绕具有较高的线性膨胀系数材料的形式而制作，并且通过调节光纤光栅的固定位置使随具有较高的线性膨胀系数的材料的膨胀和收缩的光纤光栅的膨胀系数和收缩系数沿光纤光栅的轴向而变化，从而使色散量可变。因此，可以实现一种小型的可变光纤光栅，并且其色散量能够被有效改变。

此外，通过采用两种材料并使具有较低的线性膨胀系数的外圆柱围绕一个其材料具有较高线性膨胀系数的内圆柱的方式而制作的固定件，使不同线性膨胀系数的材料之间的接触界面的轮廓呈一个圆形，可以使界面上所产生的压力变得均匀。

此外，通过使具有不同线性膨胀系数的两种材料采用金属制作，可以使制作的可变光纤光栅具有高刚性。

而且，通过将沿光栅的轴向方向其光栅周期为常数的光纤光栅固定在固定件上，可通过温度调制的方式而形成一个啁啾光纤光栅。

再者，通过将多个光纤光栅固定到固定件上，并且改变该多个光纤光栅的固定位置，可以同时改变每个光纤光栅的特性，使每个光纤光栅得到不同的特性变化。

另外，通过在构成固定件的具有较高线性膨胀系数的材料中制作一个凹槽，并且采用树脂将光纤光栅固定在该凹槽中，可以精确地将内圆柱的膨胀和收缩传递到光纤光栅。

此外，通过使光纤光栅固定在固定件的凹槽中采用的树脂的线性膨胀系数，杨氏模量以及泊松比分别与制作固定件的具有较高的线性膨胀系数的材料的线性膨胀系数，杨氏模量以及泊松比相同，则可以使温度变化所引起的固定件和树脂间的应变差的发生概率最小，并且也能够使光纤光栅的特性稳定。

另外，通过将光纤光栅固定到固定件的固定位置，使其满足当温度在工作温度范围内变化时，光纤光栅的每一端的反射波长的变化方向彼此相反，从而可以通过温度变化的方式而只改变色散量，而抑制反射中心波长，即工作中心波长的变化。

此外，根据本发明，通过采用本发明的可变光纤光栅而对光传输路径的色散进行补偿，可以实现一种小型的并且能够有效地进行色散补偿的色散补偿器。

Claims (25)

1.一种可变光纤光栅，包括：

一个光纤光栅；

一个固定件，

其中所述的光纤光栅固定在所述的固定件上，

所述的固定件至少包括第一种和第二种材料，第一种材料较第二种材料具有较高线性膨胀系数，具有较低线性系数的第二种材料围绕具有较高线性膨胀系数的第一种材料，并且

其特征在于，使光纤光栅的结构满足：所述光纤光栅的膨胀系数和收缩系数在所述光纤光栅的轴向上，随具有较高的线性膨胀系数的第一种材料的膨胀和收缩而变化，由此，可通过调节所述光纤光栅的固定位置，通过温度调节来改变色散量，且

所述的固定件是通过提供一个围绕内圆柱的外圆柱而形成的，所述的外圆柱包括具有较低线性膨胀系数的第二种材料，而内圆柱包括具有较高线性膨胀系数的第一种材料，且具有不同的线性膨胀系数的上述第一种材料和第二种材料之间的接触表面的截面呈圆形。

2.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述第一种和和第二种材料包括金属。

3.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，只有所述第二种材料包括金属。

4.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，固定在固定件中的所述光纤光栅是一个啁啾光纤光栅，该光纤光栅的光栅周期或者有效折射率沿光纤的轴向而变化。

5.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅的光栅周期沿光纤的轴向方向是恒定的。

6.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，将多个光纤光栅固定到所述固定件上。

7.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，在第一种材料中制作了一个凹槽，并且将光纤光栅固定在所述凹槽中。

