專利名稱：一種光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖光柵溫度補(bǔ)償 裝置。
背景技術(shù)：
在光纖傳感和光纖通信技術(shù)中，經(jīng)常會應(yīng)用光纖光柵FBG (fibber Bragg grating)做為波長選擇器件。在實(shí)際應(yīng)用中光纖光柵是通過對光敏感的光纖 用紫外線(UV light)進(jìn)行干涉曝光，使光纖沿纖心方向產(chǎn)生折射率永久的改 變來得到的。
光纖光柵的一個重要的參數(shù)就是中心波長，中心波長同光纖光柵折射率 和周期有關(guān)，具體關(guān)系如下
λB=2neffΛ 式(1 )
式中
λB為光纖光4冊中心波長； Λ為光柵周期；
neff為光柵折射率。
在實(shí)際的應(yīng)用過程中，隨著工作溫度的改變，光纖光柵的折射率neff會發(fā)生明顯的變化，表征折射率"w隨溫度變化的參數(shù)為光纖物質(zhì)的熱光系 數(shù)，表達(dá)式為<formula>complex formula see original document page 6</formula> 式(2 )
式中
δ為光纖物質(zhì)的熱光系數(shù);
<formula>complex formula see original document page 6</formula>為光纖光柵的有效折射率;
T為工作溫度。
光纖光柵中心波長會隨著光纖光柵折射率""〃 改變而改變，也就是說， 光纖光柵中心波長會隨著工作溫度的變化而變化。例如，對于中心波長為 1550nm (納米)的光纖光柵，中心波長隨溫度漂移量大約為0.013nmrc ，
這個漂移量值在光纖傳感和光纖通信中會造成測量不準(zhǔn)確或通信失敗，因 此，光纖光柵中心波長會隨著工作溫度的變化在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)加以控 制。
光纖光柵中心波長隨溫度變化相對變化量的關(guān)系表達(dá)式可表示為 <formula>complex formula see original document page 6</formula>式(3)
另外，除工作溫度變化對光纖光柵中心波長有影響之外，光纖光柵中心 波長還同施加在光柵上的應(yīng)力有關(guān)，表達(dá)式為
<formula>complex formula see original document page 6</formula> 式(4)
式中
Pe為光纖彈光系數(shù)； Ezz為光纖受到的軸向得應(yīng)力。
以光纖光柵受縱向拉伸時為例，對于中心波長在1550nm的光纖光柵， 那么光纖光柵彈光效應(yīng)單位縱向應(yīng)變引起的波長位移為1.22pm/u￡ (單位為
在每微應(yīng)力下光纖光柵中心波長的漂移值)。
然而，對于給定的光纖光柵，ξ、P'是確定的，且由式(3)與式
(4)可以得出光纖光柵中心波長同溫度和應(yīng)力的變化均呈線性關(guān)系，故
可以利用施加在光柵上的應(yīng)力來補(bǔ)償光柵受溫度的變化，其理想的狀態(tài)如下
式所示
ξΔT+(1-Pe)Δεzz＝0 式(5)
由此原理，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開了兩種光纖光柵的溫度補(bǔ)償裝置
現(xiàn)有技術(shù)方案一
如圖1所示，為美國專利US5042898基于上述補(bǔ)償原理公開的 一種補(bǔ)償 裝置，具體采用兩種溫度膨脹系數(shù)不同的金屬零件組合成光纖光柵的封裝裝 置。 一種金屬零件具有較大的熱膨脹系數(shù)；另一種金屬零件作為基體，其熱 膨脹系數(shù)極低。光纖光柵在沿其纖心方向上施加一定的應(yīng)力后兩端分別固定 在封裝裝置中的兩種金屬零件上，當(dāng)工作溫度變化時，通過改變施加在光纖 光柵上的應(yīng)力來補(bǔ)償中心波長的漂移。
具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，光纖10的一部分17包含光纖光柵13， 21為補(bǔ)償結(jié) 構(gòu)的第一部分，22為補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的第二部分。補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的第一部分21有一個凹 陷部分23,補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的第二部分22有一個突出部分24并伸入到凹陷部分23 中。光纖光柵一邊粘貼到補(bǔ)償結(jié)構(gòu)21的橋梁結(jié)構(gòu)25上的連接點(diǎn)26處；另一邊 粘貼到補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22的突出部分24的連接點(diǎn)27處。兩個連接點(diǎn)26與27之間的這 一段光纖會隨著補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的熱脹或冷縮改變其長度，稱為"有效光纖"，其 長度為光纖的"有效長度"。突出部分24并不與凹陷部分23接觸，故光纖光 柵是懸空放置的，以防止光柵同金屬材料接觸對光柵性質(zhì)產(chǎn)生影響。連接點(diǎn) 26與27兩點(diǎn)間的距離定義為L3。第一補(bǔ)償部分21同第二補(bǔ)償部分22通過固定 裝置30緊密相連，固定裝置30可以是螺絲，在第二補(bǔ)償部分22的邊緣上開有通孔，在第一補(bǔ)償部分21的連接臂28上相應(yīng)的部分開螺紋孔，通過螺絲固定 第二補(bǔ)償部22和第一補(bǔ)償部分21 。同時在第一補(bǔ)償部分21同第二補(bǔ)償部分22 間還設(shè)有具有彈性且可形變特性的彈力裝置31,當(dāng)固定裝置30擰緊時，彈力 裝置31在第 一補(bǔ)償部分21同第二補(bǔ)償部分22間產(chǎn)生彈性力，調(diào)整固定裝置30 可以調(diào)整第一補(bǔ)償部分21同第二補(bǔ)償部分22之間位置，以此改變L3的長度， 進(jìn)而調(diào)整施加在光纖光柵13上的應(yīng)力，來微調(diào)光纖光柵的反射波長。
