[go: up one dir, main page]

RU2793155C1 - Method for passive compensation of the temperature dependence of the optical parameters of a fibre bragg grating - Google Patents

Method for passive compensation of the temperature dependence of the optical parameters of a fibre bragg grating Download PDF

Info

Publication number
RU2793155C1
RU2793155C1 RU2022130900A RU2022130900A RU2793155C1 RU 2793155 C1 RU2793155 C1 RU 2793155C1 RU 2022130900 A RU2022130900 A RU 2022130900A RU 2022130900 A RU2022130900 A RU 2022130900A RU 2793155 C1 RU2793155 C1 RU 2793155C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
fibre
cte
capillaries
hollow tube
Prior art date
Application number
RU2022130900A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Варвара Александровна Куликова
Сергей Владимирович Варжель
Андрей Анатольевич Дмитриев
Александра Игоревна Козлова
Андрей Владимирович Куликов
Виктория Александровна Клишина
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Application granted granted Critical
Publication of RU2793155C1 publication Critical patent/RU2793155C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: fibre-optic technologies.
SUBSTANCE: invention relates to methods for passive compensation of the temperature dependence of the optical parameters of a fibre Bragg grating (FBG) formed in the core of an optical fibre. The method for passive compensation of temperature dependence of optical parameters of a fibre Bragg grating formed in the core of an optical fibre includes packaging said fibre, bonded with tension to a fastening element into a hollow tube made of a material with thermal expansion coefficient (CTE) lower than the CTE of the element with which the fibre is bonded, and to attach the fibre, two capillaries are used, which are symmetrically placed on both sides of the fibre and fixed, maintaining the value of the pre-calculated distance between the attachment points of the fibre to the attachment element. The resulting structure is placed in the above hollow tube, with which one of the capillaries is fastened and the fibre is tensioned, and with the resulting tension, the second capillary is fixed in the hollow tube. The resulting structure is annealed at a temperature of 110°C for 60 min.
EFFECT: expansion of the temperature range with a decrease in the unevenness of the readings along the wavelength of the Bragg resonance.
1 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to fiber-optic technologies, in particular to a method for passive compensation of the temperature dependence of the optical parameters of a fiber Bragg grating (FBG) formed in the core of an optical fiber.

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. A known method of passive temperature compensation FBG [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, No. 2, pp. 74–79], implemented using an elongated Invar element, to which the fiber is attached with pretension so that the Bragg grating is located between the attachment points. The ends of the Invar component are attached to the fiber with bronze tubes. As the temperature increases, bronze and invar elements expand in accordance with their coefficients of thermal expansion (TEC), compensating for the temperature dependence of the lattice. The unevenness of the readings of the central wavelength of the Bragg resonance in the range [0; 60] °C is 0.018 nm, which corresponds to a temperature sensitivity of the grating of 0.3 pm/°C.

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. There are two ways of passive thermal compensation FBG [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]. The first way is that a metal element with a high CTE is placed in a tube made of a material with a low CTE. A fiber with a grating is threaded into the structure and fixed on one side to the outer tube, on the other - to the metal element with the initial tension. In the second method, a metal tube is attached to the fiber at two points, and the fiber is attached to the outer element on both sides of the body. With an increase in temperature in the first method of packaging, the metal element expands towards the lattice, because on the other hand it is limited by an outer tube, and in the second, expansion occurs in both directions. With both methods of thermal compensation, the shift of the Bragg resonance wavelength is 0.1 nm in the range [-40; 80] °C.

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. A known method of passive thermal compensation FBG [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, No. 5. P. 1377], which uses a metal coating applied to the fiber using a welding machine. The shift of the Bragg resonance wavelength is 0.05 nm in the range [30; 80] °C, which corresponds to a grating sensitivity of about 0.01–0.001 nm/°C.

