CN2560955Y - 一种用于光纤光栅温度补偿的折叠式无源封装器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种用于光纤光栅温度补偿的折叠式无源封装器；涉及一种光纤器件，具体地说，涉及一种折叠式无源封装结构。工作原理是基于温度变化和应力变化对光纤光栅的中心波长的共同影响作用，即利用预置的应变来补偿温度对光纤光栅的中心波长的影响。该结构引入了折叠式结构，即把高热膨胀系数的材料和低热膨胀系数的材料折叠在一起，由外衬套、衬套、内衬套组成；光纤光栅连接在该结构上的a、b两点都在低热膨胀系数的材料上。本实用新型在进一步增加可靠性的基础上，不仅改小了尺寸，而且使两点的确定变得容易，利于大批量生产。

Description

一种用于光纤光栅温度补偿的折叠式无源封装器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤器件，具体地说，涉及一种用于光纤光栅或其他光纤器件温度补偿的折叠式无源封装结构。

背景技术

光纤光栅是一种全光纤器件。它利用光纤的光敏性，通过紫外光的照射使光纤纤芯的折射率产生周期性扰动，形成了具有波长选择性的反射器。它具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小、器件微型化、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件兼容成一体、不受环境尘埃影响等一系列优异性能。使用光纤光栅可制成波分复用/解复用器、光纤激光器、DFB激光器、光滤波器、色散补偿器等高性能光通信器件。光纤光栅的中心反射波长会随环境温度的波动而漂移，其漂移的大小约为0.008nm/℃，其具体数值还与制造光栅所用的光纤有关。其中心波长随温度漂移的特性阻碍着光纤光栅器件的实用化进程。因此需要对实用化的光纤光栅的温度性能进行控制，也就是对光纤光栅要进行温度补偿。光纤光栅的温度补偿方法具体可以分为两类：

其一，有源方式，即由外加电路控制光栅器件所在工作环境的温度；

其二，无源方式，即以适当的结构与材料对光纤光栅进行封装，封装使光栅产生一定的应变，该应变引入的波长的漂移应可抵消由温度变化引起的波长的漂移。该方式称为绝热封装或温度补偿式封装。

由于有源方式的温度补偿方案中要控制环境的温度，这就需要有外在的能源提供，使光纤光栅器件的体积将变得相当庞大，不利于器件的微型化，而且外在的能源供应不利于器件的稳定性，因此，一般采用无源形式的温度补偿结构。

在上述无源方式中，又以下面两种方式比较常见：

第一种方式，是将光纤光栅固定在具有负膨胀系数的基板上，利用基板的负膨胀特性使光纤光栅在温度变化的环境中受到一定的应力，从而实现温度补偿。该方式看似简单，实际上，由于要求材料的负膨胀系数相当精确，能够刚好和温度对光纤的影响相匹配，所以并不容易找到适用的材料，虽然近一段时间有几种负膨胀系数的材料应用在光纤光栅的封装中，但一直存在着材料制造困难、成本较高以及外封装困难等缺点。

第二种方式，是用两种膨胀系数不同的材料构成一种结构，在这种结构上的存在着两点，这两点具有当温度升高时缩短距离，而当温度降低时拉长距离，即这两点具有负膨胀特性。该方式比较容易找到适用的材料，而且能够通过控制材料的长短来确定两点的距离，使其对不同的光纤制造的光栅都可以使用。该方式目前一般是将两种材料的一端直接粘结在一起，这样两点会分别落在两种膨胀系数的材料上，由于高膨胀系数材料上的点对补偿效果影响很大，这样要求该点有很高的精度，这在实际制作中会给生产的重复性带来麻烦，再则，由于有一段长度是与光栅无光的，造成该结构会比光纤光栅本身长很多。

发明内容

本实用新型的目的就是克服上述无源第二种方式存在的缺点和不足，提供一种性价比更高的光纤光栅的温度补偿无源封装器；具体地说，是对上述一种用两种膨胀系数不同的材料构成的某种结构的一种改进和提升。

本实用新型的目的是这样实现的：

①工作原理是基于温度变化和应力变化对光纤光栅的中心波长的共同影响作用，即利用预置的应变来补偿温度对光纤光栅的中心波长的影响。

②该结构引入了折叠结构，即把高热膨胀系数的材料和低热膨胀系数的材料折叠在一起，由外衬套、衬套、内衬套组成；光纤光栅连接在该结构上的a、b两点都在低热膨胀系数的材料上。

③该结构的尺寸由相应的公式给出。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

①由于该结构引入了折叠结构，即把高热膨胀系数的材料和低热膨胀系数的材料折叠在一起，从而避免了由于高热膨胀系数材料带来的不必要的长度，从而在纵向上缩小了尺寸。

②由于该结构的a、b两点都在低热膨胀系数的材料上，使得a、b两点精度大大降低，从而使光纤光栅的封装的重复性有相当的提高，利于光栅封装的产品化。

③在进一步增加可靠性的基础上，不仅改小了尺寸，而且使两点的确定变得容易，利于大批量生产。

附图说明

图1是本实用新型结构剖视图，其中：

1—外衬套，由低热膨胀系数的材料制成；

2—衬套，由高热膨胀系数的材料制成；

3—内衬套，由低热膨胀系数的材料制成；

(高、低热膨胀系数的定义是相对的，只需满足后面将要给出的补偿条件即可。)

