專利名稱：可變光纖光柵及色散補償器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵，特別地涉及一種其色散補償量可以變化的可變光纖光柵。
λ＝2neffΛ(1)該FBG可應用于光多路復用器/多路分解器、光開關、光濾波器等器件中，并且是一種基本的光通信元件。FBG的一個實例是啁啾光纖光柵(chirped optical fiber grating)，其光柵周期或者有效折射率沿該光柵的軸向方向是變化的。啁啾光纖光柵廣泛地應用于寬帶濾波器，但是其最吸引人之處是應用于色散補償光纖光柵，色散補償光纖光柵補償了光傳輸路徑中色散的累積。
圖8所示為一種色散補償光纖光柵的結構簡圖。在圖8中，參考符號11表示光傳輸?shù)穆窂?，而參考符?2表示一個光學循環(huán)器。光從傳輸路徑11進入光學循環(huán)器的端口1，被傳輸?shù)蕉丝?，并入射到光纖光柵13。該光纖光柵13包括一個纖芯14以及一個包層15，并且纖芯14設置一個高折射率段以形成光柵段16。該光纖光柵13是一種啁啾光纖光柵，其高折射率段的周期或者有效折射率沿其軸向方向是變化的。
入射到光纖光柵13的光線在光柵段16被反射，但由于光柵周期沿光纖的軸向是變化的并且反射位置隨波長而不同，所以反射光線經(jīng)過的光路長度是不同的，該光路長度由其波長決定。在圖8所示的情況中，長波長的光在光柵段16的左側發(fā)生反射，該處具有長光柵周期或者高有效折射率，而短波長的光在光柵段16的右側發(fā)生折射，該處具有短光柵周期或者低有效折射率。當該反射光經(jīng)過光學循環(huán)器12而從端口3射出時，每種波長都會產(chǎn)生一個時差。將此隨波長而變化的時差稱為色散，并且通常采用ps/nm來表示其單位。
對于波長為1550nm的情況，在光通信中普遍采用的單模光纖具有約為每1km光纖長度17ps/nm的色散。如果色散較大，則將會導致通過光纖所傳輸?shù)墓饷}沖變寬，因此不能精確的傳輸信息，原因是一個脈沖列的各個脈沖彼此疊加。因而，通過采用一種特別設計的其色散與構成光傳輸路徑的光纖所產(chǎn)生的色散精確反向的色散補償光纖光柵，就可以對光傳輸路徑內累積的色散進行補償，該色散補償導致了光通信系統(tǒng)的重要改進。
然而，在光傳輸路徑中產(chǎn)生的色散根據(jù)所采用的光纖類型和長度的不同而變化。因此，為實現(xiàn)徹底的色散補償，有必要對每個將要補償?shù)墓饫w分別設計各自的色散補償光纖光柵。
通常，采用相位掩膜法來制備光纖光柵，但為制備不同規(guī)格的光纖光柵，需要具有不同特性的相位掩膜。這些相位掩膜成本昂貴，因此色散補償光纖光柵的價格也很高。
此外，由于一個光學傳輸路徑的色散根據(jù)環(huán)境變化例如溫度變化而改變，因此所需色散補償量在夜晚及白天、以及不同季節(jié)之間而發(fā)生變化。因此，普通的色散補償光纖光柵的問題是不能在各種條件下對色散進行完全補償。因此，需要一種具有變化結構的色散補償光纖光柵，其色散補償特性隨需要而變化。
為改變色散補償光纖光柵的色散特性，有必要控制反射波長隨軸向變化的特性，并且現(xiàn)在有幾種實現(xiàn)這種控制的方法。其中的一個方法是對光纖光柵采用溫度分布，另外一種方法是采用應變分布。
在對光纖光柵采用溫度分布的方法中，通過沿光纖光柵的軸向設置一個溫度分布使反射波長發(fā)生變化。在此方法中，需要沿光纖光柵的軸向提供一個精確的溫度分布，但是由于采用一個點熱源很難得到期望的溫度分布形態(tài)，所以一個分布式的熱源是必要的。作為此類方法的一個實例，現(xiàn)在有一種將金薄膜鍍在光纖光柵上，并且整個光纖光柵的溫度受到控制的方法。
然而，鍍膜(deposition)裝置造價昂貴，從而增加了制造成本，并且，該方法必需進行特定的鍍膜工藝，同時需要精確改變光纖光柵軸向的鍍膜厚度，而該工藝需要復雜的控制。此外，也需要在鍍金膜的區(qū)段安裝電極的操作，而復雜的結構和精確操作的要求導致產(chǎn)量很低，從而使成本變高。
此外，由于光纖光柵的反射中心波長向長波長的一側漂移，當將工作波長設置在一個具體的波長時難于改變色散量，而這種改變是波長多路復用通信所必須的。
另一方面，一種對光纖光柵采用應變分布的方法，通過對光纖光柵的軸向采用不同的應變而改變反射光。然而，采用這種方法也難于得到一種應變沿軸向方向呈連續(xù)變化的結構，并且因此難于獲得大的色散改變。
為解決上述問題，本發(fā)明的第一方面提供了一個可變光纖光柵，其中將一個光纖光柵固定在一個固定件上，該固定件包括至少兩種材料，每種材料具有不同的線性膨脹系數(shù)，并且采用將具有較低的線性系數(shù)的材料圍繞具有較高線性膨脹系數(shù)的材料周圍的方式而制作，其中使光纖光柵的結構滿足所述光纖光柵的膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)，在上述光纖光柵的軸向上，跟隨具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料的膨脹和收縮而變化，從而通過調節(jié)上述光纖光柵的固定位置使色散量可變。
