CN104698585A - 可调光纤f-p滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调光纤F-P滤波器，该滤波器的F-P腔为弹性体，其中间开通孔，两端各插设一个陶瓷插芯，所述陶瓷插芯内部插有光纤；所述弹性体的外部依次套设环形压电陶瓷驱动元件和环形温度补偿片圈；所述环形压电陶瓷驱动元件在电压的驱动下进行伸缩运动，当其伸展时，给两侧的推力作用在形弹性体上，使形弹性体伸长，F-P腔腔长变长，当环形压电陶瓷驱动元件收缩时，F-P腔腔长变短，使波长随着腔长的变化而变化。本发明通过压电陶瓷驱动实现腔长的精密调节，达到波长调谐的目的，且结构紧凑，结构本身具有温度补偿功能。

Description

可调光纤F-P滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器，尤其涉及一种可调光纤F-P滤波器。

 

背景技术

随着光纤光栅传感技术的发展和成熟，波长解调技术越来越受到人们的关注和重视。以可调谐光纤F-P滤波器为基础的波长解调系统，具有成本低，响应快，分辨率高等优点，得到了广泛的应用。而可调谐光纤F-P滤波器作为整个系统的核心器件，其性能好坏很大程度上决定了整个解调系统的性能。在光通信系统中，可调谐F-P滤波器主要用于波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）的解复用，信号解调等，已成为主流器件，并逐渐商品化。另外，F-P器件还可用作光纤放大器中的信号滤波器，在光纤激光器和频谱分析中也有重要的应用。与其他类型的可调谐光滤波器—声光滤波器、Mach-Zenhder 滤波器、分布反馈布喇格（Distributed Feed Back，DFB）激光可调谐滤波器相比，可调谐F-P滤波器具有许多优点：插入损耗低、调谐速度快、可调谐范围广、精细度高和结构灵活，可制作成不同结构以满足不同自由光谱区的需求。

在可调谐光纤FP滤波器的实际应用中还存在许多问题与不足，如易受温度变化的影响，环境温度变化1摄氏度，往往会引起光纤FP滤波器波长至少几纳米的变化。发明CN200310121601与发明CN02291998提出的滤波器结构，没有采取温度补偿，在实际应用中受到了很大限制。发明CN200810106218提到的一种光纤滤波器结构，其使用测温元件与半导体制冷器来实现温度控制，这样势必增加了结构的复杂性，难以实现小型化封装；同时电学元件的使用寿命远远不及光纤，相当于缩短了产品的使用寿命。

在大多数的文献或发明中虽然同样采用压电陶瓷驱动，但一般都是通过压电陶瓷直接驱动FP滤波器的端面或在某一端面添加一个专门设计的位移转换机构来实现腔长的调节。本发明提出的弹性体结构仅仅利用材料本身的力学特性，具有良好的重复性和可靠性，还可以通过改变弹性体结构的厚度灵活的改变腔长的调谐范围，并且装配结构紧凑，体积小型化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中FP滤波器结构复杂无法小型封装的缺陷，提供一种可实现腔长的精密调节，结构本身简单紧凑并具有温度补偿功能可调光纤F-P滤波器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种可调光纤F-P滤波器，其特征在于，该滤波器的F-P腔为弹性体，其中间开通孔，两端各插设一个陶瓷插芯，所述陶瓷插芯内部插有光纤；所述弹性体的外部依次套设环形压电陶瓷驱动元件和环形温度补偿片圈；

所述环形压电陶瓷驱动元件在电压的驱动下进行伸缩运动，当其伸展时，给两侧的推力作用在形弹性体上，使形弹性体伸长，F-P腔腔长变长，当环形压电陶瓷驱动元件收缩时，F-P腔腔长变短，使波长随着腔长的变化而变化。

