專(zhuān)利名稱(chēng)：溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵，特別涉及一種安置于低熱膨脹系數(shù)材料框架內(nèi)的光纖光柵，該光柵包括有一個(gè)連在光纖光柵上的、由低熱膨脹系數(shù)材料制成的杠桿臂。與這個(gè)杠桿臂相連的、高熱膨脹系數(shù)材料的伸縮部件用于調(diào)整光柵的長(zhǎng)度，以補(bǔ)償溫度變化所引起的光柵中心波長(zhǎng)的變化。
背景技術(shù)：
光柵是用于選擇性地控制光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)光的特定波長(zhǎng)的重要元件。這樣的光柵包括布拉格光柵、長(zhǎng)周期光柵和衍射光柵，而且，這樣的光柵典型地包含有一材料基體和多個(gè)實(shí)際上等間隔排開(kāi)的光柵基本單位，例如折射率擾動(dòng)、裂縫或溝槽。
典型的布拉格光柵包含有一段光波導(dǎo)(例如光纖)，該光波導(dǎo)沿波導(dǎo)長(zhǎng)度包含有多個(gè)實(shí)際上等間隔排開(kāi)的折射率擾動(dòng)。這些擾動(dòng)選擇性地反射波長(zhǎng)為λ的光，波長(zhǎng)λ等于連續(xù)擾動(dòng)間的間隔Λ與有效折射率乘積的2倍，即λ＝2neffΛ，其中Λ是真空波長(zhǎng)，neff是傳輸模的有效折射率。其余波長(zhǎng)的光實(shí)際上可不受阻擋地通過(guò)。這樣的布拉格光柵已被用于各種應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中，包括濾波、增加和減少信號(hào)通道、激光器的穩(wěn)定、光纖放大器泵激能量的反射和波導(dǎo)色散的補(bǔ)償。
一個(gè)長(zhǎng)周期光柵典型地包含有一段光波導(dǎo)，其中多個(gè)折射率擾動(dòng)是沿著波導(dǎo)以一周期性的距離Λ隔開(kāi)放置的，與傳輸光的波長(zhǎng)λ相比，Λ是大的。衍射光柵典型地包含有反射表面，反射表面包含有大量實(shí)際上等間隔隔開(kāi)的平行蝕刻線(xiàn)。在給定角度下從光柵反射的光，依賴(lài)于間隔的不同而具有不同的光譜。常規(guī)衍射光柵的間隔通常是固定的，所以其光譜也是固定的。
所有這些光柵裝置的一個(gè)共同難點(diǎn)是對(duì)溫度的敏感性。例如，在布拉格光柵中，neff和Λ都依賴(lài)于溫度，以硅為基材的光纖在波長(zhǎng)Λ為1550nm時(shí)的凈溫度依賴(lài)度大約是+0.0115nm/℃。溫度導(dǎo)致的反射波長(zhǎng)的漂移主要是由于neff隨溫度的變化。雖然通過(guò)使光柵裝置運(yùn)行在恒定的溫度下，可以避免溫度導(dǎo)致的波長(zhǎng)漂移，但是，這種方法要求采用昂貴的而且體積龐大的設(shè)備來(lái)保持恒溫。
2000年11月14日授于S.Jin等人的美國(guó)6,148,128號(hào)專(zhuān)利公開(kāi)了一種無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)目烧{(diào)光纖光柵，其中，光柵被固定在一個(gè)固定的框架內(nèi)，一可撓性光纖的可移動(dòng)的主體被安放在光纖之上以“彎曲”光纖，并產(chǎn)生一種拉伸的張力，從而改變裝置的諧振波長(zhǎng)。特別地，這個(gè)可移動(dòng)的主體被磁性地(或機(jī)械地)驅(qū)動(dòng)，去擠壓光纖光柵，以提供一個(gè)預(yù)定的張力。
