CN1329722A - 压缩调谐的布拉格光栅和激光器 - Google Patents

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Abstract

一种压缩调谐布拉格光栅,包括一个可调谐光学元件20、600,该元件或者包括一个光纤(10),该光纤具有至少一个布拉格光栅(12)压在其中,且该光纤包裹在一个玻璃毛细管内并与玻璃毛细管(20)的至少一部分融合,或者该元件包括一个大直径光波导光栅(600),该光波导光栅具有一个芯以及一个宽的包层。光线(14)入射到光栅(12)上而光线(16)以波长λ1被反射。可调元件20、600在轴向压缩,这引起元件未弯曲的情况下光栅(12)反射光波长的变化。元件的形状可以是其他几何形状(例如“八字试块形”)和/或可以使用多于一个光栅或对光栅以及可用多于一个光纤(10)或芯(612)。在一对光栅(150,150)之间元件的至少一部分被掺杂,以形成压缩调谐的激光器,或者光栅(12)或者光栅(150,152)可以构造成可调谐DFB激光器。另外,元件(20)可以有一个内锥形区域(22)或锥形(或凹槽形)部分(27)。该压缩可以由PZT、步进电机或其他激励器或流体、压力完成。

Description

压缩调谐的布拉格光栅和激光器
相关申请交叉参考
这是美国专利申请序列号为第09/400,362号，申请日为1999年9月20日的继续申请，上述美国专利申请又是美国专利申请序列号为第09/205,846，申请日为1998年12月4日的继续申请。另外，未公开的美国专利申请，序列号为第(CiDRA Docket No.CC—0036B)，名称为“布拉格光栅压力传感器”，序列号为第(CiDRA Docket No.CC—0078B)，名称为“管包裹的光纤光栅”，和序列号为第(CiDRA Docket No.CC—0230)，名称为“大直径光学波导，光栅和激光器”，所有申请同时包含这里公开的相关主题。
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅，尤其是一种压缩调谐的布拉格光栅和激光器。
背景技术
在光纤光学技术领域众所周知，将布拉格光栅埋入光纤中可用于压缩，作为可调谐滤光器或可调谐光纤激光器，如分别由Morey等人申请的美国专利，专利号5,469,520，名称为“压缩调谐光栅”和Ball等人申请的美国专利，专利号5,691,999，名称为“压缩调谐光纤激光器”所述，在此作为参考。
为避免光纤在压缩下弯曲，上述美国专利申请5,469,520和5,691,999中描述了用滑动的套管环绕光纤和光栅并设置套管的机械结构以引导、对准和限制套管和光纤的技术。但是，获得一种允许光纤光栅被压缩而没有弯曲和没有滑动套管及没有所必需的这种机械结构的构造是理想的。
另外，在光学纤维光栅上加上玻璃管，以避免在压缩下的弯曲，用于提供波长稳定温度补偿的光纤布拉格光栅是公知的，如由Morey等发明的美国专利5,042,898，名称为“采用布拉格滤光器的温度波长光波导装置”中所描述的。可是，在超时，或高温，或超大压缩范围下该技术会出现光纤和套管之间的蠕动现象。
发明概述
本发明的目的包括提供一种光纤光栅构造，其允许光栅被压缩调谐而没有蠕动和没有所需要的滑动套管或者用于套管的机械支持结构。按照本发明，压缩调谐的光纤光学装置包括：一个可调谐的光学元件，具有至少一个沿该元件纵轴方向置于其中的反射元件；且
该元件的至少一个部分具有一个接近的和基本上由相同材料制成的横截面。
另外按照本发明，该可调谐元件包括光纤，该光纤具有埋入其内的反射元件；以及一个管，有光纤和反射元件沿管的纵轴包裹在其中，该管与光纤的至少一部分融合。另外按照本发明，可调谐元件包括大直径光波导，该光波导具有设置在其中的外包层和内芯，并且波导的外径至少为0.3mm。
进一步按照本发明，材料是玻璃材料。另外进一步按照本发明，管与光纤在放置反射元件的位置融合。另外进一步按照本发明，多根光纤或芯安置在可调谐元件中。另外进一步按照本发明，可调谐元件具有多个包裹在管中的反射元件。另外进一步按照本发明，可调谐元件具有至少一对反射元件设在其中，并且可调谐元件的至少一部分掺入稀土元素掺杂剂于该对元件之间以形成激光器。另外进一步按照本发明，激光器在激光波长处产生的激光，该激光波长随管上力的变化而变化。
本发明提供一个设置在可调谐光学元件中的布拉格光栅，它包括一个至少一部分与玻璃毛细管(“包裹光栅的管”)融合的光纤或者一个具有光芯和宽的包层的大直径波导光栅。可调谐元件置于压缩之中以调谐光栅的反射波长，而不至于弯曲。
该元件可由玻璃制成，如硅石或其他玻璃。可调谐元件具有可替代的几何形，例如八字试块形，以对波长变化灵敏度提供增强的作用并且易于调节所需要的灵敏度。本发明允许光纤光栅或激光器在很高的重复率，低漂移，低滞后性能下调节波长。另外，一个或多个光栅，光纤激光器，或多个光纤或光芯可设置在可调谐元件中。