Известен способ пассивной термокомпенсации ВБР [Liu T. et al. The Wavelength Shifting and Temperature Athermalization of Fiber Bragg Grating //

Figure 00000001
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. A known method of passive thermal compensation FBG [Liu T. et al. The Wavelength Shifting and Temperature Athermalization of Fiber Bragg Grating //
Figure 00000001
2003 Vol. 23, no. s1. P. 283], which consists in the fact that the grating is placed in a tube of polytetrafluoroethylene. The fiber with the FBG recorded on it is fixed into a Teflon tube with pretension to both ends using an adhesive. Ventilation holes are made in the tube to maintain the environmental conditions inside the tube. When the ambient temperature changes, the Teflon tube expands in accordance with the CTE and compensates for the temperature dependence of the FBG, acting as a mechanical stress on the fiber. The temperature sensitivity of the athermal body is 9.69 pm/°C in the range [20; 50] °C, which corresponds to a shift in the wavelength of the Bragg resonance of 0.28 nm.

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.A known method of passive thermal compensation FBG [Patent US 6907164 B2, 06/14/2005], based on the pre-tension of the fiber, with the FBG recorded in it, fixed inside the structure at two points, between which there is a sensitive element. The design consists of a hollow structure in which a free and threaded element is placed. On the one hand, the fiber is attached to the threaded part for adjusting the fiber tension, on the other hand, to the free element. The hollow structure, the free element, and the threaded element have thermal expansion coefficients chosen so that the design compensates for the temperature dependence of the Bragg resonance wavelength. The unevenness of the readings of the central wavelength of the Bragg resonance in the range [5; 70] °C is 0.015 nm, which corresponds to a temperature sensitivity of the grating of 1 pm/°C.

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.The disadvantages of the above methods of passive thermal compensation FBG is a narrow temperature range with a relatively large uneven readings along the wavelength of the Bragg resonance. Also, in the creation of athermal cases, elements are used that require high-precision manufacturing.

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.A known method of passive thermal compensation FBG, selected as a prototype [Yoffe G.W. et al. Passive temperature-compensating package for optical fiber gratings // Appl. Opt., A.O. Optica Publishing Group, 1995. Vol. 34, No. 30. P. 6859–6861], in which a fiber with a recorded grating is fixed on one side with epoxy glue to a threaded aluminum tube, and on the other hand, to an aluminum element without a thread. The whole structure is placed in a quartz tube, on one side of which there is a nut for a threaded element, on the other - the "wings" of the aluminum component. The fiber is tensioned and secured with a nut. As the temperature increases, the metal components expand according to their CTE, relieving tension, thus compensating for the temperature dependence of the lattice. The thermal expansion of other components in this system can be neglected. The change in the wavelength of the Bragg resonance was less than 0.1 nm in the range [-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.The disadvantage of the above described method of passive thermal compensation FBG is a narrow temperature range with a relatively large uneven readings along the wavelength of the Bragg resonance. Also, in the creation of athermal cases, elements are used that require high-precision manufacturing.

Изобретение решает задачу расширения температурного диапазона с уменьшением неравномерности показаний по длине волны брэгговского резонанса.The invention solves the problem of expanding the temperature range with a decrease in the non-uniformity of readings along the wavelength of the Bragg resonance.

Поставленная задача решается следующим способом.The problem is solved in the following way.

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 Lb между точками крепления волокна к элементу крепления, рассчитанное по формуле:In a method for passive compensation of the temperature dependence of the optical parameters of a fiber Bragg grating formed in the core of an optical fiber by packaging said fiber, bonded with tension to a fastening element into a hollow tube made of a material whose thermal expansion coefficient (CTE) is lower than the thermal expansion coefficient (CTE) of the element , with which the fiber is bonded, to fix the fiber, two capillaries are used, which are symmetrically placed on both sides of the fiber and fixed, maintaining the distance L b between the points of attachment of the fiber to the attachment element, calculated by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

де αa – КТР капилляров, La – длина капилляров αf – КТР волокна, Lb – расстояние между точками крепления волокна к капиллярам, αs – КТР полой трубки, Ls – длина полой трубки, ξ – термооптический коэффициент волокна,