本发明所述的滤波器中，所述弹性体为“T”形弹性体。

本发明所述的滤波器中，该滤波器还包括特制螺母，所述形弹性体的一部分设有与特制螺母相配合的外螺纹。

本发明所述的滤波器中，插入所述陶瓷插芯的光纤的端面与陶瓷插芯的端面平齐，并镀有镀膜。

本发明所述的滤波器中，两个陶瓷插芯插入弹性体的长度相同。

本发明所述的滤波器中，所述弹性体的两端径向方向各设有一个螺丝钉孔，通过螺钉紧固所述陶瓷插芯。

本发明所述的滤波器中，光纤与所述陶瓷插芯之间点胶固定。

本发明所述的滤波器中，所述弹性体为金属材料制成。

本发明产生的有益效果是：本发明通过环形压电陶瓷驱动元件在电压的驱动下进行伸缩运动，当其伸展时，会给两边的结构体一个推力，最终作用在弹性体上，导致弹性体伸长，F-P腔腔长变长；同样，当环形压电陶瓷驱动元件收缩时，F-P腔腔长变短。腔长变化过程中刚好扫过一个自由谱区，这样，波长随着腔长的变化而变化，实现了调谐的目的。另外，可调谐光纤FP滤波器的温度补偿可通过形弹性体、陶瓷插芯组件和负温度膨胀系数的环形温度补偿片圈之间的热胀冷缩相消来实现的。本发明结构简单、紧凑可以实现小型封装。

 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例可调光纤F-P滤波器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例“T”形弹性体与陶瓷插芯组件装配图；

图3为本发明实施例波长调谐工作原理图；

图4为本发明实施例结构温度补偿原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的可调谐光纤F-P滤波器，通过压电陶瓷驱动实现腔长的精密调节，达到波长调谐的目的，且结构本身具有温度补偿功能。

本发明实施例的可调谐光纤F-P滤波器，如图1所示，其F-P腔为弹性体3，其中间开通孔，两端各插设一个陶瓷插芯1、2，所述陶瓷插芯1、2内部插有光纤10、11。本发明的一个实施例中，两根光纤分别穿过两个陶瓷插芯，光纤的端面与插芯的端面平齐，光纤与插芯与之间点胶固定。两个陶瓷插芯插入弹性体的长度相同。光纤端面与陶瓷插芯平齐的一面，进行研磨和光学镀膜，形成两个陶瓷插芯组件。两个陶瓷插芯里面的光纤是不接触的，有一个极小的缝隙，一般是微米级的缝隙。

所述弹性体3的外部依次套设环形压电陶瓷驱动元件4和环形温度补偿片圈5。

所述环形压电陶瓷驱动元件4在电压的驱动下进行伸缩运动，当其伸展时，给两侧的推力作用在形弹性体3上，使形弹性体3伸长，F-P腔腔长变长，当环形压电陶瓷驱动元件4收缩时，F-P腔腔长变短，使波长随着腔长的变化而变化。

本发明的较佳实施例所述弹性体3为“T”形弹性体。如果是单一结构体的话，优选“T”形，当然也可以是其他几种结构的组合体。弹性体3可选择金属材料，本发明的一个较佳实施例中选用殷钢。

 “T”形弹性体中心位置开有通孔，其孔直径刚好与陶瓷插芯外径匹配，两端径向方向各有一个细小的螺丝钉孔。将两个陶瓷插芯组件按一定的要求穿进“T”形弹性体的中心孔，然后分别用小螺钉8、9紧固。另外，“T”形弹性体一端带有部分外螺纹，刚好和特制螺母6、7匹配，螺纹长度刚好到环形温度补偿片圈5的位置结束。

环形压电陶瓷驱动元件4和环形温度补偿片圈5套在“T”形弹性体上，环形压电陶瓷驱动元件4和环形温度补偿片圈5只是厚度不同，外径与内径相同，并且内径与“T”形弹性体外径刚好一样。

环形压电陶瓷驱动元件4和环形温度补偿片圈5以预应力的状态被两个特制螺母紧紧固定在“T”形弹性体上。

本发明的结构特点还体现在两个陶瓷插芯组件的外径与“T”形弹性体的内径刚好一样；“T”形弹性体的外径与环形压电陶瓷驱动元件4和环形温度补偿片圈5的内径基本一样。并且环形压电陶瓷驱动元件的驱动电压从0~36伏特变化的过程中，光纤FP滤波器刚好扫过约40nm的波长调谐范围。

通过改变“T”形弹性体管壁的厚度，可以改变光纤FP滤波器的波长调谐范围。因为壁厚刚度大，相反则小，用来调整结构的形变大小。厚度减小，则波长调谐范围变大；厚度增加，则波长调谐范围变小。

