专利名称：：可调色散补偿器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种补偿器。特别是涉及一种基于啁啾光纤光栅的单/多通道色散/色散斜率补偿器，可以对密集波分复用系统中输入的单/多个通道的高速光信号进行动态色散补偿的可调色散补偿器。
背景技术：
：光纤的衰耗及色散是限制光信号在光纤中传输的两大因素。目前，光纤的衰耗通过EDFA及Raman放大器等技术有效地得到了解决。随着光传输速率的提高(lOGb/s或40Gb/s)及传输距离的延长，光纤色散对光传输的限制却愈来愈引起人们的关注。虽然现在已有多种固定色散补偿方法，但是在高速通信系统中还存在如下问题由于光纤色散斜率原因导致各个信道的色散累积量的不同，在接收机端仍存在着残余色散；另外由于系统运行环境的变化而引起的色散变化，会在很大程度上降低系统的性能。只有具有色散动态调节功能的光器件才能解决上面的问题，可调色散补偿器成为高速通信系统急需研制的器件。对光纤进行色散补偿的一种有效方案是采用啁啾光纤光栅(CFG)。光纤光栅具有特殊波导结构，它是由紫外激光诱发光纤纤芯折射率沿轴向产生周期性改变，CRi的光栅周期随着轴向位置发生改变，这种现象叫做啁啾，通过改变啁啾量，CRi的色散量也发生变化。基于CFG的模块具有体积小、损耗低、不易受非线性效应影响、与偏振无关等优点。基于光纤光栅的可调色散补偿器按照调节方式可以分为温度场调节型以及应变调节型两种，分别借助温度梯度或者弯曲应变来改变啁啾量，从而达到色散调节目的。采用温度场调节原理的有美国专利U.S.2003/0198434Al(Lachanceetal.)和U.S.Pat.No.6351385(Amundsonetal.)，温度梯度引起光栅各部分膨胀不一致，改变了CFG上的啁啾分布。前者用两个热电制冷器(TEC)分别控制ere两端的温度，当两端存在温差时，热量会由高温端流向低温端形成温度梯度。后者在CFG表面镀上一层厚度随位置渐变的金属薄膜，保证电阻和位置成线性关系，当薄膜两端加上电压时，发热量和CRi轴向位置也成正比关系，从而形成温度梯度。温度场调节型器件结构较紧凑，易于实现，但也存在一些缺陷，上电后需要预热，调谐速度很慢，没有色散以及波长的锁存功能，掉电恢复无法自动回到掉电前的状态，这些缺点都会影响在实际系统中的应用。相对温度场调节，应变调节具有响应速度快，调节范围大特点，目前有电磁拉伸、悬臂梁弯曲方案。美国专利U.S.Pat.No.5812711(Glassetal.)和U.S.Pat.No.6122421(Adamsetal.)就是基于电磁拉伸方案，色散调节范围比悬臂梁方案要大，但是器件体积过大，成本高。悬臂梁方案是把CFG固定在等横截面梁的表面，当在自由端施加外力发生弯曲时，悬臂梁的表面会产生线性变形，从而改变了CRi周期分布。Garthe等(Gartheetal."Adjustabledispersionequalizerfor10and20Gbit/soverdistanceupto160km”)采用了这种方案成功地进行了160km传输实验。值得注意的是这种方案在对色散进行调节同时也改变了CFG的光谱工作中心波长，而且中心波长也会随外界温度变化而发生改变，这些都限制了在实际当中的应用。美国专利U.S.2004/0161197A1(Pelletieretal.)在Garthe方案的基础上，增加了光栅波长调节以及温度补偿功能，增加了工作中心波长的稳定性，器件的实用性得到提升。但是实际中进行CRi工作波长精细调整时，光栅长度调整精度必须达到微米级，专利中采用螺纹机构压缩CFG长度来调节波长，实际上是无法达到的，而且螺纹之间的空行程使得往复调节会带来较大的累积调节误差。因此这个方案没有实用性。