2001年9月25日授于J.W.Engelberth的美國(guó)6,295,399號(hào)專(zhuān)利公開(kāi)了一種不同類(lèi)型的用于光纖光柵的溫度補(bǔ)償裝置，它利用了光纖和另一些具有不同的熱膨脹系數(shù)的伸縮部件。將杠桿緊固到伸縮部件的兩端，使伸縮部件沿著平行于光纖光柵的方向被拉長(zhǎng)。每個(gè)杠桿有一個(gè)初始端被可伸縮地緊固到第一組伸縮部件的各自端，而其中間部分被可伸縮地緊固到第二組伸縮部件的各自端。每個(gè)杠桿的另一端通過(guò)各自的轉(zhuǎn)角滑輪被分別緊固到光纖光柵的各自端。選擇伸縮部件和轉(zhuǎn)角滑輪的體積以及伸縮部件的材料，來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖光柵的非線(xiàn)性的溫度響應(yīng)。
盡管這些裝置和其他的裝置對(duì)于提供光纖光柵的溫度補(bǔ)償已是有用的，但這些裝置通常尺寸相當(dāng)大，操作起來(lái)常常也不方便。因此，需要一種相對(duì)小的、易于組裝的可提供光纖光柵溫度補(bǔ)償?shù)难b置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于解決在先技術(shù)中依然存在著的需求，它涉及一種溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵，特別涉及一種安置于低熱膨脹系數(shù)材料框架內(nèi)的光纖光柵，該光柵包括有一個(gè)連在光纖光柵上的、由低熱膨脹系數(shù)材料制成的杠桿臂。與這個(gè)杠桿臂相連的、高熱膨脹系數(shù)材料的伸縮部件用于調(diào)整光柵的長(zhǎng)度，以補(bǔ)償溫度變化所引起的光柵中心波長(zhǎng)的變化。
根據(jù)本發(fā)明，控制低熱膨脹系數(shù)的杠桿臂和高熱膨脹系數(shù)的伸縮部件的大小，可以得到所希望的施加到光纖光柵的張力變化量，從而使得歸因于溫度變化的光纖光柵波長(zhǎng)的變化基本上等于零。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于低熱膨脹系數(shù)杠桿和高熱膨脹系數(shù)伸縮部件的組合能得到在運(yùn)行中保持穩(wěn)定的、相對(duì)密集的和牢固的無(wú)源裝置。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，伸縮部件包含有一個(gè)安放在框架側(cè)墻和杠桿之間的伸縮臂，使得杠桿相對(duì)于框架底面的角度隨溫度增加而增加(從而減小了沿著光纖光柵的張力，維持了波長(zhǎng)的恒定)。在另一個(gè)可選的具體實(shí)施例中，高熱膨脹系數(shù)伸縮部件被嵌入在框架內(nèi)，使之與杠桿物理接觸并產(chǎn)生所需的角度運(yùn)動(dòng)以提供所希望的溫度補(bǔ)償。
通過(guò)下面的說(shuō)明和相應(yīng)的附圖，本發(fā)明的其它的、進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和具體實(shí)現(xiàn)將會(huì)顯而易見(jiàn)。


參考附圖，附圖中同樣的數(shù)字在幾幅圖中代表了同一部件圖1是按照本發(fā)明構(gòu)成的一個(gè)采用一伸縮臂作為高熱膨脹系數(shù)部件的代表性的溫度補(bǔ)償濾波裝置的側(cè)視圖，濾波裝置被置于“低溫”狀態(tài)下來(lái)說(shuō)明。
圖2是圖1中濾波裝置的簡(jiǎn)圖，展示了在“高溫”狀態(tài)下時(shí)濾波裝置的狀況。
圖3是為便于比較而同時(shí)展現(xiàn)的有代表性的圖1的“低溫”濾波狀態(tài)和圖2的“高溫”濾波狀態(tài)。
圖4是本發(fā)明的另外一種可選實(shí)施例的等角投影視圖，該實(shí)施例采用一個(gè)高熱膨脹系數(shù)的圓盤(pán)去調(diào)整低熱膨脹系數(shù)杠桿臂的位置。而圖5是圖4的可選實(shí)施例的側(cè)視圖，清楚地說(shuō)明了高熱膨脹系數(shù)圓盤(pán)相對(duì)于杠桿的位置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的無(wú)源溫度補(bǔ)償光纖光柵裝置是基于光纖光柵同時(shí)對(duì)溫度T和張力ε的變化敏感的原理，溫度的增加使光柵的中心波長(zhǎng)向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)漂移，而張力的減少使光柵的中心波長(zhǎng)向較短的波長(zhǎng)漂移。