CN1344957A - 光纤光栅调谐器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光栅调谐技术领域,包括一根光纤光栅,一个压电陶瓷,其特征在于,还包括两个支撑梁;该两支撑梁的一端固定在该压电陶瓷两端面,其另一端固定在该光纤光栅的两头,使光纤光栅本身悬空置于该压电陶瓷之上形成桥式结构。本发明具有能够充分利用压电陶瓷的伸长量,使光纤光栅获得压电陶瓷的全部形变量,且光栅本身悬空,具有不会引入啁啾的特点;进一步通过多个压电陶瓷组合结构,还可同时对光纤光栅进行直流和交流调制,使其得到更广泛的应用。

Description

光纤光栅调谐器

技术领域

本发明属于光纤光栅调谐技术领域，特别涉及压电陶瓷型光纤光栅调谐器结构设计。

背景技术

紫外光照射光敏光纤可使光纤折射率发生永久性变化，根据这个效应对纤芯周期性曝光，从而得到光纤光栅。光纤光栅是一种全光纤滤波器件，可以替代原有的许多器件，广泛应用于光电子各领域。光纤光栅有许多突出的优点，其中之一就是其波长易调谐。利用机械形变或是变化温度的方法可以使光纤光栅的布拉格周期和折射率发生改变，从而改变了其反射中心波长。光纤光栅的调谐特性可以用于激光器波长调谐、光滤波器、光波上下路(OADM)、复用器和解复用器，以及光传感领域。正因为这许多应用前景，使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：光栅的调谐范围、波长控制精度、响应速度。

根据光纤光栅调谐原理，可将众多调谐方法分为应变调谐和温度调谐两大类。其中温度调谐是利用电阻丝或线圈加热光纤光栅，改变光纤光栅折射率和光栅周期，其中折射率变化为主，从而实现布拉格波长调谐，这种方法适用于一些缓变的场合，主要缺点是响应速度慢、调谐范围小(100度变化1nm)(廖延彪，光纤光学，清华大学出版社，北京，2000，pp.204)。应变调谐是通过沿光栅轴向施加的应力使光栅周期和折射率改变，以光栅周期改变为主，实现布拉格波长调谐，这种方法可以实现更大的调谐范围和更快的响应速度。几种常用的实现应变调谐的装置包括：

1、机械轴向挤压或拉伸装置：该装置包括一根光纤光栅、一个固定平台和一个电机驱动的移动平台和一块底板。固定平台和移动平台都安装在底板上，光纤光栅的两端分别固定在固定平台和移动平台上。在电机的驱动下移动平台的位移对光纤光栅产生轴向拉伸或压缩，实现调谐。(Ball GA，Morey W W，单频光纤光栅激光器的挤压式调谐，光学快报，1994，19(23)：1979～1981)；这种装置优点是调谐范围大，在光纤光栅不被拉断下可实现10nm以上的调谐量，缺点是调谐响应速度慢，不适合快速应用场合；

2、磁致伸缩调谐装置：该装置包括：一支光纤光栅、一段磁致伸缩材料和电磁线圈。光纤光栅粘贴在磁致伸缩材料侧面，电磁线圈套在外面，电流流过线圈上导线时在线圈内部产生的磁场使磁致伸缩材料产生形变，光纤光栅得到调谐(Arce-Diego J L，Lopez-Ruisanchez R，Lopez-Higuera J M.等，磁场调谐光纤光栅滤波器，光学快报，1997，22(9)：603～605)。优点是能够实现快速响应，缺点是调谐量小，而且电流与磁场的非线性关系带来调谐的非线性；

3、压电陶瓷调谐装置：该装置包括一根光纤光栅、一个压电陶瓷和固定压电陶瓷的底座。光纤光栅粘在压电陶瓷表面，压电陶瓷固定在底座上，压电陶瓷上施加的电压使其伸长或压缩，实现光纤光栅的调谐(J.J.Pan等人，“利用密封封装的光纤光栅稳定WDM激光光源”，1996年中国光子会议)。这种调谐装置优点是可以实现较高控制精度，与其它几种调谐方法相比调谐速度也是最快的，可实现快速响应，另外与磁调谐相比非线性也小，但是这种方法的主要缺点有：

