光纖光柵的溫度補償設備的製作方法
2023-06-28 16:58:26
專利名稱：光纖光柵的溫度補償設備的製作方法
技術領域：
本發明是基於在這裡被用作參考的一個優先申請EP 01 440 120.2的。
本發明涉及在光纖通信系統中所使用的光纖光柵，更特別地，涉及長的光纖光柵並且涉及用於這樣一個光纖部件的一個溫度補償設備。
背景技術：
通過將一個對光敏感的光纖的一部分用紫外線(UV)進行幹涉曝光，對光纖折射率產生一個永久的改變，就可以實現一個光纖光柵。這些光纖光柵能夠將從同傳的基本導波模式來的光信號耦合到相反方向傳播的基本模式(標準布拉格光柵)，耦合到後向輻射模式(傾斜布拉格光柵)，或者耦合到一個前向包層模式(長周期光柵)。他們可以將來自一個偏振模式的光信號耦合到另一個偏振模式(偏振模式轉換器)。他們也可以將來自一個模式的光信號耦合到另一個模式，當光纖是一個多模光纖時(模式轉換器)。
在光纖中用UV方法製造的布拉格光柵結構形成光學濾波器，這樣的光學濾波器在光纖通信領域內具有大量的應用，並且特別地，他們可以被用於在波分復用(WDM)和密集波分復用(DWDM)系統中提供精度非常高的波長選擇性。例如，他們可以被用於濾波，信號路由，補償傳輸光纖中的色散或者均衡光纖放大器的增益。
這個濾波器的波長取決於光纖的折射率和光柵的周期。對光纖系統中的合適使用和高精度波長選擇性來說，這個濾波器的波長需要在一個很寬的溫度範圍內保持不變(典型地，是從-20℃到85℃)。不幸的是，光纖材料容易受溫度改變的影響。典型地，這導致了在一個傳統的通信用光纖中寫入的一個標準布拉格光柵，溫度導致的波長變化大約是10pm/℃。
在前面所提到的WDM或者DWDM系統中，需要用於補償大帶寬色散的濾波器，這就意味著布拉格光柵結構的長度很長，例如，其長度為1米或者甚至為幾米。因為這個應用，線性啁啾光纖光柵(linearly chirped fiber grating)可以被用於補償色散。二次啁啾光纖光柵可以被用於補償色散的斜率。為了補償更高階的色散，具有更複雜啁啾結構的光纖光柵需要被使用。
US 5,042,898公開了補償組件，該補償組件通過施加補償溫度靈敏度的機械應變來補償帶布拉格光柵濾波器的一個光學傳輸路徑的一個波長相關性。這個處理利用了在一個布拉格光柵濾波器的熱靈敏度和壓縮或者變形靈敏度之間的類線性關係，以使可以實現相反的補償。在進行封裝時，這個光纖光柵被放置在基於兩個材料之間熱脹冷縮吸收差異的拉力環境下。當溫度增加時，這個封裝壓縮處於拉力環境下的光纖光柵，由此，溫度感應的波長移動被補償了。最近的US 6,147,341和US 6,144,789都提出了一個溫度補償設備，該溫度補償設備帶第一和第二擴展組件，它在與光纖光柵平行的一個方向上對光纖施加一個拉長的應變。
前面提到的、現有技術中所有無熱組件設備的一系列問題是，光柵需要是直的，並且無熱組件的設備只能應用於一個類型的光柵，即，或者是標準布拉格光柵，或者是傾斜的布拉格光柵，或者是長周期的光柵，或者是模式轉換器，這樣，特別地，這個方法對長度大於幾十毫米的光柵就不能夠使用。
發明內容
所以，本發明需要解決的問題是為一個光纖中的所有不同類型的光纖光柵提供一個溫度補償設備，以獲得不被溫度變化所影響的長光纖光柵光學濾波設備。
通過使用用於一個光纖的光纖光柵的溫度補償設備就解決了這個問題，其中所述設備包括其形狀基本上是一個圓柱的一個體，並且其中這個光纖光柵被繞在所述體上，由此所述體的尺寸根據溫度的變化而改變。
所以，根據本發明的、用於補償一個光纖的一個預應變光纖光柵的一個溫度補償設備包括其形狀基本上是圓柱的一個體，並且其中這個光纖光柵被繞在所述體上，由此所述體的尺寸根據溫度的變化而改變。
所述體的尺寸根據溫度而進行改變，並且影響了整個光纖光柵，所以，就使下面的成為可能即使是帶一個故意選擇長度的一個光纖光柵，當被繞在具有相應尺寸的一個體上時，也可以被所述體的尺寸的改變而產生一個有利的影響。當溫度增加時，所述體的直徑變小，導致被繞在這個設備上的光纖光柵產生機械形變。所以，通過對光纖光柵施加機械應變而平衡了溫度對光纖光柵的影響。