因此，可以實現(xiàn)一種色散可變的光纖光柵，該光纖光柵是小型的，并且能夠有效改變其色散量。
本發(fā)明的第二方面是提供一種如第一方面所述的可變光纖光柵，其中所述的固定件是通過設置一個圍繞內圓柱的外圓柱而制作的，該外圓柱包括具有較低的線性膨脹系數(shù)的材料，而內圓柱包括具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料，這樣，具有不同的線性膨脹系數(shù)的兩種材料之間的界面形狀構成了一個圓。
這樣，可使在界面上所產(chǎn)生的壓力變得均勻。
本發(fā)明的第三方面是一種如第一方面或者第二方面所述的可變光纖光柵，其中具有不同線性膨脹系數(shù)的各種材料是采用金屬制作的。
因此，可以提供一種具有高剛性的可變光纖光柵。
本發(fā)明的第四方面是一種如第一或者第二方面所述的可變光纖光柵，其中在具有不同的線性膨脹系數(shù)的兩種材料之中，只有具有較低的線性膨脹系數(shù)的材料是由金屬材料制作的。
因此，可以在保持外側剛性的情況下，獲得一個較大的線性膨脹系數(shù)之差。
本發(fā)明的第五方面是一種如第一到第四方面的任一方面所述的可變光纖光柵，其中固定在固定件中的光纖光柵是一個啁啾光纖光柵，該光纖光柵的光柵周期或者有效折射率沿光纖的軸向而變化。
本發(fā)明的第六方面是一種如第一到第四方面的任一方面所述的可變光纖光柵，其中固定在固定件中的光纖光柵的光柵周期沿光纖的軸向方向是恒定的。
因此，通過溫度調制的方式可以形成一個啁啾光纖光柵。
本發(fā)明的第七方面是一種如第一到第六方面的任一方面所述的可變光纖光柵，其中將多個光纖光柵固定到固定件。
因此，通過改變多個光纖光柵的固定位置，可同時改變每個光纖光柵的特性，因此可以使每個光纖光柵產(chǎn)生不同的特性改變。
本發(fā)明的第八方面是一種如第一到第七方面的任一方面所述的可變光纖光柵，其中在構成固定件并且具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料中制作了一個凹槽，并且將光纖光柵固定在該凹槽中。
因此，可以準確地控制光纖光柵的固定位置。
本發(fā)明的第九方面是一種如第八方面所述的可變光纖光柵，其中采用樹脂固定凹槽中的光纖光柵。
這樣，可以精確地將內圓柱的膨脹和收縮傳遞到光纖光柵。
本發(fā)明的第十方面是一種如第九方面所述的可變光纖光柵，其中樹脂的線性膨脹系數(shù)、楊氏模量(Young’s modulus)以及泊松比(Poisson’s ratio)與制作固定件的具有較高線性膨脹系數(shù)材料的線性膨脹系數(shù)、楊氏模量以及泊松比是相同的。
因此，使溫度變化所引起的固定件和樹脂之間發(fā)生應變差的概率最小，并且能夠穩(wěn)定光纖光柵的特性。
本發(fā)明的第十一方面是一種如第一到第十方面的任一方面所述的可變光纖光柵，其中提供了一個溫度控制機構用以調節(jié)光纖光柵的溫度。
從而可以對色散量進行精確調節(jié)。
本發(fā)明的第十二方面是一種如第一到第十一方面的任一方面所述的可變光纖光柵，其中將該光纖光柵固定在固定件上，其固定位置的設置滿足當溫度在工作溫度范圍內變化時，在光纖光柵的每一端的反射波長的變化方向彼此是相反的。
因此，通過采取溫度變化的方法，可以只改變色散量，而抑制反射中心波長的改變，即工作中心波長的改變。
本發(fā)明的第十三方面是一種色散補償器，該色散補償器采用如本發(fā)明的第一到第十二方面的任一方面所述的可變光纖光柵而補償了光路的色散。
因此，能夠實現(xiàn)一種小型的并且能夠有效進行色散補償?shù)纳⒀a償器。
圖2所示為一個圓柱由于受壓產(chǎn)生的形變。
圖3所示為一個雙圓柱由于受熱產(chǎn)生的形變。
圖4所示為當內圓柱采用鋁制作，而(A)外圓柱采用鈦，(B)或者外圓柱采用鎳鐵合金(invar)制作時，固定在固定件(內圓柱)中的光纖光柵每1℃的波長漂移量，以及固定件(內圓柱)的有效線性膨脹系數(shù)。
圖5所示為當內圓柱采用PTFE制作，而(A)外圓柱采用鈦，或者(B)外圓柱采用鎳鐵合金制作時，每1℃光纖光柵的波長漂移量。
圖6所示為當內圓柱采用PCTFE制作的，而(A)外圓柱采用鈦，或者(B)外圓柱采用鎳鐵合金制作時，每1℃光纖光柵的波長漂移量。
圖7所示為當采用本發(fā)明的可變光纖光柵作為一個可變帶寬濾波器時，帶寬與傳輸損耗之間的關系圖。
圖8所示為基于光纖布拉格光柵的色散補償器的結構示意圖。
圖9所示為本發(fā)明的一個具體實施例的結果的圖表。


圖10所示為本發(fā)明的具體實施例的結果的圖表。
圖11所示為本發(fā)明的具體實施例的結果的圖表。
