CN101424771B - 光纤光栅调谐装置和光学*** - Google Patents

光纤光栅调谐装置和光学*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤光栅波长调谐装置，其中光纤光栅被放置在调谐零件上的限定槽中，调谐零件部分可相对移动或变形，从而在光纤光栅上作用于压缩或拉伸应变实现对光纤光栅的波长进行调谐。该调谐零件可包含第一和第二个滑块，其中光纤的一端被固定在第一个滑块上，光纤的另一端被固定在第二个滑块上，光纤上的光栅区段被放置在由第一和第二个滑块相邻表面之间的槽中并被限制在槽内。选择合适的限定槽的尺寸使得该光纤光栅在受压缩作用时仍然保持直线而没有弯曲。致动器可被用来推动其中一个或两个滑块，从而作用于可控制的应变到光纤上，即作用于可控的轴向压缩或拉伸应变到光纤光栅上。因此，光纤光栅的波长可根据作用于其上的应变而被调谐。

Description

光纤光栅调谐装置和光学***
技术领域
本发明涉及一种光纤器件，特别是可调谐的光纤光栅。
背景技术
光纤光栅具有选择和控制在光纤中传播的光的波长的特性而具有许多应用，例如被广泛用于光纤通信***、光纤传感器和光纤激光器。一个典型的光纤光栅是由在光纤芯中沿光纤长度方向引进周期性的微小折射率变化而形成。一般而言，有两种类型的光纤光栅：光纤Bragg光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPFG)，长周期光纤光栅(LPFG)与光纤Bragg光栅(FBG)的差异在于长周期光纤光栅(LPFG)的光栅周期远长于光纤Bragg光栅(FBG)的光栅周期。
FBG反射波长为λB的光，有λB＝2nΛB，被称为布拉格条件，或Bragg波长，其中，λB是从光栅反射光的中心波长，n是光纤芯的有效折射率，ΛB是折射率调制的周期。FBG有良好的波长选择能力，可用作为窄带反射镜。FBG的中心波长，又名共振波长，可受应变和温度变化的影响而变化。例如，对于某一特定的应变εz，FBG的中心波长漂移是ΔλB＝λB(1-p)εz，其中p是有效应变光学常数。对于给定的温度变化ΔT，该FBG的中心波长漂移是ΔλB＝λB(αA+αB)ΔT，其中αA是光纤的热膨胀系数，αB代表热光系数。一个典型的中心波长在1550nm的FBG，应变导致的波长漂移约为2pm/με，温度变化引起的波长漂移约为12.8pm/℃。这些物理特性可用于调节FBG的中心波长，即采用可控制应变或热加到FBG上。
长周期光纤光栅(LPFG)与光纤Bragg光栅(FBG)具有相似的结构，但LPFG的光栅周期ΛL远长于FBG的周期ΛB，通常ΛL是ΛB的200至2000倍以上。LPFG光纤中的基模耦合到包层模，而激发的包层模衰减，从而在传输光谱上出现共振损耗。相比于FBG，LPFG不会产生反射光。
长周期光纤光栅的基模与包层模在波长λmL耦合的相位匹配条件可以表达为：λmL＝(ncore-ncl m)ΛL，其中，ncore是基模的有效折射率，ncl m是第m阶包层模的有效折射率，ΛL是长周期光纤光栅的周期。由于多个包层模能满足这一条件，而每一个包层模在不同的中心波长λmL，因此LPFG的传输光谱展示出一系列沿光谱分布的传输损耗峰。类似于FBG，LPFG的中心波长(共振波长)也受应变和温度变化的影响。因此，LPFG的共振波长也可采用可控制的应变或加热进行调谐。
对于各种应用，诸如以光纤光栅为基础的可调谐滤波器、光纤传感器解调***和可调谐光纤激光器，能对光纤光栅的共振波长进行大范围的调谐是很有意义的。正如前面已经提到的，光纤光栅可通过应变(例如，拉伸或压缩)进行调谐，或通过加热进行调谐。然而，热调谐的问题是它可能导致光纤光栅的加热退化和调谐范围相对较小。对于应变调谐，已知压缩光纤光栅比拉伸光纤光栅具有更大的调谐范围，因为光纤的抗压强度比抗拉强度高过20倍。然而，由于光纤非常细小，例如，典型的光纤直径约为125um，因此，如何作用轴向压缩应变到光纤上而确保光纤没有诱导弯曲确有不少困难。
