雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置的製作方法

2023-10-11 05:54:14

專利名稱：雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置，主要用於光纖光柵峰值波長的調諧。特別涉及調諧裝置中的應力驅動結構和在向短波調諧過程中避免光纖彎曲的導軌結構。
背景技術：
光纖光柵是在單模石英光纖纖芯內部製作的周期性折射率分布。它具有窄帶的反射特性，並且在使用過程中插入損耗小，體積小，可靠性高，與光纖系統可以直接連接，在光纖信息技術，如光纖通信、光纖傳感、光纖幹涉測量等，有廣泛的應用。它可以用於半導體雷射器和光纖雷射器的選頻、穩頻元件；用於密集波分復用光纖通信系統中的光分插復用器；用于波長敏感型的光纖傳感系統；用於光纖型光譜分析儀等等。由於光纖光柵反射譜的峰值波長可以隨著溫度和光纖的應變而變化，因此具有十分重要的調諧特性。從而可以構成可調諧雷射光源、可動態配置的分插復用器、可調諧光纖傳感器等等。在需要準確控制波長的應用中，利用光纖光柵的可調諧特性，配合反饋控制技術，可以實現光纖光柵峰值波長的高精度控制。因此光纖光柵的可調諧特性是研究和開發的一個熱點。
在先技術中，對光纖光柵的應力調諧有多種機構，如用壓電陶瓷(簡稱PZT)對光纖光柵施加應力，對光纖光柵施加側應力進行調諧，基於懸臂梁的光纖光柵線性調諧等。各應力調諧機構的特點為1.用壓電陶瓷(Piezoelectric Transducer，簡稱PZT)調諧，此機構最早出現在單模摻鉺光纖雷射器的波長調諧中。它是利用壓電陶瓷在加電壓情況下產生形變的特性，使構成光纖雷射器的兩段光纖光柵之間的距離變化，即雷射諧振腔的長度發生改變，從而使輸出波長不同。據在先技術[1]的報導(參見Ball G A，Morey W W.Continuously tunable single-mode erbium fiberlaser.opl.lett.，1992，17(6)420-422)，PZT形變量達到90μm時，波長調諧範圍達到0.72nm。對於單片的PZT，使形變量達到90μm，所加電壓很高，這不符合實際應用的要求；層片的PZT形變量雖然大，但價格昂貴，實際使用也受到限制。而且PZT的調諧範圍太小，滿足不了實際的需要。利用PZT對光纖光柵的峰值波長向短波長方向調諧，當PZT形變大時，常常會引起光纖光柵彎曲而使調諧失效，嚴重時會使光纖光柵斷裂。
2.對光纖光柵加側應力進行調諧，在先技術[2]中(參見TetsuroKomukai，Yoshiaki Miyajima and Masataka NAKAZAWA.In-Line FiberGrating-Type Optical Bandpass Filter Tuned by Applying Lateral Stress.J.Appl.Phys.Vol.34(1995)pp.L306-L308 Part 2，No.3A，1 March 1995)報導了這一機構和實驗結果。它是通過側向對封裝在塑料套管內的光纖光柵施加應力，從而使光纖發生應變。此結構調節靈敏度較低(1N的力1.26nm)，操作不夠簡便，缺乏可控性。
3.基於懸臂梁的光纖光柵線性調諧，與側應力調諧中簡支梁調諧不同。在先技術[3](參見餘有龍，劉治國，董孝義，王江，基於懸臂梁的光釺光柵線性調諧，光學學報Vol.19，No.5，May，1999)提出了懸臂梁調諧技術，利用附著其表面的光纖光柵的應變與自由端外力大小成線性關係，實現其反射譜中心波長的線性調諧。但在此調諧過程中會出現啁啾現象，即隨著外加應力的增加，波長調諧量增加的同時，光纖光柵反射譜的帶寬也呈增加的趨勢。這是由於一方面全部格柵的布喇格反射波長發生了變化，另一方面不同格柵間變化程度不同所至，後者乃造成帶寬增加的主要因素。特別是在光分插復用器(OADM)中，光纖光柵反射譜的帶寬增加會引起信道間的串擾，使傳輸信號失真。
上述在先技術的應力調諧機構，一般只實現向長波單方向的調諧。因為在應力調諧中，對光纖實施拉伸比較容易。實施壓縮時光纖很容易彎曲，不能達到軸向壓縮應變的目的。然而，光纖的拉伸強度遠遠低於其壓縮強度，所以要達到較大的調諧範圍，同時要保證光纖光柵的長期調諧使用可靠性，就必須解決對光纖光柵實施壓縮的不彎曲變形問題。

