CN1399152A - 一种无源温度补偿的光纤光栅及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源温度补偿的光纤光栅及其制造方法。本发明包括至少一个光纤光栅、一热膨胀系数极小的支架、一热膨胀系数大的调整杆，其中光纤光栅固定在支架上表面两端，调整杆安装在支架下部两侧板内。本发明由于采用热膨胀系数大的调整杆与热膨胀系数极小的支架相结合的结构来制造无源温度补偿的光纤光栅的方法，既可以充分保证容易获取制作器件的材料，且其制造简单易行、结构合理可靠、制作重复性好、制造的器件体积小重量轻、成本低；又可以有效保证制作的器件在无源条件下的温度补偿性能稳定可靠，能完全满足系统的功能要求，即能够完成正确的功率反射和色散补偿功能。而且支架一端固装在壳体内，另一端通过定位螺母空套于壳体内的结构，使本发明所述的无源温度补偿的光纤光栅既有一定的自由伸缩，又可减少其振动时结构的摆动幅度，进一步提高器件的可靠性。

Description

一种无源温度补偿的光纤光栅及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅，特别是一种具有温度补偿的光纤光栅。

背景技术

光纤光栅是一种由紫外光对具有光敏特性的光纤进行直接曝光而在光纤芯区形成折射率周期性变化的一种新型光器件。啁啾光栅即是其中的一种光纤光栅。

由于环境温度变化，光纤的体积和纤芯折射率发生变化，进而引起啁啾光栅的一个重要参数中心波长漂移。当啁啾光栅的中心波长漂移量较大时，相对应的信号光就不能被正确反射和色散补偿。所以在系统中要求啁啾光栅的中心波长尽可能保持稳定。保持啁啾光栅的中心波长稳定有多种方法，比如；a、把啁啾光栅放置在一个温度保持稳定的环境里；即通过控制啁啾光栅的环境温度稳定从而控制啁啾光栅的中心波长。b、啁啾光栅是一种正温度系数器件，即温度升高时中心波长变长，温度降低时中心波长变短。利用负热膨胀系数的特种材料(如陶瓷等)，经适当选择和装配，可以抵消随温度变化时啁啾光栅的中心波长变化量，从而保持啁啾光栅的中心波长稳定。C、选用膨胀系数不同的几种材料(如金属等)，利用特殊结构，经适当装配，可以抵消随温度变化时啁啾光栅的中心波长变化量、从而保持啁啾光栅的中心波长稳定。d、选用温度系数非常小的特种光纤制作啁啾光栅，当环境温度变化时啁啾光栅的中心波长变化量小，系统可以忍受。

如上所述，理论上保持啁啾光栅的中心波长稳定的方法较多，但是多数方法有缺点，难度大。制作一个放置啁啾光栅的恒温环境，需要大功率的恒温电路，可靠性差，而且体积大。负热膨胀系数的特种材料价格昂贵而且目前还没有足以满足啁啾光栅长尺寸要求的产品销售。目前也还设有温度系数非常小，能够满足制作中心波长稳定的啁啾光栅的特种光纤的报道。

发明内容

针对上述缺点，本发明的目的是提供一种制造简单易行、结构合理可靠、体积小、重量轻、温度补偿性能好、可靠性高的无源温度补偿的光纤光栅。

本发明的另一目的是提供一种将热膨胀系数极小的支架及热膨胀系数大的调整杆与光纤光栅有机结合，且制造简单易行、结构合理可靠、温度补偿性能好、可靠性高的制造上述无源温度补偿的光纤光栅的方法。

为实现上述发明目的，本发明包括至少一个光纤光栅、一热膨胀系数极小的支架、一热膨胀系数大的调整杆，其中光纤光栅固定在支架上表面两端，调整杆安装在支架下部两侧板内。

为有效保证光纤光栅在使用过程中完成正常的温度补偿功能，上述光纤光栅经过拉伸加工后平置于支架的上表面并通过粘接固定在支架两端，该光纤的光栅有效区域位于两粘接点之间。

