專利名稱：一種基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶寬可調(diào)諧濾波器，屬于光纖濾波器領(lǐng)域，特別涉及一種基于光 纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器。
背景技術(shù)：
光纖光柵因其優(yōu)異的選頻特性以及容易實(shí)現(xiàn)全光纖網(wǎng)絡(luò)，在光纖通信領(lǐng)域得到廣 泛的應(yīng)用。由于外界環(huán)境的溫度和應(yīng)變均會引起光纖光柵中心波長的漂移，因此，光纖光 柵可作為波長可調(diào)諧濾波器應(yīng)用在光纖通信與傳感網(wǎng)絡(luò)中。此外，通過在光纖光柵的柵區(qū) 建立應(yīng)變或溫度梯度場，也可以實(shí)現(xiàn)對光纖光柵的帶寬調(diào)諧，即可得到帶寬可調(diào)諧濾波器， 且?guī)挼恼{(diào)諧范圍與應(yīng)變或溫度場的梯度成正比。利用折射率調(diào)制周期或調(diào)制深度不均勻 的啁啾光纖光柵，通過啁啾率調(diào)諧，同樣可以實(shí)現(xiàn)帶寬的可調(diào)濾波，但是啁啾光纖光柵比均 勻光纖光柵的制作工藝要復(fù)雜得多。目前，已經(jīng)有許多相關(guān)的利用光纖光柵啁啾化實(shí)現(xiàn)帶 寬可調(diào)諧濾波器，這些濾波器應(yīng)用了力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等方法，其中包括多種梁型結(jié)構(gòu)，為 了產(chǎn)生梯度應(yīng)變分布，通常需要制作成特殊的梁型結(jié)構(gòu)，因此其制作工藝相對較復(fù)雜；還有 在光纖光柵外鍍上不等厚的金屬薄膜，通過改變金屬薄膜的電流使得光纖光柵產(chǎn)生啁啾現(xiàn) 象，其鍍膜工藝本身就比較復(fù)雜，成本較高，且在帶寬調(diào)諧的同時(shí)中心波長也會發(fā)生改變; 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動兩端固定壓桿的啁啾光纖光柵帶寬調(diào)諧，若要獲得高精度的帶寬調(diào)諧， 需采用高精度的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，其價(jià)格比較昂貴。因此，采用以上各種結(jié)構(gòu)制成的光纖光柵 帶寬調(diào)諧濾波器，有些制作工藝要求較高，有些操作復(fù)雜或成本較高，或者在帶寬調(diào)諧的同 時(shí)中心波長也會發(fā)生改變，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào) 諧的濾波器，通過改變作用在聚合物上的壓力，引起光纖光柵產(chǎn)生啁啾效應(yīng)，從而達(dá)到光纖 光柵反射譜帶寬可調(diào)諧的目的，最終實(shí)現(xiàn)一種中心波長不變的帶寬可調(diào)諧濾波器。本發(fā)明的思想在于將光纖光柵封裝在聚合物的中心軸線上，聚合物側(cè)面與兩段 金屬套筒緊密連接，外界均勻分布的壓力作用于聚合物和金屬套筒，由于聚合物部分受限 于金屬套筒，因此沿光纖光柵軸向會產(chǎn)生梯度應(yīng)變，且應(yīng)變值大小由中心向兩邊遞減，從而 使得光纖光柵反射光譜產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象和帶寬的展寬。當(dāng)光纖光柵的柵區(qū)部分中點(diǎn)封裝在零 應(yīng)變處時(shí)，光纖光柵反射光譜的中心波長不變，帶寬隨著壓力的增加而展寬。技術(shù)方案—種基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，其特征在于包括光纖光 柵1、聚合物2、兩段金屬套筒3和金屬軟管4 ；光纖光柵1同軸穿入兩段金屬套筒3之中， 光纖光柵1與兩段金屬套筒3之間填充聚合物2，光纖光柵1兩端與聚合物2銜接的界面套 裝用于保護(hù)光纖光柵尾纖的金屬軟管4 ；所述兩段金屬套筒3的內(nèi)徑為16 20mm，長度為15mm,相距 IOmm0所述的光纖光柵的柵區(qū)距聚合物一端的端面10 20mm。