[发明专利]一种光纤光栅温度补偿装置

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅的应用技术领域，尤其涉及一种光纤光栅温度补偿装置。

背景技术

在光纤传感和光纤通信技术中，经常会应用光纤光栅FBG(fibber Bragggrating)做为波长选择器件。在实际应用中光纤光栅是通过对光敏感的光纤用紫外线(UV light)进行干涉曝光，使光纤沿纤心方向产生折射率永久的改变来得到的。

光纤光栅的一个重要的参数就是中心波长，中心波长同光纤光栅折射率和周期有关，具体关系如下：

λ_B＝2n_eff∧    式(1)

式中：

λ_B为光纤光栅中心波长；

∧为光栅周期；

n_eff为光栅折射率。

在实际的应用过程中，随着工作温度的改变，光纤光栅的折射率n_eff会发生明显的变化，表征折射率n_eff随温度变化的参数为光纤物质的热光系数，表达式为：

ξ=1n‾effdn‾effdT]]>式(2)

式中：

ξ为光纤物质的热光系数；

为光纤光栅的有效折射率；

T为工作温度。

光纤光栅中心波长会随着光纤光栅折射率n_eff改变而改变，也就是说，光纤光栅中心波长会随着工作温度的变化而变化。例如，对于中心波长为1550nm(纳米)的光纤光栅，中心波长随温度漂移量大约为0.013nm/℃，这个漂移量值在光纤传感和光纤通信中会造成测量不准确或通信失败，因此，光纤光栅中心波长会随着工作温度的变化在实际应用过程中应加以控制。

光纤光栅中心波长随温度变化相对变化量的关系表达式可表示为：

Δλ_B＝ξΔTλ_B    式(3)

另外，除工作温度变化对光纤光栅中心波长有影响之外，光纤光栅中心波长还同施加在光栅上的应力有关，表达式为：

Δλ_B＝(1-p_e)ε_zzλ_B    式(4)

式中：

p_e为光纤弹光系数；

ε_zz为光纤受到的轴向得应力。

以光纤光栅受纵向拉伸时为例，对于中心波长在1550nm的光纤光栅，那么光纤光栅弹光效应单位纵向应变引起的波长位移为1.22pm/με(单位为在每微应力下光纤光栅中心波长的漂移值)。

然而，对于给定的光纤光栅，ξ、p_c是确定的，且由式(3)与式(4)可以得出：光纤光栅中心波长同温度和应力的变化均呈线性关系，故可以利用施加在光栅上的应力来补偿光栅受温度的变化，其理想的状态如下式所示：

ξΔT+(1-P_e)Δε_zz＝0    式(5)

由此原理，现有技术中已经公开了两种光纤光栅的温度补偿装置：

现有技术方案一

如图1所示，为美国专利US5042898基于上述补偿原理公开的一种补偿装置，具体采用两种温度膨胀系数不同的金属零件组合成光纤光栅的封装装置。一种金属零件具有较大的热膨胀系数；另一种金属零件作为基体，其热膨胀系数极低。光纤光栅在沿其纤心方向上施加一定的应力后两端分别固定在封装装置中的两种金属零件上，当工作温度变化时，通过改变施加在光纤光栅上的应力来补偿中心波长的漂移。