Figure 00000003
– 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:de α a – CTE of capillaries, L a – length of capillaries α f – CTE of fiber, L b – distance between attachment points of fiber to capillaries, α s – CTE of hollow tube, L s – length of hollow tube, ξ – thermooptic coefficient of fiber,
Figure 00000003
is the elastic-optic coefficient of the fiber. The resulting structure is placed in the above hollow tube, with which one of the capillaries is fastened, the fiber is tensioned, while F is the force that is applied to tension the fiber, is determined from the ratio:

Figure 00000004
Figure 00000004

При полученном натяжении второй капилляр закрепляют в полой трубке, затем полученную конструкцию отжигают при температуре 110 °С в течение 60 минут.With the resulting tension, the second capillary is fixed in a hollow tube, then the resulting structure is annealed at a temperature of 110 °C for 60 minutes.

Сущность заявляемого способа поясняется следующим.The essence of the proposed method is explained as follows.

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. The optical fiber, in which the Bragg grating is written, is attached under a certain tension to two capillaries, high CTE elements, so that the grating is between these elements, which, in turn, are attached to a hollow tube, a low CTE element. As the temperature increases, the compensating elements and the fiber grating will expand according to their CTE. That is, the distance between the attachment points of the fiber to the high CTE element will decrease, resulting in a decrease in fiber tension by exactly the amount necessary to compensate for the shift in the wavelength of the Bragg resonance of the grating caused by the increase in temperature.

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. The design is symmetrical for identical on both sides of the impact of mechanical stress on the FBG when the temperature changes, this characteristic reduces the unevenness of the readings along the wavelength of the Bragg resonance.

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. After assembly, the structure is subjected to annealing to relieve stresses both in individual structures of the body elements and in the structure as a whole. The relaxation of materials as a result of annealing improves the stability of the housing and reduces the uneven readings along the wavelength of the Bragg resonance.

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:The shift in the wavelength of the Bragg resonance of the grating as a result of a change in mechanical stress caused by the thermal expansion of the elements of the athermal body, and temperature, taking into account the elastic-optical and thermo-optical effects, is described as follows:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
(1)
Figure 00000006
(1)

где

Figure 00000007
– центральная длина волны брэгговского резонанса,
Figure 00000008
– изменение температуры окружающей среды,
Figure 00000009
– КТР алюминиевых капилляров,
Figure 00000010
– длина алюминиевых капилляров, участвующая в термокомпенсации решетки,
Figure 00000011
– КТР волокна,
Figure 00000012
– термооптический коэффициент волокна,
Figure 00000013
– расстояние между точками крепления волокна к алюминиевым капиллярам,
Figure 00000014
– КТР кварцевой полой трубки,
Figure 00000015
– длина кварцевой полой трубки,
Figure 00000003
– упрогооптический коэффициент волокна, определяемый выражением:Where
Figure 00000007
is the central wavelength of the Bragg resonance,
Figure 00000008
– change in ambient temperature,
Figure 00000009
– CTE of aluminum capillaries,
Figure 00000010
is the length of the aluminum capillaries involved in the lattice thermal compensation,
Figure 00000011
– fiber KTP,
Figure 00000012
is the thermooptic coefficient of the fiber,
Figure 00000013
is the distance between the attachment points of the fiber to the aluminum capillaries,
Figure 00000014
– KTR quartz hollow tube,
Figure 00000015
is the length of the quartz hollow tube,
Figure 00000003
is the elasto-optic coefficient of the fiber, determined by the expression:

Figure 00000016
Figure 00000016

где

Figure 00000017
– компоненты упрогооптического тензора,
Figure 00000018
– коэффициент Пуассона. Для стандартного телекоммуникационного одномодового оптического волокна p11=0.113, p12=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.Where
Figure 00000017
are the components of the elastic-optical tensor,
Figure 00000018
- Poisson's ratio. For a standard telecommunications single-mode optical fiber p 11 =0.113, p 12 =0.252, ν=0.16 and n=1.482 [Othonos A. et al. Fiber Bragg Gratings // Springer Series in Optical Sciences. 2006 Vol. 123. P. 189-269]. The first term of equation (1) describes the effect of thermal expansion of aluminum capillaries on the wavelength of the Bragg resonance of the grating. The second term is the shift of the Bragg resonance wavelength as a result of the temperature dependence of the grating. The third and fourth terms are the thermal expansion of the fiber itself and the outer quartz hollow tube, respectively.