4—光纤光栅；

5—为外衬套1的底部与衬套2的底部的相互连接点；

6—为衬套2的顶部与内衬套3的顶部的相互连接点；

a—为光纤光栅4的上端与外衬套1的顶部的相互连接点；

b—为光纤光栅4的下端与内衬套3的底部的相互连接点。

图2是外衬套1的结构外形图，可以是任意形状；其中：

1.1—小槽，是光纤通过的小槽，可以是任意形状；

1.2—大槽，是放置衬套2的地方，其形状与衬套2可以类似，也可以不类似。

外衬套1其左边有小槽1.1，其右边有大槽1.2。

图3是衬套2的结构外形图，可以是任意形状，并能放置在外衬套1的大槽1.2中，可以与外衬套1类似，也可以不类似；其中：

2.1—中槽，是放置内衬套3的空间，其形状与内衬套3可以类似，也可以不类似。

图4是内衬套3的结构外形图，可以是半圆柱，也可以是任意形状，并能放置在衬套2中，可以与衬套2类似，也可以不类似；其中：

3.1—小槽，是光纤通过的小槽，可以是任意形状。

图5是光纤光栅的温度漂移测试结果比较图；其中：

7—是没有温度补偿的光纤光栅的温度漂移测试结果；

8—是具有本实用新型封装结构的光纤光栅温度漂移测试结果；

9—纵坐标，表示波长，单位是纳米(nm)；

10—横坐标，表示温度，单位是摄氏度(℃)。

由图5可知，没有温度补偿的光纤光栅的温度漂移测试结果7近似于一条斜率较大的直线；而具有本实用新型封装结构的光纤光栅温度漂移测试结果8近似于一条斜率约0度的直线；由此可见，本实用新型可以大大改善光纤光栅器件的温度性能；其实际指标完全可以达到商用化。

具体实施方式

1、本实用新型的结构形状

由图1、图2、图3、图4可知，本实用新型为一种折叠结构，由外衬套1、衬套2、内衬套3、光纤光栅4组成，在外衬套1的大槽1.2内，置放衬套2，外衬套1的底部与衬套2的底部相互连接于5点；在衬套2的中槽2.1内，置放内衬套3，衬套2的顶部与内衬套3的顶部相互连接于6点；光纤光栅4置放于外衬套1的小槽1.1和内衬套3的小槽3.1内，其上端与外衬套1的顶部相互连接于a点，其下端与内衬套3的底部相互连接于b点。

2、本实用新型的结构尺寸

光纤光栅是利用光纤的光敏性，通过紫外光的照射使光纤纤芯的折射率产生周期性扰动，形成了具有波长选择性的反射器。光纤布拉格光栅反射中心波长可由下式表示： ${\mathrm{\λ}}_B=2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}---\left(1\right)$

其中，λ_B是光纤布拉格光栅反射中心波长，n_eff是光纤光栅纤芯的平均有效折射率，Λ是光栅的周期。由于n_eff和Λ都会因为温度和应变的影响而变化，因此，光纤布拉格光栅的中心波长也会随温度和应力的变化而变化。温度对波长的影响来源于热光效应引起的光纤折射率的改变及热膨胀效应对光栅周期的改变。温度和应变对波长的综合作用在一定范围内被认为是线性关系，可由下式表示：

Δλ＝Δλ_T+Δλ_P＝(α_f+ξ)ΔTλ_B+(1-P_ξ)Δελ_B                 (2)

其中，Δλ_T是温度对光栅中心波长的影响，α_f是光纤的热膨胀系数，ξ是光纤的热光系数，ΔT是外界温度变化，P_ξ是光纤的杨氏模量，Δε是光纤的应变。

在本实用新型的方案中，光纤在a、b两点间的长度(L_f)随温度的变化由下式确定：

ΔεL_f＝(L₁α₁+L₃α₃-L₂α₂-L_fα_f)ΔT                       (3)

其中，L₁是外衬套1的有效长度，L₂是衬套2的有效长度，L₃是内衬套3的有效长度，α₁是外衬套1的热膨胀系数，α₂是衬套2的热膨胀系数，α₃是内衬套3的热膨胀系数。由(3)式可得：

Δε＝(L₁α₁+L₃α₃-L₂α₂-L_fα_f)ΔT/L_f                      (4)将(4)式代入(2)式，可得：^Δλ/_ΔT＝(α_f+ξ)λ_B+(1-P_ξ)(L₁α₁+L₃α₃-L₂α₂-L_fα_f)λ_B/L_f   (5)

根据(5)式，可以选择α₂＞＞α₁、α₃，使

(L₁α₁+L₃α₃-L₂α₂-L_fα_f)＜0，由于P_ξ＜1，从而

(1-P_ξ)(L₁α₁+L₃α₃-L₂α₂-L_fα_f)λ_B/L_f＜0，

所以可以调节L₁、L₂、L₃的长度，使气^Δλ/_ΔT＝0，这样就可以实现对中心波长的温度漂移的补偿。

Claims (1)

1、一种用于光纤光栅温度补偿的折叠式无源封装器，其特征在于：

为一种折叠结构，由外衬套(1)、衬套(2)、内衬套(3)、光纤光栅(4)组成，在外衬套(1)的大槽(1.2)内，置放衬套(2)，外衬套(1)的底部与衬套(2)的底部相互连接于(5)点；在衬套(2)的中槽(2.1)内，置放内衬套(3)，衬套(2)的顶部与内衬套(3)的顶部相互连接于(6)点；光纤光栅(4)置放于外衬套(1)的小槽(1.1)和内衬套(3)的小槽(3.1)内，其上端与外衬套(1)的顶部相互连接于(a)点，其下端与内衬套(3)的底部相互连接于(b)点；

外衬套(1)、内衬套(3)均由低热膨胀系数的材料制成，衬套(2)由高热膨胀系数的材料制成。

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