发明内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于CFG光纤啁啾光栅的能够连续调节色散和波长的可调色散补偿器。本发明所采用的技术方案是一种可调色散补偿器，包括有悬臂梁调节丝杠、光纤啁啾光栅、悬臂梁和可调色散补偿器外壳，还有桥式柔性铰链位移缩放机构和桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠，其中，所述的悬臂梁和桥式柔性铰链位移缩放机构相连接的设置在可调色散补偿器外壳内，所述的悬臂梁调节丝杠贯穿可调色散补偿器外壳的一侧可调节的连接在悬臂梁的自由端，所述的桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠贯穿可调色散补偿器外壳的一侧可调节的连接在桥式柔性铰链位移缩放机构的位移输入端，所述的光纤啁啾光栅固定于悬臂梁的表面，光纤啁啾光栅尾纤贯穿形成在悬臂梁固定端的过孔以及形成在可调色散补偿器外壳上的通孔从可调色散补偿器外壳侧向出纤。所述的光纤啁啾光栅是通过焊接或粘接或机械压紧的方式固定在悬臂梁的表面上。所述的悬臂梁与桥式柔性铰链位移缩放机构是通过焊接或粘接或机械压紧的方式相连接。所述的通孔是斜孔，所述的光纤啁啾光栅尾纤从可调色散补偿器外壳侧向以一定角度出纤。所述的悬臂梁、可调色散补偿器外壳及桥式柔性铰链位移缩放机构相互压紧设置。所述的悬臂梁具有等截面，悬臂梁表面具有线性应变。所述的悬臂梁所用材料的温度膨胀系数需同光纤啁啾光栅的温度膨胀系数相匹配。所述的悬臂梁和所述的可调色散补偿器外壳由低膨胀系数材料构成，所述的桥式柔性铰链位移缩放机构由高膨胀系数材料构成。本发明的可调色散补偿器，是采用等截面悬臂梁色散调节机构，结合桥式柔性铰链位移缩放机构对色散调节引起的CFG工作波长变化进行补偿，同时桥式柔性铰链位移缩放机构、悬臂梁和外壳相互配合还能对环境温度引起的CFG工作波长变化进行补偿。具有以下特点1、色散、工作波长在掉电情况下可以锁存；2、通过无源封装结构补偿光纤啁啾光栅工作波长随环境温度的漂移；3、光纤啁啾光栅的工作波长能够以pm级精度进行调节，重复性好，精度高；4、色散和工作波长的调谐速度非常快；5、装置的体积紧凑。图1是桥式柔性铰链位移缩放机构结构示意图；图2是桥式柔性铰链位移缩放机构的等效原理图；图3是位移缩放机构位移输入输出关系图；图4是悬臂梁调节结构示意图；图5是本发明的结构示意图；图6是色散调节示意图；图7是本发明补偿器的工作波长随环境温度漂移的补偿示意图。其中1悬臂梁调节丝杠2光纤啁啾光栅3悬臂梁4可调色散补偿器外壳5桥式柔性铰链位移缩放机构6桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠7光纤啁啾光栅尾纤8通孔9过孔具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的可调色散补偿器做出详细说明。本发明的可调色散补偿器是根据如下原理设计的。当等截面悬臂梁自由端在外界力作用下，表面会发生应变，通过材料力学计算可知，刚性固定在悬臂梁上的光纤啁啾光栅也会产生相应的应变。当外界力不超过材料的弹性限度时，悬臂梁表面上任一点的应变ε与其到固定端距离χ具有如下的线性关系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中ζ是梁表面点到梁中性轴距离，L是梁的自由端到固定端的长度，E是材料的杨氏弹性模量，Iy是截面关于1轴的惯性矩。固定在悬臂梁表面的光纤啁啾光栅跟随着悬臂梁产生线性拉应变和压应变，引入了附加啁啾，改变了光栅的周期分布，使得光纤啁啾光栅的色散发生了变化，拉应变和压应变引起的色散变化的方向相反。等截面悬臂梁在调节过程中不仅改变了色散，光纤啁啾光栅的工作中心波长也相应发生了改变，这在实际应用中是不允许的。所以，本发明采用桥式柔性铰链位移缩放机构来轴向压缩或者拉伸悬臂梁，使得光纤啁啾光栅生产均勻变形，改变光栅周期，用来补偿光纤啁啾光栅在色散调节过程中工作波长的变化。如图5所示，本发明的可调色散补偿器，包括有悬臂梁调节丝杠1、光纤啁啾光栅2、悬臂梁3、可调色散补偿器外壳4、桥式柔性铰链位移缩放机构5和桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠6。其中，所述的悬臂梁3和桥式柔性铰链位移缩放机构5相连接的设置在可调色散补偿器外壳4内，具体是所述的悬臂梁3与桥式柔性铰链位移缩放机构5是通过焊接或粘接或机械压紧的方式相连接。而所述的悬臂梁3、可调色散补偿器外壳4及桥式柔性铰链位移缩放机构5相互压紧设置。