專利名稱：一種可調(diào)諧光纖光柵濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧光纖光柵濾波器，屬于光纖傳感和光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的光無源器件，因其具有抗電磁干擾、尺寸小、與通信光纖良好匹 配等優(yōu)異的特性在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用光纖光柵的選頻特性對應(yīng)變 和溫度的敏感效應(yīng)，可以實現(xiàn)對多種物理量(如應(yīng)變、應(yīng)力、位移、撓度、重量、電壓、電 流、磁場、壓強、加速度)的高精度傳感測量。反之，也可以通過控制施加在光纖光柵上的 應(yīng)變和溫度，實現(xiàn)其波長和帶寬的調(diào)諧。光纖光柵的調(diào)諧特性可以用于可調(diào)諧激光器、可調(diào) 諧光濾波器、可調(diào)諧色散補償器和增益平坦器等，并應(yīng)用于波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)中。 正是由于光纖光柵具有這么多應(yīng)用前景，使光纖光柵的調(diào)諧技術(shù)成為光纖光柵技術(shù)的重要組 成部分。調(diào)諧技術(shù)研究的重點是光纖光柵的調(diào)諧范圍、調(diào)諧精度以及響應(yīng)速度。溫度調(diào)諧
是利用光纖光柵外層鍍膜、在光纖光柵上涂覆溫度敏感材料或者把光柵埋入熱膨脹系數(shù)較大
的基底材料，通過改變外層鍍膜、涂層或者基底材料的溫度實現(xiàn)調(diào)諧。H. G. Limberger等 在光纖光柵外鍍有良好導(dǎo)熱性能的金，通過控制金膜上的電流控制溫度，在直流電壓下獲得 2. 15nm的調(diào)諧范圍。由于光纖光柵的溫度敏感性低，所以很難實現(xiàn)大范圍的調(diào)諧。應(yīng)變調(diào) 諧是通過沿光纖光柵軸向施加的應(yīng)力使光柵的周期和折射率改變，實現(xiàn)光纖光柵波長調(diào)諧。 這種方法可以實現(xiàn)更大范圍的調(diào)諧和更快的響應(yīng)速度。常見應(yīng)變調(diào)諧方法有使用壓電陶瓷 (PZT)、懸臂梁、電磁場、步進電機。IoccoA.等人(參見Alessandro Iocco， Hans Georg， Limberger， Bragg grating fast tunable for wavelength division multiplexing, Journal of Lightwave Technol. ， 1999， 17 (7) : 1217 1221.)利用層片PZT可以產(chǎn)生45nm的調(diào)諧量， 調(diào)諧速度達到21nm/ms。雖然這種調(diào)諧方法的波長調(diào)諧范圍大，但是價格昂貴，實際使用也 受至lj限帝j。 Lyons E. R,等人(參見E. R. Lyons, H. P. Lee， Demonstration of an etched cladding fiber Bragg grating filter with reduced tuning force requirement, IEEE Photon. Technol. Lett. ， 1999， 11 (12) : 1626 1628.)用氫氟酸將光纖的包層腐蝕掉，用 應(yīng)力調(diào)諧獲得了 21.2nm的調(diào)諧量。這種方法需要將包層腐蝕掉，很難控制腐蝕程度，而且 很容易造成光柵的斷裂。余有龍，劉志國等人(參見余有龍，劉志國等，基于懸臂梁的光纖 光柵無啁啾線性調(diào)諧，光學(xué)學(xué)報，1999， 19 (7): 837 876.)通過外力使懸臂梁彎曲從 而對粘貼于其表面的光柵施加軸向應(yīng)力，調(diào)諧范圍達到4.5nm。這種調(diào)諧方法的缺點是調(diào)諧 范圍太小，無法實現(xiàn)大范圍調(diào)諧。日本東京大學(xué)的Mokatar M. R.等人(參見Mokatar M R， Goh C S， Butler S A， et al. Fiber Bragg grating compression-tuned over 110 nm[J]. Electronics Letters, 2003， 39 (6) : 509-511.)利用彎曲梁對粘貼在其表面的光纖光柵進 行應(yīng)力調(diào)諧，獲得了 llOnm的調(diào)諧范圍。雖然這種調(diào)諧方法的波長調(diào)諧范圍很大，但是調(diào)諧