因此，為了保持所需的中心波長(zhǎng)，溫度的任何變化都可以通過(guò)張力的相應(yīng)變化來(lái)補(bǔ)償。為了更好地理解本發(fā)明的無(wú)源溫度補(bǔ)償光纖光柵的工作，理解下面關(guān)于溫度和張力條件的數(shù)學(xué)概念是很有用的。對(duì)于布拉格光柵，作為溫度(T)和張力(ε)函數(shù)的布拉格波長(zhǎng)可被表示為λ(T，ε)＝2nΛ其中n為反射率，而Λ為光柵周期。對(duì)它們進(jìn)行偏微分的結(jié)果為∂λ∂T=2n∂Λ∂T+2Λ∂n∂T]]>∂λ∂ϵ=2n∂Λ∂ϵ+2Λ∂n∂ϵ]]>結(jié)合布拉格波長(zhǎng)的表達(dá)式，偏微分公式變?yōu)?amp;Delta;λt=λΛ∂Λ∂TΔT+λn∂n∂TΔT]]>Δλϵ=λΛ∂Λ∂ϵΔϵ+λn∂n∂ϵΔϵ]]>布拉格波長(zhǎng)隨應(yīng)力和溫度同時(shí)變化而引起的變化是兩種變化效應(yīng)的迭加，因此布拉格波長(zhǎng)的總的變化可以表示為Δλ=Δλt+Δλϵ=λn∂Λ∂TΔT+λn∂n∂TΔT+λΛ∂Λ∂ϵ+λn∂n∂ϵΔϵ]]>光彈性的張力常數(shù)Pe被定義為Pe=-1n∂n∂T=0.22]]>熱光系數(shù)ζ被定義為 光纖的溫度膨脹系數(shù)(CTE)被定義為 和1Λ∂Λ∂ϵ=1]]>用上述公式進(jìn)行取代得到Δλ＝λ[(αf+ξ)ΔT+(1-Pe)Δε]由于在理想補(bǔ)償?shù)那闆r下，Δλ＝0，上面的公式可被表示為(αf+ξ)ΔT+(1-Pe)Δε＝0
因此，張力變化與溫度變化之間的關(guān)系可被表示為ΔϵΔT=(αf+ξ)/(Pe-1)=-11.36×10-6]]>基于上述理解，現(xiàn)在可以詳細(xì)地解釋本發(fā)明的無(wú)源溫度補(bǔ)償光纖光柵的應(yīng)用。圖1圖示說(shuō)明了本發(fā)明的一個(gè)代表性裝置10，它包含一個(gè)由低熱膨脹系數(shù)(CTE)材料(例如科瓦鐵鎳鈷合金(Kovar)或者因瓦合金(Invar))所構(gòu)成的框架12。如圖所示，杠桿14在初始端16處被固定到框架12之底面18的P點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，杠桿14同樣由低熱膨脹系數(shù)(CTE)材料構(gòu)成，光纖光柵20如所示被連接在框架12的頂端邊緣表面22和杠桿14的對(duì)立端14之間。根據(jù)本發(fā)明，一個(gè)具有相對(duì)高的熱膨脹系數(shù)(CTE)材料(如，黃銅或鋁合金)的伸縮臂26被安置在框架12的側(cè)壁28和杠桿14之間。因此，當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度變化時(shí)，伸縮臂26將膨脹或收縮，使杠桿14相對(duì)于框架12的角度改變，從而，就使光纖光柵20在同樣地被伸長(zhǎng)或壓縮時(shí)被施以壓力或張力；實(shí)際上，溫度越高，杠桿14調(diào)整的角度θ越大。因此，通過(guò)精心選擇材料、伸縮臂長(zhǎng)度等，就有可能給予光纖光柵20一個(gè)能補(bǔ)償周?chē)鷾囟茸兓膹埩ψ兓?。也就是說(shuō)，按照本發(fā)明，選擇杠桿的角運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生一個(gè)光纖光柵的相應(yīng)的線(xiàn)性位移，使之補(bǔ)償與溫度變化關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)漂移。本發(fā)明裝置的關(guān)鍵之處在于利用與低熱膨脹系數(shù)杠桿14的位移相關(guān)聯(lián)的高熱膨脹系數(shù)伸縮部件26，去產(chǎn)生一個(gè)張力變化，這種張力變化可以補(bǔ)償溫度導(dǎo)致的波長(zhǎng)飄移，從而張力變化可以用位移來(lái)表示。