在此補(bǔ)償裝置中，當(dāng)溫度升高時，利用第一補(bǔ)償部分21同第二補(bǔ)償部分 22材料的溫度膨脹系數(shù)的不同，可減小施加在光纖光柵13上的應(yīng)力；反之當(dāng) 溫度減小時，可增大施加在光纖光柵13上的應(yīng)力。只要對第一補(bǔ)償部分21同 第二補(bǔ)償部分22選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，即可?shí)現(xiàn)利用應(yīng)力補(bǔ)償光纖光柵中心波長 隨溫度的漂移。
另外，現(xiàn)有技術(shù)一存在如下的缺點(diǎn)
1、 光纖光柵兩端的固定位置無法靈活調(diào)整，往往需重新粘接，有些情況 會造成永久的損壞，致使固定位置不可變；
2、 當(dāng)?shù)谝谎a(bǔ)償部分21同第二補(bǔ)償部分22的材料選擇同理論，計算有微 小差異便會導(dǎo)致溫度補(bǔ)償產(chǎn)生較大的且可能不可控制的誤差。
3、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大。
現(xiàn)有技術(shù)方案二
如圖2所示，為美國專利US5694503基于上述補(bǔ)償原理公開的 一種補(bǔ)償 裝置，利用具有負(fù)溫度系數(shù)材料對光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償。光纖光柵施加一 定的應(yīng)力后粘貼在具有負(fù)溫度系數(shù)的基體材料上，其補(bǔ)償原理也是通過改變 施加在光纖光4冊上的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，負(fù)溫度膨脹材料基體11,粘結(jié)層12，光纖13,光 纖光柵14，覆蓋層15(可選)，以及任意的環(huán)氧膠固定點(diǎn)16。光柵部分并不同負(fù)溫度膨脹材料的基體相接以防止對光纖的特性造成影響，粘結(jié)層12上開 有V形溝槽1 7用來固定光纖。粘結(jié)層12可以選擇與負(fù)溫度膨脹材料基體1 1相 同的材料，也可以選擇其他溫度系數(shù)的材料，但是一定要保證粘貼層同基底保持相對靜止，這是為了保證光纖光柵兩端固定點(diǎn)16可以隨負(fù)溫度膨脹材料 基體11變化而變化。兩個固定點(diǎn)16之間的這一段光纖會隨著補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的熱脹 或冷縮改變其長度，稱為"有效光纖"，其長度為光纖的"有效長度"。把 粘結(jié)層12同負(fù)溫度膨脹材料基體11利用環(huán)氧膠16固定，然后把負(fù)溫度膨脹材 料基體11、粘結(jié)層12和包含光纖光柵14的光纖13加熱到80。C的連接溫度，連 接溫度必須保證高于光纖激光器的最高使用溫度。當(dāng)光纖光柵14加熱到8CTC 的連接溫度時，光纖光柵受熱膨脹，其上折射率發(fā)生變化。在80。C的連接溫 度下固定光纖光柵14,當(dāng)溫度減小以后，粘結(jié)點(diǎn)16距離變大，此時會在光纖 光柵14上產(chǎn)生一定的應(yīng)力，利用此應(yīng)力即可補(bǔ)償溫度對中心波長的漂移。最 后把光纖固定到粘結(jié)層12的V形溝槽17中，并由覆蓋層15覆蓋。
環(huán)境溫度升高，光纖光柵14折射率變大。然而負(fù)溫度膨脹材料基體11具 有負(fù)溫度膨脹系數(shù)，即負(fù)溫度膨脹材料基體11隨溫度升高而收縮，故負(fù)溫度 膨脹材料基體11帶動粘結(jié)層12收縮，且光纖光柵14的兩端固定點(diǎn)16距離減 小，由于光纖光柵被拉伸固定，兩固定點(diǎn)16之間的距離減小會使光纖光柵14 上的應(yīng)力減小，以此補(bǔ)償由于溫度升高導(dǎo)致光纖光柵中心波長的漂移。反之 亦然。
另外，現(xiàn)有技術(shù)二存在如下的缺點(diǎn)
1、 光纖光柵兩端采用固定點(diǎn)16固定，固定位置無法改變，往往需重新 粘接，有些情況會造成永久的損壞；
2、 如果固定點(diǎn)同理論固定點(diǎn)有誤則不可調(diào)整，導(dǎo)致光纖光柵^^廢或溫度 補(bǔ)償不準(zhǔn)確。
3、 負(fù)溫度系數(shù)材料選擇范圍窄，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，可以對光纖光柵兩端的固定位置進(jìn)行靈活的調(diào)整；同時結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間?。怀杀镜?。