上述调整杆靠近两端部的一段向中间凹入形成有凹环，上述支架的两侧板内分别对应设有可容置调整杆两端部的腔体大、开口小的安装孔，所述调整杆通过其两端与支架两侧板的安装孔安装在支架下部并通过粘接固定。为进一步方便在制作过程中微调光纤光栅的中心波长，保证光纤光栅的中心波长在标准波长附近，从而大大提高制作器件的成品率，上述支架的安装孔和调整杆的端部之间具有一定的间隙使两者形成松配合，该间隙的值一般为0.1mm。

为使本发明所述的无源温度补偿的光纤光栅既有一定的自由伸缩，又可减小其振动时结构的摆动幅度，提高器件的可靠性，本发明还包括有外壳，其中安装有光纤光栅、调整杆的支架的左端通过至少一套螺丝——螺母的配合固定在外壳内腔左端，其右端松套在外壳内腔右端。其中为进一步减小振动时结构的摆动幅度，上述支架的右端与外壳右端之间设有可定位支架右端的螺丝——螺母。

为实现本发明的另一目的，本发明所述的光纤光栅的制造方法包括以下步骤：

a、设计加工尺寸合适的支架和调整杆；

b、将光纤光栅拉伸一小段后，通过紫外胶粘接在支架上表面两端；

c、将拉伸后粘接在支架上的光纤光栅进行老化处理，确保光纤光栅的中心波长在标准波长附近；

d、将调整杆两端安装在支架两侧板的安装孔内；

e、利用调整杆与支架安装孔之间的间隙内压或外推支架而微调光纤光栅的中心波长到标准波长；

f、将紫外胶涂在支架与调整杆的间隙处，通过紫外胶的固化将调整杆固定在支架两端。

本发明由于采用热膨胀系数大的调整杆与热膨胀系数极小的支架相结合的结构来制造无源温度补偿的光纤光栅的方法，既可以充分保证容易获取制作器件的材料，且其制造简单易行、结构合理可靠、制作重复性好、制造的器件体积小重量轻、成本低；又可以有效保证制作的器件在无源条件下的温度补偿性能稳定可靠，能完全满足系统的功能要求，即能够完成正确的功率反射和色散补偿功能。而且支架一端固装在壳体内，另一端通过定位螺母空套于壳体内的结构，使本发明所述无源温度补偿的光纤光栅既有一定的自由伸缩，又可减少其振动时结构的摆动幅度，进一步提高器件的可靠性。

