专利名称：带温控装置的光纤光栅式波长调准oadm器件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光通信系统中带温度补偿的光器件，尤其涉及带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件。
背景技术：
光分插复用器(Optical Add/Drop Multiplexer 0ADM)是全光网络中的重要节点设备之一，它实现了波分复用(WDM)系统中给定波长光信号在某些节点站的上下载，而其余波长光信号则不受影响的直接通过。从1990年有人提出波长上下路开始，到目前为止，人们提出了很多种OADM的方案，根据采用的滤波器件不同，现有的OADM可分为光纤光栅(FBG)式，参考文献见冯德军，柳贺良，秦子雄，开桂云，袁树忠，刘志国，董孝义，“基于光纤光栅的波长可调谐光分插复用器”，《光子学报》，2001，Vol.30，No.1，pp43-46；薄膜(DTMF)式，参考文献见J.Minowa and Y.Fujii，“Dielectric Multilayer Thin-film Filters for WDMTransmission Systems”，J.Lightwave Tech.，Vol.LT-1，Mar.1983116-121.；阵列波导光栅(AWG)式，参考文献见Yoshiaki Tachikawa，Yasuyuki Inoue，Motohaya Ishii，Toshinori Nozawa，“Arrayed waveguide grating multiplexer with loop back opticalpaths and its applications”，Journal of Lightwave Technology，14，pp.977，(1996).。这些OADM的性能主要取决于所采用的滤波器件的性能，见Rajiv Ramaswami，KumarN.Sivarajan，“Optical Networks，Book1”，Morgan Kaufmann Publishers，Inc.，1998.。光纤光栅式OADM以其低插入损耗(光纤光栅本身的插入损耗约为0.2dB)，高信道隔离度(高达40dB)，特别适用于窄间隔(不大于0.8nm)DWDM系统，成为研究热点。
光纤Bragg光栅式OADM的信道中心波长即为光栅的Bragg波长。ITU-T标准对WDM系统使用的各种间隔下的波长有明确的规定。实际中，要制备出符合ITU-T标准波长的光纤光栅是比较困难的，因为光纤光栅制备的各阶段操作都会影响Bragg波长。另外在应用现场，各厂家设备间的中心波长也存在对准问题。因此OADM应具有中心波长可微调属性。目前部分学者对光纤光栅式OADM的调谐性进行了研究，取得了很好的实验指标，见参考文献A.locco，H.G.Limberger and R.P.Salathe，″Bragg Grating Fast Tunable Filter for WavelengthDivision Multiplexing″，J.Lightwave Tech.，Vol.17，Aug.19991217-1221以及参考文献G.A Balland W.W.Morey，″Compression-Tuned Single-Frequency Bragg Fiber Laser”，Opt.Lett.，19(23)，19941979～1981.。光纤光栅式OADM研究中存在的另一个问题是温度稳定性，由于光栅的中心波长会随温度变化(裸光栅的热膨胀系数为0.01nm/℃)。目前对于光纤布拉格光栅中心波长的温度漂移的补偿主要有两种方法，见参考文献R.Kashyap，M.H.Reeve，S.A.Cassidy，et al.，″Temperature Desensitisation of Delay in Fibers”，UK PatentNO.8328204.21 Oct.1983.；以及参考文献W.W.Morey and W.L.Glomb，″Incorporated BraggFilter Temperature Compensated Optical Waveguide Device”，US Patent No.5042898，27Aug.1991；都是利用具有不同温度系数的封装材料。将光栅置于用两种具有不同热膨胀系数的材料构成的封装中，使光纤光栅的温度系数降到了0.07nm/100℃，见参考文献G.W.Yoffe，Peter A，F.Ouellette，and D.A.Thorncraft，“Passive temperature-compensatingpackage for optical fiber gratings”，APPLIED OPTICS，Vol.34，No.30，20 October1995。