專利名稱：雙向伸縮均勻的光纖光柵調(diào)諧裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種雙向伸縮均勻的光纖光柵調(diào)諧裝置，主要用于光纖光柵峰值波長的調(diào)諧。特別涉及調(diào)諧裝置中的應(yīng)力驅(qū)動結(jié)構(gòu)和在向短波調(diào)諧過程中避免光纖彎曲的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
光纖光柵是在單模石英光纖纖芯內(nèi)部制作的周期性折射率分布。它具有窄帶的反射特性，并且在使用過程中插入損耗小，體積小，可靠性高，與光纖系統(tǒng)可以直接連接，在光纖信息技術(shù)，如光纖通信、光纖傳感、光纖干涉測量等，有廣泛的應(yīng)用。它可以用于半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的選頻、穩(wěn)頻元件；用于密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中的光分插復(fù)用器；用于波長敏感型的光纖傳感系統(tǒng)；用于光纖型光譜分析儀等等。由于光纖光柵反射譜的峰值波長可以隨著溫度和光纖的應(yīng)變而變化，因此具有十分重要的調(diào)諧特性。從而可以構(gòu)成可調(diào)諧激光光源、可動態(tài)配置的分插復(fù)用器、可調(diào)諧光纖傳感器等等。在需要準(zhǔn)確控制波長的應(yīng)用中，利用光纖光柵的可調(diào)諧特性，配合反饋控制技術(shù)，可以實現(xiàn)光纖光柵峰值波長的高精度控制。因此光纖光柵的可調(diào)諧特性是研究和開發(fā)的一個熱點。
在先技術(shù)中，對光纖光柵的應(yīng)力調(diào)諧有多種機構(gòu)，如用壓電陶瓷(簡稱PZT)對光纖光柵施加應(yīng)力，對光纖光柵施加側(cè)應(yīng)力進行調(diào)諧，基于懸臂梁的光纖光柵線性調(diào)諧等。各應(yīng)力調(diào)諧機構(gòu)的特點為1.用壓電陶瓷(Piezoelectric Transducer，簡稱PZT)調(diào)諧，此機構(gòu)最早出現(xiàn)在單模摻鉺光纖激光器的波長調(diào)諧中。它是利用壓電陶瓷在加電壓情況下產(chǎn)生形變的特性，使構(gòu)成光纖激光器的兩段光纖光柵之間的距離變化，即激光諧振腔的長度發(fā)生改變，從而使輸出波長不同。據(jù)在先技術(shù)[1]的報道(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(dá)到90μm時，波長調(diào)諧范圍達(dá)到0.72nm。對于單片的PZT，使形變量達(dá)到90μm，所加電壓很高，這不符合實際應(yīng)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(diào)諧范圍太小，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(diào)諧，當(dāng)PZT形變大時，常常會引起光纖光柵彎曲而使調(diào)諧失效，嚴(yán)重時會使光纖光柵斷裂。
2.對光纖光柵加側(cè)應(yīng)力進行調(diào)諧，在先技術(shù)[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)報道了這一機構(gòu)和實驗結(jié)果。它是通過側(cè)向?qū)Ψ庋b在塑料套管內(nèi)的光纖光柵施加應(yīng)力，從而使光纖發(fā)生應(yīng)變。此結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)靈敏度較低(1N的力1.26nm)，操作不夠簡便，缺乏可控性。
3.基于懸臂梁的光纖光柵線性調(diào)諧，與側(cè)應(yīng)力調(diào)諧中簡支梁調(diào)諧不同。在先技術(shù)[3](參見余有龍，劉治國，董孝義，王江，基于懸臂梁的光釬光柵線性調(diào)諧，光學(xué)學(xué)報Vol.19，No.5，May，1999)提出了懸臂梁調(diào)諧技術(shù)，利用附著其表面的光纖光柵的應(yīng)變與自由端外力大小成線性關(guān)系，實現(xiàn)其反射譜中心波長的線性調(diào)諧。但在此調(diào)諧過程中會出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象，即隨著外加應(yīng)力的增加，波長調(diào)諧量增加的同時，光纖光柵反射譜的帶寬也呈增加的趨勢。這是由于一方面全部格柵的布喇格反射波長發(fā)生了變化，另一方面不同格柵間變化程度不同所至，后者乃造成帶寬增加的主要因素。特別是在光分插復(fù)用器(OADM)中，光纖光柵反射譜的帶寬增加會引起信道間的串?dāng)_，使傳輸信號失真。
上述在先技術(shù)的應(yīng)力調(diào)諧機構(gòu)，一般只實現(xiàn)向長波單方向的調(diào)諧。因為在應(yīng)力調(diào)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(dá)到軸向壓縮應(yīng)變的目的。然而，光纖的拉伸強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其壓縮強度，所以要達(dá)到較大的調(diào)諧范圍，同時要保證光纖光柵的長期調(diào)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(fā)明內(nèi)容
