CN1388392A - 光纤光栅的温度补偿设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于补偿一个光纤的一个预应变光纤光栅的一个温度补偿设备,其中所述设备包括其形状基本上是圆柱的一个体,并且其中这个光纤光栅被绕在所述体上,由此所述体的尺寸根据温度的变化而改变。根据本发明的这个温度补偿设备是无热的,并且允许调节光纤光栅的波长。
Description
技术领域
本发明是基于在这里被用作参考的一个优先申请EP 01 440 120.2的。
本发明涉及在光纤通信系统中所使用的光纤光栅，更特别地，涉及长的光纤光栅并且涉及用于这样一个光纤部件的一个温度补偿设备。
背景技术
通过将一个对光敏感的光纤的一部分用紫外线(UV)进行干涉曝光，对光纤折射率产生一个永久的改变，就可以实现一个光纤光栅。这些光纤光栅能够将从同传的基本导波模式来的光信号耦合到相反方向传播的基本模式(标准布拉格光栅)，耦合到后向辐射模式(倾斜布拉格光栅)，或者耦合到一个前向包层模式(长周期光栅)。他们可以将来自一个偏振模式的光信号耦合到另一个偏振模式(偏振模式转换器)。他们也可以将来自一个模式的光信号耦合到另一个模式，当光纤是一个多模光纤时(模式转换器)。
在光纤中用UV方法制造的布拉格光栅结构形成光学滤波器，这样的光学滤波器在光纤通信领域内具有大量的应用，并且特别地，他们可以被用于在波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)系统中提供精度非常高的波长选择性。例如，他们可以被用于滤波，信号路由，补偿传输光纤中的色散或者均衡光纤放大器的增益。
这个滤波器的波长取决于光纤的折射率和光栅的周期。对光纤系统中的合适使用和高精度波长选择性来说，这个滤波器的波长需要在一个很宽的温度范围内保持不变(典型地，是从-20℃到85℃)。不幸的是，光纤材料容易受温度改变的影响。典型地，这导致了在一个传统的通信用光纤中写入的一个标准布拉格光栅，温度导致的波长变化大约是10pm/℃。
在前面所提到的WDM或者DWDM系统中，需要用于补偿大带宽色散的滤波器，这就意味着布拉格光栅结构的长度很长，例如，其长度为1米或者甚至为几米。因为这个应用，线性啁啾光纤光栅(linearly chirped fiber grating)可以被用于补偿色散。二次啁啾光纤光栅可以被用于补偿色散的斜率。为了补偿更高阶的色散，具有更复杂啁啾结构的光纤光栅需要被使用。
US 5,042,898公开了补偿组件，该补偿组件通过施加补偿温度灵敏度的机械应变来补偿带布拉格光栅滤波器的一个光学传输路径的一个波长相关性。这个处理利用了在一个布拉格光栅滤波器的热灵敏度和压缩或者变形灵敏度之间的类线性关系，以使可以实现相反的补偿。在进行封装时，这个光纤光栅被放置在基于两个材料之间热胀冷缩吸收差异的拉力环境下。当温度增加时，这个封装压缩处于拉力环境下的光纤光栅，由此，温度感应的波长移动被补偿了。最近的US 6,147,341和US 6,144,789都提出了一个温度补偿设备，该温度补偿设备带第一和第二扩展组件，它在与光纤光栅平行的一个方向上对光纤施加一个拉长的应变。
前面提到的、现有技术中所有无热组件设备的一系列问题是，光栅需要是直的，并且无热组件的设备只能应用于一个类型的光栅，即，或者是标准布拉格光栅，或者是倾斜的布拉格光栅，或者是长周期的光栅，或者是模式转换器，这样，特别地，这个方法对长度大于几十毫米的光栅就不能够使用。
发明内容
所以，本发明需要解决的问题是为一个光纤中的所有不同类型的光纤光栅提供一个温度补偿设备，以获得不被温度变化所影响的长光纤光栅光学滤波设备。
通过使用用于一个光纤的光纤光栅的温度补偿设备就解决了这个问题，其中所述设备包括其形状基本上是一个圆柱的一个体，并且其中这个光纤光栅被绕在所述体上，由此所述体的尺寸根据温度的变化而改变。
所以，根据本发明的、用于补偿一个光纤的一个预应变光纤光栅的一个温度补偿设备包括其形状基本上是圆柱的一个体，并且其中这个光纤光栅被绕在所述体上，由此所述体的尺寸根据温度的变化而改变。