(1)压电陶瓷的伸长量较小，最大也只有几十的微米，所以相应的光纤光栅调谐范围较小(不足1nm)。而且将光纤光栅直接粘于压电陶瓷表面，由于压电陶瓷较长，而光栅较短，这样就不能充分利用压电陶瓷的全部形变量。

(2)光纤光栅直接粘在压电陶瓷表面，胶涂抹不均匀和压电陶瓷本身应变不均匀都会导致光纤光栅啁啾，也就是说光栅内部沿轴向应力分布不均匀，由于应变引起折射率改变，所以原来光纤光栅的折射率分布被改变，其的透射谱或反射谱畸变。

(3)激光器稳频和光传感技术的一些应用需要对光纤光栅进行直流和交流调制。对于光纤光栅粘在压电陶瓷表面的结构，交流和直流信号需要通过电路实现叠加，再作用到压电陶瓷上。但是一般大伸缩量的压电陶瓷其电容较大(可以达到μF量级)，这样交流阻抗太小，交流信号输出幅度受到限制。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种光纤光栅调谐器，采用一种新颖的桥式结构，使其具有能够充分利用压电陶瓷的伸长量，使光纤光栅获得压电陶瓷的全部形变量，且光栅本身悬空，具有不会引入啁啾的特点；进一步通过多个压电陶瓷组合结构，还可同时对光纤光栅进行直流和交流调制，使其得到更广范的应用。

本发明设计的一种光纤光栅调谐器，包括一根光纤光栅，一个压电陶瓷，两个支撑梁；该两支撑梁的一端固定在该压电陶瓷两端面，其另一端固定在该光纤光栅的两头，使光纤光栅本身悬空置于该压电陶瓷之上形成桥式结构。

本发明在上述结构的基础上，还可包括另一个或一个以上的压电陶瓷，该各压电陶瓷的端面相互连接构成一整体压电陶瓷，该两支撑梁的一端固定在该整体压电陶瓷两端面。

上述结构的支撑梁可为倒L形状，该支撑梁顶面的中间可开有固定光纤位置的定位槽。

对于采用两个压电陶瓷连接构成的桥式调谐结构，两个压电陶瓷上分别加载直流和交流信号，可同时实现光纤光栅布拉格波长的波长调谐和调制。

本发明的特点在于：

1.利用简单的形变量传递结构增大了压电陶瓷调谐光纤光栅波长的范围，充分利用压电陶瓷的形变量。具体说明如下：

设光纤光栅周期为A，光栅长度为1，光纤光栅布拉格波长为λB，压电陶瓷长度为L，压电陶瓷伸长量为ΔL，若直接将光纤光栅粘于压电陶瓷表面则光纤光栅布拉格波长的调谐量 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}=0.78\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}{\mathrm{\λ}}_B----\left(1\right)$

若采用本发明的桥式结构，则光纤光栅的调谐量为 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}=0.78\frac{\mathrm{\ΔL}}{l}{\mathrm{\λ}}_B----\left(2\right)$ 所以 $\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}=\frac{L}{l}----\left(3\right)$

既桥式结构的调谐装置的光栅调谐量是原有装置的L/l倍。

2.由于本发明的这种结构使光纤光栅本身悬空设置，可保证在光纤光栅被拉伸时光栅内部应力均匀，不会产生光纤光栅啁啾。

3.本发明的结构可将多个压电陶瓷粘接在一起，共同对光纤光栅施加应力，这样可以方便的累加各个压电陶瓷的形变量，扩展了压电陶瓷调谐光纤光栅布拉格波长的范围。

4.外利用两个压电陶瓷的组合结构可以同时对光纤光栅进行直流和交流调制。既分别在两个压电陶瓷上加载直流和交流电压，直流信号作用在大伸缩量的压电陶瓷上，交流信号作用在小压电陶瓷(电容小)上，实现光纤光栅直流和交流调制，同时交流、直流信号分开也使电路设计得到简化，克服了以往做法的缺点。

5.这种压电陶瓷对光纤光栅调谐的调谐装置可广泛应用在各种光纤光栅器件上，如光波长上下路器、复用与解复用器、调谐滤波器和光纤光栅外腔激光器，在光纤光栅传感领域也有众多用途。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅调谐器实施例1结构示意图。