光栅或激光器可“包裹”在管中，通过管与光纤在光栅区域和/或在与光栅邻近或与光栅有一预设距离的光栅区域的相对轴向端部融合。光栅或激光器可以在管内或部分在管内或在管的外表面融合。另外，一个或多个波导和/或包裹光纤/光栅的管可沿轴向融合和光耦合形成可调谐的元件。
本发明的上述和其他目的，特性和优点将通过下面详细描述的示范性实施例更多的显示出来。
附图简述
图1是本发明中用于压缩的管包裹光纤光栅装置的侧视图。
图2是本发明中用于压缩的管包裹光纤光栅可选的装置侧视图。
图3是本发明中用于压缩的管包裹光纤光栅可选装置的侧视图。
图4是本发明中管包裹光纤光栅的侧视图。
图5是本发明中管包裹光纤光栅的侧视图，其中管具有另一几何形状。
图6是本发明中管包裹光纤光栅的侧视图，其中管具有再另一几何形状。
图7是本发明中管包裹光纤光栅的侧视图，这里管在光栅区域的轴线相对端处被融合。
图8是本发明中包裹在一个管中的一条光纤上有多于一个光栅的侧视图。
图9是本发明中包裹在一个公共管中的两条分开的光纤上有两个光纤光栅的侧视图。
图10是本发明中图9中的实施例的端视图。
图11是本发明中包裹在一个公共管中的两条分开一定距离的光纤上有两个光纤光栅的端视图。
图12是本发明中管包裹光纤光栅的侧视图，这里，管仅在光栅的长度上与光纤融合。
图13是本发明中包裹在管中的可调谐分布反馈(DFB)光纤激光器的侧视图。
图14是本发明中用于压缩管包裹光纤光栅装置的侧视图，该装置采用激励器调谐光栅。
图15是本发明中用于压缩管包裹光纤光栅装置的侧视图，该装置采用精确压力源调谐光栅。
图16是本发明中用于压缩管包裹光纤光栅装置的侧视图，该装置采用精确压力源调谐光栅。
图17是本发明中其中设置有光栅的大直径光波导的侧视图。
最佳实施方式
参照图1，压缩调谐布拉格光栅包括一个公知的光波导10，例如，标准的电信单模光纤，在光纤10中具有印压(或埋入或印刻)的布拉格光栅12。该光纤10有一个约125微米的外径且包括具有适当掺杂剂的二氧化硅玻璃(SiO2)，如公知的那样，它使得光束14沿光纤10传播。如公知的那样，布拉格光栅12是光波导的有效折射率和/或有效光吸收系数上周期性或非周期性变化如由Glenn等人申请的美国专利，专利号为4,725,110和4,807,950，名称为“纤维光学中压入光栅的方法”；和由G1enn申请的美国专利，专利号为5,388,173，名称为“在光纤中形成非周期光栅的方法和装置”中所描述的，可将它们合在一起进行参照以进一步理解本发明。
但是，如果需要可用埋入、蚀刻、印刻或者以其他任何方式在光纤28中形成波长调谐光栅或反射元件。此处所用的，“光栅”一词的意思是任意一种这类的反射元件。另外，反射元件(或光栅)12可用于反射和/或传输光束。
如果需要可使用其他材料和尺寸的光纤或波导10。例如，光纤10可由任意玻璃制成，例如二氧化硅、磷酸盐玻璃或其他玻璃，或由玻璃和塑料制成，或仅用塑料。对于高温下应用，用玻璃制成的光纤是适宜的。另外，光纤10可有80微米的外径或其他尺寸的直径。另外，除了光纤，还可使用任意光波导，如，多模、双折射、偏振保持、偏振、多芯、或多包层光波导，或一个平的或平面的波导(其中波导是矩形的)，或其他波导。此处所用的词“光纤”包括上述波导。
光束14入射到光栅12上，其反射部分由线16所示，该反射部分具有预设光波长带并在反射波长λb处聚集，入射光束14的其余波长(在预设波长范围)通过，如线18所示。
其中带有光栅12的光纤10被包裹在圆柱形玻璃毛细管20中，并与它的至少一部分融合，下面将更多地讨论。管20由压缩装置或壳体50轴向压缩。管20的一端压在壳体50的端面52中的底座51上。壳体50还具有一对臂(或侧面)54用于引导可动块56。块56有一个底座57，它压向管20的另一端。端面52和块56有一个穿过二者的通孔58，其允许光纤10穿过。激励器60，如旋转或位移可控制的步进电机或是其他类型的电机，通过机械连接62，如螺旋驱动，线性激励器，齿轮，和/或凸轮，与可动块56(或活塞)连接，该激励器使块56沿箭头64指示的方向运动。因此，步进电机60能够设置加在块上力的预定值，该力使管20压缩，以提供适宜的光栅12的反射波长。替代凹座51、57，管20可与端面52、56直接接触。步进电机60可以是以微步模式驱动的高分辨率步进电机，如上述美国专利5,469,520，“压缩调谐光纤光栅”，申请人为Morey等所描述的，(例如，Mells Griot的毫微级驱动器)，这里可作为参考。如果需要，可用其他高或低分辨率的步进电机。步进电机60由控制电路63驱动，该电路提供驱动步进电机60所需的驱动信号于导线61上，并且因此使块体56到达所需要的位置，从而提供适宜的光栅12的布拉格波长λb。代替步进电机，如果需要可用其他激励器，如后面图14讨论的。
