CN102508358A - 可调谐窄带光栅滤波器装置和调谐方法 - Google Patents

Abstract

一种可调谐窄带光栅滤波器装置和调谐方法，装置由温度控制模块、精密位移台、窄带滤波光栅和底板构成，调谐方法是通过精密位移台拉伸光栅，粗略调节光栅中心波长，然后用温度控制模块对光栅进行温度调节，达到精密调节光栅中心波长的目的。本发明解决了可调谐窄带光栅滤波器大动态范围和高调谐精度相互制约的矛盾，既能在5～6nm的大动态范围内调节光栅滤波器的中心波长，又能保证中心波长的精密调节精度达到0.01nm，且调节方法简单、直接、有效、可靠，具有很强的实用和商业价值。

Description

可调谐窄带光栅滤波器装置和调谐方法

技术领域

本发明涉及光纤传感，是一种可调谐窄带光栅滤波器装置和调谐方法，特别涉及处理因窄带光栅滤波器调节范围小或调节精度不高的情况，采用本方法可以达到窄带光栅滤波器大动态范围精确调节的目的。

背景技术

窄带滤波光栅是一种光纤布拉格光栅(以下简称FBG)，其中心波长与光栅周期和有效折射率相关，关系表达式如下：

λ_B＝2n_effΛ         (1)

式中：λ_B为FBG反射的中心波长；n_eff为纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。利用(1)式可以推出FBG的中心波长随外界温度和应变的变化关系式如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\mathrm{\ζ})\mathrm{\ΔT}+(1-P)\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

式中：Δλ_B为FBG反射的中心波长变化量，λ_B为FBG反射的中心波长，ΔT为温度变化量，ε为轴向应变变化量，n_eff为纤芯的有效折射率，α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，P为光纤有效弹光系数。

从式(2)可以看出应变和温度是直接改变FBG中心波长的物理量，当FBG受到外界应变作用时，光栅周期会发生变化，同时，光弹效应会使光栅有效折射率变化；当FBG收到外界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时，热敏效应会导致光栅有效折射率变化。

目前可调谐窄带光栅滤波器主要是采用两种调节方法：基于悬臂梁拉伸控制的调节方法和基于温度控制的调节方法。

基于悬臂梁拉伸控制的调节方法可以实现5～6nm的大动态范围调节，但调节精度不高，且中心波长易因外界温度变化而发生漂移，稳定性较差。

基于温度控制的调节方法可以实现窄带光栅滤波的高精度调节，调节精度可达0.01nm，但其动态范围较小，一般在1nm以下。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有方法的不足，提供一种可调谐窄带光栅滤波器装置和调谐方法，将基于应变的拉伸调节方法和基于温度的温控调节方法有机结合，以解决可调谐窄带光栅滤波器在大动态范围内精确调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种可调谐窄带光栅滤波器装置，特点在于其构成包括温度控制模块、精密位移台、窄带滤波光栅和底板，所述的温度控制模块由温度控制电路、温度显示屏、温度调节旋钮和V型槽构成；所述的精密位移台由微分头、位移块和位移台底座构成，其连接关系是：所述的温度控制模块和精密位移台置于所述的底板上，所述的V型槽和位移台底座固定在所述的底板上不动，所述的窄带滤波光栅放置在所述的V型槽中，该窄带滤波光栅的光纤的一端固定在V型槽的外端，该窄带滤波光栅的光纤的另一端拉直后固定在所述的精密位移台的位移块上。

所述的可调谐窄带光栅滤波器装置的调谐方法，包括下列步骤：

①当所需的窄带滤波光栅的中心波长确定后，首先调节所述的精密位移台的微分头，移动所述的位移块，带动所述的窄带滤波光栅产生拉伸应变，直至所述的窄带滤波光栅的中心波长与所需的中心波长基本一致；

②调节所述的温度控制模块上的温度调节旋钮，使所述的V型槽及其窄带滤波光栅的温度发生改变，精密调节所述的窄带滤波光栅的中心波长，使之与所需的中心波长完全一致。

本发明的技术效果：

本发明避开了基于温度控制方法调节动态范围小和悬臂梁拉伸应变控制方法调节精度低的问题，选择采用温度控制与应变控制相结合的方法，解决了可调光栅滤波器的大动态范围和高调节精度之间的矛盾，达到了窄带光栅滤波器在大动态范围内精确调节的目的。

本发明先采用精密位移台对FBG进行拉伸调节，位移距离精确可调，能快速调节FBG的中心波长与所需中心波长基本一致，再通过高精度温度控制模块精密调节FBG的中心波长与所需中心波长完全一致，且由于温控的作用，能使窄带光栅滤波器保持长期稳定性。本发明特别适用于窄带光栅滤波器能大动态范围精确调节的场合，适用于光通信和光传感领域。

本发明的特点是解决了可调谐窄带光栅滤波器大动态范围和高调谐精度相互制约的矛盾，既能在5～6nm的大动态范围内调节光栅滤波器的中心波长，又能保证中心波长的精密调节精度达到0.01nm，且调节方法简单、直接、有效、可靠，具有很强的实用和商业价值。

