電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器的製作方法

2023-05-31 01:42:46 1

本發明涉及一種光譜測試和傳感系統中使用的光器件，尤其涉及一種電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器。

背景技術：

掃描法布裡珀羅濾波器是一種通帶可調諧的光濾波器件，具有結構靈活，插入損耗低，調諧速度快，調諧範圍廣，精細度高等優點，受到廣泛重視。在光通信領域，掃描法布裡珀羅濾波器可用于波分復用的解復用；在光纖傳感領域，可作為位移、應變傳感器件，還可作為光纖光柵傳感器的波長解調器件。此外，在光纖雷射器、光譜分析等領域，掃描法布裡珀羅濾波器也有重要應用。在光譜儀器方面，目前已有用法布裡珀羅腔掃描濾波的方法來實現光譜解析度增強，即在光柵光譜儀的基礎上加入一塊掃描法布裡珀羅濾波器可使原本不可分辨的波長在時域掃描過程中得到分辨，從而提高光譜解析度。

法布裡珀羅濾波器基於多光束幹涉原理，當一束相干光入射到法布裡珀羅腔中，入射光在法布裡珀羅腔中來回多次反射，產生多光束幹涉形成光學諧振。在每次反射過程中，相鄰兩束反射光或透射光的相位差都相等，其相位差滿足以下關係：當相位差是2π的倍數時，形成相長幹涉，透射光最強，因此通過調節法布裡珀羅腔的腔長d或折射率n均可改變法布裡一珀羅濾波器對不同頻率光的反射光強或透射光強。

根據公式法布裡珀羅濾波器的自由光譜範圍與腔長成反比。根據公式可知法布裡珀羅濾波器的精細度與腔鏡的反射率R有關，R越大，精細度越高，光譜分辨力越高。由此可知，FP濾波器的光譜解析度取決於腔鏡的反射率，而自由光譜範圍取決於腔鏡的間隙。

法布裡珀羅腔前後反射腔面的平行度直接影響到濾波器的精細常數和波長靈敏性。大多數商用掃描法布裡珀羅濾波器採用共焦腔結構，即兩個腔面採用凹球面面形，並讓兩個凹球面的焦點位置重合，這樣做的好處是可以減小對兩個腔鏡平行度調節的要求，但是這種共焦腔結構的諧振腔長很難做小，因此自由光譜區很小，只有GHz量級，不適合較大範圍的波長掃描。

使用平行平面腔能夠做到小腔長，以提高自由光譜範圍。許多平行平面腔結構採用壓電掃描方式，但是壓電掃描是一種開環控制，無法準確得知兩腔平面之間的間隙(即腔長)，因而很難確定輸出波長與掃描電壓之間的關係；同時也難以對平行平面之間的平行度進行主動檢測和控制。

現有的掃描法布裡珀羅濾波器主要有兩種結構，一種是球面共焦腔結構，另外一種是平行平面腔結構。在球面共焦腔結構中，法布裡珀羅腔長等於球面的曲率半徑，由於兩個球面加工的曲率半徑不可能做得很小，所以法布裡珀羅諧振腔長不可能小，因此它的自由光譜範圍非常有限；在平行平面諧振腔結構中，現有技術只是使用壓電陶瓷驅動控制兩個腔面之間的間隙，但是卻不能準確獲得該間隙的具體數值，即不能得到法布裡珀羅腔長的準確數值，因而無法準確計算輸出波長，另外這種壓電陶瓷直接開環驅動的方法不能對兩個腔鏡平面之間的平行性進行主動實時監測，很難保證兩個腔鏡平面在掃描過程中保持始終平行，容易出現失調的現象。

有鑑於上述的缺陷，本設計人，積極加以研究創新，以期創設一種新型結構的電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器，使其更具有產業上的利用價值。