已知的技术有：Morey等人在专利号为No.5,469,520、题为“Compression Tuned Fiber Grating”的美国专利中描述了一种光纤光栅的压缩调谐原理，其是把光纤光栅放在可滑动的套管内并把套管放在机械结构上以精确的准直导向和限定光纤。然而，Morey的技术要求套管具有精确的直径以及高度准确的对准。另一种方法是由Fernald等人在专利号为No.6,229,827和No.6,363,089、题为“Compression-TunedBragg Grating and Laser”的美国专利中描述了将光纤光栅焊接在一个玻璃毛细管内。然而，这种产生过程难以操作。再一种方法是Long在专利号为No.6,360,042、题为“Tunable optical fiber gratings device”的美国专利中描述了将光纤光栅粘在悬臂梁上，梁可以弯曲在不同的方向上而使粘在悬臂梁上的光纤光栅受压缩或拉伸应变。
发明内容
因此，本发明提出了一种光纤光栅波长调谐装置。在一种具体实施中，调谐零件是由滑块零件组成，其中光纤光栅被放置在滑块零件之间的限定槽中，光纤的一端被固定在第一个滑块上，而光纤的另一端被固定在第二个滑块上，滑块零件部分可相对移动，从而在光纤光栅上作用于压缩或拉伸应变。限定槽使得该光纤光栅在受压缩作用时仍然保持直线而没有弯曲。
在另一种具体实施中是采用变形块，光纤被固定在这两个变形块之间的限定槽中，通过变形块的伸长和收缩变形而实现对光纤光栅的轴向压缩或拉伸。限定槽使得该光纤光栅在受压缩作用时仍然保持直线而没有弯曲。
该光纤光栅波长调谐装置可以应用于诸如可调谐光纤激光器、可调谐光纤滤波器和可调谐色散补偿器件中等。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的光纤光栅调谐装置的侧视图。
图2是图1中沿A-A方向的局部截面图，图示了光纤光栅部分被放置在滑块的V型槽中并被限制在此槽内。
图3a，3b，3c和3d示出了用于限定光纤并且轴向导向的限定槽可以有不同形状。
图4a，4b和4c示出了可用柱形线所组成的空隙形成限定槽。
图5示出了将几个光纤光栅放入同一滑块的不同限定槽内，以使这些光纤光栅可被同步调谐。
图6是示出了用两个致动器实施的侧视图。
图7是用弧形片状弹簧来精细调谐光纤光栅的实施例的侧视图。
图8是使用波皱状变形块进行实施的侧视图。
图9是使用两个对称放置的波皱状变形块和一个预加载弹簧进行实施的侧视图。
图10是使用间隙垫片进行实施的侧视图。
图11示出了在此光纤光栅调谐技术基础上形成的可调谐光纤激光器示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，在本发明光纤光栅调谐装置的一种具体实施例中，调谐零件是由滑块零件组成。光纤101上带有光纤光栅区域102，并被放置在滑块111和112之间的限定槽中。滑块部分可相对少许移动，限定槽的尺寸使得匹配于光纤的直径。光纤的一端132固定在滑块112上，光纤的另一端131固定在滑块111上，滑块111和112被放置在一个框架125上。滑块112与框架125相对固定，而滑块111相对滑块112可少许移动。在不受力的自由条件下，光纤的固定端131和滑块112以及光纤的固定端132和滑块111之间分别有一小的间隙103，从而使滑块111相对滑块112可相对少许移动，从而压缩光纤。这个间隙须比较小，例如小于1mm，间隙内可充满高分子材料。预加载的弹簧123施加力到滑块111上以协助滑块111的恢复移动，使光纤光栅从压缩应变中恢复，并协助对光纤光栅的拉伸作用。
致动器121推动滑块111移动，以使光纤光栅受到压缩应力或拉伸应力的作用。例如，当致动器121从光纤光栅的不受力状态推动滑块111向左移动时，光纤光栅102受到压缩应力作用，所受的应力正比于致动器121施加到滑块111上的驱动力。而当致动器121推动滑块111从初始状态向右移动时，光纤光栅则受到拉伸应力的作用。致动器121或可通过联结钉122与滑块111紧密联结。由于光纤光栅被限定在滑块上的限定槽内，因此光纤光栅在受力过程中可以保持直线状态而没有弯曲。根据致动器所施加力的大小，在光纤光栅内产生相应的应变，从而光纤光栅的共振波长可以被调谐。
图3a，3b，3c和3d示意说明了滑块上的限定槽可以有各种截面形状。图3a是矩形，图3b是圆形，图3c是“V”型，图3d是“U”型。当然，限定槽也可以采用其它各种形状。这些槽的尺寸要与光纤的直径相匹配，并且这些槽可以开在两个滑块上或只开在一个滑块上。
图4a，4b和4c示意说明用于限定光纤的限定槽也可以由各种型材组合形成的缝隙所形成。例如，图4a中，限定槽是由4个圆柱形的线丝415组成的间隙而形成，光纤101被放置在间隙内。而图4b中示出了用3个线丝组成的间隙来形成限定槽。图4c则是采用2个线丝415再加一平面416组成限定槽，光纤101被放置在这些限定槽中。
