專利名稱：對包括具有光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維的制品的改進(jìn)及所述制品的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括光纖布拉格(Bragg)光柵如光纖激光器的光學(xué)活性(optically active)光導(dǎo)纖維的封裝，特別是涉及將光導(dǎo)纖維放置在封裝體中從而使得對機(jī)械振動的敏感性最小化。本發(fā)明進(jìn)一步涉及對光纖Bragg光柵的波長選擇性進(jìn)行調(diào)諧，例如對光纖激光器的激光波長進(jìn)行調(diào)諧。
本發(fā)明具體涉及一種包括用于激光器的一定長度的光導(dǎo)纖維和封裝體的制品，所述光導(dǎo)纖維包括分散在所述長度的光導(dǎo)纖維中的FBG部段上面的光纖Bragg光柵。另外，本發(fā)明涉及一種包括這樣一種制品的設(shè)備，所述制品的應(yīng)用及其生產(chǎn)方法。
本發(fā)明例如可用于多種應(yīng)用，如用于進(jìn)行傳感的光纖激光器中，可用在可對波長進(jìn)行調(diào)諧的光纖激光器中(的低頻/相位噪聲光纖激光器)中且可用在光纖激光器的封裝中。
背景技術(shù)：
下文中對現(xiàn)有技術(shù)的介紹涉及本發(fā)明的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)領(lǐng)域，光纖激光器包括光纖Bragg光柵，例如光導(dǎo)纖維分布式Bragg反射器(DBR)或分布式反饋(DFB)激光器。
基于Bragg光柵的光纖激光器例如DBR或DFB激光器是例如通過將Bragg光柵紫外寫入已摻雜有光學(xué)活性劑的光敏光導(dǎo)纖維中而制造得到的光纖激光器，所述光學(xué)活性劑例如稀土離子如鉺、鐿等(例如參見WO-98/36300)。基于Bragg光柵的光纖激光器沿光纖軸線的典型尺寸為幾毫米至幾厘米。
基于Bragg光柵的光纖激光器可兼具多個(gè)具有吸引力的特征，例如單模工作穩(wěn)定、線寬較窄和相干長度較長、調(diào)諧能力、波長選擇、機(jī)械堅(jiān)固性、尺寸較小、低功耗以及對電磁干擾(EMI)不敏感。
對于包括如波長調(diào)諧的絕大多數(shù)應(yīng)用而言，基于Bragg光柵的光纖激光器在張力作用下沿其縱向方向進(jìn)行封裝，通常被附到長度可控，優(yōu)選相對剛硬的襯底上。襯底的機(jī)械性能控制光纖激光器的長度(并能夠使光導(dǎo)纖維介質(zhì)穩(wěn)定)且因此控制光纖激光器的中心波長。襯底的機(jī)械性能主要影響激光器的環(huán)境敏感度。
對于許多應(yīng)用而言，所希望的是進(jìn)一步增加相干長度或等效地具有低頻和/或低相位噪聲。
基于Bragg光柵的光纖激光器的相干長度和頻率及相位噪聲性能受到環(huán)境效應(yīng)如溫度和聲振動的負(fù)面影響。
溫度變動通過熱光效應(yīng)導(dǎo)致折射率發(fā)生變化。在熱光系數(shù)為約10-5℃-1的石英光纖中，基于Bragg光柵的光纖激光器具有約0.01nm/℃的中心波長溫度敏感度。在1550nm下，這對應(yīng)于大于1GHz/℃的頻率變化。
雖然可采用涉及具有如WO-99/27400所述的負(fù)熱膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)的專用封裝技術(shù)對長期的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，但是較小且快速的溫度波動致使與線寬增大或相干長度減小相對應(yīng)的中心頻率發(fā)生抖動。
對抖動和線寬增大的另一重要貢獻(xiàn)來自聲擾動(或者通常的機(jī)械振動)。包括單頻摻稀土的光纖激光器在內(nèi)的激光器的線寬和相干長度最后由光學(xué)自發(fā)發(fā)射噪聲決定，其對應(yīng)于Shawlow-Townes極限值。對于摻稀土的光纖激光器而言，其位于赫茲區(qū)。然而，在實(shí)踐中，例如上面提到的環(huán)境效應(yīng)將會影響腔穩(wěn)定性并且導(dǎo)致線寬大大高于Shawlow-Townes極限值。例如，熱光效應(yīng)將會導(dǎo)致大小為10-5℃-1·ν·ΔT[Hz]的移頻，其中ν是光頻率(單位為赫茲)，ΔT是溫度變化量(單位為℃)。作為實(shí)例，如果要求在1550nm條件下的頻率穩(wěn)定度好于1MHz，那么溫度波動必須小于10-3℃(1mK)。
為了使激光頻率穩(wěn)定且增大其相干長度，因此有必要進(jìn)行保護(hù)使其不受環(huán)境影響作用。
可通過把光纖激光器裝配在襯底的中性軸線上從而實(shí)現(xiàn)頻率/相位噪聲的減小。襯底的中性軸線是在彎曲變形條件下無應(yīng)變的軸線。按照這種方式，如果襯底設(shè)計(jì)是正確的且光纖激光器被裝配在中性軸線上，那么襯底在光纖激光器上的振動激勵(lì)效應(yīng)將明顯減弱(參見如Hansen，L.V.，“Constant Frequency Condition of Fibre Lasers inStrain”，NSCM 15，15th Nordic Seminar on Computational Mechanics會議論文集，Eds.Lund，E.；Olhoff，N.；Stegmann，J.，pp.185-188，2002年10月，Aalborg，丹麥，在下文中被稱作[LVH-2002])。
用于進(jìn)行光纖激光器封裝的襯底典型地可以是可被認(rèn)為是(機(jī)械)梁的細(xì)長結(jié)構(gòu)。如今所采用的簡支梁模型理論主要是由Jacob Bernoulli和Euler在十八世紀(jì)發(fā)展而來的。梁的形變可被分為三部分·彎曲形變·軸向形變，和·扭轉(zhuǎn)形變對于具有較大縱橫比(即長度與截面大小之間的比值)的長梁而言，由于彎曲所導(dǎo)致產(chǎn)生的形變在幅度上至少大于軸向形變和扭轉(zhuǎn)形變。因此，在用以抑制聲耦合的處理方法中，僅彎曲需要被視為第一級。在純彎曲條件下，襯底的一側(cè)將處于壓縮狀態(tài)，而另一側(cè)受拉。形變量為零的中性軸線存在于這些極端狀況之間。如果光導(dǎo)纖維被置于該中性軸線上，那么封裝體的彎曲無影響在光纖激光器上無應(yīng)變，因此頻率保持不變，且來自外部振動的噪聲減小。該中性軸線在該襯底內(nèi)的精確位置取決于截面的幾何形狀并且由Bernoulli-Euler簡支梁理論所決定(參見如J.M.Gere和S.P.Timoshenko，“Mechanics ofMaterials”，F(xiàn)ourth SI Edition，Stanley Thornes(Publishers)Ltd.，1999，第311-312頁上的“中性軸線的位置”部分，該書在本申請其它地方被稱作[Timoshenko])。該理論將中性軸線放置在截面區(qū)域的第一力矩S為零的位置處s＝∫Ay·dA＝0為此，現(xiàn)有的襯底/封裝體已得到研發(fā)從而降低對溫度變化和聲振動的敏感度。本申請涉及減弱聲振動效應(yīng)的封裝體設(shè)計(jì)。溫度變化通常是緩慢的且因此借助熱源/散熱元件是可控的。
典型地，光纖在張力作用下被裝配在封裝體上，但是(例如使用膠粘劑)僅被固定在激光器的每一端(例如參見WO-99/27400)。因此，光纖激光器的中心部分由于存在光纖預(yù)應(yīng)變從而可能與封裝體表面接觸不良。該效應(yīng)如圖2.b所示。在激光器沿封裝體的中性軸線進(jìn)行放置的情況下，該效應(yīng)是所不希望的。在這種情況下，脫離將會導(dǎo)致激光腔長度和/或光柵周期縮短且導(dǎo)致由此的激光產(chǎn)生頻率發(fā)生變化。
然而，在不改變光纖特性的條件下將包括光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維固定到封裝體的中性軸線上可能存在問題。由于膠粘劑發(fā)生不均勻固化，因此使用膠粘劑沿所述光纖的長度固定光柵可能損傷纖芯中的細(xì)小的Bragg光柵。膠粘劑固化過程在光纖中產(chǎn)生應(yīng)變場。所述不均勻的應(yīng)變場破壞了Bragg光柵的周期性并且由其形成部件的制品(例如光纖激光器)不再具有預(yù)期的功能。
因此，感興趣的是提供一種克服了以上問題的用于把光纖(例如包括光纖激光器)裝配到封裝體中的技術(shù)方案。
如上面所討論地，在所述簡支梁的三種形變方式中(即彎曲形變、軸向形變和扭轉(zhuǎn)形變)，僅彎曲需要被視作第一級。然而，為了進(jìn)一步改進(jìn)光纖激光器中的相位噪聲，從而使其達(dá)到一些過分要求的傳感器應(yīng)用(例如噪音環(huán)境如航空器和船只中的應(yīng)用)中的所需標(biāo)準(zhǔn)。還有必要的是包括/減少扭轉(zhuǎn)形變效應(yīng)。
在一些DFB光纖激光器應(yīng)用中，需要對DFB光纖激光器的頻率/波長進(jìn)行調(diào)諧?，F(xiàn)有的封裝體/襯底或是利用封裝體的熱膨脹或是使用封裝體設(shè)計(jì)，其中整個(gè)封裝體由壓電陶瓷材料制成。由于鋁具有相對較大的熱膨脹系數(shù)(大約23*10-6℃-1)，因此通過加熱或冷卻鋁封裝體可以獲得較大的波長調(diào)諧。然而，僅可通過熱膨脹緩慢調(diào)制激光產(chǎn)生頻率/波長。在需要進(jìn)行快速調(diào)制的一些應(yīng)用中，可以使用壓電陶瓷材料。在帶電時(shí)，借助壓電陶瓷材料可獲得非?？焖俚恼{(diào)制(在千赫茲區(qū)域中)。然而，與溫度調(diào)諧相比，僅較小的頻率/波長變化是可以獲得的。當(dāng)整個(gè)封裝體由壓電陶瓷材料制成時(shí)，由于其熱膨脹系數(shù)相對較低(約為1-5*10-6℃-1)，因此可得到的僅是較小的熱調(diào)諧。由此，需要一種具有改進(jìn)的調(diào)諧選擇的封裝體。
US-4,795,226中描述了具有容納在支座結(jié)構(gòu)曲形溝槽中的衍射光柵的一定長度的無源光纖。進(jìn)行裝配的目的在于提供一種沿縱向方向拋去所述光纖可控部分的適當(dāng)?shù)氖侄?。?jīng)過拋光的光纖用于感測光纖中的可變形變量的器件(即目標(biāo)在于使所述光柵盡可能對來自環(huán)境的振動敏感)。
US-6,240,220中描述了一種可進(jìn)行調(diào)諧的光纖封裝體，所述光纖封裝體包括用于在通道中容納無源光纖的曲形支承構(gòu)件和用于將光纖Bragg光柵內(nèi)的張力改變成受控應(yīng)變由此控制光柵的特征波長的壓電部段。封裝體的作用在于根據(jù)需要改變光柵的波長響應(yīng)。一種相對較大的調(diào)諧意味著支承構(gòu)件具有較小的曲率半徑。
US-2002/0131709中描述了一種包括可進(jìn)行調(diào)諧的光纖Bragg光柵的器件。包括光纖Bragg光柵的無源光纖被裝配在襯底上，所述襯底適于通過施加垂直于光纖長度的力而產(chǎn)生彎曲，由此增大或減小了包括所述光柵的光纖的曲率半徑，由此對光柵波長進(jìn)行調(diào)諧。本發(fā)明的目的在于使器件對曲率半徑變化盡可能敏感，從而增大對光柵的調(diào)諧范圍。
US-2002/0181908中描述了一種用于光纖激光器的封裝體，其中所述光纖激光器被安放在由剛硬適度的材料制成的管中，所述材料已被預(yù)成形從而裝配在大小適當(dāng)?shù)暮兄小Ｋ龆瞬渴褂眠m當(dāng)?shù)哪z粘劑進(jìn)行密封且管中的激光器被定位在被可固化的粘性物質(zhì)所圍繞的盒中。

發(fā)明內(nèi)容
本中請主要涉及由于聲源(或者由于其它機(jī)械振動，例如結(jié)構(gòu)振動)在制品中產(chǎn)生的彎曲形變和扭轉(zhuǎn)形變的多個(gè)方面，所述制品包括具有光纖Bragg光柵的光纖和相應(yīng)的載體封裝體-其目的在于控制制品對所述形變的敏感度。對于這些制品的典型應(yīng)用而言，例如當(dāng)光纖激光器被用于監(jiān)控聲學(xué)現(xiàn)象(例如以靈敏的麥克風(fēng)的形式存在)時(shí)，興趣在于降低所述制品對于來自于環(huán)境的在20Hz-20kHz范圍內(nèi)或在0.1-20Hz“亞聲”范圍內(nèi)的‘非信號’聲振動的敏感度。換句話說，興趣在于使封裝體的第一諧振頻率移到該(如以上)范圍之外。
在本申請中，與載體和封裝體的特征可激勵(lì)的振動有關(guān)的術(shù)語‘諧振頻率’、‘固有頻率’和‘本征頻率’可互換使用。
通常，機(jī)械振動可被分為聲振動和結(jié)構(gòu)振動。聲振動例如可以是空氣傳播的、結(jié)構(gòu)承載或傳播的海底。非聲誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動典型地在機(jī)器或引擎中具有其起源。在涉及在制品中誘發(fā)的機(jī)械振動的本申請中，術(shù)語‘聲振動’用以覆蓋在典型為0-20kHz的聲頻范圍內(nèi)所有類型的機(jī)械振動，其中所述制品包括具有光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維和相應(yīng)的載體封裝體。
本申請涉及降低對機(jī)械振動的敏感度的光纖激光器封裝體，其中包括光纖Bragg光柵的光纖激光器被固定到中凸表面上(至少在一部分包括光纖Bragg光柵的光纖上面)。通過使所述中凸表面對準(zhǔn)光纖激光器封裝體的中性軸線從而使所述敏感度進(jìn)一步降低。這種封裝體的一個(gè)實(shí)例是具有帶U形溝槽的截面的半圓形封裝體(圖9.a以及圖3例如圖3.a、3.c、3.f、3.g、3.h、3.i中所示出的截面)。然而，與直邊封裝體相比，曲形封裝體更加難以進(jìn)行生產(chǎn)且應(yīng)用于多種應(yīng)用中(這是因?yàn)檫@些應(yīng)用中典型地包括用于支承并且光學(xué)連接和/或電連接系統(tǒng)或器件中的多個(gè)部件的平面)。具有直邊外表面和中凸曲形激光器載體表面的細(xì)長的封裝體也出現(xiàn)在本申請中(參見圖8)。封裝體上載體表面的曲形形狀和精確位置可以作為進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)目標(biāo)，這也是本申請所涉及的問題。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種包括具有光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維和用于承載所述光導(dǎo)纖維的封裝體的制品，所述制品對來自環(huán)境的聲振動具有相對較低的敏感度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種對由于聲振動而導(dǎo)致的彎曲形變具有相對較低敏感度的制品。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種對由于聲振動而導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)形變具有相對較低敏感度的制品。
本發(fā)明的目的還在于提供一種生產(chǎn)這種制品的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種相位噪聲得到降低的光纖激光器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種制造這種光纖激光器的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種包括根據(jù)本發(fā)明的制品的設(shè)備和根據(jù)本發(fā)明的制品的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于設(shè)法提供一種優(yōu)化的封裝體，所述封裝體包括具有用于支承包括光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維的中凸載體表面的細(xì)長載體。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于設(shè)法提供一種調(diào)諧可能性得到改進(jìn)的封裝體。
其它目的出現(xiàn)在說明書中的其它地方。
可以通過在所附權(quán)利要求書以及下面的說明書中所描述的本發(fā)明的實(shí)施例從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的所述目的。
制品本發(fā)明提供一種包括用于光纖激光器的一定長度的光導(dǎo)纖維和封裝體的制品，所述光導(dǎo)纖維包括分散在所述長度的光導(dǎo)纖維中的FBG部段上面的光纖Bragg光柵，所述封裝體包括具有適于至少支承包括FBG部段的光導(dǎo)纖維的受支承部分的載體表面的載體，在制品的使用過程中，所述光導(dǎo)纖維的受支承部分被裝配在載體表面上并且被固定到光導(dǎo)纖維的所述FBG部段的每一側(cè)的載體表面上從而在光導(dǎo)纖維的受支承部分中提供縱向張力，并且其中所述載體表面適于在制品的使用過程中保持中凸。
術(shù)語‘制品’在本申請中意味著一種系統(tǒng)或產(chǎn)品或部件。包括具有光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維的制品可包括用以形成光學(xué)系統(tǒng)的其它部分，例如光纖激光器產(chǎn)品或包括光纖激光器的系統(tǒng)等。另一方面，所述制品還可以僅包括具有一個(gè)或多個(gè)Bragg光柵的光導(dǎo)纖維及其封裝體。
術(shù)語‘用于光纖激光器的光導(dǎo)纖維’意味著一種包括光學(xué)活性區(qū)域的光導(dǎo)纖維，所述光學(xué)活性區(qū)域例如是包含光學(xué)活性離子如稀土離子如Er、Yb、Dy、Tb、Tm等的區(qū)域。位于光纖激光器中的光纖Bragg光柵對來自環(huán)境的機(jī)械振動的敏感度比無源光纖中的光纖Bragg光柵更大。因此，保護(hù)用于光纖激光器的光導(dǎo)纖維這一問題遠(yuǎn)比包括光纖Bragg光柵的無源光纖的保護(hù)更加緊迫并且與其完全不同，其中所述用于光纖激光器的光導(dǎo)纖維包括位于封裝體中作為本發(fā)明的主題用于抵抗來自環(huán)境的聲學(xué)噪音的光纖Bragg光柵。