所述的光纖光柵采用兩個(gè)相互串聯(lián)的光纖光柵，兩光纖光柵的柵區(qū)分別距聚合物 的不同端面10 20mm。兩光纖光柵的中心反射波長間隔大于每個(gè)光纖光柵的最大帶寬展寬量。在兩段金屬套筒3的中間加入一段金屬套筒，與兩端金屬套筒相距IOmm;光纖光 柵采用4個(gè)相互串聯(lián)的光纖光柵，兩端的光纖光柵的柵區(qū)分別距聚合物的不同端面10 20mm，中間兩根光纖光柵柵區(qū)部分與對應(yīng)兩端的光纖光柵柵區(qū)相連。每兩根光纖光柵之間 的中心反射波長間隔大于每個(gè)光纖光柵的最大帶寬展寬量。所述光纖光柵為折射率調(diào)制周期均勻的光纖布拉格光柵，其柵區(qū)長度為10mm，反 射率大于90%。有益效果本發(fā)明提出的一種基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，當(dāng)外界環(huán)境 溫度一定時(shí)，隨著壓力的增加僅會引起光纖光柵反射譜帶寬的展寬，而中心波長不會發(fā)生 變化，提高了濾波的穩(wěn)定性和精確性。采用兩個(gè)中心波長不同的光纖光柵封裝在聚合物中， 可實(shí)現(xiàn)在相同壓力的作用下產(chǎn)生雙波長通道的帶寬可調(diào)諧濾波器。同時(shí)，容易將該結(jié)構(gòu)擴(kuò) 展到聚合物受限于相距恒定距離的多段相同金屬套筒中，并且選擇中心波長相距一定值的 光纖光柵封裝在聚合物中，從而實(shí)現(xiàn)多波長通道的帶寬可調(diào)諧濾波器或梳狀濾波器。此外， 該濾波器具有帶寬調(diào)諧范圍大，結(jié)構(gòu)簡單小巧，易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于光纖通 信和光纖傳感系統(tǒng)中。


圖1是基于單光纖光柵的帶寬可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖2是采用有限元方法模擬仿真基于圖1中濾波器結(jié)構(gòu)，封裝聚合物在外界均勻 分布壓力作用下的中心軸向應(yīng)變分布曲線，光纖光柵處于a點(diǎn)和b點(diǎn)之間應(yīng)變區(qū)域。圖3是將光纖光柵封裝在圖2所示的應(yīng)變區(qū)域a點(diǎn)和b點(diǎn)之間，數(shù)值模擬得到的 光纖光柵反射譜帶寬的展寬情況示意圖。圖4是基于雙光纖光柵的雙波長通道的帶寬可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖5是基于多光纖光柵的多波長通道的帶寬可調(diào)諧濾波器或梳狀濾波器結(jié)構(gòu)剖 面示意圖。其中1-光纖光柵；2-聚合物；3-金屬套筒；4-毛細(xì)金屬管；5-單模光纖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述參閱附圖1和附圖2，光纖光柵采用光纖布拉格光柵，將光纖光柵封裝在聚合物的 中心軸線上，而聚合物與兩段金屬套筒緊密連接不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，外界均勻分布壓力作 用在聚合物和金屬套筒上，由于聚合物受限于兩段金屬套筒，因此在聚合物的中心軸線上 會呈現(xiàn)如附圖2所示的應(yīng)變分布情況，即出現(xiàn)一種應(yīng)變梯度，將光纖光柵封裝在梯度最大 的區(qū)域a點(diǎn)和b點(diǎn)之間，進(jìn)而使得光纖光柵產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)基于光纖光柵的帶寬可調(diào)諧濾波器。聚合物采用聚氨酯、丙烯酸酯或硅橡膠。對于折射率調(diào)制周期均勻的光纖布拉格光柵，其中心波長λB可表示為λ β = 2neff Λ式中，nrff為纖芯有效折射率，Λ為光柵柵距。在均勻溫度或應(yīng)變場的作用下，其 反射光譜帶寬恒定，但中心波長發(fā)生漂移，且漂移量△入，可表示為Δ λΒ = [(I-Pe) ε+(α + ξ) ΔΤ] · λΒ式中，ε為應(yīng)變量，ΔΤ為溫度變化量，尸6=略|>12-//(尸n+Pj]/2為光纖材料的