本實用新型為克服上述在先技術(shù)中對光纖光柵實施壓縮時，光纖光柵容易彎曲變形的問題，將光纖光柵置于一導(dǎo)軌內(nèi)，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(diào)諧裝置，主要含有中心軸線在同一條水平線上并列置放的第一橫臂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(nèi)腔6為等角正三角形的導(dǎo)軌3。光纖光柵5置于導(dǎo)軌3的內(nèi)腔6里，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(qū)動機構(gòu)1。如圖1所示。
當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)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，則使置于導(dǎo)軌3內(nèi)腔6里的光纖光柵5壓縮或拉伸，達(dá)到調(diào)諧目的。因為光纖光柵5是置于導(dǎo)軌3內(nèi)腔6里，當(dāng)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(qū)動機構(gòu)1所用的驅(qū)動力是電磁力。
所說的導(dǎo)軌3等角正三角形的內(nèi)腔6的內(nèi)切圓柱的直徑D1大于光纖光柵5的外徑D2，即D1＞D2。而且內(nèi)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(dǎo)軌3的等角正三角形的內(nèi)腔6是由并排置于槽板8上凹槽內(nèi)直徑相等的兩根圓管901和902之間的上面蓋一塊蓋板7構(gòu)成，如圖3所示?；蛘呤怯刹⑴殴潭ㄔ谄桨?0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(gòu)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?；蛘呤怯扇睆较嗟鹊膱A管901，902，903構(gòu)成，如圖5所示?；蛘呤怯煽逃?0°角V形槽的厚板12的V形槽上蓋上蓋板7構(gòu)成，如圖6所示。
下面詳細(xì)敘述本實用新型調(diào)諧裝置的結(jié)構(gòu)。
要實現(xiàn)光纖光柵5的軸向壓縮應(yīng)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(dǎo)軌3內(nèi)。如上述，導(dǎo)軌3從內(nèi)腔6的橫截面上看，是一個等角正三角形。如圖2所示，被調(diào)諧的光纖光柵5放在導(dǎo)軌3的內(nèi)腔6中，內(nèi)腔6的內(nèi)切圓柱直徑D1大于光纖光柵5的外徑D2，通常D1＝1.0001 D2，所以光纖光柵5與內(nèi)腔6的內(nèi)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(nèi)腔6里自由作直線運動又不致于彎曲。
由于光纖光柵5兩端連接著包有涂敷層的普通光纖，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(dǎo)軌3是可裝配式的。所說的構(gòu)成內(nèi)腔6的蓋板7是可拆卸的，是隨時可以蓋上和拿下的。內(nèi)腔6的長度由被調(diào)諧的光纖光柵5的長度決定。
如圖1所示的驅(qū)動機構(gòu)1驅(qū)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(dá)到調(diào)諧目的。
本實用新型的導(dǎo)軌3提供上述四種構(gòu)成方式，均可以保證光纖光柵5在調(diào)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(dǎo)軌3內(nèi)腔6里自由地在直線上拉伸或壓縮，而且不會彎曲。
所說的導(dǎo)軌3如圖3所示的第一種結(jié)構(gòu)。光纖光柵5被限制在二條直徑相等、外表面拋光的不銹鋼管(或不銹鋼絲)作為圓管901、902和蓋板7之間。兩不銹鋼管901、902被固定在加工了凹槽的槽板8的凹槽內(nèi)。根據(jù)幾何關(guān)系，不銹鋼管901、902外徑應(yīng)為光纖光柵5外徑D2的4倍。
所說的導(dǎo)軌3如圖4所示的第二種結(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)與第一種相似。采用了四條相同的不銹鋼管作為圓管901、902、903和904，兩旁的不銹鋼管903，904起著對中間二條不銹鋼管901，902的定位作用。平板10是一塊不銹鋼平板，它不需要象第一種結(jié)構(gòu)那樣需要加工精度要求很高的凹槽。四條不銹鋼管901、902、903和904用膠粘結(jié)在平板10上即可。
所說的第三種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌3如圖5所示。光纖光柵5被限制在三條不銹鋼管(或不銹鋼絲)作為圓管901、902和903三者中間。三條不銹鋼管的二端分別用二個具有可變內(nèi)徑的不銹鋼管的套管11固定。圓管901、902和903的外徑應(yīng)為光纖光柵5外徑D2的 倍。