附图说明

以下结合附图详细说明本发明的基本组成及工作原理：

图1是本发明的结构组成示意图；

图2是本发明铝调整杆的结构示意图；

图3是本发明殷钢支架的结构示意图；

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明包括至少一个光纤光栅1、一热膨胀系数极小的支架2、一热膨胀系数大的调整杆3，其中本实施例中，光纤光栅1特别指的是啁啾光栅，受环境温度变化的影响，该啁啾光栅的热胀冷缩和纤芯折射率变化的共同影响使得啁啾光栅的中心波长发生变化，其变化率约为10pm/℃，且在这个过程中起主要作用的是啁啾光栅的折射率的影响，同时选用容易获取和加工制作的殷钢材料制成支架2，该殷钢支架2的热膨胀系数约为1.5*10^-6/℃，因其热膨胀系数相对较小，从而在整个系统里可以不考虑其在温度变化过程中的形变影响，相应的我们选用容易获取和加工制作的铝材加工制成调整杆3，该铝调整杆3的热膨胀系数约为2.3*10^-5/℃，其中光纤光栅1固定在支架2上表面两端，同时支架2的上表面呈左高右低的阶梯形分布。同时为避免光纤光栅1直接与支架2上表面接触，上述殷钢支架2上表面对应光纤光栅1的粘接位处分别设有略微向上凸起的突台23，光纤光栅1的两端部通过紫外胶粘接在该突台23上。铝调整杆3安装在支架2下部两侧板内。其中铝调整杆3与殷钢支架2的连接结构多种多样，本实施例中，上述调整杆靠近两端部的一段向中间凹入形成有凹环31，上述殷钢支架2的两侧板内分别对应设有可容置调整杆3两端部的腔体大、开口小的安装孔24，所述铝调整杆3通过其两端与殷钢支架2两侧板的安装孔24的配合安装在支架2下部并通过粘接固定。为进一步方便在制作过程中可微调光纤光栅1的中心波长，保证光纤光栅1的中心波长在标准波长附近，从而大大提高器件制作的成品率，上述殷钢支架2的安装孔24和调整杆3的两端部之间具有一定的间隙使两者在粘接之前形成松配合，使铝调整杆3装置在殷钢支架2安装孔24内时可以通过内压或外推殷钢支架2而调节光纤光栅1的中心波长，该间隙的值一般为0.1mm。其中为使本发明所述的无源温度补偿的光纤光栅既有一定的自由伸缩，又可减小其振动时结构的摆动幅度，提高器件的可靠性，本发明还包括有外壳4，其中安装有光纤光栅1、铝调整杆3的殷钢支架2的左端通过至少一套螺丝——螺母21的配合固定在外壳4内腔左端，本实施例中，殷钢支架2的左端通过两套螺丝——螺母21的配合固定在外壳4内，其右端松套在外壳4内腔右端。其中为进一步减小其振动时结构的摆动幅度，提高器件的可靠性，上述殷钢支架2的右端与外壳4右端之间设有可定位殷钢支架2右端的螺丝——螺母。

本发明的基本工作原理是：当环境温度变化时，啁啾光栅(啁啾光栅即为本实施例中所指的光纤光栅1)的热冷缩和纤芯折射率变化的共同影响使得啁啾光栅的中心波长发生变化，此时由于殷钢支架2本身的形变很小，可以忽略不予考虑，铝调整杆3的形变较大，铝调整杆3的形变引起殷钢支架2发生形变，进而改变殷钢支架2上的两粘接点之间的距离从而改变啁啾光栅的长度，而啁啾光栅的长度的变化又引起啁啾光栅的中心波长发生与因温度变化所引起的中心波长的变化相反的变化，当选用合适尺寸的殷钢支架2和铝调整杆3有机结合时就可以使两者所引起的变化量互相抵销，进而保证啁啾光栅的中心波长相对稳定，实现无源温度补偿，使啁啾光栅可以完成正确的功率反射和色散补偿功能。

为实现本发明的另一目的，本发明所述的光纤的制造方法包括以下步骤：

a、根据所选用的啁啾光栅的温度变化率，设计加工尺寸合适的殷钢支架2和铝调整杆3；其中主要是根据光纤光栅1(啁啾光栅)的长度(光纤光栅中啁啾光栅的有效长度一般为10cm左右)来选择合适的调整杆3(本实施方案中调整杆3采用铝调整杆)的尺寸，本实施例方法中铝调整杆3的总长度为120mm，以及选择合适的支架2(本实施方案中采用殷钢支架)的尺寸，本实施例中，殷钢支架2的两侧板之间的距离为110mm，殷钢支架2的右段的低位长度为50mm，两突台23之间的距离为120mm，突台23本身的长度为10mm，突台23本身的厚度为0.63mm，这样选择好殷钢支架2和铝调整杆3的尺寸后可相应的选择好封装外壳4的尺寸，本实施例中，外壳4的长度为158mm，同时外壳4两端外各设有一个8mm长的安装台。

b、将光纤光栅1拉伸一小段后，本实施方法中，将光纤光栅1拉伸的长度为0.8nm左右，再将拉伸后的光纤光栅1粘接在支架3上表面两端。

c、将拉伸后粘接在支架2上的光纤光栅1进行老化处理，确保常温下光纤光栅1的中心波长在标准波长附近；

d、将铝调整杆3两端安装在支架2两侧板的安装孔24内；

e、利用铝调整杆3与殷钢支架2安装孔24之间的间隙内压或外推殷钢支架2而微调光纤光栅1的中心波长到标准波长；

f、将紫外胶涂在殷钢支架2与铝调整杆3的间隙处，通过紫外胶的固化将铝调整杆3固定在支架2两端。

为进一步使本发明所述的无源温度补偿的光纤光栅既可有效保证其有一定的自由伸缩，又可减小其振动时的摆动幅度，提高器件的可靠性，本发明所述的制造方法还包括以下步骤：

g、将装配有光纤光栅1、铝调整杆3的殷钢支架2的左端通过至少一套定位螺丝——螺母21的配合(其中本实施方法是利用两套螺丝——螺母的配合)将殷钢支架2左端固定在外壳4内腔左端；然后

