專利名稱：光纖光柵調(diào)諧器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光柵調(diào)諧技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及壓電陶瓷型光纖光柵調(diào)諧器結(jié)構(gòu)設(shè)計。
根據(jù)光纖光柵調(diào)諧原理，可將眾多調(diào)諧方法分為應(yīng)變調(diào)諧和溫度調(diào)諧兩大類。其中溫度調(diào)諧是利用電阻絲或線圈加熱光纖光柵，改變光纖光柵折射率和光柵周期，其中折射率變化為主，從而實(shí)現(xiàn)布拉格波長調(diào)諧，這種方法適用于一些緩變的場合，主要缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、調(diào)諧范圍小(100度變化1nm)(廖延彪，光纖光學(xué)，清華大學(xué)出版社，北京，2000，pp.204)。應(yīng)變調(diào)諧是通過沿光柵軸向施加的應(yīng)力使光柵周期和折射率改變，以光柵周期改變?yōu)橹?，?shí)現(xiàn)布拉格波長調(diào)諧，這種方法可以實(shí)現(xiàn)更大的調(diào)諧范圍和更快的響應(yīng)速度。幾種常用的實(shí)現(xiàn)應(yīng)變調(diào)諧的裝置包括1、機(jī)械軸向擠壓或拉伸裝置該裝置包括一根光纖光柵、一個固定平臺和一個電機(jī)驅(qū)動的移動平臺和一塊底板。固定平臺和移動平臺都安裝在底板上，光纖光柵的兩端分別固定在固定平臺和移動平臺上。在電機(jī)的驅(qū)動下移動平臺的位移對光纖光柵產(chǎn)生軸向拉伸或壓縮，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。(Ball GA，Morey W W，單頻光纖光柵激光器的擠壓式調(diào)諧，光學(xué)快報，1994，19(23)1979～1981)；這種裝置優(yōu)點(diǎn)是調(diào)諧范圍大，在光纖光柵不被拉斷下可實(shí)現(xiàn)10nm以上的調(diào)諧量，缺點(diǎn)是調(diào)諧響應(yīng)速度慢，不適合快速應(yīng)用場合；2、磁致伸縮調(diào)諧裝置該裝置包括一支光纖光柵、一段磁致伸縮材料和電磁線圈。光纖光柵粘貼在磁致伸縮材料側(cè)面，電磁線圈套在外面，電流流過線圈上導(dǎo)線時在線圈內(nèi)部產(chǎn)生的磁場使磁致伸縮材料產(chǎn)生形變，光纖光柵得到調(diào)諧(Arce-Diego J L，Lopez-Ruisanchez R，Lopez-Higuera J M.等，磁場調(diào)諧光纖光柵濾波器，光學(xué)快報，1997，22(9)603～605)。優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，缺點(diǎn)是調(diào)諧量小，而且電流與磁場的非線性關(guān)系帶來調(diào)諧的非線性；3、壓電陶瓷調(diào)諧裝置該裝置包括一根光纖光柵、一個壓電陶瓷和固定壓電陶瓷的底座。光纖光柵粘在壓電陶瓷表面，壓電陶瓷固定在底座上，壓電陶瓷上施加的電壓使其伸長或壓縮，實(shí)現(xiàn)光纖光柵的調(diào)諧(J.J.Pan等人，“利用密封封裝的光纖光柵穩(wěn)定WDM激光光源”，1996年中國光子會議)。這種調(diào)諧裝置優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)較高控制精度，與其它幾種調(diào)諧方法相比調(diào)諧速度也是最快的，可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，另外與磁調(diào)諧相比非線性也小，但是這種方法的主要缺點(diǎn)有(1)壓電陶瓷的伸長量較小，最大也只有幾十的微米，所以相應(yīng)的光纖光柵調(diào)諧范圍較小(不足1nm)。而且將光纖光柵直接粘于壓電陶瓷表面，由于壓電陶瓷較長，而光柵較短，這樣就不能充分利用壓電陶瓷的全部形變量。