所說的導(dǎo)軌3第四種結(jié)構(gòu)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(jù)幾何關(guān)系，60°角的V型槽的深度應(yīng)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(qū)動機構(gòu)1使固定光纖光柵5的第一橫臂2和第二橫臂4產(chǎn)生相向或相背運動，從而對光纖光柵5施加壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力進行應(yīng)力調(diào)諧。驅(qū)動機構(gòu)1產(chǎn)生驅(qū)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(zhuǎn)動力或者熱膨冷縮的張力等方式。
本實用新型的驅(qū)動機構(gòu)1的驅(qū)動力是采用電磁力，如圖7所示，含有固定在外殼113內(nèi)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，于第一支臂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(nèi)有第一磁芯104，在第二電磁線圈109內(nèi)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，兩相對端之間有緩沖層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(dǎo)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(dǎo)軌3的內(nèi)腔6里后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(dǎo)軌3的內(nèi)腔6里后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(chǎn)生相向或相背運動，相應(yīng)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(yīng)力或拉應(yīng)力，達(dá)到調(diào)諧目的。第一磁芯104、第二磁芯110之間有一塊由海綿構(gòu)成的彈性緩沖層107，以防止第一磁芯104、第二磁芯110完全吸住后，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(dǎo)軌3，緩沖層107，底板101的中心線重合。
與在先技術(shù)相比，本實用新型調(diào)諧裝置的進步在于1.本實用新型中的光纖光柵5是放在導(dǎo)軌3的內(nèi)腔6里，從而保證了光纖光柵5壓縮調(diào)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(diào)諧失效甚至斷裂，從而解決了常規(guī)介質(zhì)膜帶通濾波器難以實現(xiàn)的透射中心波長雙向可調(diào)的問題。
2.本實用新型調(diào)諧裝置在調(diào)諧過程中，由于導(dǎo)軌3的等角正三角形內(nèi)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(yīng)力均勻，不會引起光纖光柵反射譜帶寬增大，即啁啾現(xiàn)象。
3.本實用新型調(diào)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，采用上述驅(qū)動機構(gòu)1拉伸和壓縮并且所構(gòu)成的導(dǎo)軌3保護結(jié)構(gòu)使被調(diào)諧的光纖光柵在裸纖和涂敷纖的接頭處不會因彎曲而斷裂，所以易于維護，調(diào)諧裝置便于組合，裝卸簡單，滿足系統(tǒng)實用化的要求。
4.本實用新型中采用的導(dǎo)軌3結(jié)構(gòu)和由電磁線圈構(gòu)成的電磁場驅(qū)動機構(gòu)都易于加工，成本較低，所以本實用新型的調(diào)諧裝置有良好的經(jīng)濟實用性。
5.本實用新型中采用的電磁場驅(qū)動機構(gòu)1由于用直流電流進行控制，因此易于控制所加的應(yīng)力，所以調(diào)諧回復(fù)性良好。


圖1為本實用新型的光纖光柵調(diào)諧裝置的示意圖；圖2為本實用新型的導(dǎo)軌3內(nèi)腔6橫截面的示意圖；圖3為本實用新型第一種構(gòu)成導(dǎo)軌3內(nèi)腔6的示意圖；圖4為本實用新型第二種構(gòu)成導(dǎo)軌3內(nèi)腔6的示意圖；圖5為本實用新型第三種構(gòu)成導(dǎo)軌3內(nèi)腔6的示意圖；圖6為本實用新型第四種構(gòu)成導(dǎo)軌3內(nèi)腔6的示意圖；圖7為本實用新型驅(qū)動機構(gòu)1的驅(qū)動力采用電磁力的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本實用新型在實施例中所獲得的調(diào)諧光譜圖；圖9為本實用新型在實施例中所獲得的調(diào)諧回復(fù)曲線圖。
具體實施方式