發明內容
本實用新型為克服上述在先技術中對光纖光柵實施壓縮時，光纖光柵容易彎曲變形的問題，將光纖光柵置於一導軌內，使其既可以自由拉伸，同時又限制它在壓縮時不會彎曲。為此，本實用新型的光纖光柵調諧裝置，主要含有中心軸線在同一條水平線上並列置放的第一橫臂2和第二橫臂4。在第一橫臂2和第二橫臂4之間與兩者同中心軸線地置有內腔6為等角正三角形的導軌3。光纖光柵5置於導軌3的內腔6裡，光纖光柵5兩端的光纖分別固定在第一橫臂2和第二橫臂4上。第一橫臂2和第二橫臂4連接有能夠作相向運動和相反運動的驅動機構1。如圖1所示。
當驅動機構1作相向運動或相反運動時，帶動第一橫臂2和第二橫臂4兩者作相向運動或相反運動，則使置於導軌3內腔6裡的光纖光柵5壓縮或拉伸，達到調諧目的。因為光纖光柵5是置於導軌3內腔6裡，當它被壓縮時，不會彎曲變形。
所說的能夠作相向或相反運動的驅動機構1所用的驅動力是電磁力。
所說的導軌3等角正三角形的內腔6的內切圓柱的直徑D1大於光纖光柵5的外徑D2，即D1＞D2。而且內切圓柱與等角正三角形均勻分布的三條切線l1，l2和l3與光纖光柵5外徑D2的公差配合是間隙配合。如圖2所示。
所說的導軌3的等角正三角形的內腔6是由並排置於槽板8上凹槽內直徑相等的兩根圓管901和902之間的上面蓋一塊蓋板7構成，如圖3所示。或者是由並排固定在平板10上，直徑相等的兩根圓管901和902之間的上面蓋一塊蓋板7構成。為了使兩圓管901和902固定得牢靠，在它們的兩端分別再固定圓管903和904，如圖4所示。或者是由三根直徑相等的圓管901，902，903構成，如圖5所示。或者是由刻有60°角V形槽的厚板12的V形槽上蓋上蓋板7構成，如圖6所示。
下面詳細敘述本實用新型調諧裝置的結構。
要實現光纖光柵5的軸向壓縮應變，需要一種能夠把直徑不到0.13毫米的光纖光柵5限制在直線方向運動的剛性導軌3內。如上述，導軌3從內腔6的橫截面上看，是一個等角正三角形。如圖2所示，被調諧的光纖光柵5放在導軌3的內腔6中，內腔6的內切圓柱直徑D1大於光纖光柵5的外徑D2，通常D1＝1.0001 D2，所以光纖光柵5與內腔6的內切圓柱上均勻分布的三條切線l1，l2和l3的公差配合為間隙配合，這是為了保證光纖光柵5被拉伸或被壓縮時既可以在內腔6裡自由作直線運動又不致於彎曲。
由於光纖光柵5兩端連接著包有塗敷層的普通光纖，其外徑為0.25毫米，是光纖光柵5直徑的二倍，所以為防止光纖光柵5在與光纖的連接處斷裂，該導軌3是可裝配式的。所說的構成內腔6的蓋板7是可拆卸的，是隨時可以蓋上和拿下的。內腔6的長度由被調諧的光纖光柵5的長度決定。
如圖1所示的驅動機構1驅動第一橫臂2和第二橫臂4作相向或相反運動，從而使固定在第一橫臂2和第二橫臂4之間的光纖光柵5被壓縮或拉伸，達到調諧目的。
本實用新型的導軌3提供上述四種構成方式，均可以保證光纖光柵5在調諧過程中，無論是被拉伸還是被壓縮，光纖光柵5不僅可以在導軌3內腔6裡自由地在直線上拉伸或壓縮，而且不會彎曲。
所說的導軌3如圖3所示的第一種結構。光纖光柵5被限制在二條直徑相等、外表面拋光的不鏽鋼管(或不鏽鋼絲)作為圓管901、902和蓋板7之間。兩不鏽鋼管901、902被固定在加工了凹槽的槽板8的凹槽內。根據幾何關係，不鏽鋼管901、902外徑應為光纖光柵5外徑D2的4倍。
所說的導軌3如圖4所示的第二種結構。基本結構與第一種相似。採用了四條相同的不鏽鋼管作為圓管901、902、903和904，兩旁的不鏽鋼管903，904起著對中間二條不鏽鋼管901，902的定位作用。平板10是一塊不鏽鋼平板，它不需要象第一種結構那樣需要加工精度要求很高的凹槽。四條不鏽鋼管901、902、903和904用膠粘結在平板10上即可。
所說的第三種結構的導軌3如圖5所示。光纖光柵5被限制在三條不鏽鋼管(或不鏽鋼絲)作為圓管901、902和903三者中間。三條不鏽鋼管的二端分別用二個具有可變內徑的不鏽鋼管的套管11固定。圓管901、902和903的外徑應為光纖光柵5外徑D2的 倍。