所述体的尺寸根据温度而进行改变，并且影响了整个光纤光栅，所以，就使下面的成为可能：即使是带一个故意选择长度的一个光纤光栅，当被绕在具有相应尺寸的一个体上时，也可以被所述体的尺寸的改变而产生一个有利的影响。当温度增加时，所述体的直径变小，导致被绕在这个设备上的光纤光栅产生机械形变。所以，通过对光纤光栅施加机械应变而平衡了温度对光纤光栅的影响。
在一个有利的实施方式中，根据本发明的这个温度补偿设备具有包括热膨胀系数为第一膨胀系数的材料的第一热膨胀组件和包括热膨胀系数为第二膨胀系数的材料的第二热膨胀组件，他们被朝向所述体内放置。这个结构允许这个设备甚至能够平衡在温度变化时而产生的小改变差异。
有利的是，这个设备的形状基本上是圆的，并且包括至少两个基本上对称放置的部分，这至少两个对称放置的部分能够允许将长达几十厘米的光纤盘起来。这允许减少该设备的尺寸。在一个更有利的实施方式中，光纤滤波器被绕在两个半心轴上。
优选地，在光纤光栅和这个设备之间安排有一个光滑的硅树脂层，以使这个光纤能够在该设备均匀地移动。优选地，这个光纤光栅具有一个涂敷层来保护光纤光栅不被外部破坏所损坏。
应理解，前面所提到的和下面将解释的本发明的特征不仅被用于具体描述的组合中，而且也可以被该领域内的技术人员用于其它组合或者单独使用，而不会超出本发明的范围。
附图说明
本发明被示意图性地解释在图1和2中，并且被参考附图进行了详细描述。
图1示意图性地描述了通过根据本发明的一个温度补偿设备的一个横切面。
图2示意图性地显示了沿图1线A-A的一个剖面。
具体实施方式
首先，在这里所使用的术语的定义被给出，以能够更好地理解本发明。
无热封装指能够在频谱规定内，特别地在一个光纤滤波器的波长上，平衡热影响的任何装置。
在本发明申请的上下文中的接触意味着两个设备或者部分处于这样一个物理接触的状态，以使对光纤光栅的机械力，例如压强，张力，可以被传递。
在图1中，根据本发明的一个温度补偿设备100包括一个预应变光纤光栅102。这个光纤光栅被一个涂敷层101(典型的是一个软硅树脂或者树脂)所覆盖，以允许光纤光栅随着温度进行膨胀而不会对光纤光栅产生张力。可以使用该领域内的技术人员众所周知的任何方法来形成光纤光栅102，例如在US 4,725,110或者在EP 0 730 172 A1中所公开的方法。这个光纤光栅102被用张力绕在一个体111上，所述体111包括两个半心轴103。在沿轴b109的区域中，这两个半心轴103没有相互接触。在这两个半心轴之间的空间是几个毫米。这两个半心轴103的材料可以是硅或者其它材料。这两个半心轴103的热膨胀必须尽可能地与光纤光栅的热膨胀接近。应理解，体111可能不仅包括两个半心轴103，也可以包括数量很多的这种半心轴或者其它合适的几何结构，只要他们是对称的并且他们的数目是偶数。
另外，第一热膨胀组件107和第二热膨胀组件105，称作“放大组件”被使用任何传统的方式固定在所述体111的内部。第一热膨胀组件107具有一个椭圆的结构，并且在接触区域104与沿轴a108的半心轴103相互接触。椭圆形第一热膨胀组件107的材料具有较低的热膨胀系数。例如，椭圆形第一热膨胀组件107的材料是Invar或者其它Zerodur或者ULE。Invar的热膨胀系数典型的是10.10-7。
第二热膨胀组件105也被称作“弦拉”。这个“弦拉”105被压缩地安装在椭圆形第一热膨胀组件107的内部。这个“弦拉”可以是一个无源装置，即其结构没有外部提供或者没有有源装置。一个无源装置是一个部件，其结构可以改变而不需要外部提供。一个有源装置是一个部件，其结构随一个外部提供而改变。在一个无源装置的情形下，这个弦拉的热膨胀系数TEC就必须被考虑。典型地，热膨胀系数TEC的值是200.10-7。在一个有源装置的情形下，这个热膨胀系数TEC不是一个决定因素。例如，有源装置是一个压电激励器或者其它装置。
下面，将参考替代的“无源”和“有源”弦拉105来解释根据本发明的这个温度补偿设备的功能。
1、无源弦拉105：