在一個有利的實施方式中，根據本發明的這個溫度補償設備具有包括熱膨脹係數為第一膨脹係數的材料的第一熱膨脹組件和包括熱膨脹係數為第二膨脹係數的材料的第二熱膨脹組件，他們被朝向所述體內放置。這個結構允許這個設備甚至能夠平衡在溫度變化時而產生的小改變差異。
有利的是，這個設備的形狀基本上是圓的，並且包括至少兩個基本上對稱放置的部分，這至少兩個對稱放置的部分能夠允許將長達幾十釐米的光纖盤起來。這允許減少該設備的尺寸。在一個更有利的實施方式中，光纖濾波器被繞在兩個半心軸上。
優選地，在光纖光柵和這個設備之間安排有一個光滑的矽樹脂層，以使這個光纖能夠在該設備均勻地移動。優選地，這個光纖光柵具有一個塗敷層來保護光纖光柵不被外部破壞所損壞。
應理解，前面所提到的和下面將解釋的本發明的特徵不僅被用於具體描述的組合中，而且也可以被該領域內的技術人員用於其它組合或者單獨使用，而不會超出本發明的範圍。
本發明被示意圖性地解釋在圖1和2中，並且被參考附圖進行了詳細描述。
圖1示意圖性地描述了通過根據本發明的一個溫度補償設備的一個橫切面。
圖2示意圖性地顯示了沿圖1線A-A的一個剖面。
具體實施例方式
首先，在這裡所使用的術語的定義被給出，以能夠更好地理解本發明。
無熱封裝指能夠在頻譜規定內，特別地在一個光纖濾波器的波長上，平衡熱影響的任何裝置。
在本發明申請的上下文中的接觸意味著兩個設備或者部分處於這樣一個物理接觸的狀態，以使對光纖光柵的機械力，例如壓強，張力，可以被傳遞。
在圖1中，根據本發明的一個溫度補償設備100包括一個預應變光纖光柵102。這個光纖光柵被一個塗敷層101(典型的是一個軟矽樹脂或者樹脂)所覆蓋，以允許光纖光柵隨著溫度進行膨脹而不會對光纖光柵產生張力。可以使用該領域內的技術人員眾所周知的任何方法來形成光纖光柵102，例如在US 4,725,110或者在EP 0 730 172 A1中所公開的方法。這個光纖光柵102被用張力繞在一個體111上，所述體111包括兩個半心軸103。在沿軸b109的區域中，這兩個半心軸103沒有相互接觸。在這兩個半心軸之間的空間是幾個毫米。這兩個半心軸103的材料可以是矽或者其它材料。這兩個半心軸103的熱膨脹必須儘可能地與光纖光柵的熱膨脹接近。應理解，體111可能不僅包括兩個半心軸103，也可以包括數量很多的這種半心軸或者其它合適的幾何結構，只要他們是對稱的並且他們的數目是偶數。
另外，第一熱膨脹組件107和第二熱膨脹組件105，稱作「放大組件」被使用任何傳統的方式固定在所述體111的內部。第一熱膨脹組件107具有一個橢圓的結構，並且在接觸區域104與沿軸a108的半心軸103相互接觸。橢圓形第一熱膨脹組件107的材料具有較低的熱膨脹係數。例如，橢圓形第一熱膨脹組件107的材料是Invar或者其它Zerodur或者ULE。Invar的熱膨脹係數典型的是10.10-7。
第二熱膨脹組件105也被稱作「弦拉」。這個「弦拉」105被壓縮地安裝在橢圓形第一熱膨脹組件107的內部。這個「弦拉」可以是一個無源裝置，即其結構沒有外部提供或者沒有有源裝置。一個無源裝置是一個部件，其結構可以改變而不需要外部提供。一個有源裝置是一個部件，其結構隨一個外部提供而改變。在一個無源裝置的情形下，這個弦拉的熱膨脹係數TEC就必須被考慮。典型地，熱膨脹係數TEC的值是200.10-7。在一個有源裝置的情形下，這個熱膨脹係數TEC不是一個決定因素。例如，有源裝置是一個壓電激勵器或者其它裝置。
下面，將參考替代的「無源」和「有源」弦拉105來解釋根據本發明的這個溫度補償設備的功能。
1、無源弦拉105如果溫度增加，「弦拉」105的長度就沿軸b109增加。在這個情形下，橢圓形第一熱膨脹組件107沿軸a108的長度就被縮短。「弦拉」105將膨脹得比橢圓形第一熱膨脹組件107大，這是因為熱膨脹係數的差異。短軸109(b)拉伸而橢圓形第一熱膨脹組件107的長軸108(a)被壓縮，這兩個半心軸103將在區域106中進行相互接觸。前面已經在圍繞這兩個半心軸103牽引下被放置的光纖光柵102就被壓縮。當溫度降低時，就出現相反的情形。
