CN111198419A - 一种光纤f—p腔可调谐滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可调光纤F—P滤波器。本发明的调谐滤波器中的压电陶瓷器件为中空管状结构，其两端分别设置插有输入光纤插芯和输出光纤插芯，输入插芯与输出光纤插芯分别固定于压电陶瓷器件的两端，所述压电陶瓷器件设置于一中空的壳体内、且中空壳体的轴线与管状压电陶瓷轴线平行，输入光纤插芯的外端与中空壳体内相邻端间设置有弹簧，中空壳体内设置有温度传感元件和致冷元件，中空壳体外设置有保温材料。本发明的优点是可以克服现有技术存在的因压电陶瓷长度变化对其性能的影响；可较好地降低其制备的难度，同时可降低制造的成本；具有控制精度高、热响应快及功耗低的优点并使可调谐范围变大，同时可降低驱动压电陶瓷的电压幅度。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤波器，特别是一种可调光纤F—P滤波器。本发明的光纤F—P腔可调谐滤波器，包括：输入光纤和输出光纤、其内分别插入输入光纤和输出光纤的两个光纤插芯、以及压电陶瓷器件。
背景技术
随光纤传感与传输技术的广泛应用，用于对光波长进行调谐的器件也日益受到重视，可调光纤F—P滤波器由于其特有的精细度高，调谐速度快，体积小等优点，得到了广泛的应用性质，已成为一种常用的器件。虽然现有的可调光纤F—P滤波器有多种形式，但普遍存在制作成本高，加工难度大，其特性差异也较大的不足。其次，现有的可调光纤F—P滤波器需要进一步提高其工作稳定性、减少因温度变化造成的性能变化等问题。
中国发明专利200910071000X公开了一种用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的方法及装置。该装置包括可调谐激光器与光功率模块、基于可调谐光滤波器的测试模块、F-P标准具模块以及中央处理模块四部分。F-P标准具可在较大范围内提供多个参考波长，利用多项式拟合法对可调谐光滤波器的波长-电压关系进行拟合，可以刻画可调谐光滤波器的波长响应特性，实现了对可调谐光滤波器中PZT驱动电压和光滤波器透射带之间非线性关系的研究。该专利方法提供了多个参考波长，可提高了系统的检测灵敏度。
中国发明专利200810106218X公开了一种可调谐光纤F－P腔滤波器，包括：由金属或陶瓷材料构成的封装盒；固定于封装盒内的半导体制冷器；固定于半导体制冷器上的结构块、压电陶瓷、测温元件和耐热材料；通过环氧树脂粘贴材料密封，并固定于开有球冠形通孔的结构块上的护套；通过第一光纤插针固定于护套中的第一光纤；通过第二光纤插针固定于护套中的第二光纤；以及由端面镀膜的第一光纤与第二光纤形成的F－P腔。根据该专利披露，这种可调谐光纤F－P滤波器具有分辨率高、动态范围大、响应速度快、工作稳定等优点，可提高F－P滤波器的性能。
中国发明专利申请2018101031908公开一种可调谐光纤F-P滤波器温度不敏感装置，包括成对光纤组合体、套管、温度补偿装置和带温度补偿的位移装置，成对光纤组合体安装在套管内并至少有一端部伸出于套管，温度补偿装置包括温度补偿架和第一套筒连接架，第一套筒连接架可拆卸地安装在温度补偿架和任一光纤组合体的伸出端部之间，带温度补偿的位移装置包括位移驱动板、位移驱动温度补偿板、第二套筒连接架和转接板，带温度补偿的位移装置通过转接板装在套管上并对应于光纤组合体在套管内的位置，第二套筒连接架可拆卸地安装在位移驱动板和位移驱动温度补偿板之间。该技术内容可解决器件对温度敏感问题，提高可调谐光纤F-P滤波器的使用环境，降低器件的外部控制电路的复杂程度。
中国发明专利2015101528103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腔的腔长变长，当环形压电陶瓷驱动元件收缩时，F-P腔的腔长变短，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。
