Способ пассивной компенсации температурной зависимости оптических параметров волоконной брэгговской решетки
METHOD FOR PASSIVE COMPENSATION OF THE TEMPERATURE DEPENDENCE OF THE OPTICAL PARAMETERS OF A FIBRE BRAGG GRATING

Изобретение относится  к волоконно-оптическим технологиям, в частности к способу пассивной компенсации температурной зависимости оптических параметро волоконной брэгговской решетки (ВБР), сформированной в сердцевине оптического волокна.
Известен способ пассивной термокомпенсации ВБР [Lee S.-M., Gu X. Passive Temperature Compensation Package for Optical Long Period Fiber Gratings // J. Opt. Soc. Korea, JOSK. Optical Society of Korea, 1999. Vol. 3, № 2. P. 74–79], реализованный с помощью удлиненного элемента из инвара, к которому крепится волокно с предварительным натяжением так, что решетка Брэгга находится между точками крепления. Концы компонента из инвара закрепляются к волокну бронзовыми трубочками. При увеличении температуры элементы из бронзы и инвара расширяются в соответствии со своими коэффициентами температурного расширения (КТР), компенсируя температурную зависимость решетки. Неравномерность показаний центральной длины волны брэгговского резонанса в диапазоне [0; 60] °С составляет 0,018 нм, что соответствует температурной чувствительности решетки 0,3 пм/°С.
Известно два способа пассивной термокомпенсации ВБР [Lo Y.-L., Kuo C.-P. Packaging a fiber Bragg grating without preloading in a simple athermal bimaterial device // Advanced Packaging, IEEE Transactions on. 2002. Vol. 25. P. 50–53]. Первый способ заключается в том, что в трубочку из материала с низким КТР помещается металлический элемент с высоким КТР. В конструкцию продевается волокно с решеткой и закрепляется с одной стороны к внешней трубке, с другой – к металлическому элементу с изначальным натяжением. Во втором способе металлическая трубочка прикрепляется к волокну в двух точках, а волокно с двух сторон корпуса крепится к внешнему элементу. При увеличении температуры в первом способе корпусирования металлический элемент расширяется в сторону решетки, потому что с другой стороны ограничен внешней трубкой, а во втором – расширение происходит в обе стороны. При обоих способах термокомпенсации сдвиг длины волны брэгговского резонанса составляет 0,1 нм в диапазоне [-40; 80] °С.
Известен способ пассивной термокомпенсации ВБР [Lo Y.-L., Kuo C.-P. Packaging a Fiber Bragg Grating With Metal Coating for an Athermal Design // J. Lightwave Technol., JLT. IEEE, 2003. Vol. 21, № 5. P. 1377], в котором используется металлическое покрытие, нанесенное на волокно с помощью сварочного аппарата. Сдвиг длины волны брэгговского резонанса составляет 0,05 нм в диапазоне [30; 80] °C, что соответствует чувствительности решетки около 0,01–0,001 нм/°С.
Известен способ пассивной термокомпенсации ВБР [Liu T. et al. The Wavelength Shifting and Temperature Athermalization of Fiber Bragg Grating //  2003.  Vol. 23, №. s1. P. 283], заключающийся в том, что решетка помещена в трубочку из политетрафторэтилена. Волокно с записанной на нем ВБР закрепляется в тефлоновую трубку с предварительным натяжением к двум концам с помощью адгезива. В трубке проделаны вентиляционные отверстия для поддержания условий окружающей среды внутри трубки. При изменении температуры окружающей среды, тефлоновая трубка расширяется в соответствии с КТР и компенсирует температурную зависимость ВБР, воздействуя механическим напряжением на волокно. Температурная чувствительность атермального корпуса составляет 9,69 пм/°С в диапазоне [20; 50] °С, что соответствует сдвигу длины волны брэгговского резонанса 0,28 нм.
Известен способ пассивной термокомпенсации ВБР [Патент US 6907164 B2, 14.06.2005], основанный на предварительном натяжении волокна, с записанным в нем ВБР, закрепленном внутри конструкции в двух точках, между которыми находится чувствительный элемент. Конструкция состоит из полой структуры, в которую помещены свободный и резьбовой элемент. С одной стороны волокно прикреплено к части с резьбой для регулировки натяжения волокна, с другой стороны – к свободному элементу. Полая структура, свободный элемент и элемент с резьбой имеют коэффициент теплового расширения, выбранные таким образом, чтобы конструкция компенсировала температурную зависимость длины волны брэгговского резонанса. Неравномерность показаний центральной длины волны брэгговского резонанса в диапазоне [5; 70] °С составляет 0,015 нм, что соответствует температурной чувствительности решетки 1 пм/°С.
Недостатками вышеописанных способов пассивной термокомпенсации ВБР является узкий температурный диапазон при относительно большой неравномерности показаний по длине волны брэгговского резонанса. Также в создании атермальных корпусов используются элементы, требующие высокоточного изготовления.