構(gòu)成導(dǎo)軌3內(nèi)腔6的結(jié)構(gòu)方式如圖3、4、5、6所示。采用的驅(qū)動結(jié)構(gòu)1如圖7所示。
光纖光柵5的具體參數(shù)，長10mm的均勻光纖布喇格光柵，其中心波長為1551.2nm，反射率大于90％，獲得的結(jié)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(diào)諧裝置的調(diào)諧光譜圖。從圖中可以看出，調(diào)諧過程中光纖光柵5的布喇格反射峰從B位置到達(dá)A位置，調(diào)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(dá)到了15dB以上。
圖9為本實用新型調(diào)諧裝置的回復(fù)曲線，可見，磁場調(diào)諧良好的回復(fù)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(jié)果表明本調(diào)諧裝置具有上述的優(yōu)點。
權(quán)利要求1.一種雙向伸縮均勻的光纖光柵調(diào)諧裝置，主要含有中心軸線在同一條水平線上并列置放的第一橫臂(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(qū)動機構(gòu)(1)，其特征在于在第一橫臂(2)和第二橫臂(4)之間與兩者同中心軸線地置有內(nèi)腔(6)為等角正三角形的導(dǎo)軌(3)，光纖光柵(5)置于導(dǎo)軌(3)的內(nèi)腔(6)里，光纖光柵(5)兩端的光纖分別固定于第一橫臂(2)和第二橫臂(4)上；所說的驅(qū)動機構(gòu)(1)所用的驅(qū)動力是電磁力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向伸縮均勻的光纖光柵調(diào)諧裝置，其特征在于所說的導(dǎo)軌(3)的等角正三角形內(nèi)腔(6)里的內(nèi)切圓柱的直徑D1大于光纖光柵(5)的外徑D2，而且內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向伸縮均勻的光纖光柵調(diào)諧裝置，其特征在于所說的導(dǎo)軌(3)的等角正三角形的內(nèi)腔(6)是由并排置于槽板(8)上凹槽內(nèi)直徑相等的兩根圓管(901，902)之間的上面蓋一塊蓋板(7)構(gòu)成，或者是由并排固定在平板(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(gòu)成，或者是由三根直徑相等的圓管(901，902，903)構(gòu)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(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向伸縮均勻的光纖光柵調(diào)諧裝置，其特征在于所說的驅(qū)動力是電磁力的驅(qū)動機構(gòu)(1)含有固定在外殼(113)內(nèi)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，于第一支臂(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(nèi)有第一磁芯(104)，在第二電磁線圈(109)內(nèi)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，兩相對端之間有緩沖層(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(dǎo)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(dǎo)軌(3)的內(nèi)腔(6)里后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(diào)諧裝置,主要用于光纖光柵峰值波長的調(diào)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(nèi)腔為等角正三角形的導(dǎo)軌。光纖光柵置于導(dǎo)軌的內(nèi)腔里,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(qū)動力用電磁力的驅(qū)動機構(gòu)相連。當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)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,從而使置于導(dǎo)軌內(nèi)腔里的光纖光柵被壓縮或拉伸。與在先技術(shù)相比,本實用新型的調(diào)諧裝置保證光纖光柵在調(diào)諧過程中各處應(yīng)力均勻,在壓縮調(diào)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,易于控制所加的應(yīng)力,調(diào)諧回復(fù)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(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者趙嶺, 方祖捷, 蔡海文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所