(2)光纖光柵直接粘在壓電陶瓷表面，膠涂抹不均勻和壓電陶瓷本身應(yīng)變不均勻都會導(dǎo)致光纖光柵啁啾，也就是說光柵內(nèi)部沿軸向應(yīng)力分布不均勻，由于應(yīng)變引起折射率改變，所以原來光纖光柵的折射率分布被改變，其的透射譜或反射譜畸變。
(3)激光器穩(wěn)頻和光傳感技術(shù)的一些應(yīng)用需要對光纖光柵進(jìn)行直流和交流調(diào)制。對于光纖光柵粘在壓電陶瓷表面的結(jié)構(gòu)，交流和直流信號需要通過電路實(shí)現(xiàn)疊加，再作用到壓電陶瓷上。但是一般大伸縮量的壓電陶瓷其電容較大(可以達(dá)到μF量級)，這樣交流阻抗太小，交流信號輸出幅度受到限制。
本發(fā)明設(shè)計的一種光纖光柵調(diào)諧器，包括一根光纖光柵，一個壓電陶瓷，兩個支撐梁；該兩支撐梁的一端固定在該壓電陶瓷兩端面，其另一端固定在該光纖光柵的兩頭，使光纖光柵本身懸空置于該壓電陶瓷之上形成橋式結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還可包括另一個或一個以上的壓電陶瓷，該各壓電陶瓷的端面相互連接構(gòu)成一整體壓電陶瓷，該兩支撐梁的一端固定在該整體壓電陶瓷兩端面。
上述結(jié)構(gòu)的支撐梁可為倒L形狀，該支撐梁頂面的中間可開有固定光纖位置的定位槽。
對于采用兩個壓電陶瓷連接構(gòu)成的橋式調(diào)諧結(jié)構(gòu)，兩個壓電陶瓷上分別加載直流和交流信號，可同時實(shí)現(xiàn)光纖光柵布拉格波長的波長調(diào)諧和調(diào)制。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于1.利用簡單的形變量傳遞結(jié)構(gòu)增大了壓電陶瓷調(diào)諧光纖光柵波長的范圍，充分利用壓電陶瓷的形變量。具體說明如下設(shè)光纖光柵周期為A，光柵長度為1，光纖光柵布拉格波長為λB，壓電陶瓷長度為L，壓電陶瓷伸長量為ΔL，若直接將光纖光柵粘于壓電陶瓷表面則光纖光柵布拉格波長的調(diào)諧量ΔλB1=0.78ΔLLλB----(1)]]>若采用本發(fā)明的橋式結(jié)構(gòu)，則光纖光柵的調(diào)諧量為ΔλB2=0.78ΔLlλB----(2)]]>所以ΔλB2ΔλB1=Ll----(3)]]>既橋式結(jié)構(gòu)的調(diào)諧裝置的光柵調(diào)諧量是原有裝置的L/l倍。
2.由于本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)使光纖光柵本身懸空設(shè)置，可保證在光纖光柵被拉伸時光柵內(nèi)部應(yīng)力均勻，不會產(chǎn)生光纖光柵啁啾。
3.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可將多個壓電陶瓷粘接在一起，共同對光纖光柵施加應(yīng)力，這樣可以方便的累加各個壓電陶瓷的形變量，擴(kuò)展了壓電陶瓷調(diào)諧光纖光柵布拉格波長的范圍。
4.外利用兩個壓電陶瓷的組合結(jié)構(gòu)可以同時對光纖光柵進(jìn)行直流和交流調(diào)制。既分別在兩個壓電陶瓷上加載直流和交流電壓，直流信號作用在大伸縮量的壓電陶瓷上，交流信號作用在小壓電陶瓷(電容小)上，實(shí)現(xiàn)光纖光柵直流和交流調(diào)制，同時交流、直流信號分開也使電路設(shè)計得到簡化，克服了以往做法的缺點(diǎn)。
5.這種壓電陶瓷對光纖光柵調(diào)諧的調(diào)諧裝置可廣泛應(yīng)用在各種光纖光柵器件上，如光波長上下路器、復(fù)用與解復(fù)用器、調(diào)諧濾波器和光纖光柵外腔激光器，在光纖光柵傳感領(lǐng)域也有眾多用途。
圖2為本發(fā)明的光纖光柵布拉格波長λB與壓電陶瓷所加電壓V的實(shí)驗(yàn)曲線。