图5说明滑块上可以开有多个限定槽，并且多个光纤光栅可以同时放进这些并行槽内以进行同步调谐。
图6则示意说明多个致动器621和624被用于推动滑块，其中致动器621推动滑块611、致动器624推动滑块612以增大调谐范围。
图7则示出了另一种致动原理，一个弧形片簧735用于传递致动器721的移动。弧形片簧735的一端连结到滑块711上，而另一端连结到固定框架725上或连结到滑块712上。当致动器721沿Y轴方向施加推力压弧形片簧735时，弧形片簧将会产生沿X轴方向的扩展，从而推动滑块711向左移动。其结果使光纤光栅102受到压缩应变作用，从而可对光纤光栅进行波长调谐。压缩弹簧723可以预加载荷到滑块711上以帮助致动器卸载时复位并施加拉伸力到光纤光栅上。
图8和图9说明了另一具体实现方法。在该方法中使用了一种变形块，其具体实现的示例可说明如下。光纤光栅2被夹在变形块11和12之间的限定槽内，其限定槽的尺寸和形状类似于前面所述。光纤1的两端被固定在变形块的两端31和32，变形块11和12上具有可变形段，例如图中所示的波皱部分41和42，使得变形块在致动器21的驱动下可以轴向变形，而变形块的轴向压缩和拉伸变形导致光纤光栅相应的轴向压缩和拉伸应变，因此光纤光栅的波长可以被调谐。变形块中的波皱部分的缝隙必须很小(典型地，小于1mm)以保证光纤在受压缩时不完全，其缝隙内也可以填充高分子材料。变形块中的波皱部分可以是与变形块一个整体或是分开的零件，可以是交叉排列如图8所示，或者对称排列如图9所示。其结构中也可以使用一个如图9中的弹簧923，该弹簧预加载到变形块11和12上以帮助变形块受压缩卸载时复位并可施加拉伸力到变形块上。
当致动器21推动变形块向左移动时，压缩力被加载到变形块11和12上，而使光纤光栅受到压缩应变，此时光纤光栅的波长被调向短波长方向移动。而当致动器21向右时，光纤光栅的波长被调向长波长方向移动。
图10示出了又一种具体实施例。光纤的一端由固定块1036被固定在滑块1012上，光纤的另一端由固定块1038被固定在滑块1011上，滑块1011和1012被放置在一个框架1025内。其中一小块垫片1043和1044放在滑块1011和1012旁边。间隙1003的存在使得滑块1011可以在致动器1021的作用下向左移动而对光纤光栅施加压缩应变，因而对光纤光栅的波长实现压缩应变调谐。在类似的结构中，如有需要可以放置多个垫片。最简单的情况是不放置垫片，而在固定块1036和滑块1011之间以及固定块1038和滑块1012之间留下间隙1003。在这些间隙内也可以填入某些材料，比如高分子聚合物。事实上，这些垫片本身也可以是由高分子材料(如某种橡胶)制成，或直接在空隙中填上高分子材料。
需要说明的是，在这些具体实施例中，被调谐的光纤光栅可以是各种类型的光纤光栅或各种光纤光栅的组合。这些光纤光栅可以包括但不限于光纤Bragg光栅、长周期光纤光栅、移相光纤光栅、啁啾光纤光栅、叠层光纤光栅、级联光纤光栅等，而这些各种光纤光栅又可能写在各种光纤中。这些光纤包括但不限于单模光纤、保偏光纤、双包层光纤、稀土掺杂光纤、光子晶体光纤、多模光纤等。此外，同一光纤上或可写入多个光纤光栅，这些光纤光栅可以串行连结放在同一限定槽内或分别放入几个平行的限定槽内，而可以进行波长同时调谐，或这些光纤光栅被写在不同的光纤上然后连结在一起被调谐。
图11给出了一种在可调谐光纤激光器上的具体应用示例。该光纤激光器包括增益光纤106，其两端分别与光纤光栅102和104相连结，光纤Bragg光栅用作为窄带反射器具有相同的中心波长提供光学反馈，因此增益光纤106和光纤Bragg光栅(FBG)102、104组成了一个激光谐振腔。把该光纤激光器腔放入前面所述的光纤光栅波长调谐装置的限定槽中。当光纤光栅102和104的波长被调谐时，由于光纤激光器的谐振波长取决于光纤光栅的中心波长，因此激光输出波长就可被调谐。这里，增益光纤106可以是Er、Yb、Nd、Er/Yb或Tm等掺杂光纤。光纤光栅光纤和增益光纤也可以是各种光纤，诸如单模光纤、保偏光纤、双包层光纤、光子晶体光纤或多模光纤。此外，FBG或移相的FBG可直接在增益光纤上形成，这样就形成了一种分布反馈型(DFB)光纤激光器，其激光输出的波长完全可以根据前面叙述的光纤光栅调谐装置进行调谐。
需要指出的是，该发明可组成各种应用器件，其中包括但不限于可调谐滤波器、可调谐色散补偿器件，以及可在光纤传感***中用于对传感信号的解调等。