参照图2，代替所用的可动块56，可使用带两个端盖72、74和外壁76的壳体70。在这种情况下，孔58设在端盖72、74中以使光纤10伸出。步进电机62通过机械连接与端盖74相接。当步进电机62推动端盖74时，壁76压缩或弯曲，管20被压缩且光栅12的反射波长产生变化。
参照图3，本发明的另一实施例，包括一个圆柱形壳体90，该壳体包括外筒壁98，两个端盖95，和两个内筒(或活塞)92，其每个内筒92的一端与端盖95的一端相接。管20(其中包裹有光栅12)安排靠在两个活塞92的另一端且置于二者之间。如果需要，对于壳体90的元件98、95、92可用其他形状的横截面和/或侧视面。端盖95可以是分立的部件或者是活塞92和/或外筒98的一部分且与活塞92和/或外筒98邻近。
步进电机60在壳体90左侧端盖95上施加一个外轴向力。活塞92具有孔94，其直径足够大以使光纤10穿过。
在壁98的内部空间与管20和活塞92的外部空间之间是一个内I形腔100。活塞92，外筒壁98，端盖95和管20可由相同或不同材料制成。
下面是对于壳体90一些可能尺寸的实例。也可用另外的尺寸。管20具有的外径d2约为2mm(0.07英寸)和长度L1约为12.5mm(0.5英寸)，每一活塞92具有外径d5约为19.1mm(0.75英寸)，每一个活塞92的长度L5约为6.25cm(2.5英寸)，活塞92中的孔94的直径是1mm(1000微米)，壳体90的总长度L4是12.7cm(5英寸)，外壁98的壁厚t1是1.0mm(0.04英寸)，外壁98的内部空间和活塞92的外部空间之间的间隙g1约为1.52mm(0.06英寸)。
选择壁98和活塞92的尺寸、材料、和材料的性质(例如泊松比、杨氏模量、热膨胀系数、和其他公知的性质)，使在外力下将所需要的张力传递给毛细管20。通过控制这些参数用于设定反射波长的分辨率和范围是可扩大和缩小。例如，如果总长度L4增大，灵敏度ΔL/L也将增大。
特别是，当来自步进电机的轴向力增加时，由于外壁98的压缩和/或弯曲，壳体90的轴向长度L4减小ΔL。由于管20被压缩，壳体的轴向长度变化总量ΔL的预定部分可在管20处看到。通过提供波长变化的预定量管20的压缩降低了光栅12的布拉格反射波长λ1。如果活塞92有一个比玻璃管20高的弹性常量，管20在所给定力下将比活塞92更多地被压缩。另外，对一个给定的外力，力的预设量施加到外壁98上，而剩余力可通过管20看到。
例如，当壁98，活塞92和端盖95都由具有上述讨论的尺寸的钛制成时，对于2200 1bf的外力，约2000 1bf施加(或用于压缩/弯曲)在外壁98上，而约2001bf施加管20上。由于外界压力的增加，圆柱形壁98被压缩或弯曲而起到类似隔板或风箱的作用。
在施加外力之前，壳体90可组装成在管20上设置预定张力或不预设张力。
壳体50，70，90和/或其一个或多个部件的材料可由金属制成，如钛，高镍合金，如Inconel，Incoloy，Nimonic(Inco合金国际公司的注册商标)，它们包含各种成分的镍、碳、铬、铁、锰和钛，还可以采用不锈钢、玻璃材料(如下面将进行讨论的管20)或其他高强度、或耐腐蚀、或高温或耐热的金属或合金，或者可以采用具有足够强度的其他材料用于压缩管20。如果根据应用的需要，可用具有其他性质的材料。
参照图14，可选择的是，不用步进电机作为激励器，管20可以由其它激励器154压缩，如压电激励器、螺线管、气压力激励器，或可以采用可直接或间接在管20上施加轴向压缩力的其它装置。激励器154可设置在壳体150上(类以图1中的框架50)并且在可动块152上施加一个力(类似图1中的可动块56)，该可动块沿箭头155的方向运动。
管20的一端压在在壳体150一端153中的底座51上。壳体150也有一对引导可动块152运动的侧壁157。如果需要，侧壁157中的一个可以去掉。块152有一个底座57，它压在管20的另一端。
而且，激励器154与控制电路158连接，该控制电路158通过导线156给激励器154提供所需要的信号，以在管20上提供需要的力，以将光栅12设置成适宜的布拉格波长λb。该力可通过控制器158设定，该控制器通过在开环结构中在通向激励器154的导线156上提供一个信号(例如电压)完成此设定。可选择的是，也可以在激励器154上，通过导线156给通过激励器154提供一个信号，并且，在闭环控制结构中的驱动器154中在线160上测量该力或测量激励器154的位置而设定力。
对于单端的操作，可把光纤10插入壳体150的一端，并且穿过设在壳体150一端153中的孔162。如果使用引线(对于双端光纤)的设计，块152可有一个孔164，该孔是部分穿过或贯穿它，光纤10的另一端可从侧壁伸出或穿过激励器154中的孔166和穿过壳体150的另一端。