在一個(gè)實(shí)施例中，光導(dǎo)纖維的受支承部分包括光纖Bragg光柵(即光導(dǎo)纖維的FBG部段)和光學(xué)活性區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，光纖Bragg光柵與光學(xué)活性區(qū)域一起形成了部分激光腔。在一個(gè)實(shí)施例中，光纖Bragg光柵位于活化區(qū)域中(即光導(dǎo)纖維的FBG部段包括光纖Bragg光柵以及全部或一部分光學(xué)活性區(qū)域)。在一個(gè)實(shí)施例中，激光腔包括至少兩個(gè)在空間上被光學(xué)活性區(qū)域隔開的光纖Bragg光柵。在一個(gè)實(shí)施例中，激光腔元件位于光導(dǎo)纖維的受支承部分中。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光纖Bragg光柵位于光學(xué)活性區(qū)域外部。在一個(gè)實(shí)施例中，光纖Bragg光柵位于與一定長度的具有活化區(qū)域的光導(dǎo)纖維光學(xué)相連(例如接合或膠粘或鄰接等)的光學(xué)無源光纖(即一種光導(dǎo)纖維，其中光學(xué)活性材料的濃度低于足以放大光信號的水平)中。在一個(gè)實(shí)施例中，光導(dǎo)纖維的受支承部分包括一定長度的具有光學(xué)活性區(qū)域的光導(dǎo)纖維，在其兩端光學(xué)連接有一段無源光纖，每段無源光纖包括光纖Bragg光柵，組裝在一起形成DBR激光器。
術(shù)語‘封裝體’在本申請中意味著允許對光纖作為一部分的制品進(jìn)行處理的結(jié)構(gòu)部件，即封裝體至少包括載體，光導(dǎo)纖維被支承或支撐在載體上。封裝體還可包括其它部件，例如溫度控制裝置(如熱調(diào)諧裝置，包括非熱調(diào)諧裝置)或壓電控制裝置，封裝體自身的聲屏蔽裝置(如包括吸聲材料)等。在一個(gè)實(shí)施例中，所述封裝體適于將來自環(huán)境的機(jī)械振動(例如聲振動)減至最小。所述改變例如可包括圍繞封裝體中光導(dǎo)纖維的吸聲材料的加入(例如參見US-2002/0181908)并且包括如下文中所述的支承光導(dǎo)纖維受支承部分的載體這些特征。
術(shù)語‘載體表面適于支承......光導(dǎo)纖維’在本申請中意味著所述表面適合于或被改進(jìn)用以支承所述光纖(例如通過具有適當(dāng)?shù)谋砻婀鉂嵍取⒛Σ亮?、附著力?。所述載體可包括一層與載體主體不同的另一種材料，從而使得‘支承光導(dǎo)纖維受支承部分’實(shí)際上與所述層具有物理接觸。在這種情況下，在支承光導(dǎo)纖維受支承部分與載體主體之間的一層材料被視為部分載體。
支承光導(dǎo)纖維受支承部分被固定在位于光導(dǎo)纖維中的所述FBG部段每一側(cè)上面的載體表面上。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠控制封閉部分光導(dǎo)纖維的物理通道長度。固定的光導(dǎo)纖維優(yōu)選在一段長度盡可能短的光纖上面進(jìn)行延伸，從而將固定光纖緊固到載體表面上。可采用任何常規(guī)手段例如膠粘劑、環(huán)氧、焊接、機(jī)械固定等進(jìn)行所述固定。
光導(dǎo)纖維受支承部分被裝配在載體表面上，從而在制品的使用過程中在光導(dǎo)纖維內(nèi)提供縱向張力。其優(yōu)點(diǎn)在于以一種簡單且有效的方式實(shí)現(xiàn)了光導(dǎo)纖維封閉部分與載體表面之間的物理接觸，由此確保了光導(dǎo)纖維和載體相當(dāng)于一體(包括一起振動)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于使得能夠?qū)鈱?dǎo)纖維與載體之間的熱膨脹系數(shù)的具體差異進(jìn)行處理。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于改進(jìn)了在光導(dǎo)纖維封閉部分面自光導(dǎo)纖維向載體的散熱。
在一個(gè)實(shí)施例中，位于載體表面上的固定點(diǎn)之間的光導(dǎo)纖維的長度小于50厘米，例如小于20厘米，例如小于10厘米，例如小于5厘米，例如小于2厘米，例如小于1厘米。另一種可選方式是，載體表面上的固定點(diǎn)之間的光導(dǎo)纖維的長度可為更長(例如，通過圍繞圓柱形支架纏繞光導(dǎo)纖維多次)。然而，在光學(xué)性能與光纖長度(材料成本、光纖所占據(jù)的容積、公差等)之間可作出折衷方案。
在一個(gè)實(shí)施例中，載體表面適于避免沿光導(dǎo)纖維受支承部分的接觸通道而局部固定到載體表面(而不是如上面所述固定在光纖Bragg光柵的每個(gè)側(cè)面)上。這可通過對載體表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚矶靡詫?shí)現(xiàn)，例如確保表面粗糙度足夠低(例如通過拋光或激光燒蝕)、施加潤滑劑、向表面施加特定涂層等。在一個(gè)實(shí)施例中，所述載體表面適于在位于載體表面上的固定位置之間的光導(dǎo)纖維受支承部分中確保大體上均勻的軸向應(yīng)變。
光導(dǎo)纖維中Bragg光柵的性能和物理實(shí)施已在例如參見WO-98/36300中進(jìn)行了廣泛地描述。
術(shù)語‘載體表面適于保持中凸’在本申請中意味著支承光導(dǎo)纖維的載體表面沿光導(dǎo)纖維的縱向方向是中凸的，即通過截面沿光導(dǎo)纖維的表面適應(yīng)部分的長度的載體表面描述的曲形通道上的每一點(diǎn)具有曲率圓，其圓心位于載體內(nèi)部或本體的方向上(所述通道例如是曲形的或圓形的例如圓、拋物線或橢圓形)。以不同的方式進(jìn)行表達(dá)沿與光導(dǎo)纖維受支承部分相接觸的(預(yù)定)點(diǎn)的載體表面的曲形通道是一條連續(xù)曲線，所述曲線具有以下特性，即聯(lián)接其上任何兩點(diǎn)的直線均延伸進(jìn)入到載體內(nèi)部或本體中。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，位于光導(dǎo)纖維受支承部分與支承光導(dǎo)纖維的載體表面之間的物理接觸通道在制品使用過程中保持大體上恒定的形狀和凸度。由此，由環(huán)境引發(fā)的機(jī)械振動對光纖Bragg光柵的特征波長的影響得以減至最小。
應(yīng)該理解以上定義設(shè)想出一定‘宏觀’程度的載體表面和光導(dǎo)纖維受支承部分(‘宏觀’被定義為忽略載體表面上的不平坦和小于一定尺寸的光纖)。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，位于光導(dǎo)纖維受支承部分與支承光導(dǎo)纖維的載體表面之間的物理接觸通道沿光導(dǎo)纖維的縱向方向是中凸的。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于如果光纖(例如以光纖激光器形式存在)被放置在通過封裝體振動循環(huán)保持中凸的表面上，那么可將光導(dǎo)纖維受支承部分自載體表面的脫離減至最小。令人吃驚的結(jié)果是在載體表面與光導(dǎo)纖維受支承部分之間的接觸通道的相對較小的曲率(相對較大的曲率半徑)致使對來自環(huán)境的機(jī)械振動的敏感度顯著降低。
術(shù)語‘在制品的使用過程中’在本申請中意味著在這種應(yīng)用中，制品特定例如用于特定溫度范圍的環(huán)境噪聲的一定振幅和頻譜。換言之，術(shù)語‘在使用過程中載體表面保持中凸’意味著在專門設(shè)計(jì)的振動而產(chǎn)生形變時(shí)，載體表面保持中凸。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，所述載體具有至少一個(gè)適于被裝配在平面支承體上的外表面。在一個(gè)實(shí)施例中，所述封裝體具有至少一個(gè)適于被裝配在平面支承體上的外表面。
優(yōu)點(diǎn)在于有利于將制品裝配在一起并且有可能連接至平面支承體上的其它光學(xué)、電子和/或電光部件，例如用以形成包括所述制品的模塊或系統(tǒng)。
術(shù)語‘適于被裝配在平面支承體上’在本文中意味著載體可被裝配在電子和光學(xué)工業(yè)中所使用的標(biāo)準(zhǔn)支承體上，例如在包括印刷電路板的陶瓷材料、聚合物材料、金屬等的襯底上面。由此，有利于對所述制品進(jìn)行物理處理并且提供與其它部件和系統(tǒng)的信號連接。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，所述載體是細(xì)長的。細(xì)長的載體例如意味著所述載體具有一個(gè)大于其它空間維度的空間維度，從而使得例如所述載體在光導(dǎo)纖維受支承部分的方向上具有一定的物理伸長量(在被裝配在載體表面上時(shí))，所述物理伸長量大于其在其它方向上的物理伸長量(即所述載體是‘梁形狀的’)。
術(shù)語‘大體上’旨在意味著基本上，但不一定是全部地。
在一個(gè)實(shí)施例中，沿光導(dǎo)纖維受支承部分的長度觀察截面時(shí)，載體表面大體上呈半圓形。其有點(diǎn)在于提供了簡單且易于進(jìn)行生產(chǎn)的載體表面。術(shù)語‘載體表面大體上呈半圓形’在本申請中意味著由位于光導(dǎo)纖維受支承部分與沿光纖長度的載體表面之間的物理接觸通道構(gòu)成的曲形通道大體上是半圓形的(即構(gòu)成在一定長度和/或徑向公差為±20％以內(nèi)，例如在±10％以內(nèi)，例如在±5％以內(nèi)的半圓)。
在一個(gè)實(shí)施例中，位于光導(dǎo)纖維受支承部分與沿光纖長度的載體表面之間的物理接觸通道由平面(凸)曲線例如圓的一部分表示。然而，另一種選擇是，其可形成任何其它的通道，例如一個(gè)實(shí)施例中的螺旋形通道，其中所述光導(dǎo)纖維受支承部分呈螺旋形被纏繞在圓柱形載體表面上。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述載體關(guān)于被所述通道跨越的平面是對稱的，所述通道由光導(dǎo)纖維的縱向延長部限定出(即例如由位于光導(dǎo)纖維受支承部分與沿光纖長度的載體表面之間的物理接觸通道限定出)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述載體是一個(gè)封閉的本體，在制品的使用過程中，載體表面保持中凸。術(shù)語‘封閉的本體’指的是大體上沿所述光導(dǎo)纖維受支承部分的長度的截面視圖，術(shù)語‘封閉的本體’在本申請中意味著實(shí)心的(例如圖6和圖9.a)或空心的(例如圖5)本體，與具有梁形狀的本體(例如圖1，2，4，9b，10和11-14)相對。其優(yōu)點(diǎn)在于與相應(yīng)的‘中空’或‘開口’本體(例如具有圓形截面的圓柱形)或半圓形(開口，參見圖4))相比，增大了第一基本諧振頻率。
載體表面-在沿所述光導(dǎo)纖維受支承部分的長度的截面視圖中-可以隨任何適宜的(例如線性或中凸的)曲形通道，所述通道適應(yīng)于光導(dǎo)纖維和載體(包括其表面摩擦力)的材料、光纖Bragg光柵、特征波長等。
在一個(gè)實(shí)施例中，載體表面是在光導(dǎo)纖維受支承部分的縱向方向上優(yōu)選大體上具有橢圓形或圓形截面(例如參見圖5，15)的圓柱形表面的一部分。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了簡單且易于進(jìn)行生產(chǎn)的載體表面。其優(yōu)點(diǎn)還在于與相應(yīng)的‘開口’本體相比提供了更高的第一基本諧振頻率，同時(shí)依然避免脫離。
在沿垂直于光導(dǎo)纖維受支承部分的縱向方向的載體表面的方向上(即垂直于由位于光導(dǎo)纖維受支承部分與沿光纖長度的載體表面之間的物理接觸通道跨越的平面)，載體表面可呈現(xiàn)任何適宜的形狀，例如曲形或線性的。這包括在用于裝配光導(dǎo)纖維的載體中形成的可能的溝槽的載體表面(見后文，例如圖3.b中的361)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述載體(呈圓柱形從而使得光導(dǎo)纖維被支承在圓柱形表面上)在沿大體上與圓柱形載體軸線相平行的軸線的方向上包括完全或部分貫通的開口。完全或部分貫通的開口在此意味著當(dāng)被裝配到載體上時(shí)在大體上沿光導(dǎo)纖維受支承部分的縱向方向的截面上完全或部分橫穿載體從而使得光導(dǎo)纖維受支承部分受到環(huán)形結(jié)構(gòu)(例如參見圖5或11.a)的支承的開口。與實(shí)心載體相比，通過節(jié)省材料，從而使得這種結(jié)構(gòu)可能是有利的。另外，所述封裝體的空心部分可包含其它部件或結(jié)構(gòu)部件，由此提供一種緊湊型系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述(可能呈圓柱形的)載體表面是實(shí)心封裝體的一部分(即不包括在大體上沿光導(dǎo)纖維受支承部分的縱向方向的截面上的貫通開口，例如參見圖6.a，15.h所示的實(shí)施例)。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了簡單且易于進(jìn)行生產(chǎn)的載體表面。其優(yōu)點(diǎn)還在于與相應(yīng)的具有貫通開口的本體相比提供了更高的第一基本諧振頻率。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，光導(dǎo)纖維受支承部分大體上沿所述封裝體的中性軸線進(jìn)行設(shè)置。其優(yōu)點(diǎn)在于使封裝體彎曲過程中的應(yīng)變最小化。按照這種方式，襯底的振動激勵(lì)對光纖激光器的影響作用將得到顯著減弱。如在J.M.Gere和S.P.Timoshenko，“Mechanicsof Materials”，F(xiàn)ourth SI Edition，Stanley Thornes(Publishers)Ltd.，1999，第311-312頁上可以找到用于給定本體的中性曲形通道，該書在本申請其它地方被稱作[Timoshenko]。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，用于至少支承光導(dǎo)纖維受支承部分的載體表面位于所述載體中的溝槽中。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了對光導(dǎo)纖維的保護(hù)并且提供了一種用于沿載體本體中預(yù)定的曲形通道設(shè)置光導(dǎo)纖維的適當(dāng)手段。其優(yōu)點(diǎn)還在于使得能夠在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向軸線的方向上進(jìn)行固定。在一個(gè)實(shí)施例中，所述溝槽包括用于將光導(dǎo)纖維固定在溝槽中的裝置，例如以局部縮窄所述溝槽從而固定光導(dǎo)纖維的一個(gè)或多個(gè)凸部的形式存在或者以一個(gè)或多個(gè)起到固著材料如膠粘劑或粘合劑貯槽作用的凹部的形式存在。在一個(gè)實(shí)施例中，局部凸部和/或凹部沿用于將光纖定位在溝槽中的溝槽長度按照一定間隔進(jìn)行設(shè)置。這樣可以確保光導(dǎo)纖維的中心軸線沿著一條特定的通道，例如載體(或封裝體)的中性通道。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述溝槽具有矩形截面。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述溝槽的截面形狀適應(yīng)于所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分的截面形狀。其優(yōu)點(diǎn)在于可以容易且精確地(自對準(zhǔn))將光導(dǎo)纖維裝配在所述溝槽中。所述溝槽的截面形狀的適應(yīng)性可包括調(diào)節(jié)所述溝槽(或其一部分，例如底部)的形狀，從而形成類似于光導(dǎo)纖維形狀的形狀(例如圓形或橢圓形，例如圖3.b中的361)。然而，所述適應(yīng)性還可包括調(diào)節(jié)所述溝槽的形狀，從而形成不同于光導(dǎo)纖維形狀的形狀(例如三角形或矩形，例如圖3.c)，例如用以利于對準(zhǔn)和/或在光導(dǎo)纖維周圍為(流體或固體)填充材料留出適當(dāng)?shù)目臻g。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，在被裝配在所述溝槽中時(shí)在垂直于所述光導(dǎo)纖維的縱向方向的截面中進(jìn)行觀察時(shí)，所述載體具有大體上呈矩形的外邊界。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了在截面扭轉(zhuǎn)因數(shù)與極慣性矩(K/J)間具有相對較高比值的載體，由此提供了具有相對較高的扭轉(zhuǎn)固有頻率的載體。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，當(dāng)位于所述載體表面上時(shí)的所述光導(dǎo)纖維的受支承部分完全或部分地被填充材料所圍繞，所述填充材料基于與大體上相同尺寸的所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分優(yōu)選具有一定質(zhì)量密度，例如在所述光導(dǎo)纖維的質(zhì)量密度的100％以內(nèi)、例如在50％以內(nèi)、例如在30％以內(nèi)、例如在20％以內(nèi)、例如在10％以內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)在于將光導(dǎo)纖維作用在溝槽壁上的可能的震動減至最小。其優(yōu)點(diǎn)還在于光導(dǎo)纖維和填充材料相當(dāng)于一體。其優(yōu)點(diǎn)還在于填充材料的使用減弱了對溝槽的機(jī)械公差的要求，這是因?yàn)樘畛洳牧舷丝赡艽嬖诘牟灰?guī)則性。其優(yōu)點(diǎn)還在于從光導(dǎo)纖維進(jìn)行散熱的條件可以得到改善(通過使用導(dǎo)熱填充材料例如金屬)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述填充材料是可變形的材料，例如熱糊劑如冷卻糊劑、或金屬如銦。在一個(gè)實(shí)施例中，所述填充材料至少在將其施加到溝槽中時(shí)是流體。在一個(gè)實(shí)施例中，所述填充材料至少在將其施加到溝槽中時(shí)是液體。在一個(gè)實(shí)施例中，所述填充材料在進(jìn)行施加之后受到硬化或固化，從而增大其粘度。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述填充材料是Viton(或出自Dupont-DowElastomers的六氟丙烯-偏二氟乙烯)。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述載體包括當(dāng)被裝配到所述載體上時(shí)在光導(dǎo)纖維受支承部分的縱向方向上的貫通開口，光導(dǎo)纖維的所述受支承部分位于其中(例如參見圖11.b，11.c)。其優(yōu)點(diǎn)在于有利于實(shí)現(xiàn)具有改進(jìn)的剛度和最小形變模式的相對較高固有頻率的封裝體設(shè)計(jì)。