所說的導軌3第四種結構如圖6所示。光纖光柵5被限制在加工了光滑V型槽的厚板12和蓋板7之間。V型槽的頂角取為60°角。根據幾何關係，60°角的V型槽的深度應為光纖光柵5外徑D2的1.50015倍。
如上所述，本實用新型對通過驅動機構1使固定光纖光柵5的第一橫臂2和第二橫臂4產生相向或相背運動，從而對光纖光柵5施加壓縮應力或拉伸應力進行應力調諧。驅動機構1產生驅動力的方式有電磁力、壓電效力(PZT)、微型電機(步進電機或伺服電機)的轉動力或者熱膨冷縮的張力等方式。
本實用新型的驅動機構1的驅動力是採用電磁力，如圖7所示，含有固定在外殼113內的底板101，在底板101的兩端分別通過第一彈片102和第二彈片112與第一支臂103和第二支臂108的底端相連。在底板101上，於第一支臂103和第二支臂108之間置有第一電磁線圈105和第二電磁線圈109，在第一電磁線圈105內有第一磁芯104，在第二電磁線圈109內有第二磁芯110，兩磁芯104和110的中心軸線重合。第一磁芯104和第二磁芯110的一端分別與第一支臂103和第二支臂108相連，第一磁芯104和第二磁芯110的另一端，兩相對端之間有緩衝層107，在外殼113的頂板106上第一橫臂2和第二橫臂4之間是導軌3，第一橫臂2和第二橫臂4分別與第一支臂103和第二支臂108的頂端相連，光纖光柵5放入導軌3的內腔6裡後兩端的光纖分別固定在第一橫臂2和第二橫臂4上。所說的第一橫臂2和第二橫臂4是從外殼113的頂板106的方孔伸出以保證光纖光柵5放入導軌3的內腔6裡後兩端的光纖可以水平地固定在第一橫臂2和第二橫臂4上。通過控制第一電磁線圈105、第二電磁線圈109中電流的方向可以使第一磁芯104、第二磁芯110相吸引或相排斥，從而帶動第一橫臂2和第二橫臂4產生相向或相背運動，相應地使固定在第一橫臂2和第二橫臂4上的光纖光柵5受到軸向壓應力或拉應力，達到調諧目的。第一磁芯104、第二磁芯110之間有一塊由海綿構成的彈性緩衝層107，以防止第一磁芯104、第二磁芯110完全吸住後，因吸力過大而使光纖光柵5彎曲過度而斷裂。裝配時要保證導軌3，緩衝層107，底板101的中心線重合。
與在先技術相比，本實用新型調諧裝置的進步在於1.本實用新型中的光纖光柵5是放在導軌3的內腔6裡，從而保證了光纖光柵5壓縮調諧過程中光纖光柵5不會彎曲，同時也就沒有因為彎曲形變而使調諧失效甚至斷裂，從而解決了常規介質膜帶通濾波器難以實現的透射中心波長雙向可調的問題。
2.本實用新型調諧裝置在調諧過程中，由於導軌3的等角正三角形內腔6的均勻分布三條切線l1、l2和l3的限制作用，光纖光柵5各處應力均勻，不會引起光纖光柵反射譜帶寬增大，即啁啾現象。
3.本實用新型調諧裝置中由第一橫臂2和第二橫臂4固定光纖光柵5兩端的光纖，採用上述驅動機構1拉伸和壓縮並且所構成的導軌3保護結構使被調諧的光纖光柵在裸纖和塗敷纖的接頭處不會因彎曲而斷裂，所以易於維護，調諧裝置便於組合，裝卸簡單，滿足系統實用化的要求。
4.本實用新型中採用的導軌3結構和由電磁線圈構成的電磁場驅動機構都易於加工，成本較低，所以本實用新型的調諧裝置有良好的經濟實用性。
5.本實用新型中採用的電磁場驅動機構1由於用直流電流進行控制，因此易於控制所加的應力，所以調諧回復性良好。


圖1為本實用新型的光纖光柵調諧裝置的示意圖；圖2為本實用新型的導軌3內腔6橫截面的示意圖；圖3為本實用新型第一種構成導軌3內腔6的示意圖；圖4為本實用新型第二種構成導軌3內腔6的示意圖；圖5為本實用新型第三種構成導軌3內腔6的示意圖；圖6為本實用新型第四種構成導軌3內腔6的示意圖；圖7為本實用新型驅動機構1的驅動力採用電磁力的結構示意圖；圖8為本實用新型在實施例中所獲得的調諧光譜圖；圖9為本實用新型在實施例中所獲得的調諧回復曲線圖。
具體實施方式
構成導軌3內腔6的結構方式如圖3、4、5、6所示。採用的驅動結構1如圖7所示。
光纖光柵5的具體參數，長10mm的均勻光纖布喇格光柵，其中心波長為1551.2nm，反射率大於90％，獲得的結果如圖8、圖9所示。。
圖8為電磁線圈中的電流為300mA時，本實用新型調諧裝置的調諧光譜圖。從圖中可以看出，調諧過程中光纖光柵5的布喇格反射峰從B位置到達A位置，調諧量為1.38nm，值得注意的是，反射譜帶寬基本上沒有變化，信道隔離度達到了15dB以上。
