專利名稱:一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法
技術領域:
本發(fā)明屬于光纖通信與光纖感技術領域,具體涉及一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,采用降低光纖布拉格光柵(FBG)心波長溫度敏感性的技術,將腐蝕過的普通光纖布拉格光柵,用石英玻璃管進行封裝,并在管內填充特定折射率溶液,以實現光纖光柵布拉格波長的溫度穩(wěn)定性,同時涉及該種器件的測試裝置系統。
背景技術:
光纖布拉格光柵是一種利用石英光纖材料的光敏性,通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯,在纖芯內產生沿軸向的周期性折射率變化,從而形成一個具有窄帶濾波功能的光纖波導器件。當寬帶光經過光纖光柵時,滿足布拉格條件的波長將發(fā)生反射,其余波長的光將透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。利用這一特性可構成許多性能獨特的光電子器件,如窄帶濾波器、反射器、色散補償器、摻鉺光纖放大增益及降噪濾波器、DWDM系統中 的波分復用器、大型結構的應變及溫度準分布式測量、油(氣)井下壓力和流量的測量、航天飛機運行狀態(tài)監(jiān)測、橋梁變形測量應用的光纖傳感器等。光纖光柵由于具有微型化、耦合性好、波長選擇性好、極化不敏感以及易于與光纖系統連接等特性,成為了光纖通信系統和光纖傳感系統的關鍵無源器件。在光纖光柵傳感應用中,主要是利用了其反射波長對溫度和應變的可調諧性。但隨著這一功能性光纖波導器件功能開發(fā)與應用,在很多場合下需要光纖光柵反射波長對溫度的高穩(wěn)定性,就需要對光纖光柵進行溫度減敏或補償處理,如在光纖光柵傳感解調技術中選用參考光纖光柵反射的波長進行定標,就得要求參考光柵的反射波長具有良好的溫度不敏感性。在光纖通信系統中,光柵光纖主要用來充當波長選擇器件的,其對工作環(huán)境溫度的穩(wěn)定性是衡量器件性能的重要指標,特別是在基于光纖光柵進行波長選擇的窄線寬光纖激光器中,要實現穩(wěn)定的單頻激光輸出,充當外腔端面反射鏡的光纖光柵就必須具有良好的溫度不敏感特性。然而,裸光纖布拉格光柵對溫度有一定的敏感性,其反射波長對溫度的響應靈敏度為O. 013nm/°C,這就影響了光纖布拉格光柵反射波長的溫度穩(wěn)定性。解決上述問題常用的方法是用具有負熱膨脹系數的材料對光纖光柵進行封裝,利用材料的負熱膨脹產生的負應變補償光纖光柵熱膨脹效應中的正應變,而且要求封裝過程中材料的固化不能使光纖光柵產生啁啾現象,因此對光纖光柵的封裝技術有著較高要求。所以,提出一種有效、簡便的光纖布拉格光柵溫度減敏方法,降低光纖布拉格光柵波長對溫度的響應靈敏度以及光纖光柵溫度補償的技術難度,是本發(fā)明專利要解決的主要技術問題。
發(fā)明內容
為了克服上述現有技術的不足,本發(fā)明的目的在于提供了一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,解決了降低光纖光柵溫度補償封裝過程的技術難度,具有方法簡單、操作方便和降低光纖光柵的溫度靈敏度的特點。
為了實現上述目的,本發(fā)明采用的技術方案是一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,包括以下步驟
一、制備微米直徑光纖光柵,利用氫氟酸腐蝕工藝將包層光纖光柵的二氧化娃玻璃去掉,光纖光柵的柵區(qū)僅有纖芯,并對纖芯進行部分腐蝕,使柵區(qū)的纖芯的直徑達到4 8μm ;