本發(fā)明的可變光纖光柵是通過將一個光纖光柵固定在一個固定件上而形成的。該固定件包括至少兩種材料，每種材料具有不同的線性膨脹系數(shù)，并且采用將具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料由具有低線性膨脹系數(shù)的材料圍繞的形式來制作。
圖1所示為用于本發(fā)明的可變光纖光柵的具有一個凹槽的雙圓柱的實例。在圖1中，參考符號1表示包括具有較高線性膨脹系數(shù)的材料的內圓柱。外圓柱2包括具有較低線性膨脹系數(shù)的材料，與內圓柱1的外圍結合，這兩個圓柱形成固定件。參考符號3表示制作在包括較高線性膨脹系數(shù)材料的內圓柱1上面的凹槽，并且將光纖光柵固定在該凹槽3中。在本實例中，制作在內圓柱1上的凹槽3是一個螺旋凹槽，沿內圓柱1的軸向具有螺旋形狀，并且從內圓柱1中心軸到凹槽3的距離沿凹槽的縱向而變化。在圖1中，假定內圓柱1的內半徑為ra，其外半徑為rb，而外圓柱2的內半徑為rc，其外半徑為rd。
以溫度調制的方式，通過采用將光纖光柵固定到一個具有雙圓柱結構的固定件的結構，該固定件包括具有不同線性膨脹系數(shù)的材料，同時改變到內圓柱1中心軸的距離，以及光纖光柵同內圓柱1的材料一起膨脹和收縮，從而實現(xiàn)可變光纖光柵的原理如下所述。
首先，如圖2的剖面圖所示，如果對一個內半徑為ra而外半徑為rb的圓柱施加一個內側壓力Pa以及一個外側壓力Pb，對于距圓柱中心距離為r的點，其徑向位移可用方程(2)表示。u=1-vE·ra2Pa-rb2Pbrb2-ra2r+1+vE·ra2rb2(Pa-Pb)rb2-ra2·1r---(2)]]>在方程(2)中，E是制作圓柱的材料的楊氏模量，而ν是泊松比。
以下討論如圖1所示包括兩種具有相互不同的線性膨脹系數(shù)的材料的雙圓柱的情況。對于形成雙圓柱的兩個圓柱，假定其內圓柱(以下簡稱為“圓柱1”)的線性膨脹系數(shù)為α1，而其外圓柱(以下簡稱為“圓柱2”)的線性膨脹系數(shù)為α2，并假設α1大于α2。
圖3所示為沿該雙圓柱中心軸的一側剖面圖。在圖3中，陰影部分表示圓柱1和圓柱2。其中，假設圓柱1的內半徑為ra，圓柱1的外半徑為rb，而假設圓柱2的內半徑為rc，圓柱2的外半徑為rd。假設在任何溫度改變之前，圓柱1的外半徑rb和圓柱2的內半徑為rc是相等的，即rb＝rc＝R。
如果溫度升高ΔT，則當圓柱1和圓柱2獨立存在時，由于α1＞α2所以圓柱1的外半徑膨脹的程度要大于圓柱2的內半徑的膨脹程度。
在圖3的中部所示為當圓柱1在徑向上膨脹ub，而圓柱2在徑向上膨脹uc的情況。
然而，當將圓柱1裝配在圓柱2的內側時，對于此雙圓柱，圓柱1的外半徑與圓柱2的內半徑必需相等，因此，在圓柱1和圓柱2的界面處會產(chǎn)生壓力。圖3的下部所示的情況是在圓柱1中產(chǎn)生一個向心壓力P，而在圓柱2中產(chǎn)生一個與中心方向反向的壓力P。
如果假設此壓力為P，則由壓力P而引起的圓柱1的外半徑的變化量Δub可通過將pa＝0，pb＝p，r＝rb代入方程(2)而得到的方程(3)來確定。Δub=-PE1(ra2+rb2rb2-ra2-v1)rb---(3)]]>以同樣的方式，圓柱2的內半徑改變量Δuc可通將Pa＝P，Pb＝0，r＝rc代入方程(2)中而得到的方程(4)來確定。Δuc=+PE2(rc2+rb2rd2-rc2+v2)rc---(4)]]>其中，改變量ub和uc之差對應于由于溫度升高而引起圓柱1和圓柱2的交疊程度。相反地，當線性膨脹系數(shù)為α的圓柱內溫度升高ΔT時其半徑r的改變量為αrT，ub和uc之差可由方程(5)來表示。
|Δub|+|Δuc|＝ub-uc＝(α1-α2)RΔT (5)由于rb和rc近似相等，所以假設rb＝rc＝R，根據(jù)方程(3)，(4)以及(5)，當溫度改變ΔT時，圓柱1和圓柱2之間的界面處所產(chǎn)生的壓力可由方程(6)來表示。P=(α1-α2)ΔT1E1(ra2+R2R2-ra2-v1)+1E2(R2+rd2rd2-R2+v2)---(6)]]>
用該壓力P替換方程(2)中的Pb，并假設Pa＝0，由溫度變化ΔT而引起的圓柱1內位置為r處的位移量ur可由方程(7)來確定，其中方程(7)中P即方程(6)所表達的P。ur=-(1-v1E1·R2R2-ra2·r+1+v1E1·ra2R2R2-ra2·1r)P---(7)]]>由溫度變化而引起的圓柱1半徑為r處的總位移uT為熱膨脹的arΔT和外圓柱的存在而引起的位移ur的和。因此，uT可由方程(8)而表示。uT=α1rΔT+ur]]>=α1raΔT-(1-v1E1·R2R2-ra2·r+1+v1E1·ra2R2R2-ra2·1r)P---(8)]]>由于可將圓周方向的收縮系數(shù)用u/r來表示，因此，圓柱1內半徑為r處的有效線性膨脹系數(shù)αtotal可由方程(9)表示。αtotal=uTr·1ΔT---(9)]]>=A-B·1r2]]>其中，A=α1-1-v1E1·R2R2-ra2·(α1-α2)1E1(ra2+R2R2-ra2-v1)+1E2(R2+rd2rd2-R2+v2)]]>B=1+v1E1·ra2R2R2-ra2·(α1-α2)1E1(ra2+R2R2-ra2-v1)+1E2(R2+rd2rd2-R2+v2)]]>在這種情況下，如果將具有不同線性膨脹系數(shù)的材料相結合，使其接觸表面的輪廓線呈一個圓形，則內側材料的有效線性膨脹系數(shù)沿徑向而變化。
