黄勇林1，董兴法1，2
，董孝义2
（1.苏州科技学院电子系，苏州215011；2.南开大学现代光学研究所，
天津300071）提要：提出了一种新颖结构的光纤光栅温度补偿器件，它由两种不同的热膨胀系数的材料组成。利用该器件实现了光纤光栅的温度补偿。
在-18～50℃温度范围内光栅波长变化0.028nm ，是未补偿光纤光栅的1/23倍。 关键词：光纤光栅；温度补偿；热膨胀系数中图分类号：TN929.11文献标识码：A 文章编号：0253-2743（2005）06-0068-02
Study on temperature compensation for fiber Bragg gratings
亚洲幼HUAN Yong -lin 1，DONG Xing-fa 1，
2
，DONG Xiao-yi 21.Department of Electronics ，University of Science and Technology of Suzhou ，Suzhou ，215011，China ；2.Institute of Modern Optics ，Nankai University ，Tianjin 300071，()
China
Abstract ：A new device for compensating temperature dependence of fiber Bragg grating based on the use of two materials having different thermal expansion coefficient has been demonstrated.The temperature compensation for fiber Bragg grating is achieved by using the device.The dependence of the Bragg wavelength over a temperature range of -18～50℃is only 0.028nm ，which is 1/23of that of an uncompensated FBG.
Key words ：fiber Bragg grating ；temperature compensation ；thermal expansion coefficient.
收稿日期：2004-04-05基金项目：江苏省教育厅产业化资助项目（JHB04-014）；江苏省教育厅指导性资助项目（04KJD560167）作者简介：黄勇林（1964-），男，教授，博士，主要从事光纤通信和光纤传感研究。
近年来，光纤布拉格光栅以其插入损耗低，隔离度大，与偏振无关，波长、带宽可灵活调节且易与光纤连接等特性引起了人们的广泛关注。利用它可做成各种器件应用于波分复用系统中，例如光纤激光器，光分插复用器，散补偿器
〔1，2，3〕
等等。在密集波分复用系统中，光信号通道波长间隔比较窄，如0.8nm ，甚至更小。因此用光纤光栅作光分插复用器用来上下载光信号时，要求器件具有高的波长精确度和高的稳定性。但光纤光栅波长随温度的变化而发生漂移，在温度变化100℃时光栅中心反射波长变化约1nm ，无疑这会严重地影响了其在波分复用系统中的应用，为此人们提出
了多种光纤光栅的温度补偿方案
〔4，5，6〕
。在这些方案中，利用两种不同的热膨胀系数的材料对光纤光栅进行温度补偿因其补偿精度高倍受人们青睐。文献〔4〕中利用铝和硅两种不同热膨胀系数的材料补偿后在-30～70℃温度范围内光栅中心波长漂移0.07nm /100℃，但是这种光纤光栅温度补偿结构较复杂。本文中我们提出了一种新颖结构的光纤光栅温度补偿器件，这种新结构利用与文［4］中不同的两种热膨胀系数的材料，在-18～50℃温度范围内光栅波长变化
0.028nm ，
光纤光栅的的温度稳定性是文献［4］报道的2倍，是未补偿光纤光栅的23倍。该结构简单，温度稳定
性好，在波分复用系统中具有潜在的应用价值。
1光纤光栅温度补偿原理
光纤光栅波长的温度灵敏度包含光纤的热膨胀系数α和热光系数ξ两项。温度补偿除了要消除热膨胀的影响更要消除热光效应的影响。由光纤光栅的布喇格条件：λB =2∧n eff 可知，改变光纤光栅周期∧或折射率n eff 均可使中心波长λB 发生改变，由于温度和应力变化都将引起∧和n eff 的改变，因此光栅对温度和应力都是敏感的。研究表明，温度和应变引起的光纤光栅波长移动可表示为