然而，上述方法大多针对固定波长光纤光栅，经过上述方法补偿过的光栅都是不可调谐的。中心波长的可调谐性和温度稳定性是一对矛盾，既要做到可调谐又要满足高温度稳定性要求是一个目前还待解决的难题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件，所述温控装置能对OADM器件自动进行温度补偿，使OADM器件在一定温度范围内工作稳定。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件，由环形器、光纤光栅，耦合器及波长调节机构组成，此外还包括可控加热源，可控加热源固定连接在波长调节机构上，在可控加热源和波长调节机构间设有一层均热材料。
其中，所述可控加热源包括加热器件和主要由可变电阻、传感器构成的控制电路；所述均热材料为聚脂薄膜；所述的加热器件为带散热片的电子器件。
由于本实用新型采用了可控加热源和可控加热源与波长调节机构间设有的一层均热材料，因而能对OADM器件进行均匀的温度补偿，由于采用传感器、可变电阻构成的控制电路，因而这种补偿是在一定范围内自动进行的。此外，加热器件采用带散热片的电子器件，使本实用新型还具有结构简单、成本低廉的特点。
图 1OADM器件工作原理图图 2波长调节机构、均热材料和可控加热源关系图，并作为说明书摘要附图，图中1为波长调节机构，2为均热材料，3为可控加热源。
图3 1550.92～1553.32四波长输入图4第1路下载端谱特性图图5第2路下载端谱特性图图6第3路下载端谱特性图图7第4路下载端谱特性图图8信道中心波长随环境温度的变化图图9为可控加热源工作图具体实施方式
以下结合附图和实施例，进一步说明本实用新型。
本实施例中，实现的光纤光栅式OADM单元如图1所示，整个单元由4个3端环形器C1、C2、C3、C4，4个波长可微调光纤Bragg光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，一个4×1Mux和一个2×1耦合器Coupler组成，Drop1、Drop2、Drop3、Drop4为下路信号，Add1、Add2、Add3、Add4为上路信号。环形器C1将其端口1a输入的光信号传输到端口2a，端口2a输入的光传输到端口3a。可调谐光纤光栅FBG1对C1的端口2a输出的给定波长的光λ1进行全反射回到端口2a，实现了一路给定波长光信号λ1的下载，而使其余波长的光λ2，3...n直通到达环形器C2。类似地，环形器C2与光栅FBG2，环形器C3与光栅FBG3和环形器C4与光栅FBG4分别实现λ2，λ3和λ4的下载以及其它波长的直通。同时，λ2，λ3和λ4的上载由2个耦合器，图中的4×1Mux和Coupler实现。
将光纤光栅粘贴在波长调节机构上。在本实施例中，调节机构为悬臂梁，采用悬臂梁调谐方法对光纤光栅的中心波长进行微调对准。这样光纤光栅的温度稳定性一方面来自光栅本身的温度性能，另一方面则来自梁材料的温度特性。布拉格光纤光栅波长随温度的变化关系为ΔλBλB=(α+ξ)ΔT+(1-Pe)ϵ···(1)]]>其中α是光纤材料的热膨胀系数，ξ是热光系数，pe是光纤材料的光弹系数，ε为光纤轴向应变量。设悬臂梁材料的热膨胀系数为α1，那么悬臂梁的长度应变与温度变化的关系为ε1＝α1·ΔT。假设光纤光栅应力与调谐梁的应力相比可以忽略，可近似推知粘到悬臂梁上的光纤光栅的温度敏感性为ΔλBλB=(α+ξ)ΔT+(1-pe)α1ΔT···(2)]]>由上式可知要得到小的ΔλB，应选择热膨胀系数α1尽可能小的梁材料，但热膨胀系数小的材料弹性也小，从而导致调谐范围变小。综合考虑悬臂梁的弹性和温度稳定性，实验选用具有较低热膨胀系数的铟钢(5×10-6/℃)。实验表明光纤光栅粘到该种梁上后，波长随温度的变化为0.027nm/℃。环境温度在-20℃~+60℃范围内变化时，光纤光栅1550nm附近总的波长漂移量为2.16nm。对间隔为0.8nm的DWDM系统而言，这意味着信道的中心波长移到了相邻信道，必将引起信道指标的恶化。为进一步提高温度稳定性，设计一种特别适合于悬臂梁调谐光栅的温控装置，贴附在悬臂梁的侧面。
如图2所示，波长调节机构1及粘贴在其上面的光纤光栅、可控加热源3和设置在可控加热源3与波长调节机构1之间的均热材料2组成图1中的波长可微调光纤Bragg光栅FBG1，可控加热源3包括加热器件和主要由传感器、可变电阻构成的控制电路，其中，可控加热源3和均热材料2构成温控装置，所述的加热器件为带散热片的电子器件。所述的均热材料为聚脂薄膜。可控加热源3固定连接在波长调节机构1上，具体地讲，所述的散热片粘贴在均热材料2上，均热材料粘贴在波长调节机构1侧面。图1中的FBG2、FMG3、FBG4与FBG1结构相同，在此不再赘述。
