專利名稱：光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對光纖光柵帶寬進(jìn)行調(diào)諧的裝置，特別是一種適用于對單個或多個光纖光柵的帶寬進(jìn)行調(diào)諧的裝置。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的光無源器件，因其具有優(yōu)異的特性在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。利用光纖光柵選頻特性對應(yīng)變和溫度的敏感效應(yīng)，可以對許多物理量進(jìn)行傳感測量，設(shè)計并實現(xiàn)多種物理量(如應(yīng)變、應(yīng)力、位移、曲率、重量、電壓、電流、磁場、氣壓、加速度等)及溫度自動補償?shù)母呔葌鞲袦y量；反之，通過控制光纖光柵應(yīng)變和溫度，亦可對其波長和帶寬進(jìn)行調(diào)諧，設(shè)計并實現(xiàn)可調(diào)激光器、可調(diào)上下載濾波器、可調(diào)色散補償器和增益平坦器等，并應(yīng)用于波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)中。
本發(fā)明是一種新型的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，是將光纖布喇格光柵粘貼到曲率可調(diào)的矩形彈性梁的一個側(cè)面上，利用梁彎曲時在不同層面上產(chǎn)生的梯度應(yīng)變，得到光柵的帶寬反射，從而實現(xiàn)對光纖光柵帶寬的調(diào)諧。檢索結(jié)果表明，目前尚沒有與之一致的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置的技術(shù)報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡便有效、適用于對單個或多個光纖光柵的帶寬進(jìn)行調(diào)諧的裝置。其技術(shù)方案如下這種光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，它包括光纖光柵，彈性梁，單模光纖，支架，施力栓，固定栓，外框架，光纖耦合器，光探測器，光源，匹配液等，特點是光柵的粘貼位置有兩種方式，具體如下方式1彈性梁為簡支梁，光纖光柵粘貼在梁中心位置的側(cè)面，光纖耦合器同側(cè)的兩個端口，一端與由斜向粘貼于彈性梁側(cè)面上的光纖光柵引出的單模光纖連接，另一端置入匹配液之中；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩個端口，一端接光源，另一端與光探測器連接；兩個支架從兩端支持簡支梁，施力栓位于簡支梁的中心。
方式2彈性梁為懸臂梁，光纖光柵粘貼在靠近梁固定端的側(cè)面，用固定栓將施力栓設(shè)置在懸臂梁的另一端，其余的連接與簡支梁相同。
簡支梁和懸臂梁，是一個均質(zhì)、對稱、各向同性的彈性體，其橫截面為矩形而外形可為矩形、三角形和菱形的彈性梁；材質(zhì)可為有機玻璃、金屬、合金、塑料、硬膠、硬尼龍的彈性材料；固定端一般可為金屬或合金。
光纖光柵為玻璃或塑料的光纖布喇格光柵，光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器。
所述的工作環(huán)境溫度是-20℃～+70℃之間的某一恒溫。
本發(fā)明的有益效果是在調(diào)諧裝置中，梁的兩個側(cè)面均可粘貼光纖光柵，將若干個類似的彈性梁串接級聯(lián)，而粘貼于梁上的光柵具有不同的中心波長，則可獲得非常寬的光柵反射帶寬。這種裝置具有帶寬范圍大、雙向可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡潔、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感。


本發(fā)明基本結(jié)構(gòu)如附圖所示。
圖1是光纖光柵帶寬調(diào)諧原理示意圖(a)彈性梁未彎曲，(b)彈性梁彎曲。
圖2是基于簡支梁的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置圖。
圖3是基于懸臂梁的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置圖。
圖4是簡支梁中心曲率變化時，光纖光柵帶寬調(diào)諧的典型反射譜。
圖5是光纖光柵帶寬與簡支梁中心曲率的測量曲線。
其中1.光纖光柵，2.簡支梁3.斜粘角，4.支架，5.施力栓，6.外框架，7.單模光纖，8.光纖耦合器(或光環(huán)行器)，9.光探測器，10.光源，11.匹配液，12.固定栓13.懸臂梁，14.固定端。
具體實施例方式
圖1是光纖光柵帶寬調(diào)諧原理示意圖其中(a)彈性梁未彎曲，(b)彈性梁彎曲。