有效彈光系數(shù)(Pij為和μ分別為光纖材料的彈光張量分量和泊松比系數(shù))，α和ξ分別 為光纖材料的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。當(dāng)溫度不變時(shí)，光纖光柵在非均勻應(yīng)變場ε (ζ)的 作用下，由于光柵柵區(qū)各個(gè)位置處的柵格(如柵距Λ和折射率調(diào)制深度Anrff)將隨應(yīng)變 場的非均勻分布而發(fā)生相應(yīng)的非均勻變化，從而導(dǎo)致光纖光柵不同位置處的中心波長不相 同，由于應(yīng)變函數(shù)曲線連續(xù)，最終形成一個(gè)光纖光柵反射譜形整體展寬的啁啾反射譜。啁啾 譜的帶寬展寬量Δ λ chirped與最大應(yīng)變差Δ ε max的關(guān)系為Δ Xchirped= λ β (I-Pe) · Δ ε max此外，當(dāng)光纖光柵的柵區(qū)部分中點(diǎn)封裝在零應(yīng)變處時(shí)，光纖光柵兩邊分別受正應(yīng) 變和負(fù)應(yīng)變，因此光纖光柵反射光譜以中心波長處為中點(diǎn)向兩端展開，即反射光譜的中心 波長不變，而帶寬隨著壓力的增加而展寬。將光纖光柵的柵區(qū)部分封裝在附圖2中的a點(diǎn)和 b點(diǎn)之間的應(yīng)變區(qū)域，采用數(shù)值模擬得到光纖光柵在不同壓力下的反射譜帶寬展寬情況，如 附圖3所示。實(shí)施例1 參閱附圖1，光纖光柵封裝在部分受限于金屬套筒的聚氨酯中心軸線 上，兩段金屬套筒相距10mm，因此壓力實(shí)際作用在聚合物的兩個(gè)端面和中間的裸露部分。光 纖光柵的尾纖在接近聚合物端面處采用毛細(xì)金屬管保護(hù)，以免在受壓情況下，出現(xiàn)光纖折 斷現(xiàn)象。在外界壓力的作用下，聚合物中心軸線上的中點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)變最大并向兩端呈現(xiàn)對 稱遞減分布。光纖光柵的中點(diǎn)封裝在零應(yīng)變處，以保證當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，光纖光柵帶寬調(diào) 諧過程中心波長不發(fā)生漂移。實(shí)施例2 參閱附圖4，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將另一根光纖光柵封裝在聚氨酯的對 稱位置上，為了避免兩光纖光柵的反射譜發(fā)生重疊，應(yīng)使兩光纖光柵的中心反射波長間隔 大于每個(gè)光纖光柵的最大帶寬展寬量。由于在壓力作用下聚合物中心軸線的應(yīng)變呈對稱分 布，兩光纖光柵的中心波長各自保持不變，且其帶寬展寬情況相同，從而實(shí)現(xiàn)了雙波長通道 的帶寬可調(diào)諧濾波。實(shí)施例3 參閱附圖5，以聚氨酯受限于三段金屬套筒為例，介紹多波長通道的帶 寬可調(diào)諧濾波器或梳狀濾波器。當(dāng)聚合物受限于三段金屬套筒，相鄰兩段金屬套筒相距 10mm，同樣外界均勻分布壓力實(shí)際作用在聚合物兩端和相鄰兩端金屬套筒間的聚合物裸露 部分，在聚合的中心軸線會出現(xiàn)兩段與如附圖2所示的應(yīng)變分布，將四根中心波長不同的 光纖光柵分別封裝在對應(yīng)的線性梯度應(yīng)變區(qū)域，由于每段線性梯度應(yīng)變分布相同，因此四 根光纖光柵的帶寬展寬情況相同。為防止四根光纖光柵的反射譜在展寬的過程中發(fā)生重 疊，應(yīng)使光纖光柵兩兩之間的中心反射波長間隔大于每個(gè)光纖光柵的最大帶寬展寬量。同 時(shí)，當(dāng)四根光纖光柵的中心波長按一定值遞增或遞減時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)帶寬可調(diào)諧梳狀濾波；當(dāng) 四根光纖光柵的中心波長不同，且相差值也不同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)四波長通道的帶寬可調(diào)諧濾波器。