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:The efficiency of the passive temperature compensation method, that is, the unevenness of readings along the Bragg resonance wavelength, also depends on the distance between the attachment points of the fiber to two capillaries, which depends on the dimensions and CTE of the selected structural elements, and is determined by the following expression:

Figure 00000019
Figure 00000019

где αa – КТР капилляров, La – длина капилляров αf – КТР волокна, Lb – расстояние между точками крепления волокна к капиллярам, αs – КТР полой трубки, Ls – длина полой трубки, ξ – термооптический коэффициент волокна,

Figure 00000003
– упрогооптический коэффициент волокна.where α a is the CTE of capillaries, L a is the length of capillaries, α f is the CTE of the fiber, L b is the distance between the attachment points of the fiber to the capillaries, α s is the CTE of the hollow tube, L s is the length of the hollow tube, ξ is the thermooptic coefficient of the fiber,
Figure 00000003
is the elastic-optic coefficient of the fiber.

Температурный диапазон работы атермального корпуса прямопропорционально зависит от величины натяжения, с которым волокно соединено с компенсирующими элементами, и выражается следующим образом:The temperature range of operation of the athermal body is directly proportional to the amount of tension with which the fiber is connected to the compensating elements, and is expressed as follows:

Figure 00000020
Figure 00000020

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,

Figure 00000007
– центральная длина волны брэгговского резонанса, ξ – упругооптический коэффициент волокна.where F is the force applied to tension the fiber, ε is the sensitivity of the central wavelength of the Bragg resonance to the relative elongation of the fiber, E is the Young's modulus of the fiber, r is the radius of the fiber, α is the CTE of the fiber,
Figure 00000007
is the central wavelength of the Bragg resonance, ξ is the elasto-optic coefficient of the fiber.

Сущность заявленного способа пассивной термокомпенсации ВБР поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2, фиг.3, фиг.4).The essence of the claimed method of passive thermal compensation FBG is illustrated by drawings (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4).

Принятые обозначения на фигурах:Accepted designations on the figures:

λ – длина волныλ is the wavelength

P – оптическая мощностьP - optical power

1 – оптическое волокно1 - optical fiber

2 – ВБР2 - VBR

3 – капилляры3 - capillaries

4 – полая трубка4 - hollow tube

5 – ограничитель для клеевого соединения5 - limiter for adhesive bonding

6 – клеевое соединение6 - adhesive connection

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.On FIG. Figure 1 shows a housing diagram for passive temperature compensation of the FBG. Fiber 1 with a grating 2 written on it and two capillaries 3 symmetrically placed on it on both sides are placed in a hollow tube 4 and fastened to it using a limiter 5 for adhesive bonding with glue 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. Fiber 1 placed in a hollow tube 4 with a grating 2 written on it and a capillary 3 put on it on one side is fastened to the tube 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. A force is applied to the opposite end of the fiber 1, and with the resulting fiber tension, the second aluminum capillary 3 is fixed in the hollow tube 4 with glue 6, using special stops 5.

На Фиг. 2 приведены размеры элементов атермального корпуса, где Ls – длина полой трубки, Lb – расстояние между точками крепления волокна к капиллярам, La – длина капилляров, участвующая в термокомпенсации решетки.On FIG. 2 shows the dimensions of the elements of the athermal body, where Ls is the length of the hollow tube, Lb is the distance between the attachment points of the fiber to the capillaries, La- length capillaries involved in the temperature compensation of the lattice.

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. On FIG. Figure 3 shows examples of the dependences of the Bragg resonance wavelength on temperature. The red line shows the dependence for a conventional FBG when the temperature changes in the range [-15; 105] °C, the black line shows the dependence for the athermal lattice, measured in the same temperature range. The unevenness of the readings of the Bragg resonance wavelength is 70 pm.

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.On FIG. Figure 4 shows examples of the reflection spectrum of a grating located in a thermally compensating housing, where the blue line shows the spectrum at a temperature of -15°C, and the red one at a temperature of 105°C.