其優(yōu)點(diǎn)在于與現(xiàn)有技術(shù)解決方案(例如參見圖3.a)相比，減小了來自環(huán)境中聲源(或其它機(jī)械振動源)的扭轉(zhuǎn)振動的影響作用。其優(yōu)點(diǎn)還在于增大了封裝體的剛度，由此增大了其第一諧振頻率。通過將光導(dǎo)纖維約束在以貫通開口的形式存在的縱向腔中，進(jìn)一步減少了脫離，由此降低了對封裝體聲彎曲的敏感度。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維的受支承部分大體上沿所述封裝體的剪切中心通道進(jìn)行設(shè)置，由此因扭轉(zhuǎn)形變模式而使光導(dǎo)纖維伸長量最小。在被裝配在貫通開口中時(shí)當(dāng)在垂直于光導(dǎo)纖維縱向方向的截面中進(jìn)行觀察時(shí)，若所述封裝體是雙重對稱的，即具有與用于進(jìn)行彎曲的中性軸線相重合的剪切中心，那么當(dāng)沿用于彎曲和扭轉(zhuǎn)形變模式的軸線進(jìn)行放置時(shí)，提供了光纖的最小伸長量。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述載體包括多個(gè)優(yōu)選兩個(gè)協(xié)同操作的本體，當(dāng)所述本體被組裝在一起時(shí)則提供了所述貫通開口(例如參見圖3.c或3.1)。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)合了具有改進(jìn)的剛度和最小形變模式的相對較高固有頻率的優(yōu)點(diǎn)與光導(dǎo)纖維易于處理和裝配的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)所述本體由填充材料構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，所述本體借助粘結(jié)材料例如膠粘劑進(jìn)行聯(lián)接。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述貫通開口具有與所述光導(dǎo)纖維的截面形狀相適應(yīng)的截面形狀。
所述載體表面的曲率可優(yōu)選被優(yōu)化，用以最小化光導(dǎo)纖維中的彎曲損耗和光纖Bragg光柵中的啾鳴信號(后者是分別由于光柵發(fā)生彎曲和摩擦引起的光柵的不均勻形變而產(chǎn)生的)。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，由所述光導(dǎo)纖維的受支承部分與載體表面的接觸通道限定出的曲線的曲率在0.5m-1至200m-1的范圍內(nèi)，例如在1m-1至200m-1的范圍內(nèi)，例如在5m-1至70m-1的范圍內(nèi)，例如在10m-1至50m-1的范圍內(nèi)。在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述曲率在0.004m-1至200m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至20m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至13m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至5m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至2m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至1m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至0.7m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至0.5m-1的范圍內(nèi)，例如在0.1m-1至50m-1的范圍內(nèi)，例如在0.2m-1至2m-1的范圍內(nèi)。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述曲率在0.1m-1至1m-1的范圍內(nèi)。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述載體表面支承光導(dǎo)纖維的部分具有高低不平的表面，所述表面包括峰部或脊部以及凹部或谷部，其中當(dāng)沿光纖的縱向方向進(jìn)行觀察時(shí)，相鄰的峰部或脊部之間的距離如此小，以使得懸在相鄰的峰部或脊部之間的光導(dǎo)纖維的本征頻率大于5kHz，例如大于10kHz，20kHz，例如大于25kHz，例如大于30kHz。高低不平的表面的一個(gè)實(shí)例可以是不同材料表面之間的過渡部分，例如包括的外部可調(diào)諧材料例如壓電材料的多本體載體。
在這種情況下，術(shù)語‘中凸’應(yīng)被理解為‘總體上中凸’，其原因在于由光導(dǎo)纖維的表面適應(yīng)部分沿與載體表面的接觸點(diǎn)所描述的曲形通道被允許是分段線性的(即在與載體表面的實(shí)際物理接觸點(diǎn)之間是線性的，參見圖10.b中的102和107)。
在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，相鄰的峰部或脊部之間的距離小于10毫米，例如小于5毫米，例如小于2毫米，例如小于1毫米。
在一個(gè)實(shí)施例中，載體表面和光導(dǎo)纖維的表面適應(yīng)部分具有大體上相似的表面粗糙度(例如測得的均方根粗糙度(rms roughness)彼此間系數(shù)在2以內(nèi)，例如系數(shù)在1.5以內(nèi)，例如系數(shù)在1.2以內(nèi))。
在一個(gè)實(shí)施例中，決定載體表面熱膨脹的封裝體容積的主要部分中包含鋁。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了導(dǎo)熱載體，相對廉價(jià)的材料和用于機(jī)加工的具有吸引力的材料。在這些實(shí)施例中，具有較低熱膨脹系數(shù)的材料例如Invar，或具有與光導(dǎo)纖維的熱膨脹系數(shù)相似的熱膨脹系數(shù)的材料被用在載體中。在這些實(shí)施例中，可以使用陶瓷或壓電材料。通過選擇作為光導(dǎo)纖維基材(且有可能通過包括光導(dǎo)纖維的一定程度的預(yù)應(yīng)變)的載體材料，可以考慮在相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)的溫度相關(guān)性方面可能存在的差異，從而確保在操作過程中在預(yù)定溫度范圍內(nèi)不發(fā)生脫離。載體本體的較大的剛度(或更確切地說，較大的K/J、I/A和E/ρ比值)(參見公式(1a)、(1b)和(1c)以及如下文所述)是有利的。
在封裝體中使用不同的材料以實(shí)現(xiàn)對波長范圍相對較慢和/或相對較快的調(diào)諧在所述制品的一個(gè)特定實(shí)施例中，所述載體中包含至少兩種材料。其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)靈活性得到增強(qiáng)，即有利于提供特定性質(zhì)的載體和封裝體(以及由此的制品)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述載體包括至少一個(gè)由一種材料(名稱為材料-2，參見下文)制成的第二本體，其縱向尺寸專門適應(yīng)于例如通過外部控制信號進(jìn)行外部調(diào)制。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種用以動態(tài)影響載體和封裝體(以及由此的制品)的性質(zhì)的可能性。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第二本體中包含一種材料，其縱向尺寸專門適應(yīng)于進(jìn)行電調(diào)制。電調(diào)制相對容易地例如作為直流或交流電壓或電流而被提供。其優(yōu)點(diǎn)還在于易于被改變成所需幅值和/或重復(fù)序列或頻率。在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述電調(diào)制是受電壓控制的，頻率小于10MHz，例如在0.1Hz至100kHz的范圍內(nèi)，例如在20Hz至20kHz的范圍內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了對載體長度進(jìn)行了相對快速的調(diào)制，由此提供了用于控制激光器的相位和頻率的工具。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第二本體中包含壓電材料。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種用于動態(tài)改變本體的物理尺寸的運(yùn)行良好的裝置。另一種可選方式是，所述第二本體中可包含電致伸縮材料例如鈮鎂酸鉛(PMN)陶瓷材料或磁致伸縮材料(例如一種或多種鑭系元素(稀土)例如鋱和鏑加上鐵的合金晶體)在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二本體中包含壓電陶瓷材料。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述壓電材料從以下材料組中進(jìn)行選擇，所述材料組中包括壓電陶瓷材料如多晶鐵電陶瓷材料，例如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛(Pb)(PZT)及其組合。另一種可選方式是，可以使用如石英、電石、Rochelle等天然材料。但是，在這些材料中所述效應(yīng)是相對較小的。前述開發(fā)出的陶瓷材料與天然材料相比具有優(yōu)越的性質(zhì)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述載體包括由一種材料(名稱為材料-1，參見下文)制成的第一本體，其縱向尺寸專門適應(yīng)于進(jìn)行熱調(diào)制。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了將第二本體的調(diào)制效應(yīng)與第一本體的熱調(diào)諧結(jié)合在一起的可能性，其中所述載體中第一本體和第二本體的材料、容積、形狀和位置專門適于所需的調(diào)諧可能性。例如可以通過電阻器或Peltier元件而提供所述載體的熱改善。
在一個(gè)實(shí)施例中，構(gòu)成沿載體的縱向方向的所述第一本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-1大體上等于構(gòu)成所述第二本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-2。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，構(gòu)成沿載體的縱向方向的所述第一本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-1大體上大于構(gòu)成所述第二本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-2，例如大于αT-2的1.5倍，例如大于αT-2的2倍，例如大于αT-2的5倍。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了用于最優(yōu)化通過第一本體的相對慢速的熱調(diào)諧與通過第二本體的相對快速的調(diào)諧之間的調(diào)諧性能的設(shè)計(jì)參數(shù)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第一本體中包含選自以下材料組中的材料，所述材料組中包括金屬如鋁或銅或其合金、陶瓷材料及其組合。在一個(gè)實(shí)施例中，所述載體材料可包括具有正熱膨脹系數(shù)的材料(例如金屬如鋁或銅)或熱膨脹系數(shù)基本上為零的材料(例如InvarTM)或具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料(例如陶瓷材料)或其組合。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第一本體構(gòu)成了所述載體的主要容積。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第二本體或多個(gè)所述第二本體相對于垂直于其縱向方向位于所述載體的縱向端部之間的中間位置處的載體截面不對稱地進(jìn)行設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二本體具有與所述載體的其余部分大體上相同的截面，即大體上繼續(xù)相鄰載體部段的截面。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了與光導(dǎo)纖維的直接機(jī)械聯(lián)接。其優(yōu)點(diǎn)還在于成為機(jī)械公差比較寬松的一種相對簡單的機(jī)械解決方案。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第二本體或多個(gè)所述第二本體相對于垂直于其縱向方向位于所述載體的縱向端部之間的中間位置處的載體截面對稱地進(jìn)行設(shè)置。其優(yōu)點(diǎn)在于在光導(dǎo)纖維中提供了對稱的應(yīng)變場。在一個(gè)實(shí)施例中，所述載體包括對稱地設(shè)置在所述載體中的且具有與所述載體的其余部分大體上相同的截面，即大體上繼續(xù)相鄰載體部段的截面的兩個(gè)第一本體。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述兩個(gè)第一本體同步進(jìn)行調(diào)制。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，涉及載體調(diào)制和由此的(例如激光器中)FBG調(diào)諧的技術(shù)特征可用于具有用于支承包括FBG的光導(dǎo)纖維(例如參見圖1)的均勻載體表面的封裝體以及具有中凸載體表面的封裝體。另外，當(dāng)被裝配在載體上時(shí)截面垂直于光導(dǎo)纖維縱向的載體的結(jié)構(gòu)特征可具有任何適宜的形式，包括圖3a-3i所示的那些形式。
包括光纖激光器或特定光纖的制品在一個(gè)實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維和所述光纖Bragg光柵形成了部分所述激光器。由此提供了一種對來自環(huán)境的聲振動的敏感度相對較低的光纖激光器，因此使得能夠形成具有相對較低的相位噪聲的激光器。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維的受支承部分包括兩個(gè)在空間上被隔開的光纖Bragg光柵。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述制品包括DBR激光器，其中所述光導(dǎo)纖維和所述光纖Bragg光柵形成了部分所述DBR激光器。由此提供了一種對來自環(huán)境的聲振動的敏感度相對較低的DBR光纖激光器。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述制品包括DFB激光器，其中所述光導(dǎo)纖維和所述光纖Bragg光柵形成了部分所述DFB激光器。由此提供了一種對來自環(huán)境的聲振動的敏感度相對較低的DFB光纖激光器。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維是基于二氧化硅的光導(dǎo)纖維。