Известен способ пассивной термокомпенсации ВБР, выбранный в качестве прототипа [Yoffe G.W. et al. Passive temperature-compensating package for optical fiber gratings // Appl. Opt., AO. Optica Publishing Group, 1995. Vol. 34, № 30. P. 6859–6861], в котором волокно с записанной решеткой закреплено с одной стороны с помощью эпоксидного клея к алюминиевой трубке с резьбой, с другой стороны – к алюминиевому элементу без резьбы. Вся конструкция помещена в кварцевую трубку, с одной стороны которой находится гайка для резьбового элемента, с другой – «крылья» алюминиевого компонента. Для волокна создается натяжение и закрепляется с помощью гайки. При увеличении температуры металлические компоненты расширяются соответственно своим КТР, снимая натяжение, таким образом компенсируя температурную зависимость решетки. Температурным расширением остальных компонентов в данной системе можно пренебречь. Изменение длины волны брэгговского резонанса составило менее 0,1 нм в диапазоне [-30; 70] °С.
Недостатком вышеописанного способа пассивной термокомпенсации ВБР является узкий температурный диапазон при относительно большой неравномерности показаний по длине волны брэгговского резонанса. Также в создании атермальных корпусов используются элементы, требующие высокоточного изготовления.
Изобретение решает задачу расширения температурного диапазона с уменьшением неравномерности показаний по длине волны брэгговского резонанса.
Поставленная задача решается следующим способом.
b
В способе пассивной компенсации температурной зависимости оптических параметров волоконной брэгговской решетки,  сформированной в сердцевине оптического волокна,  путем  корпусирования  указанного волокна,  скрепленного с натяжением с элементом крепления  в полую трубку из материала,  коэффициент теплового расширения (КТР) которого ниже коэффициента теплового расширения (КТР) элемента,  с которым скреплено волокно, для закрепления волокна  используют два капилляра, которые симметрично размещают  с двух сторон на волокне и  закрепляют, выдерживая значение расстояния L между точками крепления волокна к элементу крепления,  рассчитанное по формуле:
a
a
f
b
s
s
де α – КТР капилляров, L – длина капилляров α – КТР волокна, L – расстояние между точками крепления волокна к капиллярам, α – КТР полой трубки, L – длина полой трубки, ξ – термооптический коэффициент волокна,  – упрогооптический коэффициент волокна.  Полученную конструкцию размещают в вышеуказанную полую трубку, с которой скрепляют один из капилляров, осуществляют натяжение волокна, при этом F – силу, которую прикладывают для натяжения волокна, определяют из соотношения:
При полученном натяжении второй капилляр закрепляют в полой трубке, затем полученную конструкцию отжигают при температуре 110 °С в течение 60 минут.
Сущность заявляемого способа поясняется следующим.
Оптическое волокно, в котором записана брэгговская решетка, под определенным натяжением прикреплено к двум капиллярам, элементам с высоким КТР, таким образом, чтобы решетка была между этими элементами, которые, в свою очередь, прикреплены к полой трубке, элементу с низким КТР. При увеличении температуры компенсирующие элементы и волоконная решетка будут расширяться соответственно их КТР. То есть расстояние между точками крепления волокна к элементу с высоким КТР будет уменьшаться, что приведет к снижению натяжения волокна ровно на величину, необходимую для компенсации сдвига длины волны брэгговского резонанса решетки, вызванного увеличением температуры.
Конструкция является симметричной для идентичного с двух сторон воздействия механического напряжения на ВБР при изменении температуры, данная характеристика уменьшает неравномерность показаний по длине волны брэгговского резонанса.
После сборки конструкция подвергается отжигу для снятия напряжений как в отдельных структурах элементов корпуса, так и в конструкции в целом. Релаксация материалов в результате отжига позволяет улучшить стабильность работы корпуса и уменьшить неравномерность показаний по длине волны брэгговского резонанса.
Сдвиг длины волны брэгговского резонанса решетки в результате изменения механического напряжения, вызванного температурным расширением элементов атермального корпуса, и температуры, учитывая упрогооптический и термооптический эффекты описывается следующим образом:
(1)
где  – центральная длина волны брэгговского резонанса,  – изменение температуры окружающей среды,  – КТР алюминиевых капилляров,  – длина алюминиевых капилляров, участвующая в термокомпенсации решетки,  – КТР волокна,   – термооптический коэффициент волокна,  – расстояние между точками крепления волокна к алюминиевым капиллярам,  – КТР кварцевой полой трубки,  – длина кварцевой полой трубки,  – упрогооптический коэффициент волокна, определяемый выражением:
11
12
где  – компоненты упрогооптического тензора,  – коэффициент Пуассона. Для стандартного телекоммуникационного одномодового оптического волокна p=0.113, p=0.252, ν=0.16 и n=1.482 [Othonos A. et al. Fibre Bragg Gratings // Springer Series in Optical Sciences. 2006. Vol. 123. P. 189–269]. Первое слагаемое уравнения (1) описывает влияние теплового расширения алюминиевых капилляров на длину волны брэгговского резонанса решетки. Второе слагаемое – сдвиг длины волны брэгговского резонанса в результате температурной зависимости решетки. Третье и четвертое слагаемые – температурное расширение самого волокна и внешней кварцевой полой трубки, соответственно.