如果温度增加，“弦拉”105的长度就沿轴b109增加。在这个情形下，椭圆形第一热膨胀组件107沿轴a108的长度就被缩短。“弦拉”105将膨胀得比椭圆形第一热膨胀组件107大，这是因为热膨胀系数的差异。短轴109(b)拉伸而椭圆形第一热膨胀组件107的长轴108(a)被压缩，这两个半心轴103将在区域106中进行相互接触。前面已经在围绕这两个半心轴103牵引下被放置的光纤光栅102就被压缩。当温度降低时，就出现相反的情形。
2、有源弦拉105(压电激励器)：
在这个情形下，弦拉105是压电激励器。通过改变被施加到该压电激励器上的电压，这个压电激励器的长度，由此弦拉105的长度可以被改变，从而改变在这两个半心轴103之间的区域106中的距离。这导致对被围绕在这两个半心轴103上的光纤光栅102的牵引被改变，这样就改变了光纤光栅102的波长。这个封装，即，根据本发明的这个温度补偿设备100的整个建立允许调节光纤光栅102的频谱规格，特别是波长。可以合适地选择压电激励器的材料来使这个封装是可调节的并且是无热的。封装的规定直径大约是60毫米。也可以使用更小的直径，这取决于光纤的弯曲损耗。
图2显示了温度补偿设备200沿图1线A-A的一个剖面图。光纤光栅202被以连接的回圈围绕在半心轴203上，并且具有一个光滑的涂敷层202(典型的是一个软硅树脂或者其它材料)，以允许光纤光栅随温度进行膨胀而不会对光纤光栅产生应变。在光纤光栅202的每一个顶点206上，例如，它被胶或者黄铜焊锡或者该领域内技术人员众所周知的其它装置所固定。被固定在这个体的内部，被两个半心轴103所形成，这个空的、圆形的或者椭圆的第一热膨胀组件107包含第二热膨胀组件105。关于其进一步的细节，见图1。
下面，详细描述本发明的工作原理。
如上面所总结的，这个原理在于一个光纤布拉格光栅的物理光学特性被温度和形变所影响。
为了补偿这个影响，根据本发明的无热封装必须满足下面的条件：
dλ/dT≈0。
其中λ是波长，而T是温度，单位为℃。
一个布拉格光栅滤波器的热灵敏度的典型值是：
dλ/dT＝10pm/℃。
一个布拉格光栅滤波器的形变灵敏度的典型值是：
dλ/dε＝1.2pm/μdef。
其中dε是应变的改变，而μdef是ΔL/L，并在10-6的数量级。
一个光纤中的布拉格光栅滤波器的热变化可以通过下面的方程，使用根据本发明的封装而施加的一个机械形变来机械补偿：
dε/dT＝-8.3μdef/℃。
考虑到热灵敏度和形变灵敏度，这个封装必须具有一个线性差异膨胀系数：
α≈-8.3×10-6/℃。
布拉格光栅的热灵敏度和形变灵敏度的另一个值也可以被用于无热封装。
Claims (13)
1、用于补偿一个光纤的一个光纤光栅的一个温度补偿设备，其中所述设备包括其形状基本上是圆柱的一个体，并且其中这个光纤光栅被绕在所述体上，由此所述体的尺寸根据温度的变化而改变。
2、如权利要求1的这个温度补偿设备，其中包括热膨胀系数为第一膨胀系数的材料的第一热膨胀组件和包括热膨胀系数为第二膨胀系数的材料的第二热膨胀组件被放置在所述体内。
3、如权利要求1的这个温度补偿设备，其中所述第一热膨胀组件被固定到所述体的内部来形成一个接触区域。
4、如权利要求2的这个温度补偿设备，其中所述第一热膨胀组件具有一个椭圆的形状。
5、如权利要求3的这个温度补偿设备，其中所述第一热膨胀组件是空的。
6、如权利要求5的这个温度补偿设备，其中所述第二热膨胀组件被放置在所述第一热膨胀组件的内部。
7、如权利要求6的这个温度补偿设备，其中所述第二热膨胀组件被沿所述第一热膨胀组件的内部短轴放置。
8、如权利要求1的这个温度补偿设备，其中所述体包括n个对称的部件，这n个对称的部件被隔开一段距离并且其中n是偶数。
9、如权利要求1的这个温度补偿设备，其中所述第一和所述第二热膨胀组件的热膨胀系数基本上是类线性的。
10、如权利要求1的这个温度补偿设备，其中所述第一热膨胀组件的热膨胀系数比所述第二热膨胀组件的热膨胀系数小。
11、如权利要求10的这个温度补偿设备，其中所述第二热膨胀组件包括一个压电材料。
12、如权利要求1的这个温度补偿设备，其中所述体包括具有一个负的热膨胀系数的一个材料。
13、如前面权利要求中任何一个的这个温度补偿设备，其特征在于一个硅树脂层被放置在光纤光栅和所述体之间。
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