ΔλB /λB =（1-p e ）ε+（α+ξ）Δ’
（1）式中α为光纤的热膨胀系数，它描述光栅的栅距随温度的变化；ξ为光纤的热光系数，它描述光纤的折射率随温度的变化；P e 为有效弹光系数，它与弹光效应有关；ε
为光纤光栅的轴向应变。对石英光纤而言P e ～0.22，α～0.5×10-6/℃，ξ～7×10-6
/℃。由
（1）式可知，当温度变化ΔT 时，
为补偿波长随温度的漂移，应在光纤光栅轴向附加应变量ε的大小需满足关系式
远程压力表ΔλB /λB =（α+ξ）ΔT +（1-p e ）（ε-αΔT ）（2）
令（2）式等于零，即有
ε
=-（p e a +ξ）・ΔT /（1-p e ）（3）图1光纤光栅温度补偿
我们采用两种不同热膨胀系数的材料对光纤光栅进行温度补偿，实验如图1所示，L 1和L 2是热膨胀系数完全不同的两种补偿材料的设计长度，其中热膨胀系数α2>α1，光纤光栅L 3粘在中央。对这种结构可进行简单的分析，当外界温
度变化时，两种材料L 1和L 2将产生不同的应变量。
可以想象，当温度减小时，由于材料2的膨胀系数大于材料1，只要合理设计L 1和L 2大小，将带动L 3处的光纤光栅产生拉伸的趋势，补偿光栅由于温度降低向短波方向的漂移。如果我们在光栅粘接时，对其施加一定的拉伸应力，这样就会在间距L 3减小时由于光纤光栅本身的回复力而收缩产生附加应变，这样温度补偿就会用于温度升高的情况。
由于光纤的截面积相对很小，进行理论分析时可忽略光纤产生的拉应力，这样分析起来就可不用考虑材料之间的作用力，仅从应变角度去考虑了。设L 1、L 2和L 3是温度t =t 0时的值
（L 3=L 1-L 2）
，那么它们与温度t 的变化关系可近似为：L 1t =L 1〔1+α1（t -t 0）〕=L 1（1+α1ΔT ）（4）L 2t =L 2〔1+α2（t -t 0）〕=L 2（1+α2ΔT ）
（5）由以上分析，当温度变化ΔT
（可正可负）时，引起材料2两顶端距离L 3的变化量为
ε=ΔL 3/L 3=（L 1α1-L 2α2）
/L 3・ΔT （6）又由应变补偿关系式（3），将会推得
α1+ξ+p e α1-p ()e L 1=α2+ξ+p e α1-p ()
e
L 2（7）即，当L 1和L 2满足式（7）的比例关系时，光纤光栅波长随温度的漂移就会得到完全补偿。在这个基础上，当L 1稍大时就会出现补偿不足，而当L 2稍大时会出现补偿过量（负漂移）的结果。
2实验结果
在利用两种热膨胀系数的材料对光纤光栅进行温度补偿的结构中，为了减小器件的长度，必须选用两种热膨胀系数相差比较大的材料，通常人们选取热膨胀系数比较小的硅（α=5×10-7/℃材料和热膨胀系数比较大的铝（α=25×
10-6
/℃）材料。
图1是我们设计的光纤光栅温度补偿结构，由两个铜片和两个T 型有机玻璃胶接在一起构成，在室温下光纤光栅以一定的预应力用环氧胶固定在两个T 型有机玻璃的顶端。实验所用的光纤光栅长约1.5cm ；在室温下，补偿结构
的设计的参数约为；铜L 1=32.2mm ，有机玻璃L 2=13.4mm ，有机玻璃两顶端距离L 3=18.8mm 。温度补偿实验装置如图2
所示。从宽带光源（BBS ）发出的光经3dB 耦合器进入图1所示的封装组件，与光栅中心波长一致的光被反射，从耦合器的另一端输出，然后进入光谱分析仪（OSA ），测试所用的光谱仪型号为ADV ANTEST Q8383，最小分辨率为0.1nm ，应用匹配液，其主要目的是为了抑制光纤端面的反射。光栅封装组件放置在温度控制箱中，逐渐调节温度控制箱中的温度，利用光谱分析仪监测温度改变时光纤光栅布喇格波长的变化情况。
图2光纤光栅温度补偿实验测试装置
实验在-18℃～50℃的温度范围内，对经温度补偿处理后的光栅的布喇格波长进行了测量。波长移动和温度之间的关系如图3所示，图中曲线a 对应-18℃时光栅的反射谱，曲线b 对应50℃时光栅的反射谱，从图中可以看出，在68℃的温度变化范围内，光纤布喇格光栅的中心反射波长仅移动了0.028nm 。
86《激光杂志》2005年第26卷第6期LASER JOURNAL
（Vol.26.No.6.2005）