图9为可控加热源工作图，可变电阻R、传感器Rs、电阻R1和电阻R2组成电桥，温控点通过可变电阻R进行设定。假定温控点为X℃，当环境温度低于X℃时，传感器Rs感知该温度变化，并使电桥产生信号输出到比较器，比较器由此产生信号到电子器件，电子器件通过其散热片进行加热，使波长调谐机构1的温度保持在X℃，从而起到温度补偿作用。电子器件可以是三极管或其它带散热片的类似器件。本实用新型的特点在于体积小，约为50mm×18mm×1.5mm，功耗低于3瓦。实现了对光纤光栅的局部温度控制，达到了要求的温度稳定性。
对该OADM进行测试，四路环形腔光纤激光器输出波长分别为λ1＝1550.92nm，λ2＝1551.72nm，λ3＝1552.52nm和λ4＝1553.32nm，波长间隔为0.8，符合ITU-T G.692建议，经合波器合成一路，输入到OADM的输入端，信号光谱如图3所示。OADM的下载端Drop1，Drop2，Drop3和Drop4分别接到光谱仪MC9710B的输入端，得到下载端谱特性，如图4-图7所示。从图4到图7可以看出，4路OADM的信道间隔为0.8nm，上下路3dB通道带宽小于0.3nm，符合ITU-TG.692的要求；邻道隔离度为35dB，该项指标主要取决于光纤光栅的良好滤波特性。值得注意的是该OADM各下载信道的插入损耗依次增加，这是由于串联的各个环形器，光纤光栅和融接点的插入损耗积累所致。从原理上讲这种损耗积累是不可避免的，但只要将每个环节的插入损耗控制到最低，整个插入损耗可控制在6dB以下。
温度实验所用仪器有电热温度控制箱，自制宽带光源和光谱仪MC9710B。由电热温度控制箱模拟-20℃～+60℃环境温度变化。对波长为1550.92nm的信道进行温度实验，测得可调谐光纤Bragg光栅中心波长随温度的变化曲线如图8所示。曲线1为不带温度补偿的情况，变化曲线呈线性。在80℃范围内总波长漂移为2.16nm，平均波长漂移为0.027nm/℃。曲线2为经过温度补偿的情况，当温度低于50℃时，波长几乎不随温度变化；当温度高于50℃时，信道中心波长随温度呈线性变化。
信道中心波长总漂移为0.31nm，平均波长漂移为0.004nm/℃，与未经温度补偿的情况相比温度度稳定性提高了6.75倍，满足了实际应用要求的0.01nm/℃。
光纤光栅粘贴在悬臂梁上实现对其中心波长的微调，但梁的引入进一步增大了光栅温度的不稳定性(为0.027nm/℃)，为了解决波长调谐和温度稳定性两者的矛盾，本实用新型提出了一种带温控装置的光纤光栅式波长可微调OADM，该OADM的测试结果为在环境温度范围-20℃~+60℃内，中心波长变化小于0.004nm/℃，与未经温度补偿的悬臂梁调谐光栅相比，提高了6.75倍，优于实际应用时0.01nm/℃的要求。用悬臂梁方法，得到了1nm的中心波长调谐量，实现了波长对准的功能。4路OADM的信道间隔为0.8nm，上下路3dB通道带宽小于0.3nm，符合ITU-T G.692的要求；采用自制的光栅，实现了35dB的邻道隔离度。
权利要求1.带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件，由环形器、光纤光栅，耦合器及波长调节机构组成，其特征是，还包括可控加热源，可控加热源固定连接在波长调节机构上，在可控加热源和波长调节机构间设有一层均热材料。
2.根据权利要求1所述的带温控装置的光纤光栅式波长可调准OADM器件，其特征是，所述的可控加热源包括加热器件和主要由可变电阻、传感器构成的控制电路。
3.根据权利要求1所述的带温控装置的光纤光栅式波长可调准OADM器件，其特征是，所述的均热材料为聚脂薄膜。
4.根据权利要求2所述的带温控装置的光纤光栅式波长可调准OADM器件，其特征是，所述的加热器件为带散热片的电子器件。
专利摘要本实用新型带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件，涉及一种光通信系统中带温度补偿的光器件，尤其涉及带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件。为提供带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件，所述温控装置能对OADM器件自动进行温度补偿，本实用新型采用的技术方案是带温控装置的光纤光栅式波长调准OADM器件，由环形器、光纤光栅，耦合器及波长调节机构组成，其特征是，还包括可控加热源，可控加热源固定连接在波长调节机构上，在加热源和波长调节机构间设有一层均热材料。本实用新型主要应用于各种光纤光栅的温度补偿，使光纤光栅的可调谐和温度稳定性指标满足实际应用要求。
文档编号H04B10/17GK2653525SQ03258280
公开日2004年11月3日 申请日期2003年8月18日 优先权日2003年8月18日
发明者马秀荣, 董孝义, 肖春华, 开桂云, 黄勇林, 冯竟天, 袁树忠, 李 杰, 王睿玲, 杨诚, 赵琳娜 申请人:天津光电通信技术有限公司, 南开大学