现有技术方案中均存在制作成本高，加工难度大的不足，另外其补偿调整的能力也显得不足。其次，光纤F—P腔可调谐滤波器工作原理为:通过改变压电陶瓷的驱动电压的大小，改变F-P腔的腔长L来实现可调谐的目的，但当F—P腔腔长发生改变时由于光纤插芯与压电陶瓷配合间的摩擦力的作用会使其运动不平稳，使可调光纤F—P腔滤波器性能受到影响。另一方面，压电陶瓷升压曲线和降压曲线之间存在位移差，这个位移差会随着电压变化范围的改变而改变，驱动电压越小则位移差也会相应越小，这也影响可调光纤F—P腔滤波器的性能。而且提高压电陶瓷驱动电压也会引起器件温度的升高，从而影响其性能。
发明内容
本发明提供一种可克服现有技术不足的光纤F—P腔可调谐滤波器。
如同现有技术，本发明一种光纤F—P腔可调谐滤波器中也包括有：输入光纤和输出光纤、其内分别插入输入光纤和输出光纤的两个光纤插芯、以及压电陶瓷器件，特别的一种光纤F—P腔可调谐滤波器，包括：输入光纤和输出光纤、其内分别插入输入光纤和输出光纤的两个光纤插芯、以及压电陶瓷器件，其特征在于所述本发明的压电陶瓷器件为管状结构，其管状结构压电陶瓷器件的两端分别设置有用输入光纤和输出光纤的输入光纤插芯和输出光纤插芯，输入插芯与输出光纤的外端分别固定于压电陶瓷器件的两端，所述压电陶瓷器件和其两端设置的光纤插芯均设置于一中空的壳体内、且中空壳体的横轴线与管状压电陶瓷轴线平行，至少在一个光纤插芯的外端与中空壳体内相邻端间设置有弹簧，中空壳体内设置有温度传感元件和致冷元件，中空壳体外设置有保温材料。
优选地，本发明的一个实施例的光纤F—P腔可调谐滤波器中，其输入光纤插芯和输出光纤插芯各分别设置于一个用热稳定材料制备的一端带有凸缘的插芯座内，压电陶瓷器件位于两个插芯座的凸缘之间，且各插芯座与陶瓷座间相互固定，各光纤插芯与相应的光纤插芯座间相互固定，光纤插芯的外端与中空壳体内相邻端间设置有弹簧。
优选地，本发明的另一个实施例的光纤F—P腔可调谐滤波器，其输入与输出光纤插芯设置于其中部带有凸缘的支架内，支架的两端分别与两个用热稳定材料制作的、其端部设有凸缘的插芯座相互固定，在输入插芯座的凸缘与支架凸缘间和输出插芯座的凸缘与支架凸缘间各设置有一个压电陶瓷器件，输入插芯和输出插芯的外端与外壳间各分别设置有弹簧，其中：各插芯座与相结合的插芯间、各插芯座与相结合的压电陶瓷间、各压电陶瓷与支架间相互固定联接。本发明的支架可用热稳定较好的金属材料制备，所述的固定联接可以是粘接相互固定。
优选地，本发明的一种光纤F—P腔可调谐滤波器，其输入光纤插芯座和输出光纤插芯座分别用硬质合金材料或陶瓷材料制备。
优选地，本发明的一种光纤F—P腔可调谐滤波器，其压电陶瓷的横截面积S与补偿伸长量△L及压电陶瓷材料间满足下式的关系，
△L＝QrP+P2S/ε0K
其中:△L为压电陶瓷的伸长量；P为压电陶瓷的内部电极化强度；ε0为真空中的介电常数；Q r为极化后的剩余电荷；S为压电陶瓷的横截面积；K为压电陶瓷叠片的弹性模量。
更为优选地，本发明的光纤F—P腔可调谐滤波器，其制冷元件为半导体制冷片，在半导体制冷元件下设置有散热片，散热片设置于中空外壳外保温材料的一个散热“窗口”处。
本发明具有如下优点：
1)本发明在输入光纤插芯座的插入端与中空外壳间设置有弹簧，可以克服现有技术存在的因压电陶瓷长度变化对其性能的影响，同时因本发明设置的弹簧给压电陶瓷施加一个预载力，这样可以极大地改善压电陶瓷效能，提高了F—P腔的腔长变化过程中的平稳性；
2)采用陶瓷或硬质合金材料等热稳定材料制作插芯座，可较好地降低其制备的难度，同时可降低制造的成本；
3)本发明中，将制冷元件与其下的散热片设置于中空外壳外保温材料的一个小散热“窗口”处，可克服现有技术中存在的制冷降温时间过长，控温效果差的不足，采用半导体制冷元件还具有控制精度高、热响应快及功耗低的优点；
4)本发明对压电陶瓷材料、截面积及压电陶瓷伸长量进行限定，其可调谐范围变大，同时可降低驱动压电陶瓷的电压幅度。