過程是通過手動控制，波長調(diào)諧量的精確度受到限制。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有背景技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種新穎、簡便、有效的可調(diào)諧光 纖光柵濾波器。
一種可調(diào)諧光纖光柵濾波器，包括彈性桿、水平滑桿、精密絲桿，直線型歩進電機、固 定平臺、移動平臺、底座、驅(qū)動器、MCU、 PC機，其特征在于固定平臺固定在底座兩端上，固定平臺上水平固定有水平滑桿；精密絲桿通過軸承被固定在固定平臺上，和水平滑桿平行 放置，其一端穿出固定平臺和步進電機的轉(zhuǎn)軸相連接；移動平臺上面帶有通孔，通孔穿過水 平滑桿并可沿水平滑桿來回移動；移動平臺下方固定有法蘭，法蘭內(nèi)帶有絲紋，法蘭套接在 精密絲桿上，其絲紋和精密絲桿上的絲紋相適配，通過步進電機連同精密絲桿的轉(zhuǎn)動可帶動 法蘭及移動平臺作水平移動；彈性桿兩端分別固定在底座一端的固定平臺和移動平臺上，光 纖光柵粘貼在彈性桿的中間；PC機的串口輸出經(jīng)MCU和驅(qū)動器相連接，驅(qū)動器與步進電機 相連。
所述的彈性桿可以是有機玻璃材料，也可以是塑料或彈性金屬材料。 所述MCU是指微處理機控制器。
如圖1所示，光纖光柵粘貼在彈性桿的上方，光纖光柵波長向長波長調(diào)諧，光纖光柵粘 貼在下方時，光纖光柵波長向短波長調(diào)諧。
所述的步進電機推迸移動平臺的位移量是由PC機上編寫的控制程序和人機交互界面精 確控制，還可以控制移動平臺移動方向以及移動平臺的快速復(fù)位。
所述的PC機也可以不使用，直接由MCU加上外圍的按鍵和顯式模塊控制步進電機的前 進距離。
本發(fā)明濾波器的工作過程如下
首先在PC機上的人機交互界面上輸入步進電機需要移動的距離和移動的方向。然后步 進電機開始帶動精密絲桿轉(zhuǎn)動從而帶動法蘭及移動平臺在水平滑桿上移動。移動平臺移動過 程中，彈性桿的彎曲程度將不斷改變，由彎曲所產(chǎn)生的應(yīng)變也將改變，光纖光柵所受到的應(yīng) 變也隨之改變，從而實現(xiàn)光纖光柵波長的改變。光纖光柵的一端熔接光纖連接頭，寬帶光源 通過3dB耦合器和光柵上熔接的光纖連接頭相連，3dB耦合器的另一個輸入端接入光譜分析 儀或者解調(diào)儀，通過光譜分析儀或者解調(diào)器可以觀察光纖光柵反射譜的改變。
本發(fā)明中的光纖光柵有兩種不同的粘貼方式，由圖1可知，粘貼在彈性桿的上表面時， 可以實現(xiàn)光纖光柵的拉伸應(yīng)變調(diào)諧，粘貼在彈性桿的下表面時，可以實現(xiàn)壓縮應(yīng)變調(diào)諧。粘 貼時光纖光柵1的軸向要和彈性桿2的軸向平行。
本發(fā)明光纖光柵通過光譜分析儀或者解調(diào)儀可觀測光纖光柵在調(diào)諧過程中的光譜特 性。根據(jù)目標(biāo)光譜需要改變移動平臺前進的距離可以得到所需的目標(biāo)光譜。
本發(fā)明的原理是基于光纖光柵的應(yīng)變調(diào)諧特性。光纖光柵布拉格波長隨應(yīng)變變化的關(guān)系 如下式所示
=(1 —OA
式中《為光纖的彈光系數(shù)，對于石英光纖為0.22。如圖1所示，將光纖光柵粘貼在彈性桿
的中間，設(shè)彈性桿的厚度為y，長度為丄。設(shè)z為彈性桿上任意一點距離左邊固定平臺的距
離，移動平臺向左邊固定平臺移動的位移為AL，則粘貼在彈性桿中間的光纖光柵的波長偏 移量為
△4 = (i-0—VAi(z_M)("r~T7)2COS7~T7;is
Ai發(fā)生變化，光纖光柵布拉格波長偏移量隨著變化。
本發(fā)明涉及的可調(diào)諧濾波器是一種新型的光纖光柵波長調(diào)諧裝置，是將光纖光柵粘貼在 彈性桿的中間，用PC機控制步進電機推進移動平臺發(fā)生位移使彈性桿發(fā)生彎曲變形，通過 應(yīng)變使光纖光柵的周期發(fā)生改變隨著擠壓程度的不同光纖光柵受到的拉應(yīng)變或者壓應(yīng)變不 同，從而實現(xiàn)光纖光柵波長雙向調(diào)諧。由于移動平臺位移的不同，產(chǎn)生的應(yīng)變大小不同，從 而產(chǎn)生了多個不同中心波長的光纖光柵濾波器。
本發(fā)明利用彈性桿受到從兩端向中間的擠壓彎曲變形使光纖光柵的周期發(fā)生改變由于光纖光柵抗壓縮應(yīng)變能力是抗拉伸應(yīng)力能力的23倍，所以光纖光柵波長的壓縮調(diào)諧量要遠
遠大于拉伸調(diào)諧量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于PC機上有自己編寫的人機交互界面，可以根據(jù)實際需要輸入移動平