使用闭环压电激励器的一个实例是用N.Y公司由Queensgat制造的模型No.CM(控制器)和DPT-C-M(用于圆柱形驱动器)，如上述讨论的，还可用其他激励器。
参照图15，可选择地，管20可以设在壳体174中，并且光栅波长可由加在管20上的流体压力而设定，类似于序列号为09/205,944，名称为“管包裹光纤的压力传感器”，申请日为1998年12月4日的共同未决的美国专利申请中描述的压力传感器，在此引入作为参考，并且管20如该专利申请所描述的可具有任意的几何形状和结构。壳体172造有一个腔176和有一个端口178，该端口接一个压力源180，该压力源提供一个精确的源压力Ps。腔176可充入流体(例如一种或多种气体和/或液体)。管20可安装在一个壁175上或者可悬浮在流体176中。光纤10通过公知的气密性馈入装置插入腔中，并有一个松弛部179，以允许在过压下管20的压缩。光栅反射波长随压力Ps的变化而变化，类似于上述讨论的激励器的实施例；但是，在这种情况下，光栅波长是通过预设源的流体压力Ps而设定的。
参照图16，例如，压力源180可以包括一个液压激励器或设置在腔301中的活塞300。活塞300通过机械连接302与公知的液压驱动装置304连接，该液压驱动装置304精确设定活塞300的位置而设定压力Ps。液压驱动装置304可由公知的控制电路308进行电控制，类似于控制器158(图14)，该电路308在导线306上给液压控制器304提供位置命令信号，用于特殊的活塞位置和压力Ps，从而光栅的波长λb。如果需要，可使用其它公知的压力源来设定光栅波长。这里所述的壳体50，150，70，90，和其中任意部件，包括可动块56，152，可有一个环形的横截面(即圆柱形)或可有其它形状的横截面，如正方形，矩形，或其它形状。
尽管本发明通过图1—3，14，15对压缩管20已描述了一些具体的实施例，能够轴向压缩管的任何装置或设备，可用于压缩管20以调谐光栅12的反射波长成为需要的波长。具体的硬件结构不限于本发明。
对于上述任何实施例，管20的轴向端面和/或在配合表面上的底座(56，50，92，74，72，153，159)可镀上一层材料，以降低应力或提高管20与配合表面上的座的配合。参照图4，管20可具有约3mm的外径d1和约10—30mm的长度L1。光栅12有约5—15mm的长度为Lg。可选择的是，管20的长度L1可以基本上与光栅12的长度Lg相同，如用较长的光栅或较短的管。对于管20和光栅12还可用其它尺寸和长度。另外，光纤10和光栅12不需要在管20的中心融合，但可在管20的其它任何位置融合。并且，管20也不需要在其整个长度上与光纤10融合。
对于这里描述的任意实施例的尺寸和几何形状仅仅是以说明为目的的，因而，鉴于这里的讲授，如果需要，根据应用、大小、性能、制造需求或其它因素，可使用任意其它尺寸。
管20由玻璃制成，如天然或合成石英，熔融二氧化硅，二氧化硅(SiO2)，来自Coming的Pyrex(硅化硼)，或来自Coming公司的Vycor(约95％的二氧化硅和5％的其它成份如氧化硼)，或其它玻璃。管应由一材料制成，，使得管20(或该管20中的钻孔的内径表面)可与光纤10的外表面(或包层)融合(即增加分子结合，或与其熔融在一起)，而使管20的内径和光纤10的外径之间的接触表面基本上被消除(即不能区分管20的内径与光纤10的包层并使其成为光纤10的包层的一部分)。
为使管20与光纤10在大温度范围内有最佳热膨胀匹配，管20材料的热膨胀系数(CTE)应基本上与光纤10材料的热膨胀系数匹配，例如，融合二氧化硅管和光纤。通常，玻璃材料的融合温度走越低，热膨胀系数越高。这样，对于二氧化硅光纤(具有高熔融温度和低热膨胀系数)和由其它玻璃材料制成的管，如Pyrex或Vycor(具有低熔融温度和高热膨胀系数)导致管20和光纤10之间在所处温度下热膨胀不匹配。但是，对于本发明不需要使光纤10的热膨胀系数与管20的热膨胀系数相匹配(下面将进一步讨论)。
除了由玻璃材料制成管20以外，倘若管20能够与光纤10融合也可使用其它弹性可变形的材料。例如，对于由塑料制成的光纤，可使用由塑料材料制成的管。
在管20的光纤10出口处的管20的轴向端，管20有一个内部区域22，该区域是远离光纤10向内形成的锥形(或喇叭形)，为光纤10提供应变消除或为其它原因。在这种情况下，在管20和光纤10之间的区域28可填充一种应变消除填充材料例如，聚酰亚胺、硅树脂、或其它材料。另外，管20可有一个锥形(或斜面或有一定角度)的外角或边缘24，为管20提供一个与其它部分匹配(未画出)的基座，和/或调节管20上力的角度，或为其它原因。设置倾斜角24的角度以达到所需要的作用即可。管20可具有除圆形以外的横截面的形状，如正方形、矩形、椭圆形、蚌壳形或其它形状，并且具有除矩形以外的侧视断面形状，如圆形、正方形、椭圆形、蚌壳形或其它形状。