在圖2中的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置結(jié)構(gòu)圖中，光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，包括光纖光柵，彈性梁，支架，施力栓，固定栓，外框架，光纖耦合器，光探測器，光源，匹配液，光柵的粘貼位置有兩種方式，具體為方式1彈性梁為簡支梁(2)，光纖光柵(1)粘貼在梁中心位置的側(cè)面，光纖耦合器(8)同側(cè)的兩個端口，一端與由斜向粘貼于彈性梁側(cè)面上的光纖光柵引出的單模光纖(7)連接，另一端置入匹配液(11)之中；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩個端口，一端接光源(10)，另一端與光探測器(9)連接；兩個支架(4)從兩端支持簡支梁，施力栓(5)位于簡支梁的中心。
方式2彈性梁為懸臂梁(13)，光纖光柵粘貼在靠近梁固定端(14)的側(cè)面，用固定栓(12)將施力栓設(shè)置在懸臂梁的另一端，其余的連接與簡支梁相同。
光纖布喇格光柵(1)用特種膠斜向粘貼到曲率可調(diào)的矩形簡支梁(2)的一個側(cè)面上，光柵的軸向與彈性梁中性面的夾角為θ，且光柵部分的中點恰好位于梁的中心位置的中性面上。
以圖2所示的基于簡支梁的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置為例考慮到光纖光柵的長度l遠(yuǎn)小于簡支梁的跨度L，則簡支梁中點處中性面的曲率κ與中點處的撓度ω的關(guān)系為κ＝12ω/L2調(diào)諧裝置的有關(guān)參數(shù)如下光柵長度l＝11mm，自由狀態(tài)下的布喇格波長λ0＝1557.1nm，原始反射帶寬Δλ0＝0.42nm，矩形簡支梁的長度L＝10cm，寬度b＝6mm，厚度h＝5mm，光柵的斜粘角θ＝24°。當(dāng)曲率κ從0調(diào)到4.0m-1過程中，光柵反射峰的帶寬從0.42nm被展寬到11.32nm，峰值反射光功率從-45dBm下降到了-51.5dBm，而中心波長基本保持不變。圖4是簡支梁中心取不同撓度時，光纖光柵帶寬變化的典型反射譜。
圖5是光纖光柵帶寬與簡支梁中心曲率的測量曲線，二者成良好的線性關(guān)系，線性擬合得到的帶寬調(diào)諧速率為2.74nm/m-1。
若采用圖3所示的基于懸臂梁的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，亦可得到類似圖4的光纖光柵帶寬變化反射譜。并且，以橫截面為矩形的三角形等強度梁代替矩形懸臂梁，提高光纖光柵的粘貼質(zhì)量，并使斜粘貼角接近45°，可得到調(diào)諧速率更高、反射譜中間區(qū)間的平坦度更好的帶寬調(diào)諧。需要說明的是，這種光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置在工作時，需保持在比較穩(wěn)定的工作環(huán)境溫度下。
簡支梁和懸臂梁，是一個均質(zhì)、對稱、各向同性的彈性體，其橫截面為矩形而外形可為矩形、三角形和菱形的彈性梁；材質(zhì)可為有機玻璃、金屬、合金、塑料、硬膠、硬尼龍的彈性材料；固定端一般可為金屬或合金。
彈性梁的兩個側(cè)面均可斜貼光纖光柵，這時其帶寬的調(diào)諧量比僅粘貼一只光纖光柵的帶寬調(diào)諧量要寬，并且，若干個這樣單一的裝置可級聯(lián)成串，并可構(gòu)建更大范圍的多個光纖光柵帶寬調(diào)諧系統(tǒng)。
光纖光柵為玻璃或塑料的光纖布喇格光柵，且用特種膠平整地斜向粘貼到曲率可調(diào)的矩形彈性梁的一個側(cè)面上，光柵的軸向與彈性梁中性面成一定的夾角，并保證光柵部分的中點恰好位于梁的中性面上；在小曲率(或撓度)條件下，光柵帶寬的調(diào)諧是準(zhǔn)線性的；在大曲率(或撓度)條件下，光柵帶寬的調(diào)諧是非線性的；特種膠指的是102強力膠。
光纖耦合器(8)是2×2或1×2光纖耦合器。
光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置的工作環(huán)境溫度是-20℃～+70℃之間的某一恒溫。
該調(diào)諧裝置可以將均勻的光纖布喇格光柵調(diào)諧成啁啾的光纖光柵。
光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，可用手動或機械自動調(diào)控的方式改變彈性梁曲率。
本發(fā)明光柵帶寬的調(diào)諧方法如下如圖1所示，令垂直于中性面并以中性面為零點的坐標(biāo)軸為Z軸。根據(jù)材料力學(xué)知識，在彈性范圍內(nèi)，彈性梁彎曲時，梁上距中性面相對距離為z的厚度層的應(yīng)變?yōu)棣?z)＝κz (1)其中，κ為彈性梁中性面的曲率。在梁的厚度和曲率比較小的情況下，光纖光柵各部分的軸向與所在層面的夾角可以認(rèn)為是一致的常量θ。于是，光纖光柵的軸向應(yīng)變可表示為εx(z)＝ηκzcosθ (2)式中η(0＜η＜1)為應(yīng)變傳遞因子，描述應(yīng)變從梁表面?zhèn)鬟f到光纖光柵的效率。將此光柵分為很多小段，每相鄰兩小段的厚度差為δz，則相鄰兩小段光柵的波長差為δλ＝ηλ0κ(1-pe)cosθ·δz (3)式中λ0為光纖光柵無應(yīng)變時的中心波長，pe為光纖的有效彈光系數(shù)。由于整個光纖光柵的帶寬展寬是各小段光柵波長變化的總和，故利用上式對該光柵沿長度方向積分，并考慮調(diào)諧前光柵的原始帶寬Δλ0，可得到此光柵現(xiàn)在的帶寬Δλchirp與曲率κ的關(guān)系為ΔλChirp＝Δλ0+∫δλ＝Δλ0+ηλ0κl(1-pe)sin(2θ)/2(4)式中，l為光纖光柵的長度。由上式可見，光纖布喇格光柵調(diào)諧后的帶寬與梁的曲率成線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)梁的曲率可以對光纖光柵進(jìn)行線性帶寬調(diào)諧。