圖3為本發(fā)明的光纖光柵調(diào)諧器實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的光纖光柵調(diào)諧器實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例2結(jié)構(gòu)如圖3所示，裝置包括一根光纖光柵11、三個壓電陶瓷121、122、123，及兩個支撐梁131、132。光纖光柵長度為10mm，光纖光柵布拉格波長為1530nm；支撐梁用厚1mm的鋼材制成倒L形狀，梁橫臂長70mm，梁豎臂長12mm，梁寬5mm，支撐梁橫臂頂面的中間開有0.2mm深的定位槽可固定光纖位置；光纖光柵兩端用環(huán)氧樹脂粘接在支撐梁橫臂頂面，三個壓電陶瓷用環(huán)氧樹脂連接在一起，構(gòu)成整體的兩端也用環(huán)氧樹脂與支撐梁豎臂粘接。加電壓時三個壓電陶瓷并聯(lián)在一起，測得電壓為100伏時光纖光柵的調(diào)諧量達(dá)到2.3nm，這樣相同電壓下所獲光纖光柵調(diào)諧量為實(shí)施例1結(jié)構(gòu)的三倍?？梢娺@種做法進(jìn)一步擴(kuò)大了橋式結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍，這也是該結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)施例3結(jié)構(gòu)如圖4所示，裝置包括一根光纖光柵11、一個大伸長量的壓電陶瓷124、一個小伸長量的壓電陶瓷125及兩個支撐梁131、132。所用光纖光柵長度為10mm，光纖光柵布拉格波長為1530nm；大伸長量壓電陶瓷長度為50mm，直徑10m，電壓100V時壓電陶瓷伸長量為7μm；小伸長量的壓電陶瓷長度為10mm，直徑10mm，電壓100V時伸長量為2μm；支撐梁用厚1mm的鋼片制成倒L形狀，梁橫臂長25mm，梁豎臂長12mm，梁寬5mm，支撐梁橫臂頂面的中間開有0.2mm深的定位槽可固定光纖位置；光纖光柵兩端用環(huán)氧樹脂粘接在支撐梁橫臂頂面，兩個壓電陶瓷用環(huán)氧樹脂連接在一起，構(gòu)成整體的兩端也用環(huán)氧樹脂與支撐梁豎臂粘接。
采用本實(shí)施例結(jié)構(gòu)，可將直流電壓加載在大伸長量壓電陶瓷上，用于光纖光柵調(diào)諧。1KHz交流信號加載在小伸長量壓電陶瓷上，可獲得光纖光柵調(diào)制。其直流電壓調(diào)諧與實(shí)施例1一樣，交流調(diào)制中所用1伏交流信號得到的光纖光柵頻率調(diào)制幅度為125MHz。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵調(diào)諧器，包括一根光纖光柵，一個壓電陶瓷，其特征在于，還包括兩個支撐梁；該兩支撐梁的一端固定在該壓電陶瓷兩端面，其另一端固定在該光纖光柵的兩頭，使光纖光柵本身懸空置于該壓電陶瓷之上形成橋式結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖光柵調(diào)諧器，其特征在于，還包括另一個或一個以上的壓電陶瓷，該各壓電陶瓷的端面相互連接構(gòu)成一整體壓電陶瓷，該兩支撐梁的一端固定在該整體壓電陶瓷兩端面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖光柵調(diào)諧器，其特征在于，所說的支撐梁可為倒L形狀，該支撐梁頂面的中間可開有固定光纖位置的定位槽。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖光柵調(diào)諧技術(shù)領(lǐng)域,包括一根光纖光柵,一個壓電陶瓷,其特征在于,還包括兩個支撐梁;該兩支撐梁的一端固定在該壓電陶瓷兩端面,其另一端固定在該光纖光柵的兩頭,使光纖光柵本身懸空置于該壓電陶瓷之上形成橋式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有能夠充分利用壓電陶瓷的伸長量,使光纖光柵獲得壓電陶瓷的全部形變量,且光柵本身懸空,具有不會引入啁啾的特點(diǎn);進(jìn)一步通過多個壓電陶瓷組合結(jié)構(gòu),還可同時對光纖光柵進(jìn)行直流和交流調(diào)制,使其得到更廣泛的應(yīng)用。
文檔編號G02B6/34GK1344957SQ0113657
公開日2002年4月17日 申請日期2001年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月19日
發(fā)明者趙華鳳, 薛林, 李栩輝, 劉光聰 申請人:清華大學(xué)