可调谐光纤FP滤波器的温度补偿是通过环形压电陶瓷驱动元件4，“T”形弹性体，陶瓷插芯组件和负温度膨胀系数的环形温度补偿片圈5之间的热胀冷缩相消来实现的。

如图2所示，由陶瓷插芯1与光纤11组成的组件和由陶瓷插芯2与光纤10组成的组件分别从 “T”形弹性体3的中心孔两端插入，两个组件插入长度一样。通过观察F-P滤波器的透射光谱调节腔长，确定两个组件具体位置后，分别用紧固小螺钉8、9，进行固定。

如图3所示，陶瓷插芯组件装配完毕，当环形压电陶瓷驱动元件4和环形温度补偿片圈5被特制螺母6、7以预应力的状态固定后，压电陶瓷驱动元件4会在电压的驱动下进行伸缩运动。当其伸展时，会给两边的结构体一个推力，这个推力最终作用在“T”形弹性体上，导致“T”形弹性体部分伸长，F-P腔腔长变长；同样，当环形压电陶瓷驱动元件4收缩时，F-P腔腔长变短。腔长变化过程中刚好扫过一个自由谱区，这样，波长随着腔长的变化而变化，实现了调谐的目的。

如图4所示，为本发明可调光纤FP滤波器的结构温度补偿原理图。在一个升温过程中，温度变化为量                                                T，那么“T”形弹性体的有效伸长量为，两个陶瓷插芯的有效伸长量为(。这里只分析有效伸长量，即两个紧固小螺钉之间的这段长度L的变化，因为其它部分长度的变化不会对腔长产生影响，腔长以表示。由于“T”形弹性体的膨胀使腔长变大，陶瓷插芯的膨胀使腔长变小，且“T”形弹性体膨胀的贡献更大，所以作用在腔长上的有效量为：

；

环形压电陶瓷驱动元件4的膨胀量为，环形温度补偿片圈5为负温度膨胀系数的材料加工而成，其膨胀量为，由于特制螺母与“T”形弹性体为同一材料，不考虑其对弹性体的影响，那么作用在弹性体上的变化量为：

忽略应力应变的影响，即为作用在腔长上的变化量。那么作用在腔长上的最终变化量为：

在设计选材时，“T”形弹性体比压电陶瓷，陶瓷插芯的膨胀系数略大，约为1.2倍，为了便于分析问题，将相关参数进行以下处理：

；

；

压电陶瓷与陶瓷插芯的膨胀系数基本一样，用统一表示；

腔长的实际长度为几微米，由于膨胀引起的变化量忽略不计；

各结构件之间的长度关系为：。

那么，腔长最终变化量简化为：

=

由上式结果可知，各种材料由于温补膨胀引起的长度变化量刚好相互抵消，实现温度补偿。实际过程中由于一些参数无法精确控制，达不到最理想的状态，往往通过稍微调整的大小来实现精确补偿。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种可调光纤F-P滤波器，其特征在于，该滤波器的F-P腔为弹性体，其中间开通孔，两端各插设一个陶瓷插芯，所述陶瓷插芯内部插有光纤；所述弹性体的外部依次套设环形压电陶瓷驱动元件和环形温度补偿片圈；

所述环形压电陶瓷驱动元件在电压的驱动下进行伸缩运动，当其伸展时，给两侧的推力作用在形弹性体上，使形弹性体伸长，F-P腔腔长变长，当环形压电陶瓷驱动元件收缩时，F-P腔腔长变短，使波长随着腔长的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述弹性体为“T”形弹性体。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，该滤波器还包括特制螺母，所述形弹性体的一部分设有与特制螺母相配合的外螺纹。

4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，插入所述陶瓷插芯的光纤的端面与陶瓷插芯的端面平齐，并镀有镀膜。

5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，两个陶瓷插芯插入弹性体的长度相同。

6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述弹性体的两端径向方向各设有一个螺丝钉孔，通过螺钉紧固所述陶瓷插芯。

7.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，光纤与所述陶瓷插芯之间点胶固定。

8.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述弹性体为金属材料制成。