可选择的是，可代替内锥形的轴向区域22，在管20的光纤10出口处，管20的轴向端的一个或两个，可以有外锥形(或槽形，圆锥形，乳头形)轴向部分，如短划线27所示，它有一个下至光纤10减小的外部几何形状(下面将参照图12进一步讨论)。当光纤10沿其纵轴被拉时，我们发现利用凹槽区27，可在位于管20的光纤10出口的接触表面和附近提供增大的拉力强度，例如，6 1bf或更大。
在光纤10从管20中伸出处，光纤10有一个外保护缓冲层21，以保护光纤10的外表面不被损坏。缓冲层21可由聚酰亚胺、硅树脂、Teflon(聚四氟乙烯)、碳、金和/或镍制成，并具有约25微米的厚度。对于缓冲层21可使用其它的厚度和缓冲材料。如果利用内锥形区域22并且内锥足够大，缓冲层21可插入区域22中，以提供从裸露的光纤到缓冲光纤的过渡。
可选择的是，如果管20的轴向端有一个外锥27，缓冲层21将从光纤伸出管20的锥27的部分开始。如果缓冲层21在光纤出口点以后开始，光纤10暴露的裸露部分可由另外的缓冲层(未画出)再包覆，它覆盖管20外的所有裸露光纤，并且可能与缓冲层21和/或一部分锥形区域27或管20的其它几何形状的轴向端面重叠。
为把光纤10包在管20中，可通过激光、灯丝、火焰等，将管20加热、融陷，并与光栅12融合，如美国共同未决的专利，序列号为(CiDRA Docket No.CC一0078A)，名称为“管包裹的光纤光栅”中描述的，这里可作为参考。可用其它技术将管20融陷和融合到光纤10上，如美国专利5,745,626号，名称是“封装光纤的方法”，申请人为Duck等，和美国专利4,915,467，名称为“制造具有整体精密连接井的光纤耦合器的方法”，申请人为Berkey所描述的，这里可作为参考并进一步理解本发明或其它技术。做为选择，也可用其它技术将光纤10融合到管20上，例如用高温玻璃接合物，例如二氧化硅接合物(粉末或固体)，这样光纤10、管20和接合物都互相融合在一起，或采用激光焊接/融合或其它融合技术。另外，光纤可融合在管中或部分融合在管中或融合在管的外表面上(下面在图11中讨论)。
在毛细管20包裹在光纤周围并与光纤10融合之前或之后，可将布拉格光栅12压入光纤10中，如美国共同未决的专利，序列号为第(CiDRA Docket No.CC—0078)所讨论的，这里可作为参考。如果光栅12在管20包裹光纤10之后压入光纤10中，光栅12可通过管20通过任何需要的技术写在光纤10中，如美国共同未决的专利，序列号为09/205,845(CiDRA Docket No.CC—0130)所讨论的，名称为“形成管包裹布拉格光栅的方法和装置”，提交日为1998年12月4日。
光栅12可包裹在具有初始预设张力(压缩或拉伸)或没有预设张力的管20中。例如，如果用具有比光纤10的热膨胀系数(CTE)大的Pyrex或其它玻璃制成管20时，当管20被加热并与光纤融合以及尔后冷却时，光栅12处于被管20压缩的状态。做为选择，在管加热和融合过程中，通过将光栅置于张力中光纤光栅12可以在张力的状态下封装在管20中。在这种情况下，当管20被压缩时，在光栅12上的张力减小。另外，光纤光栅12可被包裹在管20中，导致当没有外力施加在管20上时，在光栅12上既没有拉伸也没有压缩。
参照图5，毛细管20根据应用可具有各种几何形状。例如，管20是“八字试块”形，具有窄的中间部30和较宽的外部32。窄部30有约1mm的外径d2，和约5mm的长度L2。宽部的每一个32有约3mm的直径d3和约4mm的长度L3。部分30、32也可采用其它长度和直径。八字试块形可用来提供增加灵敏度，以将步进电机60或激励器154施加的力转换成管包光栅12的波长变化。
宽部32的内部过渡区域33可以是陡直的或有一定角度的边缘，或者可以是如短划线34指示的弯曲的。弯曲的几何形34比尖锐的边缘可减小压力的升高，并且这样可减小损坏的可能性。另外，如前面所述，管20的部分32在管20的端部可具有内锥形区域22或外凹槽部分27。另外，部分32可有如前所述的锥形(或倾斜)外角24。
另外，该八字试块几何形不需要是对称的，例如，如果需要，两部分32的长度L3可以是不同的。做为选择，八字试块可以是单侧的八字试块，其中代替两个宽部32，在窄部分30的一侧可只有宽部32而其另一侧是一个可具有如上所述倾斜角24的直边37。在这种情况下，该八字试块在其侧面是“T”形。这种单侧八字试块在这里也应该提作“八字试块”形。代替八字试块几何形状，可以利用能够提供高张力灵敏度或调节管20上力的角度或提供其它所需要的特性的其它几何形状。