當(dāng)彈性梁的兩個側(cè)面各粘貼布喇格波長不同的光纖光柵時，其帶寬的調(diào)諧量比僅粘貼一只光纖光柵的帶寬調(diào)諧量要寬。因此，若干個這樣單一的裝置可級聯(lián)成很大范圍的光柵帶寬調(diào)諧系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，它包括光纖光柵，彈性梁，單模光纖，支架，施力栓，固定栓，外框架，光纖耦合器，光探測器，光源，匹配液，其特征在于光柵的粘貼位置有兩種方式方式1彈性梁為簡支梁(2)，光纖光柵(1)粘貼在梁中心位置的側(cè)面，光纖耦合器(8)同側(cè)的兩個端口，一端與由斜向粘貼于彈性梁側(cè)面上的光纖光柵引出的單模光纖(7)連接，另一端置入匹配液(11)之中；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩個端口，一端接光源(10)，另一端與光探測器(9)連接；兩個支架(4)從兩端支持簡支梁，施力栓(5)位于簡支梁的中心；方式2彈性梁為懸臂梁(13)，光纖光柵粘貼在靠近梁固定端(14)的側(cè)面，用固定栓(12)將施力栓設(shè)置在懸臂梁的另一端，其余的連接與簡支梁相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征在于簡支梁和懸臂梁，是一個均質(zhì)、對稱、各向同性的彈性體，其橫截面為矩形而外形可為矩形、三角形和菱形的彈性梁；材質(zhì)為有機玻璃、金屬、合金、塑料、硬膠、硬尼龍的彈性材料；固定端(4)為金屬、合金或非金屬固體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征在于彈性梁的兩個側(cè)面均可斜貼光纖光柵，這時其帶寬的調(diào)諧量比僅粘貼一只光纖光柵的帶寬調(diào)諧量要寬，并且，若干個這樣單一的裝置可級聯(lián)成串，并可構(gòu)建更大范圍的多個光纖光柵帶寬調(diào)諧系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征在于光纖光柵為玻璃或塑料的光纖布喇格光柵，且用特種膠平整地斜向粘貼到曲率可調(diào)的矩形彈性梁的一個側(cè)面上，光柵的軸向與彈性梁中性面成一定的夾角，并保證光柵部分的中點恰好位于梁的中性面上；在小曲率(或撓度)條件下，光柵帶寬的調(diào)諧是準(zhǔn)線性的；在大曲率(或撓度)條件下，光柵帶寬的調(diào)諧是非線性的；特種膠指的是102強力膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征在于光纖耦合器(8)是2×2或1×2光纖耦合器；光環(huán)行器是三端口或四端口光環(huán)行器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征在于所述的光源是寬帶光源或可調(diào)諧光纖激光器的光源；所述的光探測器是光譜儀或多波長計。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征是所述的工作環(huán)境溫度是-20℃～+70℃之間的某一恒溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征在于該調(diào)諧裝置可以將均勻的光纖布喇格光柵調(diào)諧成啁啾的光纖光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵帶寬調(diào)諧裝置，其特征在于可用手動或機械自動調(diào)控的方式改變彈性梁曲率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵帶寬調(diào)諧的裝置，特別是適用于對單個或多個光纖光柵的帶寬進(jìn)行調(diào)諧。包括包括光纖光柵，彈性梁，單模光纖，光纖耦合器，匹配液等。將光纖布喇格光柵用特種膠斜向粘貼到曲率可調(diào)的矩形彈性梁的一個側(cè)面上，光柵的軸向與彈性梁中性面成一定的夾角，并保證光柵部分的中點恰好位于梁的中性面上。光柵的粘貼有兩種方式若彈性梁為簡支梁，光柵粘貼在梁中心位置的側(cè)面；若彈性梁為懸臂梁，光柵粘貼在靠近梁固定端的側(cè)面。當(dāng)彈性梁在彈性范圍內(nèi)彎曲時，因梁上各厚度層產(chǎn)生不同的應(yīng)變而導(dǎo)致光柵中心兩側(cè)各部分柵格周期發(fā)生變化，使光柵沿軸向產(chǎn)生應(yīng)變梯度，從而引起光柵帶寬的變化。通過改變彈性梁的曲率，即可實現(xiàn)對光纖光柵帶寬的高精度調(diào)諧。
文檔編號G02B6/34GK1544974SQ20031010706
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者張偉剛, 開桂云, 董孝義 申請人:南開大學(xué)