图2为本发明的光纤光栅布拉格波长λB与压电陶瓷所加电压V的实验曲线。

图3为本发明的光纤光栅调谐器实施例2结构示意图。

图4为本发明的光纤光栅调谐器实施例2结构示意图。

具体实施方式

本发明设计的三种光纤光栅调谐器实施例结构结合附图详细说明如下：

实施例1结构如图1所示，装置包括一根光纤光栅11，一个压电陶瓷12及固定底座(图中未示出)，两个支撑梁131、132。光纤光栅的长度为10mm，光纤光栅布拉格波长为1530nm；压电陶瓷总长度为50mm，直径10mm，电压100V时压电陶瓷伸长量为7μm；每个支撑梁用厚1mm的钢片制成倒L形状，梁横臂长20mm，梁竖臂长12mm，梁宽5mm，支撑梁横臂顶面的中间开有0.2mm深的定位槽可固定光纤位置；光纤光栅两端用环氧树脂粘接在支撑梁横臂顶面，压电陶瓷也用环氧树脂与支撑梁竖臂粘接。压电陶瓷上电压升致100伏时，若直接将光纤光栅粘于压电陶瓷表面则光纤光栅的最大调谐量为0.16nm，而本实施例的桥式结构可获得最大调谐量0.8nm。图2为实施例1中的光纤光栅布拉格波长λB与压电陶瓷所加电压V的实验曲线，图中的实验曲线说明这种结构线性调谐特性较好，而且在调谐过程中利用光谱仪观测没有发现任何光纤光栅啁啾现象。

实施例2结构如图3所示，装置包括一根光纤光栅11、三个压电陶瓷121、122、123，及两个支撑梁131、132。光纤光栅长度为10mm，光纤光栅布拉格波长为1530nm；支撑梁用厚1mm的钢材制成倒L形状，梁横臂长70mm，梁竖臂长12mm，梁宽5mm，支撑梁横臂顶面的中间开有0.2mm深的定位槽可固定光纤位置；光纤光栅两端用环氧树脂粘接在支撑梁横臂顶面，三个压电陶瓷用环氧树脂连接在一起，构成整体的两端也用环氧树脂与支撑梁竖臂粘接。加电压时三个压电陶瓷并联在一起，测得电压为100伏时光纤光栅的调谐量达到2.3nm，这样相同电压下所获光纤光栅调谐量为实施例1结构的三倍。可见这种做法进一步扩大了桥式结构的调谐范围，这也是该结构的一个优点。

实施例3结构如图4所示，装置包括一根光纤光栅11、一个大伸长量的压电陶瓷124、一个小伸长量的压电陶瓷125及两个支撑梁131、132。所用光纤光栅长度为10mm，光纤光栅布拉格波长为1530nm；大伸长量压电陶瓷长度为50mm，直径10m，电压100V时压电陶瓷伸长量为7μm；小伸长量的压电陶瓷长度为10mm，直径10mm，电压100V时伸长量为2μm；支撑梁用厚1mm的钢片制成倒L形状，梁横臂长25mm，梁竖臂长12mm，梁宽5mm，支撑梁横臂顶面的中间开有0.2mm深的定位槽可固定光纤位置；光纤光栅两端用环氧树脂粘接在支撑梁横臂顶面，两个压电陶瓷用环氧树脂连接在一起，构成整体的两端也用环氧树脂与支撑梁竖臂粘接。

采用本实施例结构，可将直流电压加载在大伸长量压电陶瓷上，用于光纤光栅调谐。1KHz交流信号加载在小伸长量压电陶瓷上，可获得光纤光栅调制。其直流电压调谐与实施例1一样，交流调制中所用1伏交流信号得到的光纤光栅频率调制幅度为125MHz。

Claims (3)

1、一种光纤光栅调谐器，包括一根光纤光栅，一个压电陶瓷，其特征在于，还包括两个支撑梁；该两支撑梁的一端固定在该压电陶瓷两端面，其另一端固定在该光纤光栅的两头，使光纤光栅本身悬空置于该压电陶瓷之上形成桥式结构。

2、如权利要求1所述的光纤光栅调谐器，其特征在于，还包括另一个或一个以上的压电陶瓷，该各压电陶瓷的端面相互连接构成一整体压电陶瓷，该两支撑梁的一端固定在该整体压电陶瓷两端面。

3、如权利要求1或2所述的光纤光栅调谐器，其特征在于，所说的支撑梁可为倒L形状，该支撑梁顶面的中间可开有固定光纤位置的定位槽。

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