我们发现，宽部32的尺寸d3和窄部30的尺寸d2之间这种尺寸的变化，通过张力的放大可提供增加了的力于光栅波长变化的灵敏度(或增益或比例系数)。另外，对这里提供八字试块的尺寸可轻易改变其大小，以提供所需要的灵敏度。
参照图6，做为选择，为帮助降低光纤10和管20之间接触处光纤10上的张力，管20可有部分36，其沿光纤10的轴向延伸并在轴向外侧处贴在光纤10上，在该处相对的端块104、105在宽部32上施加力，该端块等效于端块56、50(图1)，74、72(图2)159、153(图14)，或活塞92(图3)。部分36的轴向长度是约20mm；但是，可根据应用的需要或设计的需要增加或减小该长度。另外，部分36不需要轴向对称，也不需要都放在管20的两个轴向端部。如上述讨论的，光纤与管20的接触面处，部分32可有内锥形区域22或外凹槽部分27。做为选择，在部分36的一部分上也可有一个阶梯部分39。在这种情况下，区域22可以在阶梯部分39内部或靠近阶梯部分39，如短划线38指示。区域106可以是气体或填充粘合剂或填充物。另外，管20可以是一个直线不变的横截面，如上所述，并且如短划线107指示的而不是八字试块形。另外，分别通过端块56、50(图1)，74、72(图2)152、150(图14)，或活塞92(图3)的孔108在其整个或部分长度上如短划线109指示的可以有一个较大的直径。毛细管20可以有另一种轴向延伸的几何形状，如上述美国共同未决专利申请，序列号为(CiDRA Docket No.CC-0078B)所述。另外，可用多于一个同心管形成本发明的管20，如上述美国共同未决专利申请中所述的。另外，轴向延伸部分36可以是内管的一部分。
参照图7，做为选择，管20也可以与光纤10在光栅12的相对侧融合。特别是，管20的区域200与光纤10融合而光栅12周围的管的中心部分202不与光纤融合。光栅12周围的区域202可以有环境气体或被抽空(或在其它压力下)或部分或全都填充一种粘合剂，例如，环氧的或其它填充材料，例如聚合物或硅树脂，或其它材料或可以不进行填充。如上所述管20的内径d6比光纤10的直径大0.01到10微米，例如125.01到135微米。也可用其它直径；但是，在该实施例中为帮助避免光纤弯曲，直径d6希望尽可能接近光纤的外径。做为选择，通过在光栅12的两侧融合两个分立的管可获得相同的结果，然后融合一个套过两管的外管，如上述美国共同未决的专利申请中所述。
我们发现，依赖所用结构本发明提供了具有高的可重复性，低蠕变和低滞后性(例如，约3微微米或更少)。参照图8，对于这里已描述的任何实施例，代替单一光栅包裹在管20中，可以有两个或多个光栅220、222埋入被包裹在管20中的光纤10中。光栅220、222具有相同的反射波长和/或外形或不同的波长和/或外形。多个光栅220、222可单独地用在公知的法布里珀罗装置中。
另外，一个或多个光纤激光器，如美国专利5,666,372，名称为“压缩调谐光纤激光器”(这里可作为参考并可进一步理解本发明)所述，可埋入管20中的光纤10中，并且压缩调谐。在这种情况下，该光栅220、222形成一个腔，且光纤10至少在光栅220、222(如果需要，也可包括光栅220、222、和/或光栅外面的光纤10)之间将掺杂稀土元素掺杂物，例如铒和/或镱，等，当管20上的力的变化时，激光波长相应地将被调谐。
参照图13，可采用的其它类型的调谐光纤激光器是一个调谐分布反馈光纤激光器234，如V.C.Lauridsen等发表在1998年10月15日的Electronic Letters.，第34卷第21号第2028—2030页的“DFB光纤激光器的设计”；P.Varming等发表在1995年IOOC’95，Tech.Digest，第5卷PD1—3的“具有由UV后处理引起的永久π/2相移的铒掺杂光纤DGB激光器”；美国专利5,771,251，名称为“光纤分布反馈激光器”，申请人为Kringlebotn等；或美国专利5,511,083，名称为“偏振光纤激光源”，申请人为D’Amato等所述。在这种情况下，光栅12被写入掺杂有稀土元素的光纤中并配置成在靠近光栅12的中心的预定位置224具有λ/2的相移(其中λ是激光的波长)，这提供了一个明确的谐振条件，如公知的那样，它可以在单一纵向模式下没有模式跳跃地连续调谐。做为选择，代替单一光栅，两个光栅220，222可以放置得尽可能近似形成一个具有长度为(N＋1/2)λ的腔，这里N是常数(包括0)，且光栅220，222置于掺杂稀土元素的光纤中。
做为选择，DFB激光器234可位于光纤10上的一对光栅220、222(图8)之间，其中光纤10至少在沿光栅220、222之间的部分掺杂了稀土元素。这种结构被称为“交互式光纤激光器”，如J.J Pan等发表的“具有低噪声和受控输出功能的交互式光纤激光器”，E-tek动力学公司，San Jose,CA，网址为www.e-tek.com/products/whitepapers。如果需要，其它单一或多个光纤激光器结构可配置在光纤10中。