所述的悬臂梁调节丝杠1贯穿可调色散补偿器外壳4的一侧后通过螺纹孔可调节的连接在悬臂梁3的自由端，所述的桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠6贯穿可调色散补偿器外壳4的一侧后通过螺纹孔可调节的连接在桥式柔性铰链位移缩放机构5的位移输入端。通过调整悬臂梁调节丝杠1和桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠6之间的距离，使得悬臂梁3和桥式柔性铰链位移缩放机构5在工作过程中始终保持压紧状态。如图4、图5所示，所述的光纤啁啾光栅2固定于悬臂梁3的表面，所述的光纤啁啾光栅2是通过焊接或粘接或机械压紧的方式固定在悬臂梁3的表面上。所述的悬臂梁3具有等截面，悬臂梁表面具有线性应变。本发明中的光纤啁啾光栅尾纤出纤方式是侧向出纤，光纤啁啾光栅尾纤7贯穿形成在悬臂梁3固定端的过孔9以及形成在可调色散补偿器外壳4上的通孔8从可调色散补偿器外壳4侧向出纤。所述的通孔8是斜孔，所述的光纤啁啾光栅尾纤7从可调色散补偿器外壳4侧向以一定角度出纤。本发明中的光纤啁啾光栅尾纤出纤方式相对于美国专利U.S.2004/0161197Al提出的直向出纤方式，光纤的弯曲半径大，减少了弯曲带来的附加损耗，而且器件装置的尾纤占有的空间更小，器件长度方向至少可以减少20mm，体积会更加紧凑。所述的悬臂梁3所用材料的温度膨胀系数需同光纤啁啾光栅2的温度膨胀系数相匹配。即，所述的悬臂梁3和所述的可调色散补偿器外壳4由低膨胀系数材料构成，所述的桥式柔性铰链位移缩放机构5由高膨胀系数材料构成。如图1所示，本发明可调色散补偿器中所采用的桥式柔性铰链位移缩放机构，具有无运动间隙，无回程误差和摩擦，运动精度高，理论调节分辨率可达到nm级，行程大，位移输入输出缩放比线性度好的特点。本发明采用桥式柔性铰链位移缩放机构补偿光纤啁啾光栅在色散调节过程中工作波长变化的工作原理具体描述如下桥式柔性铰链位移缩放比是由铰链的拉伸刚度&和转角刚度Ka、铰链间距L以及夹角α这些参数决定，如图2等效原理图所示。调节这些参数可以灵活设计缩放比Δχ/Ay。位移缩放比和铰链参数关系如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>⑵桥式柔性铰链位移缩放机构的位移输出ΔΧ使得悬臂梁产生变形εχ，由于光纤啁啾光栅是刚性固定在悬臂梁表面，光纤啁啾光栅也产生变形εχ。光纤啁啾光栅的工作波长变化Δλ和εχ具有如下关系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(3)其中Pe是弹光系数，λ是工作波长。由此可见，桥式柔性铰链位移缩放机构的位移输出Δχ将引起光纤啁啾光栅的工作波长变化。图3是采用缩放比为0.1的桥式柔性铰链的位移输入输出关系图。假定丝杠加载在柔性铰链上的输入位移分辨率为lum，经过缩放后输出位移分辨率为lOOnm，光纤啁啾光栅工作波长调节分辨率约为2pm。输入位移行程为3mm时，相应光纤啁啾光栅工作波长调节范围约为7nm。本发明的可调色散补偿器主要工作过程为当光信号通过光纤啁啾光栅尾纤7输入到达光纤啁啾光栅2时，光信号中的不同波长在光纤啁啾光栅2中的不同位置发生反射，使得不同波长光的延迟不同，从光纤啁啾光栅2反射回来的光信号色散得到补偿，光信号最终再次通过光纤啁啾光栅尾纤7输出，光纤啁啾光栅2固定在等截面悬臂梁表面。当需要进行色散调节时，通过悬臂梁调节丝杠1带动悬臂梁自由端运动，弯曲等截面悬臂梁改变光纤啁啾光栅的啁啾量大小，从而改变光纤啁啾光栅的色散大小。结合桥式柔性铰链位移缩放机构对色散调节引起的光纤啁啾光栅工作波长变化进行补偿。当外界环境温度发生变化时，光纤啁啾光栅的工作波长会产生漂移，漂移的大小约为10pm/°C。这个波长漂移在实际应用中是无法接受的，所以需要对光纤啁啾光栅进行温度补偿，在一定的工作温度范围内减小温度引起的工作波长漂移。本发明采用的桥式柔性铰链位移缩放机构、悬臂梁和外壳相互配合的温度补偿结构，还能对环境温度引起的光纤啁啾光栅工作波长变化进行补偿。