除基于二氧化硅的光導(dǎo)纖維以外的其它可選方式是，可使用任何其它光學(xué)材料纖維系統(tǒng)，例如聚合物、鋁磷酸鹽，氟磷酸鹽，氟鋯酸鹽(ZBLAN)，磷酸鹽，硼酸鹽，亞碲酸鹽等(參見例如Michel.J.F.Digonnet，“Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers”，2ndedition，2001，Marcel Dekker，Inc.，第2章17-112頁，該參考文獻(xiàn)在其它地方被稱作[Digonnet])在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維包括沿縱向延伸的微觀結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維是雙包層光導(dǎo)纖維。在一個(gè)實(shí)施例中，所述雙包層光纖包括芯部且(至少)包括內(nèi)部包層和外部包層，所述芯部包括光學(xué)活性摻雜劑(例如稀土離子，例如Er和/或Yb)。其優(yōu)點(diǎn)在于，允許利用包層泵浦技術(shù)對所述光導(dǎo)纖維的芯部進(jìn)行處理。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維包括沿縱向延伸的微觀結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述光導(dǎo)纖維是所謂空氣包層光纖，所述空氣包層光纖包括沿縱向延伸的空氣孔的外環(huán)(例如位于所述光纖的外部包層區(qū)域中)，泵浦光可被限制在所述外環(huán)內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)在于為光纖激光器提供了具有吸引力的介質(zhì)。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述光纖是雙包層光纖，其中所述內(nèi)部包層區(qū)域是多模波導(dǎo)。
所述載體表面在所述封裝體內(nèi)的位置具有直邊外表面和中凸曲形光纖激光器載體表面的梁形封裝體是一種優(yōu)良的折衷解決方案，即使在所述光纖激光器不能沿所述中性軸線精確對準(zhǔn)的情況下。
術(shù)語‘中性軸線’在本申請中意味著結(jié)構(gòu)部分(典型地為用于保持包括光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維的載體)中的軸線，當(dāng)所述結(jié)構(gòu)部分通過例如純彎曲產(chǎn)生形變時(shí)，在所述軸線位置處的應(yīng)變與所述結(jié)構(gòu)部分中其它點(diǎn)處的應(yīng)變相比相對較小。例如可通過Bernoulli-Euler簡支梁理論(參見例如[Timoshenko]中第311-312頁上的“中性軸線的位置”部分)確定這種中性軸線的位置-假設(shè)溝槽寬度Wg與所述載體的寬度W相比較為狹窄，參見例如圖12.b(例如Wg/W＜0.2，例如＜0.1)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，由所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道限定的曲線大體上為具有半徑R的圓的一部分，所述載體具有縱向伸長量L，所述Bragg光柵具有光柵強(qiáng)度κ，所述載體具有中性軸線N，其中對于κL大于1的情況而言，在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于(4Rκ)-1。其優(yōu)點(diǎn)在于使得由于機(jī)械振動導(dǎo)致所述激光器產(chǎn)生的移頻非常低。
令人驚奇的結(jié)果是，在所提到的近似過程中，距離h與所述載體的長度L無關(guān)。
Bragg光柵的光柵強(qiáng)度κ是單位長度的反射率的量度(例如對于折射率光柵而言，所述光柵強(qiáng)度由折射率調(diào)制決定)，參見例如，Andreas Othonos & Kyriacos Kalli(Artech House，1999，ISBN0890063443)的第5章“光纖Bragg光柵”。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，κL大于2，例如大于5，例如大于10。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述載體表面大體上為圓形圓柱體表面的一部分，所述圓柱體具有半徑R。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，由所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道確定的曲線大體上是半徑為R的圓的一部分，當(dāng)沿縱向截面觀察時(shí)，所述曲線關(guān)于所述載體中心被對稱設(shè)置，以使得所述圓的頂點(diǎn)位于所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處(參見例如圖12.a)。
令人驚奇的結(jié)果是，所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道的最優(yōu)位置大體上位于所述載體的中性線的下面(當(dāng)如圖11-圖13所示進(jìn)行觀察時(shí))，且“通道大體上位于下面”是結(jié)合曲形接觸通道的圓的中心方向進(jìn)行理解的，所述路徑大體上位于圖12.a所示的代表載體的中性軸線的水平線87下面)。實(shí)際上，包括位于所述載體端部之間的中間位置處的‘頂點(diǎn)’的曲線的中心部分位于略高于(例如1-20μm)所述中性線的位置處。為了對各個(gè)幾何形狀參數(shù)進(jìn)行說明的目的，圖12.a中未示出這種情況，相反地，在所述圖中，接觸路徑位于明顯高于線87的位置處)。圖12.c所示的剪切/放大視圖中示出了更(盡管不完整)現(xiàn)實(shí)的相互關(guān)系。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，圓與中性軸線之間的距離h大體上等于0。在實(shí)踐中，可通過為用于制造載體表面的機(jī)器工具所設(shè)定的公差確定物理實(shí)施例的實(shí)際距離h。在目前的機(jī)器工具中，該公差為約20μm。
從屬權(quán)利要求中限定了其它實(shí)施例。
設(shè)備本發(fā)明進(jìn)一步提供了包括如上所述且由從屬權(quán)利要求限定的制品的設(shè)備。
所述設(shè)備優(yōu)選可構(gòu)成激光探測和測距(LIDAR)系統(tǒng)或干涉測量系統(tǒng)或成為所述系統(tǒng)的一部分。LIDAR是激光探測和測距的簡稱且LIDAR系統(tǒng)例如用于測量或量測距離、速度、化學(xué)成分、振動和濃度等)。干涉測量系統(tǒng)例如可用于在長距離內(nèi)測量機(jī)械振動(包括聲振動)。
使用本發(fā)明還提供了如上所述且由從屬權(quán)利要求限定的制品的使用。優(yōu)選可將制品用于LIDAR系統(tǒng)或干涉測量系統(tǒng)中。
方法進(jìn)一步提供了一種生產(chǎn)制品的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供用于激光器的一定長度的光導(dǎo)纖維，所述光導(dǎo)纖維包括用于對在所述光導(dǎo)纖維中傳導(dǎo)的光的波長進(jìn)行選擇的光纖Bragg光柵，所述光纖Bragg光柵被分散在所述長度的光導(dǎo)纖維的FBG部段上，(b)提供用于支承所述光導(dǎo)纖維的載體，所述載體包括用于至少支承所述光導(dǎo)纖維的受支承部分的載體表面；(b1)使所述載體表面適于使得所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與支承所述光導(dǎo)纖維的所述載體表面之間的物理接觸通道在所述光導(dǎo)纖維的縱向方向上是中凸的且適于在所述制品的使用過程中保持中凸；并且(c)將所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分裝配在至少包括所述長度的所述光導(dǎo)纖維的所述FBG部段的所述載體表面上，以使所述受支承部分在所述光導(dǎo)纖維的所述FBG部段的每一側(cè)上被固定到所述載體表面上，從而在所述制品的使用過程中在所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分中提供縱向張力。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括使所述封裝體-具體而言使圍繞其上裝配有所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分的載體的所述封裝體的部分-適于將來自環(huán)境的機(jī)械(例如聲)振動減至最小的步驟。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(b)進(jìn)一步包括使所述載體至少包括由不同材料制成的第一本體和第二本體的步驟(b2)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(b)進(jìn)一步包括使所述載體包括適于沿所述載體的縱向尺寸進(jìn)行外部調(diào)制的材料的步驟(b3)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(b)進(jìn)一步包括使所述不同材料包括適于沿所述載體的縱向方向進(jìn)行熱調(diào)制的第一材料和適于沿所述載體的縱向方向進(jìn)行外部調(diào)制的第二材料的步驟(b4)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(b)進(jìn)一步包括使所述載體包括具有適于被裝配在平面支承體上的至少一個(gè)外表面的外邊界的步驟(b5)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(d1)使由所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道限定出的曲線大體上為具有半徑R的圓的一部分，且使得所述載體具有縱向伸長量L，(e1)使所述Bragg光柵具有光柵強(qiáng)度κ，(f1)確定所述載體的中性軸線N，(g1)使對于κL大于1，例如大于2，例如大于5，例如大于10的情況而言，在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于(4Rκ)-1。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(g1)由使得在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于0的步驟(g2)替換。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述方法包括下列步驟中的一個(gè)或多個(gè)步驟，優(yōu)選包括所有步驟(d2)使由所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道限定出的曲線大體上為具有半徑R的圓的一部分，且使得所述載體具有縱向伸長量L，(f2)確定所述載體的中性軸線N，(g2)使得在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于0，以使得由所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道限定出的曲線沿所述圓的中心方向大體上位于所述中性軸線下面。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(a)進(jìn)一步包括在所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分中形成光學(xué)活性區(qū)域的步驟(a1)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(a1)進(jìn)一步包括使所述光學(xué)活性區(qū)域與所述光纖Bragg光柵的空間延伸范圍完全或部分交疊的步驟(a1.1)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(a1)進(jìn)一步包括使所述光學(xué)活性區(qū)域大體上不與所述光纖Bragg光柵的空間延伸范圍交疊的步驟(a1.2)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(a)進(jìn)一步包括使所速光導(dǎo)纖維的所述受支承部分包括至少兩個(gè)獨(dú)立的一定長度的光導(dǎo)纖維的步驟(a2)，所述至少兩個(gè)獨(dú)立的一定長度的光導(dǎo)纖維彼此進(jìn)行光連接，例如接合。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，步驟(a2)進(jìn)一步包括在一定長度的光學(xué)無源光纖中形成所述光纖Bragg光柵的步驟(a2.1)。
所述方法的特征與上面結(jié)合標(biāo)題為“制品”的部分中所述的制品的相應(yīng)特征所提到的優(yōu)點(diǎn)相同。
通過由從屬權(quán)利要求限定且在本發(fā)明的詳細(xì)描述中進(jìn)行說明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的其它目的。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，當(dāng)本說明書中使用術(shù)語“comprises/comprising”時(shí)，該術(shù)語旨在說明存在所指定的特征、整體、步驟或部件，但不排除一個(gè)或多個(gè)其它的指定特征、整體、步驟、部件或其組群的存在或加入。


下面，結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行更加充分地說明，其中圖1示出了具有光纖激光器的現(xiàn)有技術(shù)載體；圖2示出了被固定在封裝體的每一端處的光纖激光器；圖2.a和圖2.b分別示出了封裝體在振動周期內(nèi)的兩種最大形變的極端狀況；圖3.a-圖3.1示出了包括裝配在封裝體中的光導(dǎo)纖維的不同制品的剖視圖，圖3.a是現(xiàn)有技術(shù)且圖3.b-圖3.1則是根據(jù)本發(fā)明的視圖；圖4示出了半圓形封裝體，圖4.a和4.b示出了封裝體在振動周期內(nèi)的兩種最大形變的狀況(基本本征模式)，其中以未填充圖形表示未形變封裝體；圖5示出了整圓形封裝體，圖中示出了封裝體在振動周期內(nèi)的最大形變狀況(基本本征模式)，其中以未填充圖形表示未形變封裝體；圖6示出了圓柱形封裝體，圖6.a是透視圖，且圖6.b和圖6.c是沿BB’B”的剖視圖，分別示出了光導(dǎo)纖維被放置在載體表面上的兩個(gè)實(shí)施例；圖7示出了不同梁截面的截面扭轉(zhuǎn)因子K和極慣性矩J的分析公式和近似值；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的包括載體襯底的封裝體，所述載體襯底包括具有中凸載體表面的溝槽，圖8.a示出了沿光纖縱向方向的截面，圖8.b示出了封裝體端部的橫截面且8.c為端部透視圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的具有‘強(qiáng)’中凸(半圓實(shí)心，圖9.a)和‘弱’中凸(圖9.b)載體表面的制品；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的制品，其中載體表面是不均勻的，圖10.a示出了全部載體且圖10.b示出了載體表面的一小部分的放大圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的封裝體的多個(gè)實(shí)施例，所述封裝體包括具有貫通開口的載體襯底，圖11.a示出了具有圓形截面的外表面的圓柱形封裝體的透視圖，光導(dǎo)纖維被裝配在所述外表面上，圖11.b和圖11.c示出了載體襯底的剖視圖(左)和側(cè)視圖(右)，其中光導(dǎo)纖維被裝配在貫通開口中，當(dāng)光導(dǎo)纖維被裝配在載體上時(shí)，所述載體在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向上的外截面形狀分別為圓形(圖11.b)和矩形，例如方形(圖11.c)；圖12示出了圖8所示載體的更詳細(xì)的視圖，圖12.a示出了沿光纖縱向方向的側(cè)視圖，圖12.b是載體端部的前視圖且圖12.c是載體的端部和中心部分的放大視圖；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的包括一個(gè)或多個(gè)由壓電材料制成的部段的細(xì)長封裝體的實(shí)例；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的細(xì)長封裝體的實(shí)例，所述細(xì)長封裝體包括被插置在接近載體縱向端部位置處的壓電部分，分別地，圖14.a是頂視圖，圖14.b是側(cè)視圖，且圖14.c是端視圖；和圖15示出了包括至少一個(gè)本體的多本體載體的多個(gè)實(shí)例，所述本體由當(dāng)光導(dǎo)纖維被裝配在載體表面上時(shí)適用于沿光導(dǎo)纖維的受支承部分方向?qū)Ρ倔w的尺寸進(jìn)行外部調(diào)制的材料制成。
附圖是示意性的且為清晰起見進(jìn)行了簡化，且圖中僅示出了對于理解本發(fā)明而言重要的那些細(xì)節(jié)，而省略了其它細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了具有光纖激光器12的現(xiàn)有技術(shù)載體11，參見例如[LVH-2002]。
不同的封裝設(shè)計(jì)已得到研發(fā)從而減弱噪聲在光纖激光器頻率上的效應(yīng)。已經(jīng)通過將包括一定長度的光導(dǎo)纖維的光纖激光器安放在封裝體的載體11中的中性軸線16上獲得了最佳結(jié)果，當(dāng)封裝體產(chǎn)生彎曲時(shí)在所述中性軸線處產(chǎn)生的形變較小。圖1示出了這種現(xiàn)有技術(shù)封裝體的一個(gè)實(shí)例，其中光纖激光器被安放在封裝體中的溝槽13中。此處，溝槽深度被設(shè)計(jì)以使得光纖激光器沿封裝體的中性軸線被放置。溝槽長度15大于或等于光纖激光器的長度。通過將封裝體構(gòu)建為Bernoulli-Euler簡支梁模型且在僅考慮純彎曲的條件下確定中性軸線。在這種情況下，中性軸線16存在于形變?yōu)榱愕姆庋b體中。根據(jù)Bernoulli-Euler簡支梁理論，該中性軸線位于截面的第一面積矩為零的位置處。