臺需要移動的距離和移動的方向，通過步進電機精確控制移動平臺前進的距離和方向，克服 了其他方法精度不高、只能通過手動控制的缺點。
(四)


圖1是本發(fā)明光纖光柵濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l.光纖光柵，2.彈性桿，3.移動平臺，4.水平滑桿，5.固定平臺，6.精密絲桿， 7.法蘭，8.步進電機，9.底座，IO.PC機，ll.MCU， 12.驅(qū)動器。
圖2是移動平臺的位移量AI分別為10腿、20醒、30mm和40mra時，20厘米長的彈性桿
上不同位置處的應(yīng)變分布。
圖3是拉伸調(diào)諧和壓縮調(diào)諧狀態(tài)下，移動平臺的位移量AZ不同時光纖光柵的反射譜 圖。在初始狀態(tài)時，光纖光柵的中心波長為1557. 18nm。在拉伸調(diào)諧狀態(tài)下光纖光柵的中心 波長向長波長方向移動，波長調(diào)諧量達到10nm。在壓縮調(diào)諧狀態(tài)下光纖光柵中心波長向短 波長方向移動，波長調(diào)諧量達到25nm，反射譜波長的雙向調(diào)諧范圍達到了 35nm。在調(diào)諧過 程中3dB帶寬的改變量小于0. 09nm。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。 實施例1:
本發(fā)明實施例如圖l所示，包括光纖光柵l、彈性桿2、水平滑桿4、步進電機8、精密 絲桿6、法蘭7、固定平臺5、移動平臺3、底座9、驅(qū)動器12、 MCUll、 PC機IO，其特征在 于固定平臺5固定在底座9兩端上，固定平臺5上水平固定有水平滑桿4;精密絲桿6通過 軸承被固定在固定平臺5上，和水平滑桿4平行放置，其一端穿出固定平臺5和步進電機8 的轉(zhuǎn)軸相連接移動平臺3上面帶有通 L通孔穿過水平滑桿4并可沿水平滑桿4來回移動； 移動平臺3下方固定有法蘭7，法蘭7內(nèi)帶有絲紋，法蘭7套接在精密絲桿6上，其絲紋和 精密絲桿6上的絲紋相適配，通過步進電機8連同精密絲桿6的轉(zhuǎn)動可帶動法蘭7及移動平 臺3作水平移動；彈性桿2兩端分別固定在底座9一端的固定平臺5和移動平臺3上，光纖 光柵1粘貼在彈性桿2的中間；PC機10的串口輸出經(jīng)MCU11和驅(qū)動器12相連接，驅(qū)動器 12與步進電機8相連。
本實施例中的彈性桿2為有機玻璃材料，使用激光切割刀切割，保證了材料切割的平整。
實施例2:
和實施例1相同，只是彈性桿2為彈性鋼材料。
權(quán)利要求
1、一種可調(diào)諧光纖光柵濾波器，包括彈性桿、水平滑桿、精密絲桿，直線型步進電機、固定平臺、移動平臺、底座、驅(qū)動器、MCU、PC機，其特征在于固定平臺固定在底座兩端上，固定平臺上水平固定有水平滑桿；精密絲桿通過軸承被固定在固定平臺上，和水平滑桿平行放置，其一端穿出固定平臺和步進電機的轉(zhuǎn)軸相連接；移動平臺上面帶有通孔，通孔穿過水平滑桿并可沿水平滑桿來回移動；移動平臺下方固定有法蘭，法蘭內(nèi)帶有絲紋，法蘭套接在精密絲桿上，其絲紋和精密絲桿上的絲紋相適配，通過步進電機連同精密絲桿的轉(zhuǎn)動可帶動法蘭及移動平臺作水平移動；彈性桿兩端分別固定在底座一端的固定平臺和移動平臺上，光纖光柵粘貼在彈性桿的中間；PC機的串口輸出經(jīng)MCU和驅(qū)動器相連接，驅(qū)動器與步進電機相連。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種可調(diào)諧光纖光柵濾波器，其特征在于所述的彈性桿可以是有 機玻璃材料，也可以是塑料或彈性金屬材料。
全文摘要
一種可調(diào)諧光纖光柵濾波器，屬光纖傳感通信技術(shù)，包括彈性桿、水平滑桿、精密絲桿等，底座的固定平臺上裝有水平滑桿；精密絲桿通過軸承被固定在固定平臺上，其一端穿出和步進電機的軸相連；移動平臺上的通孔穿過水平滑桿可沿其移動；移動平臺下方固定有法蘭，法蘭套接在精密絲桿上，兩者絲紋相配通過步進電機轉(zhuǎn)動可帶動移動平臺作水平移動；彈性桿兩端被固定在固定平臺和移動平臺上，光纖光柵粘貼在彈性桿中間；PC機及MCU和驅(qū)動器與步進電機相連。當(dāng)移動平臺推動彈性桿發(fā)生彎曲變形時，彈性桿的軸向應(yīng)變導(dǎo)致光纖光柵周期變化引起光纖光柵中心波長的變化。由PC機上所設(shè)置移動平臺位移量的大小以及方向，可實現(xiàn)光纖光柵波長的高精度調(diào)諧。
文檔編號G02B26/00GK101533152SQ20091002065
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者馮德軍, 姜明順, 楊東周, 靜 王, 隋青美 申請人:山東大學(xué)