附图说明

图1——本发明可调谐窄带滤波光栅的调谐装置框图

图2——温度控制模块框图

图3——精密位移台框图

图4——本发明调谐流程图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，图1是本发明可调谐窄带光栅滤波器的调谐装置框图。由图可见，本发明可调谐窄带光栅滤波器装置，构成包括温度控制模块1、精密位移台2、窄带滤波光栅3和底板4，所述的温度控制模块1(参阅图2)由温度控制电路1-1、温度显示屏1-2、温度调节旋钮1-3和V型槽1-4构成；所述的精密位移台2(参阅图3)由微分头2-1、位移块2-2和位移台底座2-3构成，其连接关系是：所述的温度控制模块1和精密位移台2置于所述的底板4上，所述的V型槽1-4和位移台底座2-3固定在所述的底板4上，所述的窄带滤波光栅3放置在所述的V型槽1-4中，该窄带滤波光栅3的光纤的一端固定在V型槽1-4的外端，该窄带滤波光栅3的光纤的另一端拉直后固定在所述的精密位移台2的位移块2-2上。

所述的温度控制模块1为上海瞬态电子科技有限公司的SHTEC01，其温控精度达到0.1摄氏度。温度控制模块1通过温度调节旋钮预设所需温度，温度控制电路对V型槽加热或制冷，最终V型槽的温度与预设温度一致。所述的精密位移台2为北京北光世纪仪器有限公司的PTS103M，位移调节精度达5微米。精密平移台2通过调节微分头移动位移块，对窄带滤波光栅产生拉伸作用。窄带滤波光栅3两端接有滤波输入输出端口。

通过温度调节旋钮1-3预设温度，温度控制电路1-1控制V型槽的温度，温度显示屏1-2显示预设温度和V型槽的实时温度。当V型槽温度与预设温度一致时，所述的温度控制模块1稳定工作，控制V型槽温度不变。

参阅图4，图4是本发明调谐流程图。利用所述的可调谐窄带光栅滤波器装置调节窄带光栅的中心波长的方法，包括下列步骤：

①当所需的窄带滤波光栅中心波长确定下来后，调节所述的精密位移台的微分头，移动位移块，使光栅产生拉伸应变，直至窄带滤波光栅中心波长与所需中心波长基本一致(误差在0.2nm以内)；

②调节所述的温度控制模块上的温度调节旋钮，使光栅温度发生改变，对窄带滤波光栅中心波长进行精密调节，直至其与所需的中心波长完全一致。

上述装置区别于现有装置的特殊地方在于，通过温度和应变两种方式相结合的方法，分两步进行窄带光栅中心波长的调节。先通过精密位移台拉伸光栅，粗略调节窄带光栅中心波长，再通过温度控制模块进一步精密调节窄带光栅中心波长。通过以上两步调节，可以达到大动态范围高精度调节窄带光栅中心波长的目的。调节方法简单、直接、有效、可靠，具有很强的实用和商业价值。

实验表明：本发明的特点在于避开了基于温度控制方法调节动态范围小和悬臂梁拉伸应变控制方法调节精度低的问题，选择采用温度控制与应变控制相结合的方法来设计可调谐窄带光栅滤波器，解决了大动态范围和高调节精度之间的矛盾，达到了窄带光栅滤波器在大动态范围内精确调节的目的。

本发明以一实例披露如上，然该实例并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作进一步的更动与润饰。本发明的保护范围以权利要求的范围为准。本发明的特点是解决了可调谐窄带光栅滤波器大动态范围和高调谐精度相互制约的矛盾，既能在5～6nm的大动态范围内调节光栅滤波器的中心波长，又能保证中心波长的精密调节精度达到0.01nm，且调节方法简单、直接、有效、可靠，具有很强的实用和商业价值。

Claims (2)

1.一种可调谐窄带光栅滤波器装置，特征在于其构成包括温度控制模块(1)、精密位移台(2)、窄带滤波光栅(3)和底板(4)，所述的温度控制模块(1)由温度控制电路(1-1)、温度显示屏(1-2)、温度调节旋钮(1-3)和V型槽(1-4)构成；所述的精密位移台(2)由微分头(2-1)、位移块(2-2)和位移台底座(2-3)构成，其连接关系是：所述的温度控制模块(1)和精密位移台(2)置于所述的底板(4)上，所述的V型槽(1-4)和位移台底座(2-3)固定在所述的底板(4)上，所述的窄带滤波光栅(3)放置在所述的V型槽(1-4)中，该窄带滤波光栅(3)的光纤的一端固定在V型槽(1-4)的外端，该窄带滤波光栅(3)的光纤的另一端拉直后固定在所述的精密位移台(2)的位移块(2-2)上。

2.权利要求1所述的可调谐窄带光栅滤波器装置的调谐方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①当所需的窄带滤波光栅(3)的中心波长确定后，首先调节所述的精密位移台(2)的微分头(2-1)，移动所述的位移块(2-2)，带动所述的窄带滤波光栅(3)产生拉伸应变，直至所述的窄带滤波光栅的中心波长与所需的中心波长基本一致；

②调节所述的温度控制模块(1)上的温度调节旋钮(1-3)，使所述的V型槽(1-4)及其窄带滤波光栅(3)的温度发生改变，精密调节所述的窄带滤波光栅的中心波长，使之与所需的中心波长完全一致。

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