在下文中，研究了具有U形溝槽底座的光纖(參見圖1和圖2)的最大伸長量。
當(dāng)制造U形溝槽底座(或載體)11時(shí)，允許有一定的公差以確保適當(dāng)?shù)难b配工藝。被涂敷的光導(dǎo)纖維典型地具有250μm的直徑。該直徑可能不時(shí)地產(chǎn)生變化，且當(dāng)光纖在正常情況下進(jìn)行再涂敷時(shí)(例如在將Bragg光柵寫入光纖中之后)，所述直徑可能沿光纖長度產(chǎn)生變化。典型的變化量為+/-10μm。
有利地，光導(dǎo)纖維12可在無摩擦的條件下被裝配在溝槽13中。因此，溝槽典型地被制成具有300-400μm的寬度17，光導(dǎo)纖維每側(cè)到U形溝槽的側(cè)壁之間存在25-75μm的公差(參見圖1)。并非所有圖3所示的截面都示出了該公差，但實(shí)施例具有這種公差是顯而易見的。
光纖12被固定在端部處(例如溝槽13的每一端中)，固定點(diǎn)之間典型長度為30至120mm，通常為約60mm。
為了理解由于底座11的加速而產(chǎn)生的最大移頻，可考慮簡單的幾何形狀。假設(shè)光導(dǎo)纖維12將保持處于溝槽底部中心的固定點(diǎn)處(例如圖2所示的23)，且當(dāng)?shù)鬃患铀贂r(shí)，所述光導(dǎo)纖維接觸固定點(diǎn)之間的中間位置處的U形溝槽的(側(cè))壁部。此外，光導(dǎo)纖維的線形形式近似具有三角形功能，所述三角形具有基線長度L(固定點(diǎn)之間)和高度h(所述高度為在光導(dǎo)纖維的固定點(diǎn)之間的中間位置處沿垂直于光導(dǎo)纖維(和溝槽)縱向方向的方向從溝槽中心產(chǎn)生的最大位移)。
其中“h”是光導(dǎo)纖維可從中心向U形溝槽邊緣邊緣移動的距離且L是固定點(diǎn)之間的長度，長度增加值“d1”可被表示為dl=2·(L2)2+h2)-L=L·1+4·(hL)2)-1]]>由于h/L＜＜1，因此該公式可簡化為dl=1/2·(4·(hL)2·L=2·h2L]]>在L＝60mm情況下，對于公差為25-75μm的U形溝槽而言，長度增加值為0.02μm至0.33μm。
為了進(jìn)一步計(jì)算這對于頻率的影響，可利用下列公式dlL·(1-pe)=dff⇒df=dlL·(1-pe)·f=2·(hL)2·(1-pe)·f]]>其中pe是彈光系數(shù)(對于硅石光纖為約0.21，參見例如WO-99/27400)且f是在λ＝1550nm的條件下的光頻率(約193THz)。
則與長度增加值相關(guān)的移頻為約50-500MHz(例如，對于h＝25μm而言為52MHz且對于h＝75μm而言為474MHz)。
自由振蕩光纖激光器的典型移頻為約1MHz/s且典型的光纖激光器的譜線寬度為1KHz。將該移頻和與加速相關(guān)的可能移頻相比，結(jié)果表明加速(例如來自誘發(fā)機(jī)械振動)可能對光纖激光器的光譜性能產(chǎn)生較大影響。
使位于固定點(diǎn)之間的中心處的光纖沿垂直于光纖縱向方向的方向移置距離“h”所需的力可近似表示為F＝2*T*(h/L)其中T是光纖中的張力，單位為[N]。
作為一個(gè)實(shí)例，L＝60mm，T＝0.22N，且h＝25μm決定了力F＝183μN(yùn)。例如可通過聲振動或其它機(jī)械振動或直接使封裝體加速而產(chǎn)生垂直于光纖軸線的力。
為了改進(jìn)加速，可在不導(dǎo)致移頻的情況下對底座進(jìn)行處理，至少可以做兩件事情。
1)在光導(dǎo)纖維與U形溝槽的壁部之間引入某種材料。這將防止光纖在加速過程中產(chǎn)生移動。如果材料密度等于光導(dǎo)纖維的密度，則可基本上實(shí)現(xiàn)防止移動的目的。有利地選擇材料以使得不會在光纖中產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致在光纖Bragg光柵中產(chǎn)生啁啾效應(yīng)從而使激光器的性能降級。
2)在光導(dǎo)纖維與底座之間引入預(yù)張力，這可通過將光導(dǎo)纖維裝配在中凸載體表面上得以實(shí)現(xiàn)。在對于加速的預(yù)定不敏感度一定的情況下，可計(jì)算在給定的中凸曲率和張力下所需的預(yù)張力。
確保光導(dǎo)纖維不會脫離載體表面的最大加速度的近似表達(dá)式可以是Acc＜T/(ρL*r)其中r是載體表面的曲率半徑。下表示出了ρL＝9.8175·10-5kg/m(硅石光纖)且T＝0.22N的實(shí)例。

這表明對于甚至較大的曲率半徑而言，‘脫離’加速度變得相對較大。例如，對于1m的曲率半徑而言，需要比重力加速度(g～10m/s2)大200倍的加速度，這使得與現(xiàn)有技術(shù)的解決方案相比，激光器對于機(jī)械振動的敏感度相對較低。進(jìn)一步地，如果r＜228m，則封裝體可被安放在地心引力場中的任何位置處，例如，使光纖向下(即沿重力方向)轉(zhuǎn)動而不會使光纖脫離中凸載體表面(如果沒有其它力影響封裝體的話)。動力加速度進(jìn)一步限制了半徑，其中例如震動沖擊可能提供極大的加速度，且因此希望有更小的半徑(實(shí)際曲率半徑是以光纖激光器的光性質(zhì)為著眼點(diǎn)而確定的)。
圖2示出了固定在縱向成形的封裝體的每一端處的光纖激光器。圖2.a和圖2.b分別示出了封裝體的載體21在振動周期內(nèi)的兩種最大形變的極端狀況。光纖24在張力作用下被裝配在載體上，但僅被固定在光纖的每一端23處(例如利用膠粘劑)。在如圖2.a所示的一種極端彎曲模式中，光纖24沿循中凸載體表面26。然而在與彎曲模式相反的極端狀況下(圖2.b)，光纖的中心部分可能由于光纖的預(yù)應(yīng)變而與載體表面接觸不良(脫離所述表面)。圖2.b示出了這種效應(yīng)，其中光纖24已經(jīng)脫離中凹表面27。包括光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維的非預(yù)期長度變化(長度減少)非預(yù)期地改變了光纖的光性質(zhì)(例如光纖Bragg光柵的波長選擇)。
然而，除了彎曲以外，其它形變模式如軸向和扭轉(zhuǎn)形變也對聲敏感度產(chǎn)生了負(fù)面影響。通常僅在高頻噪聲下，軸向形變存在問題。但當(dāng)利用其中激光器被安放在中性軸線上的封裝體減弱彎曲效應(yīng)時(shí)，對于中等范圍的噪聲而言可觀察到扭轉(zhuǎn)形變效應(yīng)。為此，本文研究了如何對封裝體進(jìn)行設(shè)計(jì)以使得彎曲形變和扭轉(zhuǎn)形變模式在光纖激光器上的效應(yīng)盡可能小的問題。
有利地利用下列策略以便當(dāng)剛硬的細(xì)長封裝體受到噪聲或其它機(jī)械振動激勵(lì)時(shí)，可減少固定到所述封裝體上的光纖激光器產(chǎn)生的形變·將激光器固定在封裝體上的適當(dāng)位置處以使得當(dāng)封裝體以存在問題的形變模式受到激勵(lì)時(shí)激光器的伸長量盡可能的小。
·增加最低形變模式的固有頻率以使得對于低頻噪聲而言減少了該模式的總形變。
·確保光纖與封裝體之間的良好物理接觸(避免脫離)。
有利地通過增加固有頻率減少總形變-即使可能發(fā)現(xiàn)激光器在給定模式不產(chǎn)生形變的軸線，原因在于激光器的半徑大于零(即光纖的徑向外部將不位于中心軸線或通道中)。進(jìn)一步地，在一些情況下，在實(shí)踐中可能難以將光纖精確地安放在給定中心軸線上。
常規(guī)的光纖激光器封裝體與截面面積相比通常較長且因此在本文中被視作‘梁’。具有較大的長度與截面積之比(即例如L＞10*D或L＞20*D，其中L是光纖激光器的長度且D是光導(dǎo)纖維的代表截面尺寸，如其直徑，然而具有更小的L/D之比的設(shè)計(jì)可能具有相似的效應(yīng)，例如L＞5*D)的長梁的固有頻率可近似為(1a)ωi2=γi41l4Eρ1A]]>彎曲(1b)ωi2=γi21l2GρKJ]]>扭轉(zhuǎn)(1c)ωi2=γi21l2Eρ]]>縱向其中相關(guān)參數(shù)可分成幾組材料參數(shù)，密度ρ、楊氏模量E和剪切模量G＝E/(2/(1+V))，其中v是泊松比。幾何形狀參數(shù)，截面積A、長度1、慣性矩I、極慣性矩J和截面扭轉(zhuǎn)因子K。常數(shù)γi取決于封裝體的裝配。對于自由-自由裝配而言(即封裝在軟消聲材料，例如泡沫中)，這些參數(shù)中的第一組如下表所示。

對于長梁而言，彎曲模式的固有頻率通常低于相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)模式和縱向模式的固有頻率，所述頻率彼此之間實(shí)際的相互關(guān)系取決于所討論的梁的幾何形狀。從(1)中可以看到，如果封裝體長度l縮短或如果使用具有較高的剛度質(zhì)量比(E/ρ或G/ρ)的材料，則固有頻率增加。彎曲模式和扭轉(zhuǎn)模式的固有頻率還取決于截面設(shè)計(jì)。具有較高的慣性矩與面積比(I/A)的截面增加了彎曲固有頻率，且相似地，較高的截面扭轉(zhuǎn)因子與極慣性矩之比(K/J)增加了扭轉(zhuǎn)固有頻率。
截面扭轉(zhuǎn)因子K由下式確定M＝GK(/l)Ar4其中M是在兩端處使長度為l的桿或梁扭轉(zhuǎn)角度所需的力矩。GK已公知為扭轉(zhuǎn)剛度因子，所述扭轉(zhuǎn)剛度因子是與材料相關(guān)的剪切模量G與截面扭轉(zhuǎn)因子K的乘積。
對于特定類型的截面而言，K的分析公式和近似值是已知的。圖7示出了一些實(shí)例。但通常只有圓形和薄壁截面的分析解法是已知的。圓形截面的截面扭轉(zhuǎn)因子等于截面的極慣性矩JJ＝∫r2dA在這種情況下，比值K/J為l且具有最大值。
但即使對于無法建立分析表達(dá)式的一般截面而言，也可基于上表所示的簡化截面給出使比值K/J最大化的一些建議·利用圓形截面，如果可能的話，使K/J比值和扭轉(zhuǎn)固有頻率最大化。
·不使用開口截面，與閉合截面相比，開口截面使扭轉(zhuǎn)剛度明顯降低。
·利用雙對稱截面，使剪切中心與彎曲中性軸線重合。當(dāng)沿該軸線安放光纖激光器時(shí)，這為光纖激光器提供了在彎曲和扭轉(zhuǎn)模式下的最小伸長量。
中心具有小孔以安放光纖激光器的圓形截面是最優(yōu)截面。但具有方形截面的封裝體可能更易于制造和處理。具有被設(shè)計(jì)以便當(dāng)封裝體產(chǎn)生彎曲時(shí)降低光纖激光器的伸長量的溝槽的封裝體(參見圖3.a)應(yīng)該產(chǎn)生變型以改進(jìn)其扭轉(zhuǎn)性能。通過封閉溝槽(參見圖3.b)，可獲得更高的扭轉(zhuǎn)剛度和K/J比。如果剩下的孔是方形的且被置于截面的中心處，則其是雙對稱的且具有重合的中性軸線和剪切軸線(也位于中心)。在下面的實(shí)例A中披露了具有溝槽的封裝體(圖3.a)和封閉的封裝體(圖3.b)之間的對比。
圖3示出了包括裝配在封裝體(此處被示作載體11、31(對于單本體載體而言)或雙本體載體的載體31、35)中的光導(dǎo)纖維12、32(例如形成了光纖激光器的一部分)的不同制品10、30的剖視圖。
圖3.a示出了具有裝配在溝槽13，例如裝配在封裝體的中心軸線(參見圖1中的16)上的光導(dǎo)纖維12的圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)封裝體的截面。請注意，圖3.a的截面與圖4、5、8、9所示的實(shí)施例或等效實(shí)施例結(jié)合使用時(shí)不是現(xiàn)有技術(shù)。
圖3.b-圖3.1示出了根據(jù)本發(fā)明的封裝體的不同實(shí)施例。光導(dǎo)纖維的中心線優(yōu)選與封裝體的中性軸線重合。
圖3.b示出了具有第一U形載體本體31和第二封閉本體35的雙本體封裝體，所述第二封閉本體適于與U形本體協(xié)同作用以在載體中形成用于裝配具有至少一個(gè)光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維32，例如光纖激光器，的方形貫通開口或腔36。兩個(gè)本體在一起具有矩形(可能為方形)外部輪廓。
圖3.c示出了如圖3.b所示的雙本體封裝體，其中光導(dǎo)纖維32被填充材料37圍繞。進(jìn)一步地，第二封閉本體35由相同或另一種填充材料構(gòu)成。填充材料優(yōu)選應(yīng)具有質(zhì)量密度，所述質(zhì)量密度值可與光導(dǎo)纖維和載體材料的質(zhì)量密度值相比(例如位于所述值之間)。
圖3.d示出了具有矩形截面的貫通開口或腔36的單本體封裝體，其中光導(dǎo)纖維32被填充材料37圍繞。封裝體具有矩形(可能為方形)輪廓。
圖3.e示出了具有圓形截面的貫通開口或腔36的單本體封裝體，其中光導(dǎo)纖維32被填充材料37圍繞。封裝體具有矩形(可能為方形)輪廓。
圖3.f示出了如圖3.c所示的雙本體封裝體，其中封閉本體35與光導(dǎo)纖維32的接觸表面38適應(yīng)于光導(dǎo)纖維的形狀(且其中光導(dǎo)纖維被填充材料37圍繞)。
圖3.g示出了包括第一U形載體本體31和第二T形封閉本體35(包括水平構(gòu)件351和側(cè)部構(gòu)件352)的雙本體封裝體，所述第二T形封閉本體適于與U形本體協(xié)同作用以在載體中形成用于裝配光導(dǎo)纖維32的方形貫通開口或腔36。封裝體具有矩形(可能為方形)輪廓。‘T’的中心‘腿部’352適于裝配在第一U形載體本體31的溝槽內(nèi)以形成腔36，由此使得易于進(jìn)行處理且易于進(jìn)行自對準(zhǔn)封裝。構(gòu)成封裝體的載體的兩個(gè)本體31、35通過膠粘劑352彼此固定。在沿光導(dǎo)纖維32的縱向方向延伸的載體部分中，膠粘劑可被添加在兩個(gè)本體之間的整個(gè)接觸表面上或沿載體長度施加一個(gè)或多個(gè)不連續(xù)的膠粘劑條帶。圖中示出了以小溝槽或溝渠形式存在的膠粘劑止擋353。膠粘劑止擋的目的在于防止膠粘劑行進(jìn)至包含光導(dǎo)纖維32的腔36。
圖3.h示出了包括第一U形載體本體31和第二矩形封閉本體35的雙本體封裝體，所述第二矩形封閉本體適于與U形本體協(xié)同作用以在載體中形成用于裝配光導(dǎo)纖維32的方形貫通開口或腔36。U的‘腿部’的內(nèi)面包括使保持光導(dǎo)纖維32的溝槽部分縮窄的梯級。封裝體具有矩形(可能為方形)輪廓。構(gòu)成封裝體的載體的兩個(gè)本體31、35通過膠粘劑35聯(lián)接。圖中示出了以小溝槽或溝渠形式存在的膠粘劑止擋353。
圖3.i示出了包括第一U形載體本體31和第二梯形封閉本體35的雙本體封裝體，‘U’的側(cè)‘腿部’具有向內(nèi)傾斜的面，所述第二梯形封閉本體適于與U形本體協(xié)同作用以在載體中形成用于裝配光導(dǎo)纖維32的方形貫通開口或腔36，由此使得易于進(jìn)行處理且易于進(jìn)行自對準(zhǔn)封裝。光導(dǎo)纖維被填充材料37圍繞。封裝體具有矩形(可能為方形)輪廓。
圖3.j示出了具有圓形輪廓的單本體封裝體，所述封裝體具有位于載體中的圓形貫通開口或腔36以裝配光導(dǎo)纖維32，由此提供理想的截面從而為封裝體提供高固有頻率。光導(dǎo)纖維被填充材料37圍繞。
圖3.k示出了如圖3.j所示的封裝體，除了圓形的圓柱形載體31由兩個(gè)本體(兩個(gè)半件)31、35形成以外。
圖3.I示出了如圖3.j所示的封裝體，除了位于載體中的用于裝配光導(dǎo)纖維的貫通開口或腔36以及管道纖維本身32具有橢圓形截面以外。
圖4示出了半圓形封裝體，圖4.a和圖4.b示出了封裝體在振動周期內(nèi)的兩種最大形變的狀況(基本本征模式)，其中以未填充圖形表示未形變封裝體41。
圖4示出了在其未形變狀態(tài)和形變狀態(tài)下成形為半圓形狀的封裝體。圖4.a和圖4.b分別示出了對應(yīng)于基本諧振頻率的本征模式42。如圖所示，即使通過對應(yīng)于基本諧振頻率的振動使頂表面產(chǎn)生形變，頂表面仍保持中凸。通過在封裝體的每一端處將激光器固定在表面上而避免發(fā)生脫離表面的情況。
通過在半圓形封裝體中設(shè)置溝槽，可能將激光器固定在中性軸線處(在這種情況下構(gòu)成了半圓)。如果截面積與半圓形封裝體的半徑相比較小，則可通過與直邊封裝體相同的方式計(jì)算截面的溝槽深度。封裝體在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向上的截面可呈現(xiàn)任何適宜的形狀，包括如圖3.a-圖3.I所示的形狀。
代替使用成形為半圓的封裝體，可通過使圓閉合而增加基本諧振頻率。圖5示出了整圓形封裝體。與半圓形封裝體相比，基本諧振頻率由此可增加45％。
圖5示出了整圓形封裝體，圖5.a和圖5.b示出了封裝體在振動周期內(nèi)產(chǎn)生最大形變的狀況，基本本征模式52。以未填充圖形表示未形變封裝體51。
封裝體在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向上的截面可呈現(xiàn)任何適宜的形狀，包括如圖3.a-圖3.I所示的形狀。
圖6示出了圓柱形封裝體，圖6.a是透視圖，且圖6.b和圖6.c是沿BB’B”的剖視圖，分別示出了光導(dǎo)纖維63被放置在載體表面62上和被放置在溝槽66中的兩個(gè)實(shí)施例。光導(dǎo)纖維63包括位于光導(dǎo)纖維固定在載體表面62上的固定點(diǎn)63之間的光纖Bragg光柵64。
被成形為圓柱體的封裝體具有極高的基本諧振頻率。優(yōu)選的典型封裝體可以是直徑為44.6mm且高度為20mm的鋁圓柱體。
本征諧振頻率為35kHz，遠(yuǎn)高于聲頻區(qū)域(0Hz至20Hz)。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的制品80，所述制品包括具有(至少一個(gè)，此處為全部)平面外表面(適用于裝配在平面支承體上)的細(xì)長(梁形)封裝體，所述封裝體具有長度為L、寬度為W且高度為H的載體81，所述載體包括具有中凸載體表面86的溝槽83，圖8.a示出了沿光纖縱向方向的側(cè)視圖，圖8.b為封裝體的前視圖且圖8.c為端部透視圖。中凸載體表面86適于裝配光導(dǎo)纖維(例如光纖激光器)，所述光導(dǎo)纖維在縱向張力作用下被附在每一端處。