二、將步驟一制備的單模光纖穿過石英玻璃管并拉直無需加預應力,用石英玻璃管對加工過的微米直徑光纖光柵進行柱狀封裝,石英玻璃管中充裝具有特定折射率和折射率溫度系數的溶液,用真空泵抽掉溶液中的空氣后,石英玻璃管兩端用粘膠劑密封,由溶液充當光纖光柵的包層,利用包層折射率隨溫度增加而減小導致光纖光柵反射波長紫移的特性,對光纖光柵反射波長隨溫度增加紅移特性進行補償。步驟二所述的溶液的折射率為I. 4545^1. 4560,其折射率溫度系數為
O.00026 O. 00045。 所述的光纖光柵米用光纖布拉格光柵。本發(fā)明中涉及的光纖光柵溫度補償技術方法,其主要特征在于基于溶液的熱光效應,根據光纖光柵的柵區(qū)直徑尺寸選用折射率溫度系數在O. 00026、. 00045范圍內的特定溶液代替光纖光柵的包層,用溶液的熱光效應即溶液折射率隨溫度變化的特性實現對光纖光柵的溫度響應進行補償,并非采用傳統的負熱應變補償纖光柵的正熱應變以達到穩(wěn)定輸出波長的目的。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明所用微米直徑光纖光柵,其特征在于光纖光柵的柵區(qū)僅有纖芯,其直徑是先經過特定方法確定,利用氫氟酸腐蝕工藝將包層去掉的。本發(fā)明所涉及的光纖光柵的封裝工藝,其特征在于封裝過程中無需對光纖光柵施加預應力,僅需排除掉石英玻璃管中溶液的空氣后再進行密封,因此工藝簡單可行,操作方便。本發(fā)明提出的采用特殊溶液對無包層光纖光柵進行封裝實現溫度補償的方法,由于避免了封裝材料應變對光纖光柵的影響,因此實現起來不受封裝工藝技術的影響,簡單可行,操作方便,并具有可重復性。
圖I為本發(fā)明光纖布拉格光柵溫度補償封裝結構圖。圖2為本發(fā)明光纖布拉格光柵反射波長測試系統。圖3為本發(fā)明溶液包層光纖光柵反射光譜圖。圖4為本發(fā)明溫度補償后的光纖布拉格光柵反射波長隨溫度變化的關系曲線。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明,但本發(fā)明不限于下面所述實施例。實施例I
本發(fā)明所提出的光纖光柵溫度補償方法,其核心是將光纖光柵的二氧化硅玻璃包層用特定折射率溶液替換,然后再用圓柱狀石英玻璃管封裝,用包層折射率隨溫度增加而減小導致光纖光柵反射波長紫移的特性,對光纖光柵反射波長隨溫度增加紅移特性進行補償。所采用裝置結構原理圖如圖I所示,由單模光纖1、7,粘膠劑2、6,特定溶液3,無包層光柵4以及圓柱狀石英玻璃管5組成。其制作過程方法是將普通光纖光柵的柵區(qū)4處的包層用氫氟酸腐蝕掉,并對纖芯進行部分腐蝕,使柵區(qū)4的直徑達到8μπι以下;然后將單模光纖1、7穿過石英玻璃管5并拉直無需加預應力,先用膠粘劑2封堵石英玻璃管5的左端并固定單模光纖1,待膠粘劑干固后,再給石英玻璃管5中填充溶液3,并用真空泵抽出溶液3中的空氣后,再用粘膠劑6封堵石英玻璃管5的右端并固定單模光纖7,待膠粘劑6干固后則溫度補償封裝完成。實施例2
本實施例中涉及對補償封裝后的光纖光柵進行溫度測試實驗系統,是由匹配液槽8、可調溫箱9、光纖環(huán)行器10、寬帶光源11、封裝后的光纖光柵12、光譜分析儀13等部分組成,各部分用普通單模光纖連接,封裝后的光纖光柵12左側尾纖終端浸入匹配液槽8,目的是消除光纖的的斷面反射以提高波長信號的信噪比。光纖環(huán)行器10的作用是限制光的傳播 方向的。寬帶光源12發(fā)出的光由光纖環(huán)行器10的紅色端進入,從藍色端輸出進入光纖光柵12,滿足布拉格條件的光被反射經光纖環(huán)行器10從白色端進入光譜分析儀13,不滿足布拉格條件的光通過光柵進入匹配液槽8被吸收幾乎無反射。實施例3