本發(fā)明的實(shí)施例用于通過改變設(shè)于光纖上的光纖光片冊的預(yù)應(yīng)力來補(bǔ)償溫 度變化對光纖光柵造成的影響，包括溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu)；所述光纖通過光纖光柵兩端的各一個區(qū)域作為固定連接點(diǎn)固定于溫度補(bǔ) 償機(jī)構(gòu)上，溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨著溫度的變化改變兩個連接點(diǎn)間的距離，進(jìn)而改 變光纖光柵的預(yù)應(yīng)力；來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵造成的影響；所述光纖有 效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定于溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)光纖的有效長度。
由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，采用本發(fā)明的實(shí)施例 的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，可以對光纖光柵兩端的固定位置進(jìn)行靈活的調(diào) 整；同時結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間?。怀杀镜?。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)方案一所述的溫度補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖2為現(xiàn)有技術(shù)方案二所述的溫度補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖一；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的的結(jié)構(gòu)原理示意圖二；
圖5為未采用本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置進(jìn)行溫度補(bǔ)償之 前光纖光柵102的中心波長同溫度的變化曲線；
圖6為采用本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置進(jìn)行溫度補(bǔ)償之后 光纖光柵102的中心波長同溫度的變化曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，用于通過改變設(shè)于光纖上的光 纖光柵的預(yù)應(yīng)力來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵造成的影響，這里所述的光纖光 柵可以是任何一種光纖光柵，所述的裝置包括溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；
所述光纖通過光纖光柵兩端的各一個區(qū)域作為固定連接點(diǎn)固定于溫度補(bǔ) 償機(jī)構(gòu)上，溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨著溫度的變化改變兩個連接點(diǎn)間的距離，進(jìn)而改 變光纖光柵的預(yù)應(yīng)力；來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵造成的影響；
其中，所述的溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括相互連接的膨脹系數(shù)不同的第一膨脹組 件與第二膨脹組件，所述固定光纖的兩個固定連接點(diǎn)固定于兩個膨脹組件 上。也就是說所述固定光纖的兩個固定連接點(diǎn)可以固定于第 一膨脹組件上也 可以固定于第二膨脹組件上，當(dāng)然也可以是一個固定連接點(diǎn)固定于第一膨脹 組件上另 一個固定于第二膨脹組件上。
前述的第 一膨脹組件與第二膨脹組件為不同膨脹系數(shù)的材料制成，也就 是說
所述的第一膨脹組件采用大膨脹系數(shù)材料制成，第二膨脹組件采用小膨 脹系數(shù)材料制成；或者，
所述的第二膨脹組件采用大膨脹系數(shù)材料制成，第一膨脹組件采用小膨 脹系數(shù)材料制成。
上述的大膨脹系數(shù)材料，包括鋁、鋁合金、銅、銅合金或其它膨脹系數(shù) 大的材料如阿盧梅爾鎳合金Alumel、蒙乃爾合金Monel、鈷Co或鎳鉻合金 Nichrome等等。
上述的小膨脹系數(shù)材料，包括銦瓦合金或其它膨脹系數(shù)小的材料如超銦 瓦合金或石墨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
超銦瓦合金是一種熱膨脹系數(shù)小一些的銦瓦合金，其熱膨脹系數(shù)大約為
1ppm/℃ 。
石墨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也就是碳(石墨)纖維是以有機(jī)纖維一一聚丙烯 晴(PAN)纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、石墨化等 高溫固相反應(yīng)工藝過程制備而成，由有擇優(yōu)取向的石墨微晶構(gòu)成，因而具有 很高的強(qiáng)度和彈性模量(剛性)。它的比重一般為1.70 1.80g/cm3，強(qiáng)度 為1200 7000MPa，彈性模量為200~400GPa，熱膨脹系數(shù)接近于零。
