专利名称：光纤光栅的液体填充隔震封装技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稳定光纤光栅工作波长的温度补偿封装技术，它能够自动调整光纤光栅的工作工作波长以保持在稳定状态。
背景技术：
光纤光栅在制作成器件时，如光纤光栅滤波器、光纤光栅色散补偿器、OADM(光上下路器)等，必须对光纤光栅及其附件进行封装。由于光纤光栅对应力和温度的非常敏感，当外界对光纤光栅受温度影响和外力作用时，光纤光栅的工作波长就会发生漂移，这对于目前DWDM(密集波分复用)技术的应用十分不利，甚至完全失败。因此，解决温度和应力对光纤光栅的影响通常是采用温度补偿和隔震封装的技术。
就封装技术而言，目前有普通的简单封装和真空封装技术。普通封装只是一种简单外包装，相当于一个机器的机箱外壳，仅起装饰作用，无法达到隔震的效果；真空封装技术采用去除传递振动的媒介的抽真空法来达到隔震的目的，但是该项技术存在着技术工艺复杂，经济成本高、生产周期长和维护困难等许多缺点。
发明内容
为此我们提出了液压封装技术，具有工艺简单、成本低廉、生产加工速度快、隔震效果好和维护简单等诸多优点，可以完全克服和解决真空封装技术和简单封装技术的缺点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案我们提出的液体填充封装技术即是把光纤光栅密封在密封外壳内并留有接口与外部进行连接。又将密封液体密封到密封外壳内，密封液体保持高压强，该密封液体的体膨胀系数与密封外壳的体膨胀系数相等。密封外壳内有一个温度补偿载台用来对密封液体进行温度监控并实时的调节温度使温度保持恒定。密封外壳有一个注液口用以向密封腔内注射液体；另外还有一个测试压力计的接口用来实时的监控密封外壳内密封液体的压强。
根据光纤模耦合理论，当正反向光波在光纤光栅中传输时，形成模耦合位相匹配条件满足下列Bragg方程λB＝2neffΛ (1)式中Λ为光栅周期，neff为有效折射率，Λ和neff都受外界环境影响而发生变化ΔΛ和Δneff，导致符合Bragg条件的反射波长发生移位Δλ。由Bragg条件可得Δλ＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ(2)该式表明反射波长偏移与光纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关。当光纤光栅受到应力作用或温度的变化影响时，neff和Λ都会发生变化。应力作用下的光弹效应导致折射率变化，而形变使光栅常数变化；温度导致的光热效应使有效折射率改变，而热膨胀系数致使光栅常数改变。
1.当光纤光栅受到应力作用时，有ΔλB/λB＝(1-P)E(3)其中E是应变，μ是泊松比，P为光纤光栅应变灵敏度系数。对于石英光纤，可取ΔλB/λB＝0.78E (4)如果外界应力可以看成是一个不变应力与扰动应力之和，相应地光纤光栅中的应变也可表为E＝E0+ΔE (5)
当满足ΔE＜＜E0时，则(4)可以改写为ΔλB/λB≈0.78E0(6)即当光纤光栅放置在一个密封的液体压强较高容器中时，容器内的压力是一个常数，对应光纤光栅中的应变也是一个常数E0，而外界震动相应于在光纤光栅上产生了一个应变微小的扰动ΔE，它相对光纤光栅中的恒应变E0是个小量可以忽略不计时(通过调节容器中的压强来实现)，这种充压法就完全可以实现隔震的作用，从而保持光纤光栅的工作波长不变；实验结果表明，当无隔震封装时，光纤光栅的中心波长随着外界震动随机变化；当采用隔震封装后，击打封装外壁时，其中心波长十分稳定，从而验证了上述理论和技术的正确性。
2.而当光纤光栅温度改变时ΔλB/λB＝(α+ζ)ΔT(7)其中α为热膨胀系数，ζ为热光系数。对于掺锗石英光纤，α取5.5×10-7/℃，ζ取7.1×10-6～7.3×10-6/℃(在20～150℃的范围内)，1×10-5/℃(在400℃时)。由式(7)可知，ΔλB与ΔT存在着线性关系。