下面對通過采用上述雙圓柱結構的固定件而實現(xiàn)控制光纖光柵色散的方法給予說明。由于用方程(1)表示了光纖光柵的反射波長，反射波長隨溫度的變化率dλ/dT如方程(10)所示。dλdT=2(∂neff∂T·Λ+∂Λ∂T·neff)---(10)]]>此外，如果假設光纖的線性膨脹系數(shù)為α，也可表示為Λ/T＝αΛ，因此方程(10)可表示為方程(11)的形式。dλdT=2(∂neff∂T·Λ+αΛneff)---(11)]]>=2(∂neff∂T+αneff)Λ]]>其中，熔融狀態(tài)的石英的折射率隨溫度的變化率為n/T＝+9.8×10-6，并且為一個常數(shù)值。
如果將光纖的縱向方向定義為X軸，由于在此所采用的光纖光柵是一種啁啾光纖光柵，所以光柵周期Λ為X的函數(shù)。其中，為簡便起見，分析一種線性啁啾光纖光柵的情況，該光柵是對于色散補償最普遍采用的一種光纖光柵。在此情況中，光柵周期Λ可用方程(12)來表示。
Λ＝Λ0+CX (12)其中，Λ0為常數(shù)，并且C是一個稱為啁啾率的常數(shù)，該常數(shù)表示光柵周期的變化率。通過將方程(12)代入到方程(11)中，并對X求一階導數(shù)，可以得到光纖光柵的色散量隨溫度的變化關系。對方程(12)求一階導數(shù)得到如下的方程(13)。ddx·dλdT=2neffΛdαdx+2neffαdΛdx+2dΛdxdneffdT---(13)]]>由于方程(13)右側的第二項和第三項的值很小，因此將這些項忽略從而得到方程(14)。ddx·dλdT=2neffΛdαdx---(14)]]>通常光纖線性膨脹系數(shù)α沿其軸向是恒定的，則方程右側為零，即溫度變化不會引起色散的改變。
另一方面，當假設線性熱膨脹α沿軸的改變滿足如下的方程(15)，α＝α0+αxX(15)方程(16)給出方程(11)的一階導數(shù)，d2dX2·dλdT=2neffCαXX---(16)]]>可以得到色散改變量沿光纖光柵軸向而變化的結構。因此，可以采用溫度調制的方式而控制色散量。
當采用這種方式時，采用具有不同線性膨脹系數(shù)的材料而制作雙圓柱結構的固定件，內圓柱的線性膨脹系數(shù)沿徑向具有不同的值。如果將光纖光柵固定到該固定件上，對其固定位置進行調節(jié)，使光纖光柵的線性膨脹系數(shù)沿軸向而變化，則可以通過溫度調制的方式而控制色散量。
例如，通過采用將光纖光柵固定到包括一個雙圓柱的固定件的內圓柱上，當改變距離內圓柱中心軸的距離，且光纖光柵隨制作內圓柱的材料共同膨脹和收縮時，可以通過溫度調制的方式而控制色散量。當改變光纖光柵與內圓柱1的中心軸的距離時，可以通過在內圓柱1上制作一個螺旋形的凹槽而實現(xiàn)對光纖光柵的固定，并且將光纖光柵固定在該螺旋凹槽內。
此外，可固定到固定件上的光纖光柵的數(shù)目并不局限于一個，而可以將多個光纖光柵固定于其上。此時，通過改變多個光纖光柵的固定位置，可同時改變每個光纖光柵的特性，因此可以對每個光纖進行不同的特性改變。
一種將光纖光柵固定到內圓柱的可能的方法是在內圓柱部分制作一個與光纖光柵具有相同或較大直徑的凹槽，并且沿此凹槽將光纖光柵固定。通過將凹槽設置于預先設計的位置，可以固定光纖光柵并且使其位置精確地符合與內圓柱中心的距離。
此外，在將光纖光柵嵌入凹槽后通過利用樹脂等物質將凹槽填充，可以穩(wěn)定地將內圓柱的膨脹和收縮傳遞到光纖光柵。此時，如果采用填充到凹槽內的樹脂的諸如線性膨脹系數(shù)、楊氏模量以及泊松比等物理性質與固定件的內側材料的物理性質是相同的，則可以最小化由溫度變化而引起的內圓柱和樹脂之間的應變差的發(fā)生，并且使性能變得穩(wěn)定。因此，優(yōu)選地樹脂的物理性質與固定件的內側材料的物理性質是相同的。
對于采用作為固定件的各種材料的組合問題，該材料必須具有不同的線性膨脹系數(shù)，但是兩種材料都采用金屬會產(chǎn)生較高的剛性。此外，為獲得有關色散的極大的可變性能，兩種材料的線性膨脹系數(shù)之差應該盡可能的大。因此，優(yōu)選地外圓柱采用金屬制作，而內圓柱采用一種非金屬材料諸如氟塑料(fluroplastic)或者塑料而制作。