技術實現要素：

針對現有方法難以對平行平面腔的平行度和腔長進行實時測量和主動控制的問題，提出一種電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器，通過在兩個平面腔鏡上鍍金屬膜構成多個平行平板電容器對，利用這些電容器的電容值，可以實時地測量平行平板之間的微小夾角以及各部分的間隙數值，以便對平行度和法布裡珀羅腔長(輸出波長)進行控制。

本發明的電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器，包括兩相對設置的支架、分別設置在兩支架上且相對的平面腔鏡、多個連接兩支架且均勻分布在兩平面腔鏡外周的壓電陶瓷，支架上設有與平面腔鏡同光軸、用於供光線進出的通光孔；兩所述平面腔鏡相對的腔面上分別對應的鍍有多個金屬電極構成多對電容傳感器，根據各電容傳感器的電容值得到兩腔面之間的間隙值，根據各電容傳感器的電容值控制兩腔面的平行度及兩腔面之間的腔長。

進一步的，通過電容公式C＝εS/d得到兩腔面之間的間隙值，其中ε為兩相對的所述金屬電極間介質的介電常數，S為所述金屬電極的極板面積，d為兩腔面之間的間隙值；將多個間隙值取平均作為兩腔面之間的腔長。

進一步的，通過將各電容傳感器與信號處理電路電性連接，信號處理電路與反饋控制電路電性連接，反饋控制電路與壓電陶瓷驅動器電性連接控制兩腔面的平行度；其中，所述信號處理電路用於將各所述電容傳感器的電容輸出信號轉換為電壓/電流信號，並進行求和、求差運算，輸出間隙值和兩腔面不平行度的信號，所述反饋控制電路根據所述信號處理電路的信號控制壓電陶瓷驅動器以驅動所述壓電陶瓷運動，調節兩平面腔鏡之間的間隙和角度。

進一步的，所述平面腔鏡為錐形玻璃板，面積較小的一面為所述法布裡珀羅濾波器的腔面，其上鍍有高反介質膜。

進一步的，所述腔面的周緣均勻鍍有四個所述金屬電極，各所述金屬電極均延伸部分至錐形玻璃板的錐面上作為引線區。

進一步的，兩支架之間連接有三個沿所述錐形玻璃板外周均勻分布的壓電陶瓷。

藉由上述方案，本發明至少具有以下優點：

1、本發明通過在兩個平面腔鏡上鍍金屬膜構成多個平行平板電容器對，利用這些電容器的電容值，可以獲得法布裡珀羅濾波器的準確腔長數值，因而可以準確得到法布裡珀羅濾波器掃描過程中任意時刻的輸出波長；

2、本發明還可以實時監測平行平板型法布裡珀羅濾波器兩個腔鏡的平行度，通過反饋控制可以保持兩個腔鏡始終平行，使掃描法布裡珀羅濾波器的穩定性和可靠性更好；

3、在本發明技術方案中，由於電容傳感器在平板間隙越小時越靈敏，因此本發明技術方案更適合小諧振腔長的法布裡珀羅濾波器，可以得到大自由光譜範圍的掃描法布裡珀羅濾波器；

4、本發明結構簡單，沒有機械磨損，且穩定性好，控制精度高，能夠提高法布裡珀羅濾波器的工作效率，改善波長選擇的精確性，滿足光譜分析，光通信，光傳感等領域的要求。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。

附圖說明

圖1為本發明的電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器結構示意圖；

圖2為鍍有四個金屬電極的錐形玻璃板結構示意圖；

圖3為安裝了三塊壓電陶瓷的支架結構示意圖；

圖4為本發明的電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器系統工作框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

參見圖1至圖4，本發明一較佳實施例所述的一種電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器，包括兩相對設置的支架10、分別設置在兩支架10上且相對的平面腔鏡20、三個連接兩支架10且均勻分布在兩平面腔鏡20外周的壓電陶瓷30，支架10上設有與平面腔鏡20同光軸、用於供光線進出的通光孔11，兩平面腔鏡20相對的腔面上分別對應的鍍有多個金屬電極40構成多對電容傳感器。