另外，還有一種是從北京鋼鐵研究院研制的DP-1高溫超低膨脹合金，膨 脹系數(shù)小于1ppm/。C， 也可以應(yīng)用于本專利，構(gòu)成本專利的保護(hù)范圍。顯然 只要所選擇的小膨脹系數(shù)材料的膨脹系數(shù)小到足以與大膨脹系數(shù)材料的膨脹 系數(shù)有一定的差異滿足溫度補(bǔ)償?shù)囊缶涂梢粤?。
所述的兩個固定連接點(diǎn)固定于膨脹組件相對的兩側(cè)。且所述的至少一個 固定連接點(diǎn)通過固定光纖裝置固定于膨脹組件上。所述的固定光纖裝置與膨 脹組件間為可移動連接，可以改變固定連接點(diǎn)與膨脹組件間的相對位置，來 改變光纖有效長度。
所述的固定光纖裝置包括帶有長孔的固定塊與固定螺釘，固定螺釘穿過 長孔將固定塊固定于膨脹組件上。
所述光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定于溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)光纖的有效 長度。光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括設(shè)于任意固定連接點(diǎn)與光纖光柵間的浮動 調(diào)節(jié)塊，光纖繞過浮動調(diào)節(jié)塊接觸區(qū)域構(gòu)成浮動連接點(diǎn)，浮動連接點(diǎn)與固定 連接點(diǎn)間包含光纖光柵的光纖為有效光纖，改變浮動連接點(diǎn)的位置可以調(diào)節(jié) 光纖的有效長度。同時，改變浮動連接點(diǎn)的位置還可以達(dá)到改變大膨脹系數(shù) 材料相應(yīng)組件的有效膨脹長度。
所述的浮動調(diào)節(jié)塊設(shè)于其中一個膨脹組件上，也就是說浮動調(diào)節(jié)塊可以 設(shè)于第一膨脹組件上也可以設(shè)于第二膨脹組件上。且浮動調(diào)節(jié)塊與膨脹組件 通過滑動機(jī)構(gòu)活動連接，來改變浮動調(diào)節(jié)塊在膨脹組件上的位置。
所述的滑動機(jī)構(gòu)包括設(shè)于膨脹組件上的滑槽與鎖緊螺釘，鎖緊螺釘穿過 滑槽與浮動調(diào)節(jié)塊連接，將浮動調(diào)節(jié)塊固定于工作位置。
所述的浮動調(diào)節(jié)塊與光纖的接觸區(qū)域包括圓柱面、橢圓柱面、螺旋柱 面、圓弧柱面、圓滑連接的多個平面或圓滑連接的多個圓弧柱面。
圓型槽或U型槽。
另外，所述的至少 一個固定連接點(diǎn)與膨脹組件間設(shè)有固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu)，固定連接點(diǎn)設(shè)于固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)于膨脹 組件上，可以改變固定連接點(diǎn)與浮動連接點(diǎn)間相對位置，來改變光纖光柵的 預(yù)應(yīng)力。
所述的固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括設(shè)有固定連接點(diǎn)的調(diào)節(jié)塊、調(diào)節(jié)螺釘與 支撐螺母塊，調(diào)節(jié)螺釘支撐螺母塊配合調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)塊的位置，來改變固定連接
點(diǎn)的位置。
還有，所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置還包括保護(hù)裝置，所述的溫度補(bǔ)償 機(jī)構(gòu)與光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)于保護(hù)裝置內(nèi)。
本發(fā)明的實(shí)施例具體如圖3與圖4所示，公開了 一種光纖光柵溫度補(bǔ)償裝 置，主要包括溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。用于對設(shè)于光纖101 上的一段光纖光柵102進(jìn)行溫度補(bǔ)償，所述的光纖光柵102可以是任何一種光 纖光柵，可以使用該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員眾所周知的任何方法來形成此光纖光 柵102。本實(shí)施例的光纖光柵102被一個涂敷層103所覆蓋，以允許光纖光柵 102隨著溫度進(jìn)行膨脹而不會產(chǎn)生張力。光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置通過改變光 纖光柵102的預(yù)應(yīng)力來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵102造成的影響。
溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括相互連接的膨脹系數(shù)不同的第 一膨脹組件121與第二 膨脹組件131，具體的第二膨脹組件131包括一個支臂133與連接端132,并
在連接端132通過兩個連接螺釘134與第 一膨脹鈕組件121連接。
第一熱膨脹組件121具有長方體結(jié)構(gòu)(且最好為條狀結(jié)構(gòu))，第一熱膨脹組件121的材料可以是銦瓦合金(Invar)或其它膨脹系數(shù)很小的材料。常用的銦瓦合金的熱膨脹系數(shù)約為1.4ppm/℃ 。