8.如权利要求7所述的可变光纤光栅，其特征在于，采用树脂将所述的光纤光栅固定在所述凹槽中。

9.如权利要求8所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述树脂的线性膨胀系数、杨氏模量以及泊松比分别与第一种材料的线性膨胀系数、杨氏模量以及泊松比相同。

10.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，还包括一个温度控制机构用以调节所述光纤光栅的温度。

11.如权利要求1所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅固定在固定件上，其固定位置的设置满足：当温度在工作温度范围内变化时，在光纤光栅的每一端的反射波长的变化方向彼此是相反的。

12.一种色散补偿器，对光线传输的色散进行补偿，所述的色散补偿器包括一个可变光纤光栅，其特征在于，所述的可变光纤光栅包括：

一个光纤光栅；以及

一个固定件，

其中，所述的光纤光栅固定在所述的固定件上，

所述的固定件至少包括第一种和第二种材料，第一种材料较第二种材料具有较高线性膨胀系数，且具有较低的线性系数的第二种材料围绕具有较高线性膨胀系数的第一种材料，并且

其特征在于，使光纤光栅的结构满足：所述光纤光栅的膨胀系数和收缩系数在轴向上随具有较高的线性膨胀系数的第一种材料的膨胀和收缩而变化，从而通过调节所述光纤光栅的固定位置，采用温度调制来改变色散量。

13.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述的固定件是通过提供一个围绕内圆柱的外圆柱而形成的，所述的外圆柱包括具有较低线性膨胀系数的第二种材料，而内圆柱包括具有较高线性膨胀系数的第一种材料，且具有不同的线性膨胀系数的上述第一种材料和第二种材料之间的接触表面具有圆形的截面。

14.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述第一种和第二种材料均包括金属。

15.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，只有所述第二种材料包括金属。

16.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，固定在固定件中的所述光纤光栅是一个啁啾光纤光栅，该光纤光栅的光栅周期或者有效折射率沿光纤的轴向而变化。

17.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅的光栅周期沿光纤的轴向方向是恒定的。

18.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，将多个光纤光栅固定到所述固定件上。

19.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，在第一种材料中制作了一个凹槽，并且将光纤光栅固定在所述凹槽中。

20.如权利要求19所述的可变光纤光栅，其特征在于，采用树脂将所述的光纤光栅固定在所述凹槽中。

21.如权利要求20所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述树脂的线性膨胀系数、杨氏模量以及泊松比分别与第一种材料的线性膨胀系数、杨氏模量以及泊松比相同。

22.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，还包括一个温度控制机构用以调节所述光纤光栅的温度。

23.如权利要求12所述的可变光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅固定在固定件上，其固定位置的设置满足：当温度在工作温度范围内变化时，在光纤光栅的每一端的反射波长的变化方向彼此是相反的。

24.一种可变光纤光栅包括：

光纤；

第一种材料；以及

第二种材料，

其中，所述光纤光栅的至少一部分固定在形成于一固定件的槽内，所述固定件包括第一种和第二种材料，所述部分构成一个光纤光栅，且

其中，所述固定件是通过提供一围绕内圆柱的外圆柱而形成的，所述外圆柱包括具有较低线性膨胀系数的所述第二种材料，所述内圆柱包括具有较高线性膨胀系数的所述第一种材料，使得所述具有不同线性膨胀系数的第一和第二种材料的接触面具有圆形截面。

25.一种改变色散量的方法，通过在可变光纤光栅中进行温度调制来实现，所述的可变光纤光栅的至少一部分固定在第一种和第二种材料之内，所述部分构成一个光纤光栅，第一种材料较第二种材料具有较高的线性膨胀系数，并且第二种材料环绕第一种材料，所述的方法包括：

确定上述光纤光栅的位置，使所述光纤光栅的膨胀系数和收缩系数沿所述光纤光栅的轴向变化；并且

通过改变对其所施加的温度而引起第一种材料的膨胀和收缩，从而改变光纤光栅内的色散量。

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