5)特别是本发明设置有两个压电陶瓷的结构，可以降低单个压电陶瓷的驱动电压，使从而升压曲线和降压曲线之间存在位移差变小，进一步提高了其性能。
附图说明
图1为本发明的第一个实施例的结构示意图。
图2为本发明的第二个实施例的结构示意图。。
图3为压电陶瓷器件驱动电压(升压曲线和降压曲线)与F-P腔伸长量变化曲线，其中横坐标为驱动电压纵坐标为F-P腔长变化量，曲线中向上的箭头曲线为升压曲线，向下的箭头曲线为降压曲线。
图4为图1实施例的调谐光纤F—P腔滤波器的实施例与现有技术的驱动电压与F-P腔长变化的长系，其中：A为现有技术(即未加弹簧的位移曲线)，B为图1实施例。
图5为现有技术(即不加弹簧)的F-P腔长的位移—压电陶瓷驱动电压曲线。
图6为本发明加设弹簧后F-P腔长的位移-电压曲线。
图7为本发明图2示实施例的设置弹簧、增大压电陶瓷截面、设置两个压电陶瓷后F-P腔长的位移-电压曲线。
图8为本发明图2示实施例的可调谐光纤F—P腔滤波器与现有技术F-P腔长的位移-电压曲线比较图。
附图中：输入光纤1，输出光纤2，输入光纤插芯3，输出光纤插芯4、输出光纤座5(右)、输入光纤座6(左)，压电陶瓷器件7(7a和7b)、外壳8、弹簧9(9a和9b)、半导体制冷片10、散热板11、温度传感器12、光纤橡胶护套13、保温隔热层14、支架15。
具体实施方式
本发明以下结合实施例进行解说。
图1给出的本发明的最佳实施例中是由输入光纤1，输出光钎2，输入光纤插芯3，输出光纤插芯4、输出光纤插芯座(右)5、输入光纤插芯座6(左)，压电陶瓷器件7、外壳8、弹簧9、半导体制冷片10、散热板11、温度传感器12、光纤橡胶护套13、保温隔热层14组成，其中输出光纤插芯座5和输入光纤插芯座6均用热稳定材料制备，例如采用陶瓷材料或硬质合金材料制备。
由图1可见：管状的压电陶瓷器件7的两端分别固定设置有输入插芯座6和输出插芯座5，其固定设置方式可以采用粘接固定，在输入插芯座6和输出插芯座5中分别穿入输入插芯3和输出插芯4，输入插芯3和输出插芯4间的间隔由设备光谱信号确定，在使用过程中其间隙是通过改变压电陶瓷的驱动电压的大小进行调整，且插芯3和4的端面及其内的输入光纤1和输出光纤2端面处镀有高反射膜，形成F-P腔。本实施例的壳体8采用导热金属材料制备，其外部底部设置有半导体制冷片10，半导体制冷片19底部设置有散热片11。与半导体制冷片10接触面的平面度不大于0.03，接触面均匀涂有导热硅胶，以保证两者间有良好的导热效果。壳体8内还设置有温度传感器12，用于检测温度的变化并提供温度控制的信号。在壳体8外部包裹有保温材料的隔热层14，且在隔热层14中设置一个小的“窗口”，用于设置散热片11。这样的结构既可起到储能的作用，同时也利于散热。
本发明的最佳实施例应用及与现有技术的对比情况如下：
由于电陶瓷升压曲线和降压曲线之间存在位移差。在同一个电压值下，上升曲线和下降曲线上的位移值有明显的差异，而且这个位移差会随着电压变化范围的改变而改变，驱动电压越小则位移差也会相应越小，压电陶瓷的迟滞一般在给定电压对应位移值的10％～15％左右。为了使可调谐滤波器性能稳定，首先要解决压电陶瓷的迟滞性，在满足调谐范围要求的情况下，降低驱动电压幅度来控制迟滞。现有技术中降低驱动电压幅度会减小压电陶瓷的伸长量△L，使得可调谐宽度变窄，参见表1数据。
表1
| 驱动电压(V) | 迟滞(％) | 线性度(％) |
| 10 | 1.1 | 0.5 |
| 20 | 2.1 | 0.8 |
| 30 | 2.9 | 1.2 |
| 40 | 4.1 | 1.5 |
本实施例中，为了解决这个问题，本实施例通过加大压电陶瓷的截面积S，来补偿伸长量△L。压电陶瓷位移的关系:
△L＝QrP+P2S/ε0K
式中:△L为压电陶瓷的伸长量；P为压电陶瓷的内部电极化强度；ε0为真空中的介电常数；Q r为极化后的剩余电荷；S为压电陶瓷的横截面积；K为压电陶瓷叠片的弹性模量。
