专利名称：光纤光栅调谐装置和光学系统的制作方法
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系统、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Bmgg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Bmgg光栅(FBG)的光栅周期。
FBG反射波长为XB的光，有XB=2nAB，被称为布拉格条件，或Bragg 波长，其中，^是从光栅反射光的中心波长，n是光纤芯的有效折射率， 八b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Sz， FBG的中心波长漂移是A入b =XB(l-p)Sz，其中p是有效应变光学常数。对于给定的温度变化AT ， 该FBG的中心波长漂移是△ XB =人b ((xA+(xB) AT，其中(xA是光纤的热 膨胀系数，(xb代表热光系数。 一个典型的中心波长在1550 nm的FBG， 应变导致的波长漂移约为2pm/^is，温度变化引起的波长漂移约为 12.8pm/°C。这些物理特性可用于调节FBG的中心波长，即釆用可控制 应变或热加到FBG上。
长周期光纤光栅(LPFG)与光纤Bmgg光栅(FBG)具有相似的结 构，但LPFG的光栅周期Ajg长于FBG的周期AB，通常八!^是Ab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人4耦合的相位匹配条件可以表达为XmI=(nc。re-ndm)AL，其中，n^e是基模的有效折射率，
是第m阶包层模的有效折射率，AL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；L，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 感器解调系统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，已知压縮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，如何作用轴向压縮 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 的压縮调谐原理，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Femald等 人在专利号为No. 6，229，827和No. 6,363,089、题为"Compression-Tuned Bragg 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縮作用时 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縮变形而实现对光纤光栅的 轴向压縮或拉伸。限定槽使得该光纤光栅在受压縮作用时仍然保持直 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。
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IO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。
具体实施例方式
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，从而压縮光纤。 这个间隙须比较小，例如小于lmm，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 光栅从压縮应变中恢复，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縮应力或拉 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受到压縮应变作 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，而变形块的轴向压縮和拉伸变形导致光纤光栅相 应的轴向压縮和拉伸应变，因此光纤光栅的波长可以被调谐。变形块 中的波铍部分的缝隙必须很小(典型地，小于lmm)以保证光纤在受 压縮时不完全，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，压縮力被加载到变形块U 和12上，而使光纤光栅受到压縮应变，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縮应变，因 而对光纤光栅的波长实现压縮应变调谐。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ll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Bmgg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，以及可在光纤传感系统中用于 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--些选定的具体实施装置，此系统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。
权利要求
1、一种光纤光栅波长调谐装置，包括由几个调谐零件所组成的一个或多个限定槽，其中至少有一个槽中放置至少一个光纤光栅，光纤光栅两端被分别固定在调谐零件上，零件的第一部分相对第二部分可相对移动使得可以施加轴向的压缩和拉伸力到光纤光栅上，限定槽限制该光纤光栅使得光纤光栅在受压缩和拉伸力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，其中槽子的横 截面形状可以是V形、U形、矩形，圆形和各种多边形。
3、 根据权利要求l所述的光纤光栅波长调谐装置，其中至少有一个致动器驱动至少一个调谐零件，该致动器包括微位移器、压电致动 器、步进电机或伺服电机驱动的致动器，和热驱动器。
4、 根据权利要求3所述的光纤光栅波长调谐装置，进一步包括一 弧形弹簧连接调谐零件，弧形弹簧受驱动器作用从而造成调谐零件的 至少一部份的移动。
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施加力到调谐零件上的至少一部份，以协助光纤 光栅从压縮应变中恢复，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零件，其上至少有一个变形区域，零件上有一个 或多个限定槽，其中至少有一个槽中放置至少一个光纤光栅，光纤光 栅两端被固定在变形块零件上，使得通过变形块的轴向变形可以施加 轴向的压縮和拉伸力到光纤光栅上，限定槽限制该光纤光栅使得光纤 光栅在受压縮力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，其中变形区 域至少有一节波纹。
11、 根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，其中槽子的横截面形状可以是v形、u形、矩形，圆形和各种多边形。
12、 根据权利要求9所述的光纤光栅波长调谐装置，其中至少有 一个致动器驱动至少一个变形块零件，而该致动器包括微位移器、压 电致动器、步进电机或伺服电机驱动的致动器，和热驱动器。
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施加力到变形块零件上的至少一部份，以协助 光纤光栅从压縮应变中恢复，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。
全文摘要
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。
文档编号G02B6/34GK101424771SQ200810211470
公开日2009年5月6日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年10月30日
发明者叶东风, 飞 骆 申请人:骆 飞;叶东风