具體的，平面腔鏡20為由石英玻璃做成錐形玻璃板，面積較小的一面作為法布裡珀羅濾波器的腔面，在腔面上鍍上高反介質膜，膜的反射率和透過率根據需要選擇。錐形玻璃板面積較大的面與支架10粘結，可以使用紫外固化膠等粘接劑。

通過真空熱蒸鍍或者電子束蒸鍍的方式在錐形玻璃板的腔面上的周緣均勻地鍍上四個金屬膜作為電容傳感器的金屬電極40，電極材料為金或鋁或其他金屬材料，電極形狀通過掩模版控制。除了在腔面上鍍金屬膜，還需要外延一部分金屬膜到錐面上，作為接線的引線區41，以探測電容值。

支架10開有圓形通光孔11，使用時將支架10通過螺釘與基座固定。作為平面腔鏡20的兩個錐形玻璃板分別與兩個支架10相連，支架10之間粘結三個壓電陶瓷30，壓電陶瓷30沿錐形玻璃板均勻分布，這樣三個壓電陶瓷就能控制兩平面腔鏡20在x、y兩個方向上的間隙值。兩錐形玻璃板與兩個支架10上的通光孔11都位於同一光軸上，通過加不同的電壓，三個壓電陶瓷30能獨立地做沿光軸方向的運動，以帶動與之相連接的支架10運動。

本發明通過在兩個平面腔鏡上鍍金屬膜構成多個平行平板電容器對，利用這些電容器的電容值，可以獲得法布裡珀羅濾波器的準確腔長數值，因而可以準確得到法布裡珀羅濾波器掃描過程中任意時刻的輸出波長。即根據各電容傳感器的電容值得到兩腔面之間的間隙值，具體的，通過電容公式C＝εS/d得到兩腔面之間的間隙值，其中ε為兩相對的所述金屬電極間介質的介電常數，S為所述金屬電極的極板面積，d為兩腔面之間的間隙值，將多個間隙值取平均作為兩腔面之間的腔長。

本發明還可以實時監測平行平板型法布裡珀羅濾波器兩個腔鏡的平行度，通過反饋控制可以保持兩個腔鏡始終平行，使掃描法布裡珀羅濾波器的穩定性和可靠性更好。具體的，通過將各電容傳感器與信號處理電路電性連接，信號處理電路與反饋控制電路電性連接，反饋控制電路與壓電陶瓷驅動器電性連接控制兩腔面的平行度；其中，信號處理電路用於將各電容傳感器的電容輸出信號轉換為電壓/電流信號，並進行求和、求差運算，輸出間隙值和兩腔面不平行度的信號，反饋控制電路根據信號處理電路的信號控制壓電陶瓷驅動器以驅動壓電陶瓷運動，調節兩平面腔鏡之間的間隙和角度。

本發明的電容反饋型可調諧法布裡珀羅濾波器的工作步驟為：測量法布裡珀羅腔上的四對電容傳感器的電容值，通過電容值計算分別得到四對電容傳感器位置的間隙值，根據這四個間隙值進一步計算得出兩個錐形玻璃板x方向和y方向的夾角，且以四個間隙值的平均值作為當前法布裡珀羅腔的腔長。通過得到的數據對三個壓電陶瓷塊分別施加電壓，使壓電陶瓷塊做沿光軸方向的運動，從而帶動支架改變錐形玻璃板之間的平行度以及腔長，改變後的腔長又通過電容傳感器精確測量，確定透射的峰值波長，實現了電容反饋式的法珀腔調諧濾波。

對于越小的平板間隙(諧振腔長)，電容傳感器靈敏度越高，因而本發明的結構適合微小間隙的法布裡珀羅腔，從而可以得到較大的自由光譜區。該方法簡單易操作，沒有機械磨損，且穩定性好，控制精度高，能夠提高法布裡珀羅濾波器的工作效率，改善波長選擇的精確性，滿足光譜分析，光通信，光傳感等領域的要求。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，並不用於限制本發明，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。