另一方面，由于压电陶瓷7的位移随着温度的增加而减小，使得F-P腔腔长L变化，引起可调谐光纤F—P腔滤波器调谐的中心波长漂移，导致性能不稳定。这就要求壳体8内部温度在一个恒温状态下。目前的做法是将半导体制冷片10安装在壳体8内部，当制冷时，热面通过壳体8散热，这样热量在向外界散热的同时也向内部散热，这样的制冷时间延长，控温效果差，功耗大。因此本实施例将半导体制冷片10外部，同时壳体8外部装有用玻璃纤维棉、聚氨酯等保温隔热材料制成的保温隔热层14，并在隔热层14中设置一个散热窗口用于设置半导体制冷元件10下面设置的散热片11。这样大大降低了外部温度变化引起对壳体8内部温度变化的影响，再通过半导体制冷片10、温度传感器12，实现壳体8内部恒温。这样温度控制精度高、效果好、功耗小。在更大成度上提高了可调谐F-P腔滤波器的稳定性。
在现有技术中，由于可调谐光纤F—P腔滤波器是通过改变F—P腔腔长L实现调谐。压电陶瓷伸缩时，各个点的位移量存在差异，引起压电陶瓷输入端因伸长受力而致的倾斜，由于压电陶瓷左座6与输入光纤插芯3是固定的，所以输入光纤插芯3也同样受到此力，使得在F—P腔腔长L变化时，输入光纤插芯3与定位套5的摩擦力加大，运动变得不平稳，导致可调谐光纤F—P腔滤波器性能变差。本发明由此增设了弹簧9，以防止压电陶瓷左座3受力倾斜。
由于在动态应用中，压电陶瓷的推力与拉力同时存在，推力远远大于拉力，拉力对压电陶瓷影响很大。当压电陶瓷在动态应用时，两种力交替出现。因此在压电陶瓷左座6增加弹簧，给压电陶瓷一个预载力。本发明在增设弹簧9后，压电陶瓷7的位移量虽然减小至L1，参见图3所示，但是使可调谐光纤F—P腔滤波器工作平稳性得到较大的提高。
图2的实施例为图1实施例的改进，也是本发明的一个最佳实施例。本实施例中在输入插芯座6和输出插芯座5中分别穿入输入插芯3和输出插芯4，输入插芯座6和输出插芯座5分别设置于其中间带有凸缘的管状支架15内，压电陶瓷器件7由两个独立的管状压电陶瓷管7a和7b组成，压电陶瓷管7a和7b分别固定设置于插芯座6与支架15的左侧之间和插芯座5与支架15的右侧之间，参见附图2，并采用粘接相互固定。输入插芯3和输出插芯4间的间隔由设备光谱信号确定，在使用过程中其间隙是通过改变压电陶瓷的驱动电压的大小进行调整，且插芯3和4的端面及其内的输入光纤1和输出光纤2端面处镀有高反射膜，形成F-P腔。与实施例1相同，本实施例的壳体8采用导热金属材料制备，其外部底部设置有半导体制冷片10，半导体制冷片19底部设置有散热片11。与半导体制冷片10接触面的平面度不大于0.03，接触面均匀涂有导热硅胶，以保证两者间有良好的导热效果。壳体8内还设置有温度传感器12，用于检测温度的变化并提供温度控制的信号。在壳体8外部包裹有保温材料的隔热层14，且在隔热层14中设置一个小的“窗口”，用于设置散热片11。这样的结构既可起到储能的作用，同时也利于散热。
本发明的最佳实施例应用及与现有技术的对比情况如下：
由于电陶瓷升压曲线和降压曲线之间存在位移差。在同一个电压值下，上升曲线和下降曲线上的位移值有明显的差异，而且这个位移差会随着电压变化范围的改变而改变，驱动电压越小则位移差也会相应越小，压电陶瓷的迟滞一般在给定电压对应位移值的10％～15％左右。为了使可调谐滤波器性能稳定，首先要解决压电陶瓷的迟滞性，在满足调谐范围要求的情况下，降低驱动电压幅度来控制迟滞。现有技术中降低驱动电压幅度会减小压电陶瓷的伸长量△L，使得可调谐宽度变窄。参见图3至图6，以及表1。
与前述相同，本实施例中也采用了与前一实施例相同的技术措施，通过加大压电陶瓷的截面积S，来补偿伸长量△L，压电陶瓷位移的关系如下式所示：
△L＝QrP+P2S/ε0K
其中:△L为压电陶瓷的伸长量；P为压电陶瓷的内部电极化强度；ε0为真空中的介电常数；Q r为极化后的剩余电荷；S为压电陶瓷的横截面积；K为压电陶瓷叠片的弹性模量。