圖9為本實用新型調諧裝置的回覆曲線，可見，磁場調諧良好的回覆性，可以使光纖光柵5的布喇格波長得到精確控制。由上述結果表明本調諧裝置具有上述的優點。
權利要求1.一種雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置，主要含有中心軸線在同一條水平線上並列置放的第一橫臂(2)和第二橫臂(4)，第一橫臂(2)和第二橫臂(4)連接有能夠作相向運動和相反運動的驅動機構(1)，其特徵在於在第一橫臂(2)和第二橫臂(4)之間與兩者同中心軸線地置有內腔(6)為等角正三角形的導軌(3)，光纖光柵(5)置於導軌(3)的內腔(6)裡，光纖光柵(5)兩端的光纖分別固定於第一橫臂(2)和第二橫臂(4)上；所說的驅動機構(1)所用的驅動力是電磁力。
2.根據權利要求1所述的雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置，其特徵在於所說的導軌(3)的等角正三角形內腔(6)裡的內切圓柱的直徑D1大於光纖光柵(5)的外徑D2，而且內切圓柱與等角正三角形均勻分布的三條切線(l1，l2，l3)與光纖光柵(5)外徑D2的公差配合為間隙配合。
3.根據權利要求1或2所述的雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置，其特徵在於所說的導軌(3)的等角正三角形的內腔(6)是由並排置於槽板(8)上凹槽內直徑相等的兩根圓管(901，902)之間的上面蓋一塊蓋板(7)構成，或者是由並排固定在平板(10)上，直徑相等的兩根圓管(901，902)之間的上面蓋一塊蓋板(7)構成，或者是由三根直徑相等的圓管(901，902，903)構成，或者是由刻有60°角的V形槽的厚板(12)的V形槽上蓋上蓋板(7)構成。
4.根據權利要求1所述的雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置，其特徵在於所說的驅動力是電磁力的驅動機構(1)含有固定在外殼(113)內的底板(101)，在底板(101)的兩端分別通過第一彈片(102)和第二彈片(112)與第一支臂(103)和第二支臂(108)的底端相連，在底板(101)上，於第一支臂(103)和第二支臂(108)之間置有第一電磁線圈(105)和第二電磁線圈(109)，在第一電磁線圈(105)內有第一磁芯(104)，在第二電磁線圈(109)內有第二磁芯(110)，第一磁芯(104)與第二磁芯(110)的中心軸線重合，第一磁芯(104)與第二磁芯(110)的一端分別與第一支臂(103)和第二支臂(108)相連，第一磁芯(104)與第二磁芯(110)的另一端，兩相對端之間有緩衝層(107)，在外殼(113)的頂板(106)上，在第一橫臂(2)和第二橫臂(4)之間是導軌(3)，第一橫臂(2)和第二橫臂(4)分別與第一支臂(103)和第二支臂(108)的頂端相連，光纖光柵(5)放入導軌(3)的內腔(6)裡後兩端的光纖分別固定在第一橫臂(2)和第二橫臂(4)上。
專利摘要一種雙向伸縮均勻的光纖光柵調諧裝置,主要用於光纖光柵峰值波長的調諧。主要含有固定光纖光柵兩端光纖的第一橫臂和第二橫臂,在第一橫臂和第二橫臂之間置有內腔為等角正三角形的導軌。光纖光柵置於導軌的內腔裡,兩端的光纖分別固定在第一橫臂和第二橫臂上。第一橫臂和第二橫臂與驅動力用電磁力的驅動機構相連。當驅動機構作相吸或相斥運動時,帶動第一橫臂和第二橫臂作相向或相背運動,從而使置於導軌內腔裡的光纖光柵被壓縮或拉伸。與在先技術相比,本實用新型的調諧裝置保證光纖光柵在調諧過程中各處應力均勻,在壓縮調諧時,光纖光柵不會彎曲變形,不會引起光纖光柵反射譜帶寬增大,易於控制所加的應力,調諧回復性良好。
文檔編號G02B6/34GK2507019SQ0125500
公開日2002年8月21日 申請日期2001年11月30日 優先權日2001年11月30日
發明者趙嶺, 方祖捷, 蔡海文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所