在以上基礎(chǔ)上，容易將該濾波器結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到多波長通道的帶寬可調(diào)諧濾波或波長間 隔一定的梳狀濾波。在實(shí)際應(yīng)用中，可以按照需要選擇不同中心反射波長的光纖光柵進(jìn)行 封裝，以實(shí)現(xiàn)所需波長的帶寬可調(diào)諧濾波。因此，本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
一種基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，其特征在于包括光纖光柵(1)、聚合物(2)、兩段金屬套筒(3)和金屬軟管(4)；光纖光柵(1)同軸穿入兩段金屬套筒(3)之中，光纖光柵(1)與兩段金屬套筒(3)之間填充聚合物(2)，光纖光柵(1)兩端與聚合物(2)銜接的界面套裝用于保護(hù)光纖光柵尾纖的金屬軟管(4)；所述兩段金屬套筒(3)的內(nèi)徑為16～20mm，長度為15mm，相距10mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，其特征在 于所述的光纖光柵的柵區(qū)距聚合物一端的端面10 20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，其特 征在于所述的光纖光柵采用兩個(gè)相互串聯(lián)的光纖光柵，兩光纖光柵的柵區(qū)分別距聚合物 的不同端面10 20mm。且兩光纖光柵的中心反射波長間隔大于每個(gè)光纖光柵的最大帶寬展覓里。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，其特征在 于在兩段金屬套筒3的中間加入一段金屬套筒，與兩端金屬套筒相距IOmm ；光纖光柵采用 4個(gè)相互串聯(lián)的光纖光柵，兩端的光纖光柵的柵區(qū)分別距聚合物的不同端面10 20mm ；且 每兩根光纖光柵之間的中心反射波長間隔大于每個(gè)光纖光柵的最大帶寬展寬量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4所述的任一種基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波 器，其特征在于所述光纖光柵為折射率調(diào)制周期均勻的光纖布拉格光柵，其柵區(qū)長度為 10mm，反射率大于90%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，其特征在 于所述聚合物為聚氨酯、丙烯酸酯或硅橡膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光纖光柵自啁啾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶寬調(diào)諧的濾波器，其特征在于包括光纖光柵1、聚合物2、兩段金屬套筒3和金屬軟管4；光纖光柵1同軸穿入兩段金屬套筒3之中，光纖光柵1與兩段金屬套筒3之間填充聚合物2，光纖光柵1兩端與聚合物2銜接的界面套裝用于保護(hù)光纖光柵尾纖的金屬軟管4；所述兩段金屬套筒3的內(nèi)徑為16～20mm，長度為15mm，相距10mm。該濾波器當(dāng)光纖光柵的柵區(qū)部分中點(diǎn)封裝在零應(yīng)變處時(shí)，光纖光柵反射光譜的中心波長不變，帶寬隨著壓力的增加而展寬。具有帶寬調(diào)諧范圍大，結(jié)構(gòu)簡單小巧，易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)可廣泛應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中。
文檔編號G02B6/02GK101907744SQ20101022440
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者姜碧強(qiáng), 秦川, 趙建林 申請人:西北工業(yè)大學(xué)