当外界对密封腔有温度扰动时，温度补偿载台(负温度系数陶瓷)因为温度变化而引起自身的长度变化，进而使附着于陶瓷上的光纤光栅的长度产生相应变化，因为光纤光栅对于温度的变化相当于折射率的变化，而光纤光栅的长度变化效果也相当于折射率的变化，所以可以利用光纤光栅的长度变化引起的折射率变化来抵消光纤光栅的温度变化而导致的折射率的变化；3.当外界对密封腔的温度扰动影响到密封腔内的液体压强时，当液体的体积不变时，液体的压强与液体的温度亦呈线性正比关系。当密封外壳与液体的热膨胀系数相同时，液体的体积变化将与密封腔的体积变化相同，从而体积变化可以保证与温度变化同步，近而使密封腔内的液体压强恒定。在实验当中，我们采用的密封外壳的材料和液体分别是硬铝和硅油。
4.当密封腔的压力变化时，有测试压力计接口对其进行测试，若发现压强有降低的趋势就可以通过向密封腔内注射密封液体来保持密封腔内的压强恒定，通过上述三种办法就屏蔽了外界对光纤光栅的扰动，使光纤光栅工作在恒定的条件下。
本发明的有益效果是可以完全克服和解决真空封装技术和简单封装技术的缺点，并且成本低廉，可重复性好，稳定性好。
上图中(1)为圆柱状钢管(2)为外部橡胶套(3)为密封外壳(4)为油封装置的树胶(5)为密封液体(6)为垫片(7)为内部的橡胶套筒(8)为温度补偿载台(9)为光纤光栅(10)为固定树胶(11)油封装置的内部螺盖(12)油封装置所密封的液体(13)油封装置的外部螺盖(14)油封装置的外部橡胶垫片(15)为光纤尾纤(16)为注液口(17)为测压压力计接口图二具体实施方式
密封外壳为圆筒状，在其侧壁两端分别有注液口和测试压力计接口；橡胶套筒亦为圆筒状，橡胶套筒与外密封外壳密切相贴，在橡胶套筒内侧的一端由原环状的突起与垫片机械连接用来固定垫片，另一端的圆环突起则直接与温度补偿载台相连起支撑作用，并且此圆环突起在与圆筒主轴平行的方向中心对称的分布有圆孔以使液体可在其左右两个腔通透；垫片与温度补偿载台机械相连起支撑作用，垫片在与圆筒主轴平行的方向中心对称分布有圆孔以使液体可在其左右两个腔通透；光纤光栅由树胶粘在温度补偿载台上；光纤尾纤亦由树胶与钢管K粘合固定；油封装置在密封外壳两端保证密封外壳的密封。
油封装置在密封外壳侧腔壁上开有一个圆形的孔以使圆柱状钢管透过，与此圆孔同轴在密封外壳内侧和外侧各开一个螺孔，两螺孔并不直接相通，内侧的螺孔用一个薄的螺盖密封，在其中封油以使与密封腔隔绝；外侧的螺孔用一个与钢管外侧直径相同的螺栓以起到与密封腔隔绝的作用；圆柱状的钢管在密封外壳内的一端用树胶固定光纤尾纤并起着与密封腔隔绝的作用，在密封外壳外的钢管外部有分层的橡胶垫片，进一步起密封作用，在橡胶垫片的外部包裹一层橡胶皮套以保证方便和外观的美观。
权利要求
1.液体填充隔震封装技术，在封装外壳中，光纤光栅、负温度补偿陶瓷、环形垫片顺序机械连接并暴露在高压液体中，其特征是在封装外壳内填充着具有一定压强的液体，通过在液体中施加稳衡压强控制光纤光栅中心波长，抵消外界随机震动带来的波长扰动，从而达到隔震的目的。
2.封装外壳与填充材料间的温度匹配技术，采用封装外壳的热胀系数与外壳内密封填充的液体热胀系数相近技术，确保当温度变化时密封腔内的压强不变，亦即保证光纤光栅上的中心波长不变。
全文摘要
光纤光栅的液体填充隔震封装技术是一种能够保证光纤光栅的工作波长稳定的具有温度补偿的实用化封装技术，它将在光通信方面具有极为广泛的应用。该技术采用具有一定物理特性要求的材料作为封装外壳(如硬铝材料)，封装外壳两端与光纤光栅采用油封技术进行密闭，在密封外壳内填充具有一定压强的液体(如硅油)，另有光纤光栅温度补偿载台(如负温度系数陶瓷或双金属材料制成的载台)通过垫片与外壳连接并固定。光纤光栅的两端固定在载台上，并暴露在充填液体中。在隔震封装外壳上有一个注液口用来注液，另有一个与压力计连接的接口用来连接压力计接口以便实时观察腔内的液体压力。该装置可以实现隔震并自动的保持光纤光栅工作波长稳定之目的。
文档编号G02B6/124GK1548994SQ0312350
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月9日 优先权日2003年5月9日
发明者任建华 申请人:任建华