第二熱膨脹組件131的材料選用具有較大的熱膨脹系數(shù)的材料，例如鋁Al、鋁合金、銅Cu、銅合金或其它膨脹系數(shù)很大的材料，如可采用AI-Cu合金、黃銅Brass。 Al的熱膨脹系數(shù)典型的約為22.4ppm/。C。
當(dāng)然也可以是第二膨脹組件131采用大膨脹系數(shù)材料制成，第 一膨脹組件121采用小膨脹系數(shù)材料制成。其結(jié)構(gòu)與本實(shí)施例可以相同也可以不同，但其工作原理是一致的。
光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括浮動調(diào)節(jié)塊111，浮動調(diào)節(jié)塊111設(shè)于一個固 定連接點(diǎn)144 (本例為圖3中上方)與光纖光柵102間，則，浮動調(diào)節(jié)塊111與 另一個固定連接點(diǎn)144間的光纖部份就是有效光纖，其長度為光纖的有效長 度Lf。浮動調(diào)節(jié)塊111設(shè)于第二膨脹組件131上，具體設(shè)于支臂133上。浮動 調(diào)節(jié)塊111與第二膨脹組件131為活動的連接，本例釆用了一個滑動機(jī)構(gòu)，滑 動機(jī)構(gòu)包括設(shè)于支臂133上的滑槽135與鎖緊螺釘136，鎖緊螺釘136穿過滑 槽135與浮動調(diào)節(jié)塊111連接，將浮動調(diào)節(jié)塊111固定于工作位置。松開鎖緊 螺釘136就可以方便地移動調(diào)節(jié)浮動調(diào)節(jié)塊111在第二膨脹組件131上的位 置。可以改變大膨脹系數(shù)材料相應(yīng)組件(本例也就是第二膨脹組件131 )的 有效膨脹長度Lmental。
本例中，光纖101繞過浮動調(diào)節(jié)塊111,在光纖101與浮動調(diào)節(jié)塊111的 接觸區(qū)域構(gòu)成浮動連接點(diǎn)146,浮動連接點(diǎn)146將光纖101分成兩部份， 一部 份包含光纖光柵102的光纖101為有效光纖(本例為圖3中下方)，另一部份 不包含光纖光柵102的光纖101為輔助光纖(本例為圖3中上方)，調(diào)節(jié)浮動調(diào)節(jié)塊1 1 1改變浮動連接點(diǎn)146的位置可以調(diào)節(jié)的光纖101的有效長度Lf 。同時，改變浮動連接點(diǎn)146的位置還可以改變大膨脹系數(shù)材料相應(yīng)組件(本例也就是第二膨脹組件131)的有效膨脹長度Lmental。
本例中浮動調(diào)節(jié)塊111的形狀為圓柱體，浮動調(diào)節(jié)塊111與光纖101的接 觸區(qū)域?yàn)閳A柱面，同時為了增加接觸面積、減小光纖的磨損，在接觸區(qū)域開 有V型槽112。
當(dāng)然，浮動調(diào)節(jié)塊111與光纖101的接觸區(qū)域還或以是、橢圓柱面、螺旋 柱面、圓弧柱面、圓滑連接的多個平面或圓滑連接的多個圓弧柱面等等。只 要可以環(huán)繞光纖并盡可能減小光纖彎曲損耗就可以滿足要求，是本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外，所述的浮動調(diào)節(jié)塊111與光纖101的接觸區(qū)域沿 光纖的纏繞方向開槽還可以是半圓型槽或U型槽等等。只要可以增加接觸面積、減小光纖 的磨損可以滿足要求，是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
還需指出的是浮動調(diào)節(jié)塊111的形狀可以是任意的形狀，在本專利中起 作用的是接觸區(qū)域浮動連接點(diǎn)146的形狀。因此，非浮動調(diào)節(jié)塊111的形狀只 要滿足加工的工藝要求就可以了 。
另外，所述浮動調(diào)節(jié)塊111的材料可以是銦瓦合金或其他熱膨脹系數(shù)和小的材料。當(dāng)然也可以是其它材料。
本例中，所述光纖101通過光纖光柵102兩端的各一個區(qū)域作為固定連接 點(diǎn)144通過固定光纖裝置141固定于第一熱膨脹組件121的兩側(cè)，固定光纖裝 置141與第一熱膨脹組件121間為可移動連接，具體為固定光纖裝置141包括 帶有長孑L148的固定塊142與固定螺釘147,固定螺釘147穿過長孔148將固定 塊142固定于第一熱膨脹組件121上。光纖101利用膠(如AB高溫固化膠)粘 貼在固定塊142上，同時為了提高膠粘的牢固性可以在固定塊142上設(shè)有開槽 143,將光纖101膠粘于開槽143中。
松開固定螺釘147，改變固定塊142的位置，就可以改變固定連接點(diǎn)144 的位置，進(jìn)而改變光纖的有效長度。
另外，所述固定光纖裝置141可以是銦瓦合金或其他熱膨脹系數(shù)很小的 材料。當(dāng)然也可以是其它材料。
本例中采用了兩個固定光纖裝置141,相對布置于第一熱膨脹組件121的 兩側(cè)，光纖101通過浮動調(diào)節(jié)塊111環(huán)繞兩側(cè)，光纖光柵102只分布在其中一側(cè), 這至少使包括光纖光柵102部分的光纖101封裝長度減小一半.
另外，在應(yīng)用過程中，固定光纖裝置141可以只有一個，另一個固定連 接點(diǎn)144直接固定于第一熱膨脹組件121上，只調(diào)節(jié)一個固定光纖裝置141的 位置，并不影響專利的效果。同時，兩個固定連接點(diǎn)144不相對布置，也只 是不能使封裝長度減小，其它的效果是可以實(shí)現(xiàn)的。
