CN101533152A - 一种可调谐光纤光栅滤波器 - Google Patents

Abstract

一种可调谐光纤光栅滤波器，属光纤传感通信技术，包括弹性杆、水平滑杆、精密丝杆等，底座的固定平台上装有水平滑杆；精密丝杆通过轴承被固定在固定平台上，其一端穿出和步进电机的轴相连；移动平台上的通孔穿过水平滑杆可沿其移动；移动平台下方固定有法兰，法兰套接在精密丝杆上，两者丝纹相配通过步进电机转动可带动移动平台作水平移动；弹性杆两端被固定在固定平台和移动平台上，光纤光栅粘贴在弹性杆中间；PC机及MCU和驱动器与步进电机相连。当移动平台推动弹性杆发生弯曲变形时，弹性杆的轴向应变导致光纤光栅周期变化引起光纤光栅中心波长的变化。由PC机上所设置移动平台位移量的大小以及方向，可实现光纤光栅波长的高精度调谐。

Description

一种可调谐光纤光栅滤波器

(一)技术领域

本发明涉及一种可调谐光纤光栅滤波器，属于光纤传感和光纤通信技术领域。

(二)背景技术

光纤光栅是一种新型的光无源器件，因其具有抗电磁干扰、尺寸小、与通信光纤良好匹配等优异的特性在光纤通信和光纤传感领域得到广泛应用。利用光纤光栅的选频特性对应变和温度的敏感效应，可以实现对多种物理量(如应变、应力、位移、挠度、重量、电压、电流、磁场、压强、加速度)的高精度传感测量。反之，也可以通过控制施加在光纤光栅上的应变和温度，实现其波长和带宽的调谐。光纤光栅的调谐特性可以用于可调谐激光器、可调谐光滤波器、可调谐色散补偿器和增益平坦器等，并应用于波分复用(WDM)通信系统中。正是由于光纤光栅具有这么多应用前景，使光纤光栅的调谐技术成为光纤光栅技术的重要组成部分。调谐技术研究的重点是：光纤光栅的调谐范围、调谐精度以及响应速度。温度调谐是利用光纤光栅外层镀膜、在光纤光栅上涂覆温度敏感材料或者把光栅埋入热膨胀系数较大的基底材料，通过改变外层镀膜、涂层或者基底材料的温度实现调谐。H.G.Limberger等在光纤光栅外镀有良好导热性能的金，通过控制金膜上的电流控制温度，在直流电压下获得2.15nm的调谐范围。由于光纤光栅的温度敏感性低，所以很难实现大范围的调谐。应变调谐是通过沿光纤光栅轴向施加的应力使光栅的周期和折射率改变，实现光纤光栅波长调谐。这种方法可以实现更大范围的调谐和更快的响应速度。常见应变调谐方法有使用压电陶瓷(PZT)、悬臂梁、电磁场、步进电机。Iocco A.等人(参见Alessandro Iocco，Hans Georg，Limberger，Bragg grating fast tunable for wavelength division multiplexing，JournalofLightwave Technol.，1999，17(7)：1217～1221.)利用层片PZT可以产生45nm的调谐量，调谐速度达到21nm/ms。虽然这种调谐方法的波长调谐范围大，但是价格昂贵，实际使用也受到限制。Lyons E.R.等人(参见E.R.Lyons，H.P.Lee，Demonstration of an etchedcladding fiber Bragg grating filter with reduced tuning force requirement，IEEEPhoton.Technol.Lett.，1999，11(12)：1626～1628.)用氢氟酸将光纤的包层腐蚀掉，用应力调谐获得了21.2nm的调谐量。这种方法需要将包层腐蚀掉，很难控制腐蚀程度，而且很容易造成光栅的断裂。余有龙，刘志国等人(参见余有龙，刘志国等，基于悬臂梁的光纤光栅无啁啾线性调谐，光学学报，1999，19(7)：837～876.)通过外力使悬臂梁弯曲从而对粘贴于其表面的光栅施加轴向应力，调谐范围达到4.5nm。这种调谐方法的缺点是调谐范围太小，无法实现大范围调谐。日本东京大学的Mokatar M.R.等人(参见Mokatar M R，Goh C S，Butler S A，et al.Fiber Bragg grating compression-tuned over110nm[J].Electronics Letters，2003，39(6)：509-511.)利用弯曲梁对粘贴在其表面的光纤光栅进行应力调谐，获得了110nm的调谐范围。虽然这种调谐方法的波长调谐范围很大，但是调谐过程是通过手动控制，波长调谐量的精确度受到限制。