另外，在上述說明中，固定件的形狀是一個圓柱，但假如內側材料的線性膨脹系數(shù)和外側材料的線性膨脹系數(shù)不相同，由于溫度升高而導致的接觸面上所產(chǎn)生的壓力會引起波長漂移，因此可以采用另外一種形狀以更好地滿足上述目的。然而，由于如果兩種材料的接觸面是圓形的，則接觸面上所產(chǎn)生的壓力是均勻的，所以優(yōu)選地將接觸面設置為圓形的。用于將兩種材料以圓形的形狀而緊密裝配在一起的方法包括熱套裝配法和壓力裝配法。
上述基于溫度變化控制色散量的方法是通過引入一種用于調節(jié)光纖光柵溫度的溫度控制機構而實現(xiàn)的。
如此可變光纖光柵的實例所述，將光纖光柵固定到固定件，該固定件包括至少兩種材料，每種材料具有不同的線性膨脹系數(shù)，并且采用將具有較低的線性膨脹系數(shù)的材料圍繞具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料的方式而進行制作，并且通過調節(jié)光纖的固定位置使其滿足光纖光柵的膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)沿光纖光柵的軸向跟隨具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料的膨脹和收縮而變化，從實現(xiàn)色散量可變。因此，可以實現(xiàn)一種可變的光纖光柵，該光纖光柵是小型的，并且其色散量能夠有效變化。
以下對本發(fā)明的一個色散補償器的實例給予說明。
如圖8所示，在本實例中的色散補償器是采用將上述的可變光纖光柵與一個光學循環(huán)器12相連的方式而形成的，例如，控制可變光纖光柵中的色散量以便消除光路11所產(chǎn)生的色散疊加。因此，通過使信號從光學循環(huán)器的端口1傳輸?shù)蕉丝?，并且經(jīng)光纖光柵13而反射，對具有由光路11所產(chǎn)生的疊加色散的光信號進行了色散補償。然后，該反射光從光學循環(huán)器的端口2經(jīng)過端口3而輸出。
根據(jù)本實例中的色散補償器，通過采用一種結構，其中利用本發(fā)明的可變光纖光柵對光路所產(chǎn)生的色散進行補償，從而實現(xiàn)一種小型的并且能夠有效進行色散補償?shù)纳⒀a償器。
以下對一個具體實施例給予說明。
通過利用表1所示的材料而制作的一個雙圓柱結構的固定件從而制備一個可變光纖光柵，并且將光纖光柵固定在此固定件上。
表1

在表1的材料中，采用鎳鐵合金和鈦作為外圓柱材料，而采用鋁，聚四氟乙烯(以下簡稱為PTFE)，以及聚氯三氟乙烯(以下簡稱為PCTFE)作為內圓柱材料。將表1所示的線性膨脹系數(shù)，楊氏模量以及泊松比代入方程(9)中以確定內圓柱的線性膨脹系數(shù)隨半徑的變化關系。其中，假設ra＝2.5cm，R＝3.5cm，而rb＝4.5cm。
然后，將所確定的線性膨脹系數(shù)α代入方程(11)中，從而確定具有此線性膨脹系數(shù)的光纖光柵因溫度變化而引起的波長漂移度。其中，假設光柵周期為普遍采用的1.55μm波長帶，而Λ＝531nm，neff＝1.455，n/T＝9.8×10-6。
圖4到圖6給出了這種情況的計算結果。
圖4所示為當內圓柱采用鋁制作的情況，圖5所示為內圓柱采用PTFE制作的情況，而圖6所示為當內圓柱采用PCTFE制作的情況。在每個圖中，(a)表示當外圓柱采用鈦制作，而(b)表示當外圓柱采用鎳鐵合金制作的情況。
以下內容給出將因此得到的波長漂移量轉換成光纖光柵的色散補償量的可變范圍的結果。
目前，商業(yè)可購買的相位掩膜的掩膜長度約為100mm。因此，如果相應地將光柵長度設置為100mm，并且將反射帶寬設置為1.2nm，該帶寬值為補償一個WDM波長的色散所需的帶寬，則光纖光柵的色散量為800ps/nm。該光纖光柵是固定于如圖4所示的固定件上，其內圓柱采用鋁制作而其外圓柱采用鈦制作。
在這種情況下，如果將光纖光柵的長波長反射端確定為內圓柱的最外側直徑(r＝3.5cm)的位置，而將短波長反射端設定為最內側的直徑(r＝2.5cm)的位置，則長波長反射端將每1℃向長波長端移動0.0346nm，并且短波長反射端每1℃向長波長端移動0.0291nm。因此，光纖光柵的帶寬每1℃增加0.0055nm(＝0.0346nm-0.0291nm)。
如果溫度變化量為30℃，則帶寬變化為0.0055nm/℃×30℃＝0.165nm。如果長度為常數(shù)，由于帶寬和色散量成反比關系，色散量為800ps/nm×1.2nm/(1.2nm+0.165nm)＝703ps/nm，且其變化為800-703＝93ps/nm。
該93ps/nm的色散變化量近似與普遍用于傳輸?shù)?80km的光纖中，當溫度發(fā)生100℃變化時(從-30℃到70℃)的色散變化相同，該值足以補償由光傳輸路徑的溫度所引起的變化。
此外，如果將光纖光柵的長波長反射端和短波長反射端的固定位置倒置，則溫度升高會引帶寬起變窄。因此，當升高30℃時色散量為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，當內圓柱采用鋁制作而外圓柱采用鎳鐵合金制作時，或者當內圓柱采用PCTFE或者PTFE制作時，由于波長漂移量對半徑的依賴關系要大于一個溫度單位，因此在相同的溫度變化范圍內能夠得到較大的變化范圍。此外，在相同的變化范圍內，可在一個較小溫度范圍進行色散補償。