封裝體在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向上的截面(即圖8.b所示的截面)可呈現(xiàn)任何適宜的形狀，包括如圖3.a-圖3.I所示的那些形狀(包括省略了雙本體封裝體的第二封閉本體35的實(shí)施例)，同時(shí)仍保留了載體表面的中凸‘縱向’形式。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的制品90，所述制品具有載體91，所述載體具有‘強(qiáng)’中凸(半圓實(shí)心，圖9.a)和‘弱’中凸(圖9.b)載體表面，其中光導(dǎo)纖維92在光導(dǎo)纖維中的至少一個(gè)光纖Bragg光柵的每一側(cè)上的點(diǎn)93處被附到載體表面上。
如圖所示的兩個(gè)實(shí)施例都具有與適用于支承光導(dǎo)纖維的載體表面相對的大體上呈平面的載體面99。其優(yōu)點(diǎn)在于使得易于將封裝體安放或裝配在包括平面物體的系統(tǒng)環(huán)境中(例如最常規(guī)的電光系統(tǒng)組件)。
光導(dǎo)纖維可位于或可不位于溝槽中。在光纖92位于溝槽中的情況下，如圖所示的載體表面的中凸形狀是槽底部的載體表面形狀，在所述溝槽底部處載體與光纖之間存在物理接觸。
通過下列實(shí)例對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步描述。
實(shí)例A“具有腔封閉本體的雙本體封裝體。帶U形溝槽的封裝體與帶封閉溝槽的封裝體的對比”對帶中心溝槽的封裝體和帶中心(貫通)孔的封裝體進(jìn)行對比(參見例如圖3.a和圖3.b)。兩種封裝體具有5mm×5mm×70mm的外部尺寸，且由鋁制成(E＝70GPa、v＝0.34、ρ＝2700)。溝槽具有2.65mm的深度和0.3mm的寬度。中心孔是0.3mm×0.3mm的方形。兩種封裝體的截面常數(shù)如下表所示。

利用有限元程序ANSYS(一種基于有限元方法的商業(yè)上可得的軟件，所述軟件可從ANSYS，Inc.，Canonsburg，PA 15317，U.S.A獲得)計(jì)算截面常數(shù)?？赡芾梅治龇椒ㄓ?jì)算慣性矩，但通常僅可利用數(shù)值方法計(jì)算截面扭轉(zhuǎn)因子K。利用(1a)-(1c)計(jì)算第一固有頻率(ω1)。

已通過封閉溝槽增加了最低彎曲和扭轉(zhuǎn)固有頻率。由于封閉截面具有雙對稱性，因此中性軸線和剪切中心在圓孔中重合(參見例如[Timoshenko]第421頁)。當(dāng)激光器被置于這些軸上且產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)時(shí)，這降低了光纖激光器的伸長量。然而，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變的封裝體中的任何軸線的伸長量已經(jīng)較小，但通過將激光器安放在剪切中心可使得激光器保持位于線上而不是產(chǎn)生形變成為螺旋形狀。即使可忽略激光器被置于剪切中心且被置于中性軸線上時(shí)產(chǎn)生的伸長量，但當(dāng)封裝體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變時(shí)，光纖激光器產(chǎn)生的扭曲仍不能避免。光纖的扭曲在光纖中產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，這將通過使各項(xiàng)異性的光纖介質(zhì)的主軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的光彈效應(yīng)而間接地影響光介質(zhì)。但可通過使扭轉(zhuǎn)固有頻率偏移遠(yuǎn)離(在這種情況中向上偏移)引入的噪聲頻率而減弱這種效應(yīng)。
實(shí)例B“具有不規(guī)則但大體上中凸的載體表面的封裝體”本實(shí)例涉及本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中載體表面在宏觀上是中凸的，但在載體表面包括峰部和凹部或脊部和谷部，以使得光導(dǎo)纖維的表面適應(yīng)部分受到峰部或脊部的支承(例如物理地置于所述峰部或脊部上)但不與表面上的凹部或谷部產(chǎn)生物理接觸，的意義上是不規(guī)則的。
圖10示出了這種制品100，其中載體101的表面106是不均勻的。
圖10.a示出了全部載體，且光導(dǎo)纖維102在張力作用下通過焊接或膠粘劑點(diǎn)103被裝配在中凸表面106上。底表面109(與用于支承光導(dǎo)纖維102的載體表面106相對)是中凸的且具有與載體表面106的形狀大體上相同的形狀。
圖10.b示出了載體表面106的一小部分的放大圖。載體表面106的不均勻特征顯現(xiàn)出來，所述特征由峰部107和凹部108表示。圖中示出了沿光導(dǎo)纖維102的表面適應(yīng)部分的縱向方向的兩個(gè)相鄰峰部之間的最大距離L 110。下面計(jì)算了適當(dāng)?shù)腖值作為示例性實(shí)例。
振動弦的本征頻率由下面的表達(dá)式給出(邊界條件固定-固定，與吉他弦相似)fn=n2LTρL]]>其中fn是本征頻率[Hz]，n＝1，2，3，...，L是弦的長度[m]，T是弦中的張力，單位為N，且ρL是弦的線性質(zhì)量密度(單位長度的質(zhì)量)[kg/m](參見第2章“Transverse motionThe Vibrating String”，第52頁，Kinsler，L.E.；Frey，A.R.；Coppens A.B.；Sanders，J.V.“Fundamentals of Acoustics”，4th Edition，2000，John Wiley &Sons，Inc)。
具有硅石玻璃芯和聚氯乙烯(PVC)涂層的光導(dǎo)纖維的典型參數(shù)為ρL＝2600kg/m3*π/4*(125μm)2+1800kg/m3*π/4*((250μm)2-(125μm)2)＝9.8175·10-5kg/m

實(shí)例3和4弦中的張力T＝0.22N表示光導(dǎo)纖維的預(yù)應(yīng)變最小，使得相對于λ＝1550nm而言，波長變化是0.3nm。
(實(shí)例B的)結(jié)論沿光導(dǎo)纖維的表面適應(yīng)部分方向的峰部或脊部之間的距離應(yīng)該優(yōu)選小于1mm(在上述條件下)以便使固有頻率移至高于聲頻范圍20-20kHz的值。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的封裝體的多個(gè)實(shí)施例，所述封裝體包括具有貫通開口的載體襯底。
圖11.a示出了具有圓柱形載體111的封裝體110的透視圖，所述圓柱形載體具有圓形截面的外表面116，包括光纖Bragg光柵114的光導(dǎo)纖維112被裝配在所述外表面上，大體上與圖6所示的情況相同。與圖6所示實(shí)施例的不同之處在于，圖11.a所示的載體包括沿圓柱形載體的軸線1111的貫通開口1112。圖11.a所示的實(shí)施例的貫通開口的目的在于，與實(shí)心載體相比，可節(jié)省材料。進(jìn)一步地，封裝體的空心部分可包含其它部件，由此使得當(dāng)封裝體利用其一個(gè)平面外表面119被裝配在平面襯底(例如印刷電路板或另一種襯底)上時(shí)，提供緊湊的系統(tǒng)。
圖11.b和圖11.c示出了具有載體襯底121、131的封裝體120、130的剖視圖1201、1301(左)和側(cè)視圖(右)，其中光導(dǎo)纖維122、132被裝配在貫通開口1212、1312中，當(dāng)光導(dǎo)纖維被裝配在載體上時(shí)，載體在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向1211、1311上的外截面形狀分別為圓形(圖11.b)和矩形例如方形(圖11.c)。光導(dǎo)纖維122、132可以是適用作光纖激光器的光纖的任何類型的光導(dǎo)纖維，此處圖中示出了雙包層光纖，具體示出了包括中心芯部區(qū)域1223、微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部包層1222以及包括具有封閉空間的空氣孔的環(huán)的‘空氣包層’外部包層1221的微觀結(jié)構(gòu)光纖。在圖11.b所示的光纖122中，示出了單個(gè)位于中心(在縱向意義上)的光纖Bragg光柵24，例如用于DFB激光器中的光纖Bragg光柵。在一個(gè)實(shí)施例中，光纖Bragg光柵124位于DFB激光器的光學(xué)活性區(qū)域中。在圖11.c所示的光纖132中，示出了兩個(gè)隔開的光纖Bragg光柵134，例如用于DBR激光器中的光纖Bragg光柵。將光導(dǎo)纖維設(shè)置在貫通開口中的目的在于提供一種具有提高的剛度和在最低形變模式下相對較高的固有頻率的封裝體。在一個(gè)實(shí)施例中，DBR激光器包括組件，其中分別在獨(dú)立的具有一定長度的無源光纖中形成兩個(gè)光纖Bragg光柵134-在空間上通過光學(xué)活性區(qū)域隔開，所述無源光導(dǎo)纖維與包括DBR激光器的光學(xué)活性區(qū)域的一定長度的光導(dǎo)纖維接合?？赏ㄟ^本發(fā)明的任何其它實(shí)施例實(shí)施相似的DFB激光器或DBR激光器(一條光纖或組裝的解決方案)。與沿縱向方向的那些尺寸相比，在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向1211、1311上的截面尺寸被放大了。圖中未示出用于支承光導(dǎo)纖維的中凸形狀的載體表面。圖11.c所示的實(shí)施例的封裝體130和載體131由于其具有平面外表面139而尤其適用于裝配在平面襯底上。圖11.b與圖11.c所示的實(shí)施例之間的又一區(qū)別在于，圖11.c所示的包括光纖Bragg光柵134的光導(dǎo)纖維132由開口的載體表面直接支承(與圖11.b中示出的填充材料可圍繞光導(dǎo)纖維122且可填充開口中的圍繞光纖或隔件的開口空間以保持光纖大體上處于開口中的中心位置的情況不同)。
除了圖12示出的某些結(jié)構(gòu)參數(shù)以外，圖12與圖8相同。圖12示出了中凸載體表面86(此處為圓形的圓柱形表面)的曲率半徑R。圖中進(jìn)一步示出了封裝體的中性軸線87與載體表面86之間的最大距離h。圖12.b進(jìn)一步示出了溝槽83在垂直于載體81的縱向軸線的方向上的截面的高度Hg和寬度Wg。載體81具有適用于裝配在大體上平面的支承體(如上面可裝配其它光、電子和/或光-電部件且所述部件可能相連以構(gòu)成模塊的襯底)上的至少一個(gè)大體上呈平面的外表面89。在圖12.a所示的縱向截面中，還示出了對于對稱設(shè)置的半徑為R的圓(參見圖12.c中的‘L’和‘L/2’)而言，圓形載體表面超出其位于縱向端部(參見圖13中的76、77)的水平的最大高度hc。下面的實(shí)例4給出了計(jì)算hc的公式。圖12.c示出了載體的端部和中心部分的放大圖。h與hc之比通常在0.01和0.05的范圍內(nèi)。
如果封裝體被認(rèn)為是梁的話，在[Timoshenko]第311-12頁中討論了在給定封裝體中的中性軸線的位置。
在下列實(shí)例1和實(shí)例2中，給出了h的近似表達(dá)式以使包括載體81的制品80對機(jī)械振動的敏感度最小化。這些表達(dá)式與結(jié)合圖8和圖9b討論的具有結(jié)合圖3.a至3.i討論的截面的實(shí)施例以及結(jié)合圖11-圖14和圖15.b討論的實(shí)施例相關(guān)。
如果R較大(即，例如R＞10H，其中H是載體高度，參見圖12.a)且溝槽的寬度Wg與載體截面的寬度W和高度H相比較小(圖12.b)(即例如Wg/W＜0.30)，則可假設(shè)h發(fā)生較小的變化不會使中性軸線發(fā)生變化。假設(shè)封裝體以純彎曲模式產(chǎn)生變形，從簡支梁理論可知軸向應(yīng)變(軸向意味著沿位于封裝體中的光導(dǎo)纖維的中心軸線)隨著與中性軸線的距離而線性增加(參見例如J.M.Gere和S.P.Timoshenko，“Mechanics of Materials”，F(xiàn)ourth SI Edition，Stanley Thomes(Publishers)Ltd.1999)。
實(shí)例1DFB光纖激光器的Ad hoc近似(Ad hoc approximation)在光導(dǎo)纖維的長度上對軸向應(yīng)變進(jìn)行積分，可得∫ϵ(y)dl=-∫Cydl=-2C∫0aL(Rcos(α)-(R-h))dα)=-2C(Rsin(αL)-(R-h)αL)]]>其中y是垂直于中性軸線(即垂直于載體的縱向方向)的坐標(biāo)，αL＝arcsin(L/2R)。設(shè)該表達(dá)式為零，求解出與中性軸線(圖12.a所示的87)之間的距離h為h=R-12arcsin(L2R)≈L224R]]>該表達(dá)式沿DFB光纖激光器的長度在同等程度上衡量了軸向應(yīng)變的重要性。下表示出了對于中凸載體表面的不同載體長度L和半徑R值求得的h的計(jì)算結(jié)果。
表1對于典型的L、R值求得的h的典型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)這些計(jì)算，當(dāng)L減少時(shí)，h迅速減少。
實(shí)例2DFB光纖激光器的h的更精確近似通過需要當(dāng)封裝體產(chǎn)生純彎曲時(shí)，激光產(chǎn)生頻率的偏移為0的條件，可以獲得最優(yōu)h值的更精確的近似值?？蓮腫S.Foster，″SpatialMode Structure of the Distributed Feedback Fibre Laser″，IEEE J.Quant.Elect.，40，July 2004]獲得的受分布式應(yīng)變場影響的DFB光纖激光器的移頻為
Δω(t)＝Lcω∫ε(z，t)e-2kzdz其中Δω是移頻，Lc是腔強(qiáng)度，ω是激光產(chǎn)生頻率，ε是軸向應(yīng)變，k是光柵強(qiáng)度且z是沿光纖長度的方向。沿圓形部段的純彎曲軸向應(yīng)變?yōu)?amp;epsiv;(z,t)=-C(t)y=-C(t)(R2-z2-R+h)]]>可通過在光纖激光器的長度上進(jìn)行積分而利用積分方法找到移頻，且可通過設(shè)所得的移頻為零并求解所得等式得出h而找到h的最優(yōu)值，因此獲得下式h=R-2κ1-e-κL∫0L/2e-2κLR2-z2dz]]>即，在1＜＜κL的條件下h≈14Rκ2]]>下表1中示出了對于不同的L，R和κ值求得的h的計(jì)算結(jié)果，表頭為‘h[μm]’的列表示來自上面給出的精確公式的更精確的值，且表頭為‘≈h[μm]’的列表示根據(jù)上面給出的在1＜＜κL的近似條件下的近似公式計(jì)算得出的值。
表2對于典型的L、R和k值求得的h的示例計(jì)算值

從表2中可以看到，h相對較小(與mm級的載體的物理高度尺寸相比)且相對獨(dú)立于載體的長度L。進(jìn)一步可以看到，近似公式提供的結(jié)果(最右列中帶括號的數(shù)據(jù))與精確公式的那些結(jié)果(倒數(shù)第二列)相當(dāng)接近。對于近似計(jì)算而言，κL≥7.5。
實(shí)例3具有改進(jìn)的調(diào)諧選擇的封裝體圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的包括一個(gè)或多個(gè)壓電材料部段的細(xì)長封裝體。
通常著眼于受到載體支承的光導(dǎo)纖維的基材(且可能通過引入一定程度的光導(dǎo)纖維預(yù)應(yīng)變)而選擇載體的材料。由此可以考慮可能的溫差與相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)之間的相關(guān)性，從而確保在操作過程中的預(yù)定溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生脫落。
在一個(gè)實(shí)施例中，決定載體表面的熱膨脹的封裝體的大部分體積包括鋁。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了導(dǎo)熱載體、相對便宜的材料以及對于機(jī)加工而言有吸引力的材料。如果興趣僅在于快速調(diào)制，則大部分載體采用熱膨脹系數(shù)較低的材料如Invar或熱膨脹系數(shù)與光導(dǎo)纖維的熱膨脹系數(shù)相似的材料。在其它實(shí)施例中，大部分載體可采用陶瓷或壓電材料。
圖13.a至圖13.d所示的四個(gè)不同載體81包括至少兩種不同材料71、72。載體的一部分由熱膨脹系數(shù)相對較高的材料1制成，由此可通過加熱或冷卻載體或一部分載體而實(shí)現(xiàn)在相對較大的波長范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧的目的，然而調(diào)諧具有相對相對緩慢的本質(zhì)。載體的另一部分由材料2制成，對于所述材料而言，可在相對較高的頻率下調(diào)制物理尺寸，由此可實(shí)現(xiàn)相對較快的波長調(diào)諧，然而，調(diào)諧通常是在相對較小的波長范圍內(nèi)進(jìn)行的。通過使載體部分地由材料1制成且部分地由材料2制成，可提供兩種性質(zhì)的組合性質(zhì)，即大范圍的熱調(diào)諧和快速調(diào)制調(diào)諧。
材料1可以是具有相對較高的熱膨脹系數(shù)的任何適當(dāng)材料。載體的其他相關(guān)參數(shù)為導(dǎo)熱率(優(yōu)選相對較高)、可機(jī)加工性等。材料1的熱膨脹系數(shù)與材料2的熱膨脹系數(shù)相關(guān)。相對較高的熱膨系數(shù)因此可以是大于材料2的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。相對較高的熱膨脹系數(shù)因此可大于αT-2，例如大于1.5*αT-2，例如大于2*αT-2，例如大于5*αT-2，例如大于10*αT-2。對于壓電陶瓷材料而言，熱膨脹系數(shù)可在1*10-6℃-1至5*10-6℃-1的范圍內(nèi)。所采取的相對較高的熱膨脹系數(shù)可大于10*10-6℃-1，例如大于20*10-6℃-1，例如大于25*10-6℃-1。材料1可選自包括Al、Cu及其合金以及例如陶瓷及其組合的材料組群。通常，可利用熱膨脹系數(shù)為正、零或負(fù)(參見例如WO＝99/27400)的材料或其適當(dāng)組合對載體進(jìn)行設(shè)計(jì)。