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 0,55×10-6 С-1, 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. A specific example of the FBG passive thermal compensation method was implemented as follows. In optical fiber SMF-28 (standard G.657.A2), subjected to preliminary hydrogen treatment and CTE equal to 0.55×10 -6 С -1 , FBG is recorded by the phase mask method with a Bragg resonance wavelength of 1534.2 nm and a length of 1 mm. On fiber 1 (Fig. 1) with a radius of 62.5 μm with grating 2 recorded on it, two aluminum capillaries 3 are symmetrically placed on both sides and fixed with glue 6 (epoxy glue with higher temperature stability EPO-TEC, operating up to 350 °C), in this case, the length of the aluminum capillaries involved in temperature compensation is 5 mm. The distance between the attachment points of the fiber to the capillaries is 22 mm. Then the design is placed in a quartz hollow tube 4 34 mm long and glued on one side. Next, a weight of 200 g is hung on the opposite end of the fiber, which determines the force applied to tension the fiber, which is about 2 N, and with the resulting fiber tension, the second aluminum capillary is fixed in a quartz hollow tube. Since the glue is distributed unevenly during pouring into the structure, the length of the aluminum capillaries involved in compensating for the shift in the Bragg resonance wavelength in the experimental sample differs from the calculated value due to symmetry breaking. And changing this parameter leads to incorrect operation of the thermally compensating body, since other parameters remain unchanged. Therefore, to maintain symmetry, special limiters 5 are used, fixed in such a way that the epoxy glue is located at the points of the structure calculated earlier.

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. Then the sample is annealed on a heating plate at a temperature of 110 °C for 60 minutes. The unevenness of the readings of the wavelength of the Bragg resonance in the temperature range [-15; 105] °C is 70 pm.

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.Thus, the claimed method provides an extension of the temperature range of the case compared to the prototype from [-30; 70] °С to [-15; 105] °С and a decrease in the non-uniformity along the wavelength of the Bragg resonance from 0.1 nm to 70 pm.

Claims (6)

Способ 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, отличающийся тем, что, для закрепления волокна используют два капилляра, которые симметрично размещают с двух сторон на волокне и закрепляют, выдерживая значение расстояния Lb между точками крепления волокна к элементу крепления, рассчитанное по формуле:A method for passively compensating for the temperature dependence of the optical parameters of a fiber Bragg grating formed in the core of an optical fiber by encapsulating said fiber, bonded with tension to a fastening element into a hollow tube made of a material whose thermal expansion coefficient (CTE) is lower than the thermal expansion coefficient (CTE) of the element, with which the fiber is bonded, characterized in that, to secure the fiber, two capillaries are used, which are symmetrically placed on both sides of the fiber and fixed, maintaining the distance L b between the points of attachment of the fiber to the attachment element, calculated by the formula:
Figure 00000021
Figure 00000021
где αa – КТР капилляров, La – длина капилляров αf – КТР волокна, Lb – расстояние между точками крепления волокна к капиллярам, αs – КТР полой трубки, Ls – длина полой трубки, ξ – термооптический коэффициент волокна,
Figure 00000022
– упрогооптический коэффициент волокна, а 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:
where α a is the CTE of capillaries, L a is the length of capillaries, α f is the CTE of the fiber, L b is the distance between the attachment points of the fiber to the capillaries, α s is the CTE of the hollow tube, L s is the length of the hollow tube, ξ is the thermooptic coefficient of the fiber,
Figure 00000022
is the elasto-optical coefficient of the fiber, and the resulting structure is placed in the above hollow tube, with which one of the capillaries is fastened, the fiber is tensioned, while F is the force that is applied to tension the fiber, is determined from the ratio:
Figure 00000023
Figure 00000023
где E – модуль Юнга волокна, r – радиус волокна,
Figure 00000024
– центральная длина волны брэгговского резонанса, αf – КТР волокна, ξ – упругооптический коэффициент волокна,
Figure 00000025
– изменение температуры окружающей среды, ε – чувствительность центральной длины волны брэгговского резонанса от относительного удлинения волокна, при полученном натяжении второй капилляр закрепляют в полой трубке, затем полученную конструкцию отжигают при температуре 110 °С в течение 60 мин.
where E is the Young's modulus of the fiber, r is the fiber radius,
Figure 00000024
is the central wavelength of the Bragg resonance, α f is the CTE of the fiber, ξ is the elastic-optical coefficient of the fiber,
Figure 00000025
is the change in the ambient temperature, ε is the sensitivity of the central wavelength of the Bragg resonance to the relative elongation of the fiber, with the resulting tension, the second capillary is fixed in a hollow tube, then the resulting structure is annealed at a temperature of 110 °C for 60 min.
RU2022130900A 2022-11-28 Method for passive compensation of the temperature dependence of the optical parameters of a fibre bragg grating RU2793155C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2793155C1 true RU2793155C1 (en) 2023-03-29