例如，當將光纖光柵固定在一個固定件時，該固定件的內圓柱是采用PCTFE制作而其外圓柱采用鎳鐵合金制作，則內圓柱的最內側的直徑的波長移動為-0.035nm/℃，而最外側直徑的波長移動為0.012nm/℃，因此，每1℃的帶寬變化為0.012-(-0.035)nm/℃＝0.047nm/℃。由于0.165nm的帶寬變化是獲得上述93ps/nm的相同變化所必須的，這樣得出0.165/0.047＝3.5℃，表明僅通過4℃左右的溫度變化可以達到這個結果。
因此，通過將一個沿其軸向具有一個恒定的光柵周期的光纖光柵固定到上述固定件上，可以通過溫度調制的方式而形成一個啁啾光纖光柵。例如，如果將光纖光柵固定在一個內圓柱采用PCFTE而外圓柱采用鎳鐵合金制作的固定件，則每1℃的帶寬變化為0.046nm。因此，當要形成一個帶寬為1.2nm的啁啾光纖光柵時，由于1.2/0.046＝26℃，因此溫度變化為26℃。一種具有均勻周期的光纖光柵也可以被采用作為有足夠帶寬的光纖光柵，以允許采用作為一個色散補償光纖光柵。
在這種情況下，內圓柱是采用PCTFE或者PTFE制作的，可以根據(jù)光纖光柵的固定位置使波長移動方向反向。所以，由于可以在光纖光柵的兩端倒轉反射波長的變化方向，因此可以通過溫度變化而僅改變色散量，同時抑制反射中心波長，即工作中心波長的變化。
此外，采用溫度控制以改變光纖光柵的反射波長頻帶，則可利用此實例的光纖光柵作為一個可變頻帶濾波器。另外，如果頻帶變化，則反射系數(shù)和透射系數(shù)也相應改變，也因此能夠利用光纖光柵作為一個可變的透射/反射濾波器。例如，圖7所示為采用光柵長度為100mm而折射系數(shù)變化量為0.0015的光纖光柵時所得到的透射阻帶和反射帶寬的關系。
圖6所示為將一個啁啾光纖光柵以螺旋形狀固定到一個計算中所采用的形狀的雙環(huán)結構上所得到的實際特性。該螺旋凹槽的設計使線性膨脹系數(shù)沿凹槽的縱向呈線性變化，這樣使波長移動對溫度的變化率在螺旋中心附近為零。因此，可以得到一種結構，其中只有色散量是變化的，而保持群延遲頻率的線性和中心波長特性不變。其中，固定光纖光柵使具有較長的光柵周期的一邊位于螺旋凹槽較短半徑的位置。
圖9所示為反射光譜的隨溫度的變化關系?？梢源_定隨溫度的升高，反射光譜的短波長端向長波長側移動而長波長端向短波長側移動。因此可以達到相應于只有反射頻帶改變而實際上反射中心波長不發(fā)生變化的設計特點。
圖10所示為群延遲頻率特性?？梢源_定只有群延遲光譜的傾斜度(inclination)發(fā)生改變，同時保持線性形狀。
圖11所示為此實例的色散量以及反射中心波長隨溫度的變化。該色散量被確定為圖10中所示的組延遲特性的線性近似傾角。
因此，通過將溫度從12℃改變44℃到56℃，色散量從750ps/nm變化到2000ps/nm。此外，此時的中心波長變化在所有可變頻帶上小于0.1nm，證實根據(jù)這種設計可以實現(xiàn)具有大的可變色散區(qū)域并且實際上無中心波長移動的色散補償器。
其中，對于其螺旋凹槽的設計使得線性膨脹系數(shù)沿螺旋凹槽的方向而呈線性變化的情況進行多次實驗，但是如果線性膨脹系數(shù)以次有方式(secondary manner)而變化，則可使色散傾斜度可變。此外，通過將光纖光柵的固定位置的線性膨脹系數(shù)表示為一個沿光纖軸向的可選函數(shù)，可以輕易地得到期望的變化特性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，將一種光纖光柵固定到一個包括至少兩種材料的固定件上，每種材料具有不同的線性膨脹系數(shù)，并且采用將具有較低的線性膨脹系數(shù)的材料圍繞具有較高的線性膨脹系數(shù)材料的形式而制作，并且通過調節(jié)光纖光柵的固定位置使隨具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料的膨脹和收縮的光纖光柵的膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)沿光纖光柵的軸向而變化，從而使色散量可變。因此，可以實現(xiàn)一種小型的可變光纖光柵，并且其色散量能夠被有效改變。
此外，通過采用兩種材料并使具有較低的線性膨脹系數(shù)的外圓柱圍繞一個其材料具有較高線性膨脹系數(shù)的內圓柱的方式而制作的固定件，使不同線性膨脹系數(shù)的材料之間的接觸界面的輪廓呈一個圓形，可以使界面上所產(chǎn)生的壓力變得均勻。
此外，通過使具有不同線性膨脹系數(shù)的兩種材料采用金屬制作，可以使制作的可變光纖光柵具有高剛性。