参照图9和10，做为选择，两个或多个光纤10，250，其中每一个分别具有至少一个光栅12，252，可以包裹在管20中。光栅12、252可具有相同的反射波长和/或外形或具有不同的波长和/或外形。在这种情况下，管20中的钻孔在加热和融合之前应足够大以容纳两个光纤10、250，并且可以是除圆形之外的其它形状例如正方形，三角形等。另外，管20的钻孔不需要沿管20的中心线打在中心。
参照图11，做为选择代替如图10所示的互相接触的光纤10、250，光纤10、250可以是在管20中离开预定距离的。该距离可以是在光纤10，250之间任何所需要的距离，并且可以在管20的外径之内的任意方位上。而且，对于这里所示的任何实施例，如上面讨论的，光纤的一部分或全部和/或光栅可以在管20的内部、部分内部或外表面上融合，如图示的光纤500，502，504。
参照图12，做为选择，管20也可以只在配置光栅12的位置处融合在光纤10上。在这种情况下，如果管20比光栅20长，前面所讨论的内锥形或向外展开形区域22可以存在，并且如上面讨论的，在管20和光纤10之间的区域28可填充填充物材料，。另外，这里所用的措词“管”也可以是具有这里所述性能的一块材料。
另外，对于这里所示的任何实施例，除了穿过壳体50，70，90或管20的光纤10，光纤10可以是单一端的，即光纤10只有一端从壳体或管20中伸出。在这种情况下，光纤10的一端位于从管20或壳体50、70、90伸出的点或是伸出点之前。
参照图17，做为选择，管包裹光纤光栅的部分或全部也可以被大直径二氧化硅波导光栅600所取代，如美国共同未决的专利申请序列号为第(CiDRADocket CC—0230)，名称为“大直径光学波导、光栅和激光器”所描述的，这里可用于作为参考。波导600有一个芯612(相当于光纤10的芯)和一个包层614(相当于融合的管和光纤10的包层的结合体)以及有一个埋在其中的光栅12。波导600的总长度L1和波导直径d2的设置与上述管20的相同(即，这种管20不会在需要的光栅波长调谐范围内变形)，并且波导的外径至少是0.3mm。具有一个包层626和一个通过光信号的芯625的光纤622(相当于图1中的光纤10)，用公知的或还在开发的、用于拼接光纤或把光从光纤耦合到较大波导中的、且在应用中能提供可接受的光损耗的技术，与波导600的一个或两个轴向端628拼接或光耦合。
具有光栅600的大直径波导可以如这里所述的管包裹光栅20的相同的使用方式使用，其中光纤10与波导600的芯612是类似(和可互换)的。例如，波导600可被蚀刻、研磨或抛光以得到上面描述管20时的“八字试块”形。做为选择，“八字试块”形也可由加热和融合两个外管640、642于波导600的相对端上而获得。这里描述的管20和管包裹光栅所有其它可选择的实施例也可以应用到波导600中，这里合理地包括具有一个光纤激光器或一个DFB激光器，多个光纤(或芯)，各种几何形状等。
管包裹光纤光栅20和大直径波导光栅600每一个这里还可作为“调谐光学元件”。管包裹光纤光栅20和大直径波导光栅600在管20与光纤10融合的位置上基本上具有相同的结构和性能，因为管包裹光纤光栅20和大直径波导光栅600的端(或横截面)是接近的(或一致的)，并且横跨截面基本上由相同材料制成，例如，玻璃材料，如掺杂和未掺杂的二氧化硅。另外，在这些位置上二者具有一个光芯和一个大的包层。
另外，波导600和管包裹光纤光栅20可一起使用，以形成这里所述感应元件的任何已知的实施例。特别是，一个或多个感应元件的轴向部分可以是一个管包裹的光栅或光纤，和/或一个或多个其它轴向部分可以是波导600，该波导是轴向拼接或融合或以其它机械地和光学地方法耦合在一起，使得所述波导的芯与融合到管中的光纤的芯对准。例如，感应元件的中心区域可以是大波导，且一个或两个轴向端可以是被融合在一起的管包裹光纤如短划线650，652所示的，反之亦然(图1，11，31)。
应该理解，除非这里另外说明，这里关于特殊实施例描述的任何特征、特性、替换物或者改进也可以被应用、使用，或者与这里描述的任何其他实施例相结合。另外，这里的附图未按比例绘制。
尽管本发明已描述和图示了其有关的示范性的实施例，在没有脱离本发明的构思和范围的情况下，可加入上述的和各种另外附加的以及忽略的部分。

Claims (37)

1、一种压缩调谐光纤光栅装置，包括：
一个调谐光学元件，它具有至少为0.3mm的外尺寸，和具有至少一个沿所述元件的纵轴方向置于其中的反射元件；以及
所述调谐元件的至少一个部分具有一个横截面，该横截面是接近的和基本上由相同材料制成。
2、根据权利要求1所述装置，其中所述调谐元件包括：