(三)发明内容

为了克服现有背景技术的缺陷和不足，本发明提供了一种新颖、简便、有效的可调谐光纤光栅滤波器。

一种可调谐光纤光栅滤波器，包括弹性杆、水平滑杆、精密丝杆，直线型步进电机、固定平台、移动平台、底座、驱动器、MCU、PC机，其特征在于固定平台固定在底座两端上，固定平台上水平固定有水平滑杆；精密丝杆通过轴承被固定在固定平台上，和水平滑杆平行放置，其一端穿出固定平台和步进电机的转轴相连接；移动平台上面带有通孔，通孔穿过水平滑杆并可沿水平滑杆来回移动；移动平台下方固定有法兰，法兰内带有丝纹，法兰套接在精密丝杆上，其丝纹和精密丝杆上的丝纹相适配，通过步进电机连同精密丝杆的转动可带动法兰及移动平台作水平移动；弹性杆两端分别固定在底座一端的固定平台和移动平台上，光纤光栅粘贴在弹性杆的中间；PC机的串口输出经MCU和驱动器相连接，驱动器与步进电机相连。

所述的弹性杆可以是有机玻璃材料，也可以是塑料或弹性金属材料。

所述MCU是指微处理机控制器。

如图1所示，光纤光栅粘贴在弹性杆的上方，光纤光栅波长向长波长调谐，光纤光栅粘贴在下方时，光纤光栅波长向短波长调谐。

所述的步进电机推进移动平台的位移量是由PC机上编写的控制程序和人机交互界面精确控制，还可以控制移动平台移动方向以及移动平台的快速复位。

所述的PC机也可以不使用，直接由MCU加上外围的按键和显式模块控制步进电机的前进距离。

本发明滤波器的工作过程如下：

首先在PC机上的人机交互界面上输入步进电机需要移动的距离和移动的方向。然后步进电机开始带动精密丝杆转动从而带动法兰及移动平台在水平滑杆上移动。移动平台移动过程中，弹性杆的弯曲程度将不断改变，由弯曲所产生的应变也将改变，光纤光栅所受到的应变也随之改变，从而实现光纤光栅波长的改变。光纤光栅的一端熔接光纤连接头，宽带光源通过3dB耦合器和光栅上熔接的光纤连接头相连，3dB耦合器的另一个输入端接入光谱分析仪或者解调仪，通过光谱分析仪或者解调器可以观察光纤光栅反射谱的改变。

本发明中的光纤光栅有两种不同的粘贴方式，由图1可知，粘贴在弹性杆的上表面时，可以实现光纤光栅的拉伸应变调谐，粘贴在弹性杆的下表面时，可以实现压缩应变调谐。粘贴时光纤光栅1的轴向要和弹性杆2的轴向平行。

本发明光纤光栅通过光谱分析仪或者解调仪可观测光纤光栅在调谐过程中的光谱特性。根据目标光谱需要改变移动平台前进的距离可以得到所需的目标光谱。

本发明的原理是基于光纤光栅的应变调谐特性。光纤光栅布拉格波长随应变变化的关系如下式所示：

Δλ_B＝(1-P_e)ελ_B

式中P_e为光纤的弹光系数，对于石英光纤为0.22。如图1所示，将光纤光栅粘贴在弹性杆的中间，设弹性杆的厚度为y，长度为L。设z为弹性杆上任意一点距离左边固定平台的距离，移动平台向左边固定平台移动的位移为ΔL，则粘贴在弹性杆中间的光纤光栅的波长偏移量为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B=(1-P_e)y\frac{1}{\mathrm{\π}}\sqrt{\mathrm{\ΔL}(L-\mathrm{\ΔL})}{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{L-\mathrm{\ΔL}}\right)}^2\cos \frac{2\mathrm{\πz}}{L-\mathrm{\ΔL}}{\mathrm{\λ}}_B$