2、有源弦拉105(壓電激勵器)在這個情形下，弦拉105是壓電激勵器。通過改變被施加到該壓電激勵器上的電壓，這個壓電激勵器的長度，由此弦拉105的長度可以被改變，從而改變在這兩個半心軸103之間的區域106中的距離。這導致對被圍繞在這兩個半心軸103上的光纖光柵102的牽引被改變，這樣就改變了光纖光柵102的波長。這個封裝，即，根據本發明的這個溫度補償設備100的整個建立允許調節光纖光柵102的頻譜規格，特別是波長。可以合適地選擇壓電激勵器的材料來使這個封裝是可調節的並且是無熱的。封裝的規定直徑大約是60毫米。也可以使用更小的直徑，這取決於光纖的彎曲損耗。
圖2顯示了溫度補償設備200沿圖1線A-A的一個剖面圖。光纖光柵202被以連接的迴圈圍繞在半心軸203上，並且具有一個光滑的塗敷層202(典型的是一個軟矽樹脂或者其它材料)，以允許光纖光柵隨溫度進行膨脹而不會對光纖光柵產生應變。在光纖光柵202的每一個頂點206上，例如，它被膠或者黃銅焊錫或者該領域內技術人員眾所周知的其它裝置所固定。被固定在這個體的內部，被兩個半心軸103所形成，這個空的、圓形的或者橢圓的第一熱膨脹組件107包含第二熱膨脹組件105。關於其進一步的細節，見圖1。
下面，詳細描述本發明的工作原理。
如上面所總結的，這個原理在於一個光纖布拉格光柵的物理光學特性被溫度和形變所影響。
為了補償這個影響，根據本發明的無熱封裝必須滿足下面的條件dλ/dT≈0。
其中λ是波長，而T是溫度，單位為℃。
一個布拉格光柵濾波器的熱靈敏度的典型值是dλ/dT＝10pm/℃。
一個布拉格光柵濾波器的形變靈敏度的典型值是dλ/dε＝1.2pm/μdef。
其中dε是應變的改變，而μdef是ΔL/L，並在10-6的數量級。
一個光纖中的布拉格光柵濾波器的熱變化可以通過下面的方程，使用根據本發明的封裝而施加的一個機械形變來機械補償dε/dT＝-8.3μdef/℃。
考慮到熱靈敏度和形變靈敏度，這個封裝必須具有一個線性差異膨脹係數α≈-8.3×10-6/℃。
布拉格光柵的熱靈敏度和形變靈敏度的另一個值也可以被用於無熱封裝。
權利要求
1.用於補償一個光纖的一個光纖光柵的一個溫度補償設備，其中所述設備包括其形狀基本上是圓柱的一個體，並且其中這個光纖光柵被繞在所述體上，由此所述體的尺寸根據溫度的變化而改變。
2.如權利要求1的這個溫度補償設備，其中包括熱膨脹係數為第一膨脹係數的材料的第一熱膨脹組件和包括熱膨脹係數為第二膨脹係數的材料的第二熱膨脹組件被放置在所述體內。
3.如權利要求1的這個溫度補償設備，其中所述第一熱膨脹組件被固定到所述體的內部來形成一個接觸區域。
4.如權利要求2的這個溫度補償設備，其中所述第一熱膨脹組件具有一個橢圓的形狀。
5.如權利要求3的這個溫度補償設備，其中所述第一熱膨脹組件是空的。
6.如權利要求5的這個溫度補償設備，其中所述第二熱膨脹組件被放置在所述第一熱膨脹組件的內部。
7.如權利要求6的這個溫度補償設備，其中所述第二熱膨脹組件被沿所述第一熱膨脹組件的內部短軸放置。
8.如權利要求1的這個溫度補償設備，其中所述體包括n個對稱的部件，這n個對稱的部件被隔開一段距離並且其中n是偶數。
9.如權利要求1的這個溫度補償設備，其中所述第一和所述第二熱膨脹組件的熱膨脹係數基本上是類線性的。
10.如權利要求1的這個溫度補償設備，其中所述第一熱膨脹組件的熱膨脹係數比所述第二熱膨脹組件的熱膨脹係數小。
11.如權利要求10的這個溫度補償設備，其中所述第二熱膨脹組件包括一個壓電材料。
12.如權利要求1的這個溫度補償設備，其中所述體包括具有一個負的熱膨脹係數的一個材料。
13.如前面權利要求中任何一個的這個溫度補償設備，其特徵在於一個矽樹脂層被放置在光纖光柵和所述體之間。
全文摘要
本發明涉及用於補償一個光纖的一個預應變光纖光柵的一個溫度補償設備,其中所述設備包括其形狀基本上是圓柱的一個體,並且其中這個光纖光柵被繞在所述體上,由此所述體的尺寸根據溫度的變化而改變。根據本發明的這個溫度補償設備是無熱的,並且允許調節光纖光柵的波長。
文檔編號H04B10/12GK1388392SQ02118098
公開日2003年1月1日 申請日期2002年4月23日 優先權日2001年4月23日
發明者讓－雅克·格林, 伊薩貝勒·廉特, 沃羅尼克·沃德拉格 申請人:阿爾卡達公司