图3补偿光栅在温度为-18℃（曲线a ）和50℃（曲线b ）的反射谱
企业公民理论super junior opera图4光栅波长随温度的变化曲线（a ：补偿后；b ：
补偿前）为了与补偿前的结果作比较，图4给出了温度补偿前后光纤
光栅的波长随温度的变化关系曲线。可见温度补偿前的光纤光栅中心波长在-18℃-50℃的温度范围内变化0.64nm ，补偿后光栅的温度稳定性是补偿前的23倍左右。由于光栅的补偿过程是光栅预应变释放的过程，因此给光纤光栅施加一合适的预应变在光栅能否得到温度补偿中起着重要的作用。若能精
确进行两个膨胀梁长度的匹配，就可以达到光纤光栅布喇格不随温度的变化而改变的理想情况。当然，这需要得到所选制梁材料精确的热膨胀系数值以及性能优良的粘合剂。
3结论
光纤光栅是光通信系统中的重要的无源器件，具有广泛的应用
前景，但是由于光纤光栅对温度较为敏感，在波分复用系统中，环境温度的变化是导致光纤光栅波长不稳定的重要原因。因此对光纤光栅进行温度补偿是当前亟待解决的问题之一。我们采用两种不同膨胀系数材料对光纤光栅进行温度补偿，经过精心设计结构，实验取得了非常好的温度补偿效果：与补偿前相比，补偿后的光纤光栅的温度敏感性分别降低到补偿前1/23，此种温度补偿技术以其装置结构简单、体积小而补偿效果好的优点可望在波分复用系统中得到实际应用。
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（上接第67页）
n 0≈n e 的近似下，
其关系式为N θsin （m πD ）=π/8
（13）这与D =1/2时的情况相比，需要增大偏转角，也即是增大电压值，才可达到最大透过率。这样，我们就得到一个重要结论：当D 偏离1/2或为其它任意值时，只要我们增大偏转角，即在增大电压为D =1/2时的1/sin m π
D 倍的条件下，仍然可得到中心波长100%的透过率，
且与理想占空比下的透射谱相同。另外，当只满足条件（a ）时，透射率公式可改写为
T =〔
sin （f π/2）f 〕2
（14）其中，f =〔1+（ΔkN ∧/π）
2〕1/2
。当f =1.2798时，可得到半峰值全宽度（HMFW ）（Δλ）1/2≈（1.5974λ/2Nm ，它是与D 无关的。3不同占空比下的透射谱曲线
我们设定T =20℃，为实现中心波长1.5501µm 处的滤波，
我们取极化周期∧=20.63µm ，
N =1000，这样晶体的总长度为20.63mm ，此时，m =1。
为了比较不同占空比下的透射谱，我们分别取D -0.5，D -0.4，D -0.3的情况加以分析。我们先假定在晶体y 轴上所加电压为D -1/2时由（2）式和（13）式决定的电压值，由（14）式可得图2。图3是图2的局部放大图。而当我们分别
增加电压至原先的1/sin πD 倍时，
波长-透过率关系如图4，三种情况下的透射谱完全重合。也就是说，周期极化晶体在非理想占空比的情况下，我们通过增大y 轴上的电压，完全可以实现理想情况下的滤波特性。
图2
不同占空比下的PPLN Solc 型滤波器的透射谱。实线代表D =0.5，
虚线代表D =0.4，点线代表D =0.34结论
利用周期极化晶体的电光效应制作Solc 型滤波器，具有
结构简单，紧凑，易于调整等优点，通过变化温度，可实现调
谐滤波；若改变电压，还可作为光强调制器〔7〕
。我们从理论上分析了D 为任意值时晶体的滤波特性。由分析结果可知，周期极化晶体制作过程中的误差对滤波特性产生的影响可以通过增加电压来补偿，当误差达到±10%时，仅需增加
5%左右的电压值，
就可实现与理想情况相同的滤波特性，降低了制作工艺要求，显示了周期极化晶体在双折射滤波器方
面的潜在应用前景。
图3增大电压后的不同占空比下的PPLN Solc 型滤波器的透射谱
图4不同占空比下的PPLN Solc 型滤波器的透射谱的局部放大图
台湾HCP 公司为该研究工作提供了相关咨询，在此表示感谢！
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6《激光杂志》2005年第26卷第6期LASER JOURNAL （Vol.26.No.6.2005
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