而且，通過將沿光柵的軸向方向其光柵周期為常數(shù)的光纖光柵固定在固定件上，可通過溫度調制的方式而形成一個啁啾光纖光柵。
再者，通過將多個光纖光柵固定到固定件上，并且改變該多個光纖光柵的固定位置，可以同時改變每個光纖光柵的特性，使每個光纖光柵得到不同的特性變化。
另外，通過在構成固定件的具有較高線性膨脹系數(shù)的材料中制作一個凹槽，并且采用樹脂將光纖光柵固定在該凹槽中，可以精確地將內圓柱的膨脹和收縮傳遞到光纖光柵。
此外，通過使光纖光柵固定在固定件的凹槽中采用的樹脂的線性膨脹系數(shù)，楊氏模量以及泊松比分別與制作固定件的具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料的線性膨脹系數(shù)，楊氏模量以及泊松比相同，則可以使溫度變化所引起的固定件和樹脂間的應變差的發(fā)生概率最小，并且也能夠使光纖光柵的特性穩(wěn)定。
另外，通過將光纖光柵固定到固定件的固定位置，使其滿足當溫度在工作溫度范圍內變化時，光纖光柵的每一端的反射波長的變化方向彼此相反，從而可以通過溫度變化的方式而只改變色散量，而抑制反射中心波長，即工作中心波長的變化。
此外，根據(jù)本發(fā)明，通過采用本發(fā)明的可變光纖光柵而對光傳輸路徑的色散進行補償，可以實現(xiàn)一種小型的并且能夠有效地進行色散補償?shù)纳⒀a償器。
權利要求
1.一種可變光纖光柵，包括一個光纖光柵；一個固定件，其中所述的光纖光柵固定在所述的固定件上，所述的固定件至少包括第一種和第二種材料，第一種材料較第二種材料具有較高線性膨脹系數(shù)，具有較低線性系數(shù)的第二種材料圍繞具有較高線性膨脹系數(shù)的第一種材料，并且其特征在于，使光纖光柵的結構滿足所述光纖光柵的膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)在所述光纖光柵的軸向上，隨具有較高的線性膨脹系數(shù)的第一種材料的膨脹和收縮而變化，由此，可通過調節(jié)所述光纖光柵的固定位置，通過溫度調制來改變色散量。
2.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述的固定件是通過提供一個圍繞內圓柱的外圓柱而形成的，所述的外圓柱包括具有較低線性膨脹系數(shù)的第二種材料，而內圓柱包括具有較高線性膨脹系數(shù)的第一種材料，且具有不同的線性膨脹系數(shù)的上述第一種材料和第二種材料之間的接觸表面的截面呈圓形。
3.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述第一種和和第二種材料包括金屬。
4.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，只有所述第二種材料包括金屬。
5.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，固定在固定件中的所述光纖光柵是一個啁啾光纖光柵，該光纖光柵的光柵周期或者有效折射率沿光纖的軸向而變化。
6.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述光纖光柵的光柵周期沿光纖的軸向方向是恒定的。
7.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，將多個光纖光柵固定到所述固定件上。
8.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，在第一種材料中制作了一個凹槽，并且將光纖光柵固定在所述凹槽中。
9.如權利要求8所述的可變光纖光柵，其特征在于，采用樹脂將所述的光纖光柵固定在所述凹槽中。
10.如權利要求9所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述樹脂的線性膨脹系數(shù)、楊氏模量以及泊松比分別與第一種材料的線性膨脹系數(shù)、楊氏模量以及泊松比相同。
11.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，還包括一個溫度控制機構用以調節(jié)所述光纖光柵的溫度。
12.如權利要求1所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述光纖光柵固定在固定件上，其固定位置的設置滿足當溫度在工作溫度范圍內變化時，在光纖光柵的每一端的反射波長的變化方向彼此是相反的。