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000072059A1 (en) * 1999-05-25 2000-11-30 Thomas & Betts International, Inc. Passive temperature-compensating package for fiber bragg grating devices
CN1145049C (en) * 2001-07-25 2004-04-07 华为技术有限公司 A fiber grating with passive temperature compensation and its manufacturing method
CN201662630U (en) * 2009-12-31 2010-12-01 武汉光迅科技股份有限公司 Fiber grating passive temperature compensation wrapper

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000072059A1 (en) * 1999-05-25 2000-11-30 Thomas & Betts International, Inc. Passive temperature-compensating package for fiber bragg grating devices
US6377727B1 (en) * 1999-05-25 2002-04-23 Thomas & Betts International, Inc. Passive temperature-compensating package for fiber Bragg grating devices
CN1145049C (en) * 2001-07-25 2004-04-07 华为技术有限公司 A fiber grating with passive temperature compensation and its manufacturing method
CN201662630U (en) * 2009-12-31 2010-12-01 武汉光迅科技股份有限公司 Fiber grating passive temperature compensation wrapper

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6907164B2 (en) Adjustable athermal package for optical fiber devices
US6370310B1 (en) Fiber optic grating temperature compensation device and method
CA2353452C (en) Fused tension-based fiber grating pressure sensor
US6603779B2 (en) Packaging of an optical fiber laser
US6327405B1 (en) Devices and methods for temperature stabilization of Bragg grating structures
US6377727B1 (en) Passive temperature-compensating package for fiber Bragg grating devices
WO1995030926A1 (en) Variable property light transmitting device
US6374015B1 (en) Temperature-compensating device with tunable mechanism for optical fiber gratings
US20040234200A1 (en) Apparatus and method for non-linear thermal compensation of optical waveguide gratings
US6510272B1 (en) Temperature compensated fiber bragg grating
CN101009520B (en) A novel optical fiber grating temperature compensation encapsulation method
RU2793155C1 (en) Method for passive compensation of the temperature dependence of the optical parameters of a fibre bragg grating
US7177499B2 (en) Athermal package for fiber bragg gratings with compensation for non-linear thermal response
CN115950369A (en) Strain sensor with compressed fiber grating wavelength and manufacturing method thereof
Lo et al. Packaging a fiber Bragg grating with metal coating for an athermal design
Lo et al. Packaging a fiber Bragg grating without preloading in a simple athermal bimaterial device
US7212707B2 (en) Temperature-compensated fiber grating packaging arrangement
KR101900743B1 (en) Wavelength tunable module containing a fiber Bragg grating
CN1286762A (en) Passively compensated optical fibres
WO2001035133A1 (en) Compact athermal optical waveguide using thermal expansion amplification
US6993232B2 (en) Waveguide type optical device and manufacturing method thereof
WO2002039160A1 (en) Platform with controlled thermal expansion coefficient
US20030227097A1 (en) Method of fabricating a polymer part with a negative thermal expansion coefficient and a polymer part obtained by the method
KR20070114739A (en) Temperature Independent Fiber Bragg Grating
Awad et al. Design & simulation of fibre Bragg grating sensor for temperature and strain measurements