由以上描述可見，本發(fā)明的實(shí)施例提供了以下幾種調(diào)節(jié)光纖的有效長度 的方法
1、 浮動調(diào)節(jié)塊111固定不動，調(diào)節(jié)兩個固定光纖裝置141改變固定連接 點(diǎn)144與浮動連接點(diǎn)146的相對位置來達(dá)到調(diào)節(jié)的光纖101的有效長度Lf的目 的；
2、 一個固定連接點(diǎn)144.固定不動，調(diào)節(jié)另一個固定光纖裝置141與浮動 調(diào)節(jié)塊111改變固定連接點(diǎn)144與浮動連接點(diǎn)146的相對位置來達(dá)到調(diào)節(jié)的光 纖101的有效長度Lf的目的；
3、 兩個固定連接點(diǎn)144固定不動，調(diào)節(jié)浮動調(diào)節(jié)塊111改變浮動連接點(diǎn) 146的位置可以調(diào)節(jié)的光纖101的有效長度Lf。例如本例中如采用一個連接螺 釘134，上下擺動支臂133就可以改變浮動調(diào)節(jié)塊111的位置，改變固定連接 點(diǎn)144與浮動連接點(diǎn)146的相對位置從而達(dá)到調(diào)節(jié)的光纖101的有效長度Lf的 目的。
本例中，固定光纖裝置141與第一熱膨脹組件121間還設(shè)有固定連接點(diǎn)調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu)151，可以改變固定連接144與浮動連接點(diǎn)146間相對位置，來改變光
纖光斥冊102的預(yù)應(yīng)力。固定連4妄點(diǎn)調(diào)節(jié)才幾構(gòu)151包4舌調(diào)節(jié)塊(本例中為固定塊
142)、調(diào)節(jié)螺釘153與支撐螺母塊152,調(diào)節(jié)螺釘153與支撐螺母塊152配合 調(diào)節(jié)固定塊142的位置，來改變固定連接點(diǎn)144的位置。在使用過程中，沿一 個方向或反方向旋轉(zhuǎn)其中 一個或同時旋轉(zhuǎn)兩個調(diào)節(jié)螺釘153，調(diào)節(jié)螺釘153驅(qū) 使相應(yīng)的固定光柵裝置141遠(yuǎn)離或靠近浮動調(diào)節(jié)塊111，即可調(diào)整施加在光纖 光柵102上的預(yù)應(yīng)力。
另外，本實(shí)施例還提供了一個保護(hù)裝置161，溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與光纖有效 長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均設(shè)于保護(hù)裝置161內(nèi)。防止，光纖光柵102受其他外力影響產(chǎn) 生未知的補(bǔ)償誤差。
由此可見，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 光纖101的固定連接點(diǎn)144可以調(diào)整，以達(dá)到所需要的光纖光柵102與 光纖101的有效長度的理想比例；
2、 調(diào)整浮動調(diào)節(jié)塊111的位置可調(diào)整施加在光纖光柵102上的預(yù)應(yīng)力， 同時，浮動調(diào)節(jié)塊111的位置還根據(jù)溫度變化而改變，對光纖光柵102進(jìn)行精 確溫度補(bǔ)償；
3、 光纖101環(huán)繞于浮動調(diào)節(jié)塊111的兩側(cè)，光纖光柵102只分布在其中一 減??；
4 、因可以采用調(diào)整光纖的有效長度的與大膨脹系數(shù)材料相應(yīng)組件的有效 膨脹長度來進(jìn)行精確波長補(bǔ)償，所以本專利的整體結(jié)構(gòu)的金屬選擇范圍寬， 可根據(jù)需要選擇合適的或價格低廉的金屬，降低成本。
下面針對如圖3與圖4所示的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置描述一下其具體功
按照圖3與圖4所示的結(jié)構(gòu)形式設(shè)置光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，為防止光纖光柵102產(chǎn)生彎曲而對反射波長產(chǎn)生影響，光纖光柵102只能位于光纖固定基 體的一側(cè)。假定第二熱膨脹組件131的有效長度為Lmetal，光纖光柵102固定 的有效長度為Lf。如果溫度增加時，Lmetal的長度就沿縱向方向增加，施加 在光纖光柵102上的預(yù)應(yīng)力就被減小，通過應(yīng)力改變補(bǔ)償了波長的溫漂。 溫度改變對光柵中心波長產(chǎn)生漂移量為
<formula>complex formula see original document page 18</formula>(6)
式中
《為光纖物質(zhì)的熱光系數(shù)，即光纖折射率隨溫度的變化量； λ為光4冊中心波長。 △T:為溫度變化量。
光柵中心波長義同光纖光柵102的應(yīng)力有關(guān)<formula>complex formula see original document page 18</formula> 式中
Pe:為彈光系數(shù)，
f為光纖光柵102纖心方向的應(yīng)力。則:<formula>complex formula see original document page 18</formula>式(8)