材料2可以是可在一定范圍的調(diào)制頻率內(nèi)對物理尺寸進(jìn)行調(diào)制的任何材料，例如壓電材料、電致伸縮或磁致伸縮材料。調(diào)制頻率看起來與材料1所具有的可能的熱循環(huán)頻率相關(guān)。調(diào)制頻率有利地小于10MHz，優(yōu)選在0.1Hz至100kHz范圍內(nèi)，例如在10Hz至40kHz范圍內(nèi)，例如在20Hz至20kHz范圍內(nèi)。材料2可選自包括壓電材料，例如壓電陶瓷材料，例如多晶鐵電陶瓷材料，例如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛(Pb)(PZT)及其組合的材料組群。
材料1優(yōu)選為鋁且如圖13中的白色區(qū)域所示(由附圖標(biāo)記72所示)，而材料2優(yōu)選為壓電陶瓷材料且如圖13中的灰色區(qū)域所示。所有四個(gè)封裝體具有中凸激光器載體表面以降低來自機(jī)械振動的噪聲。
圖13.a至圖13.d示出了四個(gè)不同載體81的縱向剖視圖(左)和在所述載體的端部76、77之間的中間位置處沿線75截取的垂直于縱向截面的橫向截面(右)(‘中心截面’)。所有四個(gè)實(shí)施例具有至少一個(gè)大體上平面的表面89使得易于裝配在平面載體上。然而，情況不必要如此。另一種可選方式是，載體可具有曲形外表面，參見例如圖4、圖5、圖6、圖9、圖10。在所有四個(gè)實(shí)施例中，載體關(guān)于中心線75對稱。盡管這是優(yōu)選的，但情況不必要如此。
圖13所示的所有四個(gè)實(shí)施例示出了根據(jù)本發(fā)明的包括細(xì)長(梁形)載體的制品，所述載體具有(至少一個(gè)，此處全部為)平面外表面(適用于裝配在平面載體上)，載體81的長度為L、寬度為W且高度為H，所述載體包括具有中凸載體表面86的溝槽83，所述中凸載體表面適用于裝配光導(dǎo)纖維(例如光纖激光器)，所述光導(dǎo)纖維在縱向張力作用下附到每端處93(如圖13.d所示)。盡管載體表面優(yōu)選是曲形的，但情況不必要如此。另一種可選方式是，所述載體表面可以是平面，參見例如圖1。另一種可選方式是，載體的一個(gè)或多個(gè)外表面可以是曲形的，參見例如圖4.a和圖4.b所示的實(shí)施例。在這些實(shí)施例中，一個(gè)(‘側(cè)’)表面可有利地適用于裝配在平面支承體上。
封裝體在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向上的截面(即如圖13.a-圖13.d所示的右手側(cè)截面)可呈現(xiàn)任何適宜的形狀，包括如圖3.a-圖3.i所示的形狀(包括省略了雙本體封裝體的第二封閉本體35的實(shí)施例)，同時(shí)-可選地-仍保持載體表面的中凸‘縱向’形狀。盡管優(yōu)選包括適用于裝配在平面支承體上的外表面，但當(dāng)光導(dǎo)纖維被裝配在載體上時(shí)，載體在垂直于光導(dǎo)纖維的受支承部分的縱向方向的方向上可具有任何適宜的截面形狀，包括如圖3.j-圖3.i所示的那些形狀。
圖13.a示出了一種載體，其中載體81的部段71由壓電材料構(gòu)成，所述部段的截面大體上與載體的其余部分相同，即大體上延續(xù)了相鄰的鋁制載體部段72的截面。沿載體的縱向方向的壓電材料部段的尺寸(由圖13所示的左側(cè)截面表示)例如比總載體的長度少25％，例如少20％，例如少10％。在一個(gè)實(shí)施例中，載體長度L為75mm，壓電部段的長度優(yōu)選在1mm至10mm范圍內(nèi)，例如2mm至5mm，例如約3mm。在圖13.a中，壓電材料的部段位于遠(yuǎn)離載體的中心部分且接近載體的一個(gè)端部的位置處。調(diào)制本體優(yōu)選位于接近Bragg光柵中心的位置處以實(shí)現(xiàn)相對較高的調(diào)制。然而，在難以控制壓電材料上的機(jī)械公差的情況下，可有利地將其設(shè)置在遠(yuǎn)離光柵的(敏感)中心的位置處。圖13.a所示的解決方案提供了良好的溫度調(diào)諧，這是因?yàn)檩d體的中心部分由熱膨脹系數(shù)較高的材料制成(例如對于罩在A1載體中的1550nm的激光器而言為45pm/K)，Bragg光柵的中心敏感部段位于所述中心部分處。
圖13.a與圖13.b之間的唯一區(qū)別在于圖13.b所示的實(shí)施例包括兩個(gè)由壓電材料構(gòu)成的部段71。所述部段優(yōu)選可關(guān)于載體中心75呈對稱設(shè)置且具有相同的縱向尺寸。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于提供了良好的溫度調(diào)諧和對稱載荷。術(shù)語‘對稱載荷’在本文中意味著其在光導(dǎo)纖維中提供了對稱應(yīng)變場。另一種可選方式是，兩個(gè)部段可被對稱設(shè)置和/或具有不同的縱向尺寸。
在圖13.a和圖13.b所示的實(shí)施例中，其中安放有光波導(dǎo)的溝槽83被示出向上開口。典型地本體被施加到溝槽頂部上由此形成波導(dǎo)的腔(或貫通開口)(參見圖13.c和圖13.d所示的73)，例如如圖3.b、圖3.c、圖3.f所示。
在圖13.c中，位于中心的沿縱向延伸的壓電材料部段71被成形為封閉其中支承有光導(dǎo)纖維的槽或溝槽83的蓋(例如板)，由此形成圍繞光導(dǎo)纖維的管形體積73。圖13.c所示的解決方案提供了對稱載荷。
在圖13.d中，位于中心的沿縱向延伸的壓電材料部段71被成形為封閉槽或溝槽83的U形體(例如板)，由此形成其中支承有光導(dǎo)纖維的管形體積73。載體81的鋁制部分72可被制成整體件，其中通過數(shù)控機(jī)器去除由壓電材料的U形部段構(gòu)成的部分。圖13.d所示的解決方案提供了對稱載荷。光導(dǎo)纖維的固定點(diǎn)93被示出接近載體的縱向端部76、77。
在圖13所示的實(shí)施例中，載體的特定部段采用了兩種不同材料。另一種可選方式是，可采用兩種以上的材料。
載體的不同本體可通過已公知的多種聯(lián)接方法中的任何適宜方法，例如粘結(jié)劑/膠粘劑，進(jìn)行聯(lián)接。
實(shí)例4典型封裝體的物理尺寸表3給出了根據(jù)本發(fā)明的適用于對波長進(jìn)行熱調(diào)諧的封裝體的載體的優(yōu)選尺寸的實(shí)例表3根據(jù)本發(fā)明的典型載體的尺寸

應(yīng)該結(jié)合圖12理解表3給出的封裝體的參數(shù)。封裝體載體由Al制成，且利用電弧燒蝕工藝形成其中設(shè)置光導(dǎo)纖維的溝槽。光導(dǎo)纖維被裝配在溝槽中且被固定在接近載體縱向端部的點(diǎn)處(參見例如圖3d所示的93)。
由下式計(jì)算hchc=R·(1-1-(L2R)2)]]>實(shí)例5具有壓電板片的載體的調(diào)諧圖14示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述實(shí)施例以壓電載體81形式存在，所述壓電載體設(shè)有具有如圖13.a示意示出的類型的壓電板片71。該實(shí)施例適用于對載體進(jìn)行(相對較低的)熱調(diào)制和(相對較快的)電調(diào)制。
在優(yōu)選實(shí)施例中，載體的尺寸與上述實(shí)例4所示的尺寸(參見表3)相同。
壓電板片的尺寸如下表4所示表4根據(jù)本發(fā)明的典型載體中的壓電板片的尺寸

載體上的固定點(diǎn)(參見例如圖13所示的點(diǎn)93，所述點(diǎn)與圖14所示的膠粘劑貯槽58重合)之間的光纖長度Lf為68mm(與載體的物理長度75mm目比)。
(此處為)基于二氧化硅的光導(dǎo)纖維在軸向張力的作用下在接近載體的縱向端部(例如與端部距離1-5mm)的膠粘劑貯槽58處被固定到溝槽83的載體表面86上。在載體的每一端處提供應(yīng)變消除部53，使得易于處理光纖和載體。
波長λ的調(diào)諧范圍Δλ可表示為Δλ(nm)＝0.78*λ(nm)*dx(μm)/Lf(μm)其中0.78是(光導(dǎo)纖維，此處為基于二氧化硅的光導(dǎo)纖維的)彈光系數(shù)dn/dε，所述彈光系數(shù)表示其折射率n隨縱向方向的應(yīng)變ε的變化(參見例如WO-99/27400)，dx是光導(dǎo)纖維的縱向尺寸變化，且Lf是光纖在載體表面上的固定點(diǎn)之間的長度。
壓電板片的縱向尺寸的變化dx可表示為dx(μm)＝d33(m/V)*E(V/m)*Lpzt(μm)其中，d33是壓電材料(和載體)沿縱向方向的壓電應(yīng)變系數(shù)，E是施加的電場強(qiáng)度(沿相同方向)，且Lptz是壓電板片沿載體的縱向方向的尺寸。
對于Lf＝68mmm、Lptz＝3mm、d33＝425pC/N(Pz27材料)、Emax＝3MV/m且λ＝1550nm而言，可以得出下列相應(yīng)的Δx和Δλ值對于Pz27而言，Δxmax＝3.82μm且Δλmax＝68pmPz27是來自Ferroperm Piezoceramics A/S(Kvistgaard，DK3490-Denmark，http://www.ferroperm-piezo.com)的壓電陶瓷材料。
例如可從Noliac(Kvistgaard DK-3490，Denmark，http://www.noliac.com/)或Piezo systems，Inc.(Cambridge，Mass.02139，USA，http://www.piezo.com/)獲得壓電材料和/或壓電伸縮材料。
實(shí)例6包括可調(diào)諧材料的多個(gè)多本體載體圖15示出了包括至少一個(gè)本體71的多本體載體81的多個(gè)實(shí)例，所述本體由當(dāng)光導(dǎo)纖維被裝配在載體表面上時(shí)適用于沿光導(dǎo)纖維的受支承部分方向?qū)Ρ倔w的尺寸進(jìn)行外部調(diào)制的材料制成。在圖15.a至圖15.h所示的實(shí)施例中，載體包括兩種不同材料71、72。另一種可選方式是，載體可包括兩種以上的材料以優(yōu)化其性質(zhì)。例如在圖5.g所示的實(shí)施例中，位于由材料271制成的4個(gè)本體之間的由材料172制成的4個(gè)部件可由不同材料制成，例如2個(gè)與2個(gè)不同或4個(gè)不同。由可進(jìn)行外部調(diào)制的材料(材料2)71制成的4個(gè)部件也可以是不同的。
圖15.a和圖15.b示出了具有載體81的制品80，所述載體具有‘強(qiáng)’中凸(半圓實(shí)心，圖5.a)和‘弱’中凸(圖15.b)載體表面，其中光導(dǎo)纖維92在光導(dǎo)纖維中的至少一個(gè)光纖Bragg光柵的每一側(cè)上的點(diǎn)93處被附到載體表面上。
如圖所示的兩個(gè)實(shí)施例都具有與適用于支承光導(dǎo)纖維的載體表面相對的大體上呈平面的載體面89。其優(yōu)點(diǎn)在于使得易于將封裝體安放或裝配在包括平面物體的系統(tǒng)環(huán)境中(例如最常規(guī)的電光系統(tǒng)組件)。平行于光導(dǎo)纖維的縱向方向的一個(gè)或兩個(gè)側(cè)表面(即，平行于面向圖15.a和圖15.b的觀察者的截面的載體或封裝體的外表面)可有利地大體上呈平面以便利于將側(cè)部裝配在平面襯底上。
光導(dǎo)纖維可位于或可不位于溝槽中。在光纖92位于溝槽中的情況下，如圖所示的載體表面的中凸形狀是槽底部的載體表面形狀，在所述溝槽底部處載體與光纖之間存在物理接觸。
在圖15.a所示的半圓形載體中，示出了適用于進(jìn)行外部調(diào)制的兩個(gè)材料部件71，一個(gè)是徑向限制的部件且另一個(gè)是平行部件。另一種可選方式是，可僅存在一個(gè)材料部件71。
圖15.c示出了具有載體81和在點(diǎn)93處被裝配在中凸表面上的光導(dǎo)纖維92的制品80。(與用于支承光導(dǎo)纖維92的載體表面相對的)底表面109的形狀與載體表面的形狀大體上相同。平行于光導(dǎo)纖維的縱向方向的一個(gè)或兩個(gè)側(cè)表面89有利地可大體上呈平面以便有利于將側(cè)部裝配在平面襯底上。
在圖15.b和圖15.c所示的實(shí)施例中，本體71位于載體中心與載體的其中一個(gè)端部之間(即關(guān)于中心對稱)。
圖15.d和圖15.e分別示出了半圓形載體和部分橢圓載體。載體包括由適于進(jìn)行外部調(diào)制的材料制成的本體71，所述本體被另一種載體材料72所圍繞。至少側(cè)表面89基本上呈平面。在圖15.d所示的半圓形載體中，可調(diào)制本體71位于載體中心與載體的其中一個(gè)端部之間(即關(guān)于中心對稱)，而在圖15.e所示的部分橢圓載體中，所述可調(diào)制本體被設(shè)置關(guān)于載體中心對稱。
與圖15.d和圖15.e分別示出的半圓形和部分橢圓形實(shí)施例相比，可通過使載體通道封閉而提高基本諧振頻率。圖15.f和圖15.g分別示出了整橢圓和整圓形載體。圖15.f所示的整圓形載體包括4個(gè)對稱分布的例如由壓電材料71制成的部件，而圖15.g所示的橢圓形載體包括相對地設(shè)置在長軸上的兩個(gè)部件。
通過在圖15.b至圖15.g所示的載體中形成溝槽，可能將激光器(即包括光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維的受支承部分)固定在中性軸線處(在這種情況下構(gòu)成了圓的一部分)。應(yīng)該提到，對于圖15.b所示的實(shí)施例而言，中性軸線可能近似為上面的實(shí)例2中所討論的中性軸線。如果截面積相對于半圓形封裝體的半徑相對較小的話，則可通過與直邊封裝體相同的方式計(jì)算截面的溝槽深度。封裝體在垂直于光導(dǎo)纖維的縱向方向上(且垂直于圖15.a至圖15.g所示的平面視圖)的截面可呈現(xiàn)任何適宜的形狀，包括如圖3.a-圖3.I所示的形狀。
圖15.h示出了包括被成形為例如由鋁制成的實(shí)心圓柱體板片72的載體81的制品80，其中由可進(jìn)行外部調(diào)制的材料制成的本體71被插入所述板片載體中，板片載體的側(cè)表面89大體上呈平面且因此適用于裝配在平面襯底上。光導(dǎo)纖維92分別可直接位于載體表面86上或位于溝槽中。光導(dǎo)纖維92包括位于光導(dǎo)纖維被固定到載體表面86上的固定點(diǎn)93之間的光纖Bragg光柵64(光導(dǎo)纖維的受支承部分)。
本發(fā)明由獨(dú)立權(quán)利要求的特征限定。從屬權(quán)利要求中限定了優(yōu)選實(shí)施例。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不旨在限制權(quán)利要求的范圍。
前面已經(jīng)示出了一些優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)該注意，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而是可通過處于下列權(quán)利要求所限定的主題內(nèi)的其它方式實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種包括用于激光器的一定長度的光導(dǎo)纖維和封裝體的制品，所述光導(dǎo)纖維包括分散在所述長度的光導(dǎo)纖維中的FBG部段上面的光纖Bragg光柵，所述封裝體包括具有適于至少支承包含F(xiàn)BG部段的光導(dǎo)纖維受支承部分的載體表面的載體，在制品的使用過程中，所述光導(dǎo)纖維的受支承部分被裝配在載體表面上并且被固定到光導(dǎo)纖維的所述FBG部段的每一側(cè)的載體表面上從而在光導(dǎo)纖維的受支承部分中提供縱向張力，其中所述載體表面適于在制品的使用過程中保持中凸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述光導(dǎo)纖維的受支承部分包括光學(xué)活性區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制品，其中所述載體具有至少一個(gè)適于被裝配在平面支承體上的外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的制品，其中沿光導(dǎo)纖維受支承部分的長度觀察截面時(shí)，所述載體表面大體上是圓的一部分，例如呈半圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述載體表面是優(yōu)選大體上具有橢圓形或圓形截面的圓柱形表面的一部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制品，其中所述圓柱形載體包括貫通開口。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制品，其中所述圓柱形載體表面是實(shí)心封裝體的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述載體是細(xì)長的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的制品，其中位于光導(dǎo)纖維受支承部分與支承光導(dǎo)纖維的載體表面之間的物理接觸通道沿光導(dǎo)纖維的縱向方向是中凸的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的制品，其中所述光導(dǎo)纖維受支承部分大體上沿所述封裝體的中性軸線進(jìn)行設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述光導(dǎo)纖維的受支承部分大體上沿所述封裝體的剪切中心通道進(jìn)行設(shè)置，由此因扭轉(zhuǎn)形變模式而使光導(dǎo)纖維伸長量最小。
12.根據(jù)權(quán)利要求2-10中任一項(xiàng)所述的制品，其中光纖Bragg光柵完全或部分地被設(shè)置在光導(dǎo)纖維的光學(xué)活性區(qū)域中。