圖1舉例說(shuō)明了本發(fā)明的補(bǔ)償裝置10在周?chē)鷾囟认鄬?duì)較低、且伸縮臂26相對(duì)較短并被定義作為初始長(zhǎng)度Ilow的狀況。因此，在此裝置中，杠桿臂14的角位移是相對(duì)大的，從而張力會(huì)在光柵20上產(chǎn)生，使光柵20呈現(xiàn)的長(zhǎng)度為F1。這個(gè)裝置將被用來(lái)與與圖2所示的實(shí)施例相比較，如圖所示，圖2同樣圖示說(shuō)明了補(bǔ)償裝置10，但它是處于溫度增高從而伸縮臂26伸長(zhǎng)到長(zhǎng)度Ihigh的狀況。臂26的膨脹導(dǎo)致了杠桿臂14旋轉(zhuǎn)到角度θhigh，從而減少了光纖光柵20上的張力，使光柵20縮短到呈現(xiàn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。為了比較，圖3同時(shí)展示了在“低溫”(圖1)和“高溫”(圖2)狀態(tài)下，由于受到伸縮臂26的膨脹/縮短的控制，引起杠桿14的運(yùn)動(dòng)時(shí)，杠桿14的位置。
參考圖3，溫度增加引起伸縮臂26伸長(zhǎng)并使杠桿14角位移，從而使旋轉(zhuǎn)角從θlowT增加到θhighT。杠桿14的位移可被如下表示為ΔL＝LlowT-LhighT，其中LlowT＝LcosθlowT， 而LhighT＝LcosθhighT，從而ΔL＝L(cosθlowT-cosθhighT)根據(jù)上述討論，位移可被表示為Δλϵλ=(1-Pe)Δϵ=(1-Pe)ΔLL]]>其中L被定義為杠桿14的長(zhǎng)度，而通過(guò)簡(jiǎn)化Δϵ=ΔLL]]>在一特定的實(shí)例中，對(duì)于一段長(zhǎng)度為15mm的光纖(光柵為10mm，兩端各有2.5mm的緩沖)，關(guān)于中心波長(zhǎng)為1550nm、在100℃內(nèi)的波長(zhǎng)變化是1.1nm。為應(yīng)用本發(fā)明的無(wú)源裝置去補(bǔ)償這個(gè)波長(zhǎng)飄移，所需要的張力將確定為Δϵ=11-PeΔλϵλ=ΔLL]]>相應(yīng)的移位為ΔL=11-PeΔλϵλ=13.647um]]>于是，將杠桿的長(zhǎng)度L設(shè)為5mm，杠桿的初始角度θlow設(shè)為90°，伸縮臂26的長(zhǎng)度設(shè)為1.25mm?？梢钥闯?，為提供13.6476um的位移ΔL，高熱膨脹系數(shù)的伸縮臂26需要膨脹的最大量為3.412um，才能達(dá)到提供無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> 圖4圖示說(shuō)明了一個(gè)可選的無(wú)源溫度補(bǔ)償光纖光柵結(jié)構(gòu)50。正如前面所討論的裝置，結(jié)構(gòu)50也包含有一個(gè)低熱膨脹系數(shù)材料制成的框架52，杠桿54也是由低熱膨脹系數(shù)材料制成的，并沿著基底部分56而被固定在框架52上。框架52的一個(gè)固定的側(cè)壁58也是由低熱膨脹系數(shù)的材料制成的。如圖所示，光纖光柵60被連接在固定側(cè)壁58與杠桿54之間。
在本發(fā)明的這個(gè)特定的實(shí)施例中，一個(gè)由高熱膨脹系數(shù)材料制成的圓盤(pán)被安置在框架52內(nèi)，使之與杠桿54有緊密的物理接觸，圓盤(pán)最好被安置在靠近杠桿54與基底部分56相連接的區(qū)域。正如從圖5的側(cè)視面中可清楚看到的，當(dāng)圓盤(pán)62在溫度變化時(shí)膨脹或縮小，杠桿54也會(huì)移動(dòng)。圖5中的箭頭說(shuō)明了杠桿54響應(yīng)圓盤(pán)62大小的改變而作的這種的移動(dòng)。因而，根據(jù)本發(fā)明，可以選擇圓盤(pán)62的尺寸以提供沿光纖光柵的張力的適當(dāng)變化，達(dá)到補(bǔ)償溫度變化的目的。