式中
△Lf:光纖光柵102固定的有效長度為Lf的變形量,
同時，第二熱膨脹組件131的變形量為
<formula>complex formula see original document page 18</formula>
式(9)
式中a metal:第二熱膨脹組件131的材料的熱膨脹系數(shù)； △T:為溫度變化量。 由于△L1= △L2
聯(lián)立式(6)、 (7)、 (8)與(9)可得
<formula>complex formula see original document page 19</formula> 式(10)
通過(10)式可以看到，只要調(diào)整好Lmetal和Lf之間的關(guān)系，就可以精 確的補(bǔ)償由于溫度變化引起的光柵中心波長的漂移。
根據(jù)上述光纖光柵溫度補(bǔ)償原理及計算公式，給出如下一具體實(shí)施實(shí)
例
第一熱膨脹系數(shù)材料使用銦瓦合金，銦瓦合金的熱膨脹系數(shù)典型的是 1.4ppm/℃，可近似認(rèn)為固定不動。第二熱膨脹系數(shù)材料使用鋁AI (如硬鋁)，硬鋁的熱膨脹系數(shù)典型的是23.6 ppm℃光纖熱膨脹系數(shù)值纟大約為
8.31x10-6/℃,光纖的彈光系數(shù)A為0.22,代入到(10)可以得到Lmetal/Lf
=0.4514 。如果設(shè)定Lf長100mm，調(diào)整Lmetal長為45mm即可補(bǔ)償光纖光柵
波長隨溫度漂移，并可微調(diào)兩者長度達(dá)到滿意的補(bǔ)償效果。
圖5為未補(bǔ)償之前光纖光柵102的中心波長同溫度的變化曲線，圖6為通 過上述光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置補(bǔ)償之后光纖光柵102的中心波長同溫度的變 化曲線?？梢?，補(bǔ)償之后其中心波長變化很小，基本保持不變。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，用于通過改變設(shè)于光纖上的光纖光柵的預(yù)應(yīng)力來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵造成的影響，其特征在于，包括溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；所述光纖通過光纖光柵兩端的各一個區(qū)域作為固定連接點(diǎn)固定于溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上，溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨著溫度的變化改變兩個連接點(diǎn)間的距離，進(jìn)而改變光纖光柵的預(yù)應(yīng)力；來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵造成的影響；所述光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定于溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)光纖的有效長度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的 溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括相互連接的膨脹系數(shù)不同的第 一膨脹組件與第二膨脹組 件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的 第一膨脹組件釆用大膨脹系數(shù)材料制成，第二膨脹組件采用小膨脹系數(shù)材料 制成；或者，所述的第二膨脹組件采用大膨脹系數(shù)材料制成，第一膨脹組件采用小膨 脹系數(shù)材料制成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的 大膨脹系數(shù)材料，包括鋁、鋁合金、銅、銅合金、阿盧梅爾鎳合金、蒙乃爾 合金、鈷或鎳鉻合金。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的 小膨脹系數(shù)材料，包括銦瓦合金或石墨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的 光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括設(shè)于任意固定連接點(diǎn)與光纖光柵間的浮動調(diào)節(jié) 塊，光纖繞過浮動調(diào)節(jié)塊接觸區(qū)域構(gòu)成浮動連接點(diǎn)與固定連接點(diǎn)間包含光纖 光柵的光纖為有效光纖，改變浮動連接點(diǎn)的位置可以調(diào)節(jié)光纖的有效長度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的 浮動調(diào)節(jié)塊設(shè)于其中一個膨脹組件上，且與該膨脹組件通過滑動機(jī)構(gòu)活動連 接，來改變浮動調(diào)節(jié)塊在該膨脹組件上的位置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的滑動機(jī)構(gòu)包括設(shè)于膨脹組件上的滑槽與鎖緊螺釘，鎖緊螺釘穿過滑槽與浮動 調(diào)節(jié)塊連接，將浮動調(diào)節(jié)塊固定于工作位置。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所 述的浮動調(diào)節(jié)塊與光纖的接觸區(qū)域包括圓柱面、橢圓柱面、螺旋柱面、圓弧 柱面、圓滑連接的多個平面或圓滑連接的多個圓弧柱面。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所 述的浮動調(diào)節(jié)塊與光纖的接觸區(qū)域沿光纖的纏繞方向開有V型槽、半圓型槽 或U型槽。