ΔL发生变化，光纤光栅布拉格波长偏移量随着变化。

本发明涉及的可调谐滤波器是一种新型的光纤光栅波长调谐装置，是将光纤光栅粘贴在弹性杆的中间，用PC机控制步进电机推进移动平台发生位移使弹性杆发生弯曲变形，通过应变使光纤光栅的周期发生改变，随着挤压程度的不同光纤光栅受到的拉应变或者压应变不同，从而实现光纤光栅波长双向调谐。由于移动平台位移的不同，产生的应变大小不同，从而产生了多个不同中心波长的光纤光栅滤波器。

本发明利用弹性杆受到从两端向中间的挤压弯曲变形使光纤光栅的周期发生改变，由于光纤光栅抗压缩应变能力是抗拉伸应力能力的23倍，所以光纤光栅波长的压缩调谐量要远远大于拉伸调谐量。

本发明的优点在于PC机上有自己编写的人机交互界面，可以根据实际需要输入移动平台需要移动的距离和移动的方向，通过步进电机精确控制移动平台前进的距离和方向，克服了其他方法精度不高、只能通过手动控制的缺点。

(四)附图说明

图1是本发明光纤光栅滤波器的结构示意图。

其中，1.光纤光栅，2.弹性杆，3.移动平台，4.水平滑杆，5.固定平台，6.精密丝杆，7.法兰，8.步进电机，9.底座，10.PC机，11.MCU，12.驱动器。

图2是移动平台的位移量ΔL分别为10mm、20mm、30mm和40mm时，20厘米长的弹性杆上不同位置处的应变分布。

图3是拉伸调谐和压缩调谐状态下，移动平台的位移量ΔL不同时光纤光栅的反射谱图。在初始状态时，光纤光栅的中心波长为1557.18nm。在拉伸调谐状态下光纤光栅的中心波长向长波长方向移动，波长调谐量达到10nm。在压缩调谐状态下光纤光栅中心波长向短波长方向移动，波长调谐量达到25nm，反射谱波长的双向调谐范围达到了35nm。在调谐过程中3dB带宽的改变量小于0.09nm。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例如图1所示，包括光纤光栅1、弹性杆2、水平滑杆4、步进电机8、精密丝杆6、法兰7、固定平台5、移动平台3、底座9、驱动器12、MCU11、PC机10，其特征在于固定平台5固定在底座9两端上，固定平台5上水平固定有水平滑杆4；精密丝杆6通过轴承被固定在固定平台5上，和水平滑杆4平行放置，其一端穿出固定平台5和步进电机8的转轴相连接；移动平台3上面带有通孔通孔穿过水平滑杆4并可沿水平滑杆4来回移动；移动平台3下方固定有法兰7，法兰7内带有丝纹，法兰7套接在精密丝杆6上，其丝纹和精密丝杆6上的丝纹相适配，通过步进电机8连同精密丝杆6的转动可带动法兰7及移动平台3作水平移动；弹性杆2两端分别固定在底座9一端的固定平台5和移动平台3上，光纤光栅1粘贴在弹性杆2的中间；PC机10的串口输出经MCU11和驱动器12相连接，驱动器12与步进电机8相连。

本实施例中的弹性杆2为有机玻璃材料，使用激光切割刀切割，保证了材料切割的平整。

实施例2：

和实施例1相同，只是弹性杆2为弹性钢材料。

Claims (2)

1、一种可调谐光纤光栅滤波器，包括弹性杆、水平滑杆、精密丝杆，直线型步进电机、固定平台、移动平台、底座、驱动器、MCU、PC机，其特征在于固定平台固定在底座两端上，固定平台上水平固定有水平滑杆；精密丝杆通过轴承被固定在固定平台上，和水平滑杆平行放置，其一端穿出固定平台和步进电机的转轴相连接；移动平台上面带有通孔，通孔穿过水平滑杆并可沿水平滑杆来回移动；移动平台下方固定有法兰，法兰内带有丝纹，法兰套接在精密丝杆上，其丝纹和精密丝杆上的丝纹相适配，通过步进电机连同精密丝杆的转动可带动法兰及移动平台作水平移动；弹性杆两端分别固定在底座一端的固定平台和移动平台上，光纤光栅粘贴在弹性杆的中间；PC机的串口输出经MCU和驱动器相连接，驱动器与步进电机相连。

2、如权利要求1所述的一种可调谐光纤光栅滤波器，其特征在于所述的弹性杆可以是有机玻璃材料，也可以是塑料或弹性金属材料。

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