Эффективность способа пассивной температурной компенсации, то есть неравномерность показаний по длине волны брэгговского резонанса, также зависит от расстояния между точками крепления волокна к двум капиллярам, зависящего от размеров и КТР подобранных элементов конструции, и определяющегося следующим выражением:
a
a
f
b
s
s
где α – КТР капилляров, L – длина капилляров α – КТР волокна, L – расстояние между точками крепления волокна к капиллярам, α – КТР полой трубки, L – длина полой трубки, ξ – термооптический коэффициент волокна,  – упрогооптический коэффициент волокна.
Температурный диапазон работы атермального корпуса прямопропорционально зависит от величины натяжения, с которым волокно соединено с компенсирующими элементами, и выражается следующим образом:
где F – сила, приложенная для натяжения волокна, ε – чувствительность центральной длины волны брэгговского резонанса от относительного удлинения волокна, E – модуль Юнга волокна, r – радиус волокна, α – КТР волокна,  – центральная длина волны брэгговского резонанса, ξ – упругооптический коэффициент волокна.
Сущность заявленного способа пассивной термокомпенсации ВБР поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2, фиг.3, фиг.4).
Принятые обозначения на фигурах:
λ – длина волны
P – оптическая мощность
1 – оптическое волокно
2 – ВБР
3 – капилляры
4 – полая трубка
5 – ограничитель для клеевого соединения
6 – клеевое соединение
На Фиг. 1 приведена схема корпуса для пассивной температурной компенсации ВБР. Волокно 1 с записанной на нем решеткой 2 и симметрично размещенные на нем с двух сторон два капилляра 3 помещены в полую трубку 4 и скреплены с ней с использованием ограничителя 5 для клеевого соединения клеем 6.
Помещенное в полую трубку 4 волокно 1 с записанной на нем решеткой 2 и надетым на него с одной стороны капилляром 3 скреплено с трубкой 4.
На противоположный конец волокна 1 прикладывают силу, и при полученном натяжении волокна второй алюминиевый капилляр 3 закрепляют в полой трубке 4 с помощью клея 6, используя специальные ограничители 5.
s
b
a
На Фиг. 2 приведены размеры элементов атермального корпуса, где L – длина полой трубки, L – расстояние между точками крепления волокна к капиллярам, L– длинакапилляров, участвующая в термокомпенсации решетки.
На Фиг. 3 приведены примеры зависимостей длины волны брэгговского резонанса от температуры. Красной линией отражена зависимость для обычной ВБР при изменении температуры в диапазоне [-15; 105] °С, черной линией показана зависимость для атермальной решетки, измеренная в том же температурном диапазоне. Неравномерность показаний длины волны брэгговского резонанса составляет 70 пм.
На Фиг. 4 приведены примеры спектра отражения решетки, находящейся в термокомпенсирующем корпусе, где синяя линия показывает спектр при температуре -15°С, а красная – при температуре 105°С.
-6
-1
Конкретный пример способа пассивной термокомпенсации ВБР был осуществлен следующим образом. В оптическом волокне SMF-28 (стандарта G.657.A2), подвергнутом предварительной водородной обработке и КТР равный 0,55×10С, записывается ВБР методом фазовой маски с длиной волны брэгговского резонанса 1534,2 нм и длиной 1 мм. На волокно 1 (фиг. 1) радиусом 62,5 мкм с записанной на нем решеткой 2 симметрично размещают  с двух сторон два алюминиевых капилляра 3 и закрепляются клеем 6 (эпоксидный клей с большей температурной устойчивостью EPO-TEC, работающий до 350 °С), при этом длина алюминиевых капилляров, участвующая в температурной компенсации, равна 5 мм. Расстояние между точками крепления волокна к капиллярам равно 22 мм. Затем конструкция помещается в кварцевую полую трубку 4 длиной 34 мм и приклеивается с одной стороны. Далее на противоположный конец волокна навешивается грузик массой 200 г, определяющий силу, приложенную для натяжения волокна, равную около 2 Н, и при полученном натяжении волокна второй алюминиевый капилляр закрепляется в кварцевой полой трубке. Так как клей при заливке в конструкцию распределяется неравномерно, длина алюминиевых капилляров, участвующая в компенсации сдвига длины волны брэгговского резонанса, в экспериментальном образце отличается от рассчитанной величины, вследствие нарушения симметричности. И изменение этого параметра приводит к некорректной работе термокомпенсирующего корпуса, так как другие параметры остаются неизменными. Поэтому сохранения симметричности используются специальные ограничители 5, закрепленные таким образом, чтобы эпоксидный клей находился в точках конструкции, рассчитанных ранее.
Затем образец отжигается на нагревательной плите при температуре 110 °С в течение 60 минут. Неравномерность показаний длины волны брэгговского резонанса в температурном диапазоне [-15; 105] °С составляет 70 пм.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает расширение температурного диапазона работы корпуса по сравнению с прототипом от [-30; 70] °С до [-15; 105] °С и уменьшение неравномерности по длине волны брэгговского резонанса с 0.1 нм до 70 пм.