11、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述 的兩個固定連接點(diǎn)固定于膨脹組件相對的兩側(cè)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求2或11所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于， 所述的至少 一個固定連接點(diǎn)通過固定光纖裝置固定于膨脹組件上。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述 的固定光纖裝置與膨脹組件間為可移動連接，可以改變固定連接點(diǎn)與膨脹組 件間的相對位置，來改變光纖有效長度。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述 的固定光纖裝置包括帶有長孔的固定塊與固定螺釘，固定螺釘穿過長孔將固 定塊固定于膨脹組件上。 .
15、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的至少 一個固定連接點(diǎn)與膨脹組件間設(shè)有固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，固定連接點(diǎn) 設(shè)于固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)于膨脹組件上，可以改 變固定連接點(diǎn)與浮動連接點(diǎn)間相對位置，來改變光纖光柵的預(yù)應(yīng)力。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述 的固定連接點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括設(shè)有固定連接點(diǎn)的調(diào)節(jié)塊、調(diào)節(jié)螺釘與支撐螺母 塊，調(diào)節(jié)螺釘支撐螺母塊配合調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)塊的位置，來改變固定連接點(diǎn)的位 置。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3、 6、 11或15所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置， 其特征在于，所述的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置還包括保護(hù)裝置，所述的溫度補(bǔ) 償機(jī)構(gòu)與光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)于保護(hù)裝置內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例用于通過改變設(shè)于光纖上的光纖光柵的預(yù)應(yīng)力來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵造成的影響，包括溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；所述光纖通過光纖光柵兩端的各一個區(qū)域作為固定連接點(diǎn)固定于溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上，溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨著溫度的變化改變兩個連接點(diǎn)間的距離，進(jìn)而改變光纖光柵的預(yù)應(yīng)力；來補(bǔ)償溫度變化對光纖光柵造成的影響；所述光纖有效長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定于溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)光纖的有效長度。由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，采用本發(fā)明的實(shí)施例的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，可以對光纖光柵兩端的固定位置進(jìn)行靈活的調(diào)整；同時結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間?。怀杀镜?。
文檔編號G02B6/02GK101201430SQ20071017861
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者迪 馮, 張春熹, 彬 曹, 攀 歐, 胡姝玲, 明 賈, 賈豫東 申請人:北京航空航天大學(xué)