13.根據(jù)權(quán)利要求2-10中任一項(xiàng)所述的制品，其中光纖Bragg光柵大體上被設(shè)置在光導(dǎo)纖維的光學(xué)活性區(qū)域外部。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述用于至少支承光導(dǎo)纖維受支承部分的載體表面位于所述載體中的溝槽中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中所述溝槽具有矩形截面。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的制品，其中所述溝槽的截面形狀適應(yīng)于所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分的截面形狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求8-16中任一項(xiàng)所述的制品，其中在被裝配在所述溝槽中時(shí)在垂直于所述光導(dǎo)纖維的縱向方向的截面中進(jìn)行觀察時(shí)，所述載體具有大體上呈矩形的外邊界。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的制品，其中當(dāng)位于所述載體表面上時(shí)的所述光導(dǎo)纖維的受支承部分完全或部分地被填充材料所圍繞，所述填充材料基于與大體上相同尺寸的所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分優(yōu)選具有一定質(zhì)量密度，例如在所述光導(dǎo)纖維的質(zhì)量密度的100％以內(nèi)、例如在50％以內(nèi)、例如在30％以內(nèi)、例如在20％以內(nèi)、例如在10％以內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述載體包括貫通開口，至少所述光導(dǎo)纖維的受支承部分位于所述貫通開口中。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制品，其中所述載體包括多個(gè)優(yōu)選兩個(gè)協(xié)同操作的本體，當(dāng)所述本體被組裝在一起時(shí)則提供了所述貫通開口。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的制品，其中所述貫通開口具有與所述光導(dǎo)纖維的截面形狀相適應(yīng)的截面形狀。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21中任一項(xiàng)所述的制品，其中由所述光導(dǎo)纖維的受支承部分與載體表面的接觸通道限定出的曲線的曲率在0.004m-1至200m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至20m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至13m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至5m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至2m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至1m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至0.7m-1的范圍內(nèi)，例如在0.004m-1至0.5m-1的范圍內(nèi)，例如在0.1m-1至50m-1的范圍內(nèi)，例如在0.2m-1至2m-1的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1-22中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述載體表面支承光導(dǎo)纖維的部分具有高低不平的表面，所述表面包括峰部或脊部以及凹部或谷部，其中當(dāng)沿光纖的縱向方向進(jìn)行觀察時(shí)，相鄰的峰部或脊部之間的距離如此小，以使得懸在相鄰的峰部或脊部之間的光導(dǎo)纖維的本征頻率大于5kHz，例如大于10kHz，例如大于20kHz，例如大于25kHz，例如大于30kHz。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的制品，其中所述相鄰的峰部或脊部之間的距離小于10毫米，例如小于5毫米，例如小于2毫米，例如小于1毫米。
25.根據(jù)權(quán)利要求1-24中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述載體中包含至少兩種材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的制品，其中所述載體包括至少一個(gè)由一種材料制成的第二本體，其縱向尺寸專門適于進(jìn)行外部調(diào)制。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的制品，其中所述第二本體中包含一種材料，其縱向尺寸專門適于進(jìn)行電調(diào)制。
28.根據(jù)權(quán)利要求26-27中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述第二本體中包含壓電材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制品，其中所述壓電材料從以下材料組中進(jìn)行選擇，所述材料組中包括壓電陶瓷材料如多晶鐵電陶瓷材料，例如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛(PZT)及其組合。
30.根據(jù)權(quán)利要求25-29中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述載體包括由一種材料制成的第一本體，所述載體的縱向尺寸專門適應(yīng)于進(jìn)行熱調(diào)制。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的制品，其中構(gòu)成沿載體的縱向方向的所述第一本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-1大體上等于構(gòu)成所述第二本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-2。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的制品，其中構(gòu)成沿載體的縱向方向的所述第一本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-1大于構(gòu)成所述第二本體的材料的熱膨脹系數(shù)αT-2，例如大于αT-2的1.5倍，例如大于αT-2的2倍，例如大于αT-2的5倍。
33.根據(jù)權(quán)利要求30-32中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述第一本體中包含選自以下材料組中的材料，所述材料組中包括金屬如鋁或銅或其合金、陶瓷材料及其組合。
34.根據(jù)權(quán)利要求30-33中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述第一本體構(gòu)成了所述載體的主要容積。
35.根據(jù)權(quán)利要求26-34中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述第二本體或多個(gè)所述第二本體相對于垂直于其縱向方向位于所述載體的縱向端部之間的中間位置處的載體截面不對稱地進(jìn)行設(shè)置。
36.根據(jù)權(quán)利要求26-34中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述第二本體或多個(gè)所述第二本體相對于垂直于其縱向方向位于所述載體的縱向端部之間的中間位置處的載體截面對稱地進(jìn)行設(shè)置。
37.根據(jù)權(quán)利要求1-36中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述光導(dǎo)纖維的受支承部分包括兩個(gè)在空間上被隔開的光纖Bragg光柵。
38.根據(jù)權(quán)利要求1-37中任一項(xiàng)所述的制品，包括DBR激光器，其中所述光導(dǎo)纖維和所述光纖Bragg光柵形成了部分所述DBR激光器。
39.根據(jù)權(quán)利要求1-37中任一項(xiàng)所述的制品，包括DFB激光器，其中所述光導(dǎo)纖維和所述光纖Bragg光柵形成了部分所述DFB激光器。
40.根據(jù)權(quán)利要求1-39中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述光導(dǎo)纖維是基于二氧化硅的光導(dǎo)纖維。
41.根據(jù)權(quán)利要求1-40中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述光導(dǎo)纖維包括沿縱向延伸的微觀結(jié)構(gòu)。
42.根據(jù)權(quán)利要求1-41中任一項(xiàng)所述的制品，其中所述光導(dǎo)纖維是雙包層光導(dǎo)纖維。
43.根據(jù)權(quán)利要求1-42中任一項(xiàng)所述的制品，其中由所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道限定的曲線大體上為具有半徑R的圓的一部分，所述載體具有縱向伸長量L，所述Bragg光柵具有光柵強(qiáng)度κ，所述載體具有中性軸線N，其中對于κL大于1的情況而言，在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于(4Rκ)-1。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的制品，其中κL大于2，例如大于5，例如大于10。
45.根據(jù)權(quán)利要求43或44所述的制品，其中在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于0。
46.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1-45中任一項(xiàng)所述的制品的設(shè)備。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，構(gòu)成激光探測和測距(LIDAR)系統(tǒng)或干涉測量系統(tǒng)或成為所述系統(tǒng)的一部分。
48.根據(jù)權(quán)利要求1-45中任一項(xiàng)所述的制品的應(yīng)用。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的在激光探測和測距(LIDAR)系統(tǒng)或干涉測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。
50.一種制品的制造方法，所述方法包括以下步驟(a)提供用于激光器的一定長度的光導(dǎo)纖維，所述光導(dǎo)纖維包括用于對在所述光導(dǎo)纖維中傳導(dǎo)的光的波長進(jìn)行選擇的光纖Bragg光柵，所述光纖Bragg光柵被分散在所述長度的光導(dǎo)纖維的FBG部段上，(b)提供用于支承所述光導(dǎo)纖維的載體，所述載體包括用于至少支承所述光導(dǎo)纖維的受支承部分的載體表面，(b1)使所述載體表面適于使得所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與支承所述光導(dǎo)纖維的所述載體表面之間的物理接觸通道在所述光導(dǎo)纖維的縱向方向上是中凸的且適于在所述制品的使用過程中保持中凸，并且(c)將所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分裝配在至少包括所述長度的所述光導(dǎo)纖維的所述FBG部段的所述載體表面上，以使所述受支承部分在所述光導(dǎo)纖維的所述FBG部段的每一側(cè)上被固定到所述載體表面上，從而在所述制品的使用過程中在所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分中提供縱向張力。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進(jìn)一步包括使所述封裝體適于將來自環(huán)境的機(jī)械(例如聲)振動減至最小的步驟。
52.根據(jù)權(quán)利要求50或51所述的方法，其中步驟(b)進(jìn)一步包括使所述載體包括由不同材料制成的至少兩個(gè)本體的步驟(b2)。
53.根據(jù)權(quán)利要求50-52中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟(b)進(jìn)一步包括使所述載體包括適于沿所述載體的縱向尺寸進(jìn)行外部調(diào)制的材料的步驟(b3)。
54.根據(jù)權(quán)利要求50-53中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟(b)進(jìn)一步包括使所述不同材料包括適于沿所述載體的縱向方向進(jìn)行熱調(diào)制的第一材料和適于沿所述載體的縱向方向進(jìn)行外部調(diào)制的第二材料的步驟(b4)。
55.根據(jù)權(quán)利要求50-54中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟(b)進(jìn)一步包括使所述載體包括具有適于被裝配在平面支承體上的至少一個(gè)外表面的步驟(b5)。
56.根據(jù)權(quán)利要求50-55中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(d1)使由所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分與所述載體表面的接觸通道限定出的曲線大體上為具有半徑R的圓的一部分，且使得所述載體具有縱向伸長量L，(e1)使所述Bragg光柵具有光柵強(qiáng)度κ，(f1)確定所述載體的中性軸線N，(g1)使對于κL大于1的情況而言，在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于(4Rκ)-1。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的方法，其中步驟(g1)由使得在所述載體的所述縱向端部之間的中間位置處的橫向截面中，所述圓與所述中性軸線之間的距離h大體上等于0的步驟(g2)替換。
58.根據(jù)權(quán)利要求50-57中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟(a)進(jìn)一步包括在所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分中形成光學(xué)活性區(qū)域的步驟(a1)。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中步驟(a1)進(jìn)一步包括使所述光學(xué)活性區(qū)域與所述光纖Bragg光柵的空間延伸范圍完全或部分交疊的步驟(a1.1)。
60.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中步驟(a1)進(jìn)一步包括使所述光學(xué)活性區(qū)域大體上不與所述光纖Bragg光柵的空間延伸范圍交疊的步驟(a1.2)。
61.根據(jù)權(quán)利要求50-60中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟(a)進(jìn)一步包括使所述光導(dǎo)纖維的所述受支承部分包括至少兩個(gè)獨(dú)立的一定長度的光導(dǎo)纖維的步驟(a2)，所述至少兩個(gè)獨(dú)立的一定長度的光導(dǎo)纖維彼此進(jìn)行光連接，例如接合。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中步驟(a2)進(jìn)一步包括在一定長度的光學(xué)無源光纖中形成所述光纖Bragg光柵的步驟(a2.1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括一定長度的光導(dǎo)纖維和封裝體的制品，所述光導(dǎo)纖維包括分散在所述長度的光導(dǎo)纖維中的FBG部段上面的光纖Bragg光柵，所述封裝體包括載體，所述載體具有用于至少支承包含F(xiàn)BG部段的光導(dǎo)纖維受支承部分的載體表面。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包括所述制品的設(shè)備，所述制品的應(yīng)用及其生產(chǎn)方法。本發(fā)明的目的在于設(shè)法提供一種對來自環(huán)境的機(jī)械振動具有相對較低敏感度的最優(yōu)(例如細(xì)長的)封裝體。只要在制品的使用過程中用于支承包括光纖Bragg光柵的光導(dǎo)纖維的載體表面在光導(dǎo)纖維的縱向方向上是中凸的，就可以實(shí)現(xiàn)該目的。在與現(xiàn)有技術(shù)解決方案可比的環(huán)境中，這具有減弱來自聲源(或其它機(jī)械振動源)的振動的影響作用的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述載體包括兩種不同的材料，所述材料均適于對通過光纖Bragg光柵選定的波長進(jìn)行特定調(diào)諧。本發(fā)明例如可用于進(jìn)行傳感的光纖激光器中，可用在可對波長進(jìn)行調(diào)諧的光纖激光器中(的低頻/低相位噪聲光纖激光器)中且可用在光纖激光器的封裝中。
文檔編號G02B6/02GK1981411SQ200580021131
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者C·V·波爾森, L·V·漢森, O·斯格蒙德, J·E·佩德森, M·貝尤克馬 申請人:科赫拉斯公司