本发明的温度补偿结构是由悬臂梁3、可调色散补偿器外壳4、桥式柔性铰链位移缩放机构5三种部件组成，它们采用两种不同膨胀系数材料，三部件之间通过压力预紧。其中悬臂梁3、可调色散补偿器外壳4由低膨胀系数材料构成，桥式柔性铰链位移缩放机构5由高膨胀系数材料构成。该温度补偿结构的具体工作过程如下当光纤啁啾光栅的工作波长随着温度升高而向长波方向漂移时，桥式柔性铰链位移缩放机构5也会发生膨胀，对悬臂梁产生压缩变形，固定在悬臂梁上的光纤啁啾光栅周期会变小，工作波长相应会向短波方向漂移，通过合理设计桥式柔性铰链位移缩放机构5的长度，控制桥式柔性铰链位移缩放机构5的膨胀量大小，可以完全补偿温度引起的工作波长漂移。图7是本发明可调色散补偿器的工作波长温度补偿示意图，如图所示，在工作温度范围内，-10°C75°C，工作波长漂移约为12pm，而没有温度补偿功能的工作波长漂移量约为850pm，本发明的可调色散补偿器工作波长漂移量远小于没有温度补偿功能的工作波长漂移量。本发明的可调色散补偿器同时适用于单通道色散补偿和多通道色散补偿。权利要求一种可调色散补偿器，包括有悬臂梁调节丝杠(1)、光纤啁啾光栅(2)、悬臂梁(3)和可调色散补偿器外壳(4)，其特征在于，还有桥式柔性铰链位移缩放机构(5)和桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠(6)，其中，所述的悬臂梁(3)和桥式柔性铰链位移缩放机构(5)相连接的设置在可调色散补偿器外壳(4)内，所述的悬臂梁调节丝杠(1)贯穿可调色散补偿器外壳(4)的一侧可调节的连接在悬臂梁(3)的自由端，所述的桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠(6)贯穿可调色散补偿器外壳(4)的一侧可调节的连接在桥式柔性铰链位移缩放机构(5)的位移输入端，所述的光纤啁啾光栅(2)固定于悬臂梁(3)的表面，光纤啁啾光栅尾纤(7)贯穿形成在悬臂梁(3)固定端的过孔(9)以及形成在可调色散补偿器外壳(4)上的通孔(8)从可调色散补偿器外壳(4)侧向出纤。2.根据权利要求1所述的可调色散补偿器，其特征在于，所述的光纤啁啾光栅(2)是通过焊接或粘接或机械压紧的方式固定在悬臂梁(3)的表面上。3.根据权利要求1所述的可调色散补偿器，其特征在于，所述的悬臂梁(3)与桥式柔性铰链位移缩放机构(5)是通过焊接或粘接或机械压紧的方式相连接。4.根据权利要求1所述的可调色散补偿器，其特征在于，所述的通孔(8)是斜孔，所述的光纤啁啾光栅尾纤(7)从可调色散补偿器外壳(4)侧向以一定角度出纤。5.根据权利要求1所述的可调色散补偿器，其特征在于，所述的悬臂梁(3)、可调色散补偿器外壳(4)及桥式柔性铰链位移缩放机构(5)相互压紧设置。6.根据权利要求1所述的可调色散补偿器，其特征在于，所述的悬臂梁(3)具有等截面，悬臂梁表面具有线性应变。7.根据权利要求1所述的可调色散补偿器，其特征在于，所述的悬臂梁(3)所用材料的温度膨胀系数需同光纤啁啾光栅(2)的温度膨胀系数相匹配。8.根据权利要求1所述的可调色散补偿器，其特征在于，所述的悬臂梁(3)和所述的可调色散补偿器外壳(4)由低膨胀系数材料构成，所述的桥式柔性铰链位移缩放机构(5)由高膨胀系数材料构成。全文摘要一种可调色散补偿器，悬臂梁和桥式柔性铰链位移缩放机构相连接的设置在可调色散补偿器外壳内，悬臂梁调节丝杠贯穿可调色散补偿器外壳的一侧可调节的连接在悬臂梁的自由端，桥式柔性铰链位移缩放机构调节丝杠贯穿可调色散补偿器外壳的一侧可调节的连接在桥式柔性铰链位移缩放机构的位移输入端，光纤啁啾光栅固定于悬臂梁的表面，光纤啁啾光栅尾纤贯穿形成在悬臂梁固定端的过孔以及形成在可调色散补偿器外壳上的通孔从可调色散补偿器外壳侧向出纤。本发明采用等截面悬臂梁色散调节机构，结合桥式柔性铰链位移缩放机构对色散调节引起的CFG工作波长变化进行补偿，桥式柔性铰链位移缩放机构、悬臂梁和外壳相互配合还能对环境温度引起的CFG工作波长变化进行补偿。文档编号G02B26/00GK101799581SQ20091031287公开日2010年8月11日申请日期2009年12月31日优先权日2009年12月31日发明者徐来,林谦,石川,马卫东申请人:武汉光迅科技股份有限公司