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻叛b置，它包括一個(gè)由呈現(xiàn)相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料制成的支撐框架，所述支撐框架包括一個(gè)基底，一個(gè)固定的初始的側(cè)壁和一個(gè)作為第二個(gè)的可移動(dòng)側(cè)壁的杠桿臂；一個(gè)連接在所述的初始的固定側(cè)壁和杠桿臂之間的光纖光柵；以及一個(gè)由呈現(xiàn)相對(duì)高的熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料制成的伸縮部件，所述伸縮部件連接到所述框架上，并安置得使之與所述杠桿臂在物理上相接觸，其特征在于作為溫度變化的函數(shù)的所述高熱膨脹系數(shù)(CTE)伸縮部件的尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致所述杠桿臂旋轉(zhuǎn)預(yù)定的角度，從而調(diào)整施加到所述光纖光柵上的張力，使得該張力可抵消與溫度變化關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)變化；
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻叛b置，其特征在于低的熱膨脹系數(shù)(CTE)的框架和固定的側(cè)壁包含科瓦鐵鎳鈷合金(Kovar)；
3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻叛b置，其特征在于低的熱膨脹系數(shù)(CTE)的框架和固定的側(cè)壁包含因瓦(鐵鎳)合金(Invar)；
4.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻叛b置，其特征在于高的熱膨脹系數(shù)(CTE)的伸縮部件包含鋁合金；
5.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻叛b置，其特征在于高的熱膨脹系數(shù)(CTE)的伸縮部件包含黃銅；
6.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻叛b置，其特征在于高的熱膨脹系數(shù)(CTE)的伸縮部件包含有安放在第二個(gè)固定的側(cè)壁和杠桿臂之間的一個(gè)伸縮臂；
7.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻叛b置，其特征在于高的熱膨脹系數(shù)(CTE)的伸縮部件包含有一個(gè)安放在框架內(nèi)并與杠桿在物理上緊密接觸的高熱膨脹系數(shù)(CTE)材料的圓盤(pán)。
全文摘要
一種無(wú)源溫度補(bǔ)償光柵裝置包括一個(gè)低熱膨脹系數(shù)材料框架，以及沿著框架被伸展在初始的固定側(cè)壁和一個(gè)同樣由低熱膨脹系數(shù)材料制成的杠桿臂之間的光學(xué)光柵。一個(gè)高熱膨脹系數(shù)材料的伸縮部件被連接到框架上，并被安放得使之與杠桿臂相接觸，使得當(dāng)溫度變化改變伸縮部件的尺寸時(shí)會(huì)導(dǎo)致杠桿臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。適當(dāng)選擇杠桿臂和伸縮部件的尺寸，由于當(dāng)杠桿臂移動(dòng)時(shí)會(huì)拉伸或壓縮光柵，從而作為溫度函數(shù)的光柵波長(zhǎng)的變化可以通過(guò)調(diào)整施加在光柵上的張力來(lái)得到補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1576926SQ20041007090
公開(kāi)日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者亨利·黃 申請(qǐng)人:美國(guó)飛泰爾有限公司