虽然这里只描述了一些具体实施例，但是根据此发明的原理还可以派生出不同的类似装置。而且，这里只用了一些说明性的结构来描述一些选定的具体实施装置，此***还可以基于此发明的原理而用各种各样的具体结构来实施，所以此发明在权利要求的范围内是没有限制的。

Claims (16)

1.一种光纤光栅波长调谐装置，包括：
上下放置的两个滑块，形成于两个滑块间的至少一个限定槽，该至少一个限定槽中放置有至少一个光纤光栅，该至少一个光纤光栅的两端分别固定在该两个滑块上，该两个滑块的相对移动使得可以施加轴向的压缩力或拉伸力到该至少一个光纤光栅上，该限定槽限制该至少一个光纤光栅使得其在受到压缩力的作用时仍然保持直线而没有弯曲。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅波长调谐装置，其中该限定槽的横截面形状可以是V形、U形、圆形或各种多边形。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅波长调谐装置，还包括至少一个致动器，其驱动至少一个滑块，该致动器包括微位移器、压电致动器、由步进电机或伺服电机驱动的致动器，以及热驱动器中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅波长调谐装置，进一步包括连接到至少一个滑块上的弧形弹簧，该弧形弹簧受致动器作用而移动至少一个滑块。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅波长调谐装置，进一步包括至少一个预加载的弹簧，其施加力到至少一个滑块上，以协助光纤光栅从压缩应变中恢复，并协助对光纤光栅的拉伸应变。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅波长调谐装置，其中至少有一个限定槽中放置多个串行的光纤光栅。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅波长调谐装置，其中一段增益光纤连接在光纤光栅串之间以形成一个光纤激光器腔。
8.根据权利要求1所述的光纤光栅波长调谐装置，其中光纤光栅包括相移光纤光栅，其直接形成在增益光纤中以形成一种分布反馈型光纤激光器腔。
9.一种光纤光栅波长调谐装置，包括：
至少一个变形块，其上有至少一个变形区域，在该变形块上有至少一个限定槽，其中该至少一个限定槽中放置至少一个光纤光栅，该至少一个光纤光栅的两端被分别固定在该变形块的两端，使得通过该变形块的轴向变形可以施加轴向的压缩力或拉伸力到该至少一个光纤光栅上，该限定槽限制该至少一个光纤光栅使得其在受到压缩力的作用时仍然保持直线而没有弯曲。
10.根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，其中该变形区域至少有一节波皱部分。
11.根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，其中该限定槽的横截面形状可以是V形、U形、圆形或各种多边形。
12.根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，还包括至少一个致动器，其驱动该至少一个变形块，而该致动器包括微位移器、压电致动器、由步进电机或伺服电机驱动的致动器，以及热驱动器中的至少一个。
13.根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，进一步包括至少一个预加载的弹簧，其施加力到变形块上的至少一部分，以协助光纤光栅从压缩应变中恢复，并协助对光纤光栅的拉伸应变。
14.根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，其中至少有一个限定槽中放置多个串行的光纤光栅。
15.根据权利要求14所述的光纤光栅波长调谐装置，其中一段增益光纤连接在光纤光栅串之间以形成一个光纤激光器腔。
16.根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，其中光纤光栅包括相移光纤光栅，其直接形成在增益光纤中以形成一种分布反馈型光纤激光器腔。
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