13.一種色散補償器，對光線傳輸?shù)纳⑦M行補償，所述的色散補償器包括一個可變光纖光柵，其特征在于，所述的可變光纖光柵包括一個光纖光柵；以及一個固定件，其中，所述的光纖光柵固定在所述的固定件上，所述的固定件至少包括第一種和第二種材料，第一種材料較第二種材料具有較高線性膨脹系數(shù)，且具有較低的線性系數(shù)的第二種材料圍繞具有較高線性膨脹系數(shù)的第一種材料，并且其特征在于，使光纖光柵的結構滿足所述光纖光柵的膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)在軸向上隨具有較高的線性膨脹系數(shù)的第一種材料的膨脹和收縮而變化，從而通過調節(jié)所述光纖光柵的固定位置，采用溫度調制來改變色散量。
14.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述的固定件是通過提供一個圍繞內圓柱的外圓柱而形成的，所述的外圓柱包括具有較低線性膨脹系數(shù)的第二種材料，而內圓柱包括具有較高線性膨脹系數(shù)的第一種材料，且具有不同的線性膨脹系數(shù)的上述第一種材料和第二種材料之間的接觸表面具有圓形的截面。
15.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述第一種和第二種材料均包括金屬。
16.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，只有所述第二種材料包括金屬。
17.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，固定在固定件中的所述光纖光柵是一個啁啾光纖光柵，該光纖光柵的光柵周期或者有效折射率沿光纖的軸向而變化。
18.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述光纖光柵的光柵周期沿光纖的軸向方向是恒定的。
19.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，將多個光纖光柵固定到所述固定件上。
20.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，在第一種材料中制作了一個凹槽，并且將光纖光柵固定在所述凹槽中。
21.如權利要求20所述的可變光纖光柵，其特征在于，采用樹脂將所述的光纖光柵固定在所述凹槽中。
22.如權利要求21所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述樹脂的線性膨脹系數(shù)、楊氏模量以及泊松比分別與第一種材料的線性膨脹系數(shù)、楊氏模量以及泊松比相同。
23.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，還包括一個溫度控制機構用以調節(jié)所述光纖光柵的溫度。
24.如權利要求13所述的可變光纖光柵，其特征在于，所述光纖光柵固定在固定件上，其固定位置的設置滿足當溫度在工作溫度范圍內變化時，在光纖光柵的每一端的反射波長的變化方向彼此是相反的。
25.一種可變光纖光柵包括光纖；第一種材料；以及第二種材料，其中，所述光纖光柵的至少一部分固定在第一種和第二種材料內，所述部分構成一個光纖光柵，第一種材料較第二種材料具有較高的線性膨脹系數(shù)，并且第二種材料環(huán)繞第一種材料。
26.一種改變色散量的方法，通過在可變光纖光柵中進行溫度調制來實現(xiàn)，所述的可變光纖光柵的至少一部分固定在第一種和第二種材料之內，所述部分構成一個光纖光柵，第一種材料較第二種材料具有較高的線性膨脹系數(shù)，并且第二種材料環(huán)繞第一種材料，所述的方法包括確定上述光纖光柵的位置，使所述光纖光柵的膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)沿所述光纖光柵的軸向變化；并且通過改變對其所施加的溫度而引起第一種材料的膨脹和收縮，從而改變光纖光柵內的色散量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種小型的可變光纖光柵，該光纖光柵可以不改變工作中心波長而對色散量進行有效改變。本發(fā)明也提供一種色散補償器，該色散補償器采用該可變光纖光柵。通過提供一個圍繞內圓柱(1)的外圓柱(2)而制作固定件，所述內圓柱(1)由具有較低線性膨脹系數(shù)的材料制成，所述外圓柱(2)由具有較高線性膨脹系數(shù)的材料制成，并且將光纖光柵固定在一個制作在內圓柱(1)上的凹槽(3)中。通過調節(jié)光纖光柵的固定位置，光纖光柵的膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)在所述光纖光柵的軸向上隨具有較高的線性膨脹系數(shù)的材料的膨脹和收縮而變化，從而使色散量得到控制。
文檔編號G02B6/00GK1470891SQ0314500
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月16日 優(yōu)先權日2002年6月19日
發(fā)明者坂元明, 奧出聡 申請人:株式會社藤倉