一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,包括以下步驟
一、制備微米直徑光纖光柵,利用氫氟酸腐蝕工藝將包層光纖光柵的二氧化娃玻璃去掉,光纖光柵的柵區(qū)僅有纖芯,并對纖芯進行部分腐蝕,使柵區(qū)的纖芯的直徑達到5μπι ;
二、將步驟一制備的單模光纖穿過石英玻璃管并拉直無需加預應力,用石英玻璃管對加工過的微米直徑光纖光柵進行柱狀封裝,石英玻璃管中充裝折射率為1.4550的溶液,其折射率溫度系數為O. 00038 RIU/°C,用真空泵抽掉溶液中的空氣后,石英玻璃管兩端用粘膠劑密封,由溶液充當光纖光柵的包層,利用包層折射率隨溫度增加而減小導致光纖光柵反射波長紫移的特性,對光纖光柵反射波長隨溫度增加紅移特性進行補償。利用實施例2所示裝置,將封裝的光纖光柵4置于可調溫箱9中,從25°C開始升溫,每隔5°C用光譜分析儀13記錄一次反射波長,直至加溫到70°C,所得到的光纖光柵反射波長飄移量與溫度關系如圖3所示。由圖可得,這種用石英玻璃管封裝而填充溶液充當包層的光纖光柵,其反射波長的溫度靈敏度為O. 0006nm/°C,與普通光纖光柵相比,反射波長的溫度靈敏度減少近22倍,即封裝后得光纖光柵反射波長對溫度的穩(wěn)定性提高了。而且升降溫過程中光纖光柵反射光譜形狀基本不變,可以滿足應用要求,具體如圖4所示,沒有啁啾現象。因此,實施例3證實了此種溫度補償方法的可行性,另一方面也說明了采用石英玻璃管封裝,并未使光纖光柵發(fā)生因封裝材料熱膨脹導致的附加應變,產生啁啾現象,這主要源于光纖與石英玻璃管有著相同的熱膨脹系數。根據上述原理、方法以及結果,還可選擇直徑不同的無包層光纖光柵和具有不同折射率溫度系數的溶液封裝實現光纖光柵的溫度補償。所述實施例僅用以說明本發(fā)明的技術實施方案的可行性而并非限制,基于實施例中所述技術方法進行修改或者等同替換,而不脫離本發(fā)明的精神和范圍,都應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍中。
本發(fā)明光纖光柵溫度補償原理如下
光纖Bragg光柵(FBG)是一種光纖芯區(qū)折射率受周期性調制的光纖波導,其導模中心
波長4與纖芯有效折射率、光
棚周期Λ滿足關系4 = 2 Λ關系。光棚周期和有效折射率的任何改變均可引起中心波長的改變。對于無包層的光纖光柵而言,當環(huán)境溫度發(fā)生變化時,光纖的熱光效應和熱膨脹效應會引起有效折射率和光柵周期的變化導致反射波長變化,并且滿足
其中, 和α分別代表光纖光柵的熱光系數和熱膨脹系數,實驗證明在光柵應用的溫度范圍內均可看作正常數。因此,普通光纖光柵反射波長隨溫度的增加而線性移動,溫度升高向長波方向移動,溫度降低時則向短波方向移動。當光纖光柵的柵區(qū)包層被腐蝕掉以后,刻有光柵的纖芯便暴露在具有一定折射率的環(huán)境中,一部分傳輸光就會以倏逝場的形式在纖芯外的介質中傳輸,與周圍環(huán)境介質發(fā)生作用而影響傳輸模式的有效折射率,最終引起光纖光柵反射波長的改變。對于充當包層的液體而言,當溫度升高時其折射率是減小的,這種熱光效應會使纖芯導模的有效折射率相應減小,導致反射波長向短波方向移動,而且纖芯直徑尺寸越小,這種溶液熱光效應導致的波長移動會越明顯。并且滿足
其中,Λ代表光纖光柵的周期,二為溶液折射率隨溫度變化的熱光系數,可視為正常