光纤，该光纤有所述的反射元件置于其中；以及
一个管，该管具有沿所述管的纵轴包裹在其中的所述光纤和所述反射元件，所述管与所述光纤的至少一部分融合。
3、根据权利要求1所述装置，其中所述调谐元件包括一个具有一个外包层和其中配置一个内芯的大直径光波导。
4、根据权利要求1所述的装置，其中所述调谐元件包括：
一个沿所述管的纵轴与光纤的至少一部分融合的管；
一个具有一个外包层和一个其中配置内芯的大直径光波导；以及
所述管和所述波导在轴向融合和光耦合在一起。
5、根据权利要求4所述压力传感器，其中所述反射元件配置所述光纤中，并且沿所述管的所述纵轴包裹在所述管中。
6、根据权利要求4所述压力传感器，其中所述反射元件配置在所述光波导中。
7、根据权利要求1所述装置，其中所述材料包括玻璃材料。
8、根据权利要求2所述装置，其中所述管与所述光纤在所述反射元件的位置处融合。
9、根据权利要求2所述装置，其中所述管与所述光纤在所述反射元件的相对轴向侧融合。
10、根据权利要求2所述装置，其中所述装置还包括多根包裹在所述管中的光纤。
11、根据权利要求3所述装置，其中所述装置还包括多个配置在所述波导中的芯。
12、根据权利要求1所述装置，其中所述调谐元件有多个设置在其中的反射元件。
13、根据权利要求1所述装置，其中所述调谐元件有至少一对设置在其中的反射元件，以及所述调谐元件在所述对元件之间至少一部分掺杂了稀土元素以形成一个激光器。
14、根据权利要求13所述装置，其中所述激光器在一个激光波长处产生激光，该波长随调谐元件上受力的变化而变化。
15、根据权利要求1所述装置，其中所述调谐元件在所述反射元件的位置处至少一部分掺杂了稀土元素和所述反射元件配置成形成DFB激光器。
16、根据权利要求15所述装置，其中所述DFB激光器在一个激光波长处产生激光，该波长随所述的调谐元件上受力的变化而变化。
17、根据权利要求1所述装置，其中所述材料是二氧化硅。
18、根据权利要求1所述装置，其中所述调谐元件的至少一部分包括一个圆柱形。
19、根据权利要求1所述装置，其中所述调谐元件的至少一部分包括一个锥形的轴向部分。
20、根据权利要求1所述装置，其中所述反射元件有一个特征波长，并且其中所述调谐元件包括一个形状，该形状为由于所述调谐元件上受力的变化而产生的所述波长的变化提供预设灵敏度。
21、根据权利要求20所述装置，其中所述调谐元件的形状包括八字试块形。
22、一种用于光纤光学装置的波长调谐方法，包括：
a)获得一个调谐光学元件，具有至少为0.3mm的外尺寸，和具有至少一个沿所述元件的纵轴方向置于其中的反射元件，和所述元件的至少一个部分具有一个基本上由相接近的材料制成的横截面；以及
b)轴向压缩所述调谐元件，使所述反射元件的反射波长随之变化。
23、根据权利要求22所述的方法，其中所述元件包括一个管，该管具有沿所述管的纵轴包裹在其中的所述光纤和所述反射元件，所述管与所述光纤的至少一部分融合。
24、根据权利要求23所述的方法，其中所述管包括多个包裹在所述管中的光纤。
25、根据权利要求22所述的方法，其中所述调谐元件包括一个具有一个外包层和一个其中配置有内芯的大直径光波导内芯的大直径光波导。
26、根据权利要求25所述的方法，其中所述波导包括多个所述芯。
27、根据权利要求22所述的方法，其中所述调谐元件其中配置有多个反射元件。
28、根据权利要求22所述的方法，其中所述调谐元件有至少一对设置在其中的反射元件，和所述调谐元件在所述一对元件之间至少一部分掺杂了稀土元素以形成一个激光器。
29、根据权利要求28所述的方法，其中所述激光器在一个激光波长处产生激光，该波长随调谐元件上受力的变化而变化。
30、根据权利要求22所述的方法，其中所述调谐元件在所述反射元件的位置处的至少一部分掺杂了稀土元素和所述反射元件配置形成DFB激光器。
31、根据权利要求30所述的方法，其中所述DFB激光器在一个激光波长处产生激光，该波长随调谐元件的压缩而变化。
32、根据权利要求22所述的方法，其中所述反射元件有一个特征波长并且其中所述调谐元件包括一个形状，该形状为由于所述调谐元件上受力的变化而产生所述波长的变化提供的预定灵敏度。
33、根据权利要求32所述的方法，其中所述调谐元件的形状包括八字试块形。
34、根据权利要求22所述的方法，其中所述压缩步骤包括用激励器压缩所述调谐元件。
35、根据权利要求34所述的方法，其中所述激励器包括：一个步进电机，一个压电激励器，一个螺线管，或一个气动力激励器。
36、根据权利要求22所述的方法，其中所述压缩步骤包括用流体压力压缩所述调谐元件。
37、根据权利要求22所述的方法，其中所述材料是玻璃材料。
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