h、将殷钢支架2右端空套于外壳4内腔右端，并通过一套定位螺丝——螺母21的配合将殷钢支架2右端定位在外壳4内腔右端。这样通过在悬空的结构端增加一定位螺丝——螺母21，既保证了本发明所述无源温度补偿的光纤光栅的自由伸缩，又有效减小其振动时的摆动幅度，提高器件的可靠性。

Claims (10)

1、无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于包括至少一个光纤光栅(1)、一热膨胀系数极小的支架(2)、一热膨胀系数大的调整杆(3)，其中光纤光栅(1)固定在支架(2)上表面两端，调整杆(3)安装在支架(2)下部两侧板内。

2、根据权利要求1所述无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于上述光纤光栅(1)经过拉伸加工后平置于支架(2)的上表面并通过粘接固定在支架(2)两端，该光纤光栅(1)的有效区域位于两粘接点之间。

3、根据权利要求2所述无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于上述支架(2)的上表面呈左高右低的阶梯形分布，其两端部对应光纤光栅(1)的粘接位分别设有略微向上凸起的突台(23)。

4、根据权利要求1所述无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于上述调整杆(3)靠近两端部的一段向中间凹入形成有凹环(31)，上述支架(2)的两侧板内分别对应设有可容置调整杆(3)两端部的腔体大、开口小的安装孔(24)，所述调整杆(3)通过其两端与支架(2)两侧板的安装孔(24)安装在支架(2)下部并通过粘接固定。

5、根据权利要求4所述无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于上述支架(2)的安装孔(24)和调整杆(3)的端部之间具有一定的间隙，在粘接之前使两者形成松配合，该间隙的值一般为0.1mm。

6、根据权利要求1所述无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于上述支架(2)采用殷钢加工制成，上述调整杆(3)采用铝加工制成。

7、根据权利要求1或2或3或4或5或6所述无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于还包括有外壳(4)，其中安装有光纤光栅(1)、调整杆(3)的支架(2)的左端通过至少一套螺丝——螺母(21)的配合固定在外壳(4)内腔左端，其右端松套在外壳(4)内腔右端。

8、根据权利要求7所述无源温度补偿的光纤光栅，其特征在于上述支架(2)的右端与外壳(4)右端之间设有可定位支架(2)右端的螺丝——螺母(21)。

9、一种制造上述任一权利要求之一所述无源温度补偿的光纤光栅的方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

a、设计加工尺寸合适的支架(2)和调整杆(3)；

b、将光纤光栅(1)拉伸一小段后，通过紫外胶粘接在支架(2)上表面两端；

c、将拉伸后粘接在支架(2)上的光纤光栅(1)进行老化处理，确保光纤光栅(1)的中心波长在标准波长附近；

d、将调整杆两端安装在支架(2)两侧板的安装孔(24)内；

e、利用调整杆(3)与支架(2)安装孔(24)之间的间隙内压或外推支架(2)而微调光纤光栅(1)的中心波长到标准波长；

f、将紫外胶涂在支架(2)与调整杆(3)的间隙处，通过紫外胶的固化将调整杆(3)固定在支架(2)两端。

10、根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于还包括以下步骤：g、将装配有光纤光栅(1)、调整杆(3)的支架(2)的左端通过至少一套定位螺丝——螺母(21)的配合固定在外壳(4)内腔左端；然后

h、将支架(2)右端空套于外壳(4)内腔右端并通过一套定位螺丝——螺母(21)的配合将支架(2)右端定位在外壳(4)内腔右端。