數。'力包層溶液折射率變化導致有效折射率變化的對應系數,它是包層溶液折射率和纖芯直徑的函數。在纖芯直徑確定的情況下,上述因溶液熱光效應導致的波長變化理論上并非與溫度變化成線性關系,但實驗證明在折射率小范圍變化時,這一變化關系可視為線性關系。相對于溫度增加導致光纖光柵反射波長向長波移動,液體包層光纖光柵的反射波長則隨溫度升高致使液體折射率減小效應向短波方向移動,溫度變化這一相同外因會使光纖光柵的反射波長向相反方向移動,從而實現對溫度的補償。因此,通過上述關系式可得 利用該式中相關參可以優(yōu)選包層溶液折射率以及其熱光系數,采用本發(fā)明所述封裝方法,實現對光纖光柵的溫度補償。
權利要求
1.一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,其特征在于,包括以下步驟 一、制備微米直徑光纖光柵,利用氫氟酸腐蝕工藝將包層光纖光柵的二氧化娃玻璃去掉,光纖光柵的柵區(qū)僅有纖芯,并對纖芯進行部分腐蝕,使柵區(qū)的纖芯的直徑達到4 8μm ; 二、將步驟一制備的單模光纖穿過石英玻璃管并拉直無需加預應力,用石英玻璃管對加工過的微米直徑光纖光柵進行柱狀封裝,石英玻璃管中充裝具有特定折射率和折射率溫度系數的溶液,用真空泵抽掉溶液中的空氣后,石英玻璃管兩端用粘膠劑密封,由溶液充當光纖光柵的包層,利用包層折射率隨溫度增加而減小導致光纖光柵反射波長紫移的特性,對光纖光柵反射波長隨溫度增加紅移特性進行補償。
2.根據權利要求I所述的一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,其特征在于,所述的溶液的折射率為I. 4545 I. 4560,其折射率溫度系數為O. 00026 O. 00045。
3.根據權利要求I所述的一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,其特征在于,所述的光纖光柵米用光纖布拉格光柵。
4.根據權利要求I所述的一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,其特征在于,包括以下步驟 一、制備微米直徑光纖光柵,利用氫氟酸腐蝕工藝將包層光纖光柵的二氧化娃玻璃去掉,光纖光柵的柵區(qū)僅有纖芯,并對纖芯進行部分腐蝕,使柵區(qū)的纖芯的直徑達到5μπι ; 二、將步驟一制備的單模光纖穿過石英玻璃管并拉直無需加預應力,用石英玻璃管對加工過的微米直徑光纖光柵進行柱狀封裝,石英玻璃管中充裝折射率為1.4550的溶液,其折射率溫度系數為O. 00038 RIU/°C,用真空泵抽掉溶液中的空氣后,石英玻璃管兩端用粘膠劑密封,由溶液充當光纖光柵的包層,利用包層折射率隨溫度增加而減小導致光纖光柵反射波長紫移的特性,對光纖光柵反射波長隨溫度增加紅移特性進行補償。
全文摘要
一種液體封裝光纖光柵溫度補償方法,步驟為一、制備微米直徑光纖光柵,利用氫氟酸腐蝕工藝將包層光纖光柵的二氧化硅玻璃去掉,光纖光柵的柵區(qū)僅有纖芯,并對纖芯進行部分腐蝕,使柵區(qū)的纖芯的直徑達到4~8μm;二、將步驟一制備的單模光纖穿過石英玻璃管并拉直無需加預應力,用石英玻璃管對加工過的微米直徑光纖光柵進行柱狀封裝,石英玻璃管中充裝具有特定折射率和折射率溫度系數的溶液,抽掉溶液中的空氣,石英玻璃管兩端用粘膠劑密封,由溶液充當光纖光柵的包層,用包層折射率隨溫度增加而減小導致光纖光柵反射波長紫移的特性,對光纖光柵反射波長隨溫度增加紅移特性進行補償,具有方法簡單、操作方便和降低光纖光柵的溫度靈敏度的特點。
文檔編號G02F1/01GK102809778SQ20121029618
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權日2012年8月20日
發(fā)明者劉穎剛, 傅海威, 賈振安, 王宏亮, 馮德全 申請人:西安石油大學