本发明的压电陶瓷7a和7b的位移随着温度的增加而减小，使得F-P腔腔长L变化，引起可调谐光纤F—P腔滤波器调谐的中心波长漂移，导致性能不稳定。本实施例中也采用了与前一实施例相同的措施，以得到温度控制精度高、效果好、功耗小，在更大成度上提高调谐F-P腔滤波器稳定性的效果。
在现有技术中，由于可调谐光纤F—P腔滤波器是通过改变F—P腔腔长L实现调谐。压电陶瓷伸缩时，各个点的位移量存在差异，引起压电陶瓷输入端因伸长受力而致的倾斜，由于输入光纤插芯座6、输出光纤插芯座5分别与输入光纤插芯3和输出光纤插芯4是固定的，所以输入光纤插芯3和输出光纤插芯4也同样受到此力，使得在F—P腔腔长L变化时，输入光纤插芯3与支架12的定位轴的摩擦力加大，运动变得不平稳，导致可调谐光纤F—P腔滤波器性能变差。本发明由此增设了弹簧9和10，以防止压电陶瓷左座3受力倾斜，两端都设置压敏陶瓷，使得单向位移量变得更小，使得倾斜影响更小，运动更加平稳。
由于在动态应用中，压电陶瓷的推力与拉力同时存在，推力远远大于拉力，拉力对压电陶瓷影响很大。当压电陶瓷在动态应用时，两种力交替出现。因此在输入光纤插芯座6、输出光纤插芯座5增加弹簧，给压电陶瓷一个预载力。本发明在增设弹簧9a和9b后，设置两处压电陶瓷7a和7b，在同一个的位移量值的情况下，位移差变小△L2＜△L1，使得信号精细度更好，驱动电压变小了UB＜UA，热量对其的影响变小，参见图3所示，但是使可调谐光纤F—P腔滤波器工作平稳性得到较大的提高。
Claims (6)
1.一种光纤F—P腔可调谐滤波器，包括：输入光纤和输出光纤、其内分别插入输入光纤和输出光纤的两个光纤插芯、以及压电陶瓷器件，其特征在于所述的压电陶瓷器件为管状结构，其管状结构压电陶瓷器件的两端分别设置有用输入光纤和输出光纤的输入光纤插芯和输出光纤插芯，输入插芯与输出光纤的外端分别固定于压电陶瓷器件的两端，所述压电陶瓷器件和其两端设置的光纤插芯均设置于一中空的壳体内、且中空壳体的横轴线与管状压电陶瓷轴线平行，至少在一个光纤插芯的外端与中空壳体内相邻端间设置有弹簧，中空壳体内设置有温度传感元件和致冷元件，中空壳体外设置有保温材料。
2.根据权利要求1所述的一种光纤F—P腔可调谐滤波器，其特征在于输入光纤插芯和输出光纤插芯各分别设置于一个用热稳定材料制备的一端带有凸缘的插芯座内，压电陶瓷器件位于两个插芯座的凸缘之间，且各插芯座与陶瓷座间相互固定，各光纤插芯与相应的光纤插芯座间相互固定，光纤插芯的外端与中空壳体内相邻端间设置有弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种光纤F—P腔可调谐滤波器，其特征在于输入与输出光纤插芯设置于其中部带有凸缘的支架内，支架的两端分别与两个用热稳定材料制作的、其端部设有凸缘的插芯座相互固定，在输入插芯座的凸缘与支架凸缘间和输出插芯座的凸缘与支架凸缘间各设置有一个压电陶瓷器件，输入插芯和输出插芯的外端与外壳间各分别设置有弹簧，其中：各插芯座与相结合的插芯间、各插芯座与相结合的压电陶瓷间、各压电陶瓷与支架间相互固定。
4.根据权利要求2或3所述的一种光纤F—P腔可调谐滤波器，其特征在于输入光纤插芯座和输出光纤插芯座分别用硬质合金材料或陶瓷材料制备。
5.根据权利要求5所述的光纤F—P腔可调谐滤波器，其特征在于压电陶瓷的横截面积S与补偿伸长量△L及压电陶瓷材料间满足下式的关系，
△L＝QrP+P2S/ε0K
其中:△L为压电陶瓷的伸长量；P为压电陶瓷的内部电极化强度；ε0为真空中的介电常数；Q r为极化后的剩余电荷；S为压电陶瓷的横截面积；K为压电陶瓷叠片的弹性模量。
6.根据权利要求5所述的任一种光纤F—P腔可调谐滤波器，其特征在于制冷元件为半导体制冷片，在半导体制冷元件下设置有散热片，散热片设置于中空外壳外保温材料的一个散热“窗口”处。
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2020
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