CN112526670B - 波长可调的光纤光栅温度补偿结构 - Google Patents

波长可调的光纤光栅温度补偿结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波长可调的光纤光栅温度补偿结构，包括：基体，该基体一侧的顶部设有半圆形凹槽；该基体另一侧的端部设有一定长度的微孔；该微孔下方设有调节孔，该调节孔下方设有纵向的第一应力调节缝，该调节孔延伸至基体内部的顶端设有横向的第二应力调节缝；金属毛细管，固定在所述半圆形凹槽内；光纤光栅，穿设在所述金属毛细管和所述微孔内，并呈预拉伸状态；调节件，置于所述调节孔内，所述调节件的顶端穿过所述第二应力调节缝与所述基体接触；调节所述调节件时，其上方的基体产生微位移，所述光纤光栅产生形变。本发明结构巧妙，且可以实现波长可调和温度补偿。

Description

波长可调的光纤光栅温度补偿结构
技术领域
本发明涉及光纤通信和光纤传感中光纤光栅的封装，具体涉及到一种光纤光栅波长可调的温度补偿结构。
背景技术
光纤光栅作为一种无源光纤器件已经广泛应用于光纤传感，光纤通信等领域。在传感领域中，光纤光栅可以作为核心元件封装成各种形式的传感器，进行压力、应变、位移等物理量的测量；在光纤通信中，光纤可以作为色散补偿器、窄带滤波器、光信号反射器等进行工作。由于光纤光栅本身对温度敏感的特性，即中心波长随着温度的变化而变化，在一些特定的场合会对其正常工作产生不良影响，比如传感器测试精度变差、滤波器带宽漂移等。本发明提出的封装结构可以有效的解决类似问题，并且具有很强的实用价值。
发明专利CN1399152A提出的温补结构，利用调整杆进行波长调整，其结构相对复杂，实际操作过程中波长调整过程繁琐，效率较低。发明专利106094116A与发明专利1388388A可以实现对光纤光栅的温度补偿，但是无法对封装后的光栅进行波长调整，纯粹的依靠封装工艺很难达到良好的波长一致性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种结构简单实用，成本低且效率高的波长可调的光纤光栅温度补偿结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种波长可调的光纤光栅温度补偿结构，包括：
基体，该基体一侧的顶部设有半圆形凹槽；该基体另一侧的端部设有一定长度的微孔；该微孔下方设有调节孔，该调节孔下方设有纵向的第一应力调节缝，该调节孔延伸至基体内部的顶端设有横向的第二应力调节缝；
金属毛细管，固定在所述半圆形凹槽内；
光纤光栅，穿设在所述金属毛细管和所述微孔内，并呈预拉伸状态；
调节件，置于所述调节孔内，所述调节件的顶端穿过所述第二应力调节缝与所述基体接触；调节所述调节件时，其上方的基体产生微位移，所述光纤光栅产生形变。
接上述技术方案，所述金属毛细管与所述微孔的中心轴线重合。
接上述技术方案，所述调节件为调节螺钉，其与所述基体的膨胀系数相同。
接上述技术方案，当环境温度上升或者下降时，所述金属毛细管、所述光纤光栅与所述基体的膨胀量相同，所述光纤光栅受力不变。
接上述技术方案，所述基体的有效长度为l1，所述金属毛细管的有效长度l2，所述光纤光栅的有效长度为l3，满足关系式l1＝l2+l3。
接上述技术方案，所述光纤光栅通过粘接胶固定在所述金属毛细管和所述微孔内。
接上述技术方案，所述金属毛细管与所述基体之间采用金属焊接的方式固定。
接上述技术方案，所述调节件位旋转螺钉，当所述调节件接触到基体向内旋进时，所述调节件上方的基体相对基体主体发生向外的微位移；当调节件向外旋出时，所述调节件上方的基体相对基体主体发生向内的微位移；基体的微位移使光纤光栅产生形变，改变光纤光栅的波长。
接上述技术方案，第一应力调节缝的纵向顶端和第二应力调节缝横向左侧末端在同一高度。
接上述技术方案，第一应力调节缝和第二应力调节缝的顶端为半圆形。
本发明产生的有益效果是：本发明通过在基体的调节孔下方设置纵向和横向的两个应力调节缝，通过调节设置在调节孔内的调节件使基体产生微位移，从而让光纤光栅产生形变，调整光纤光栅的波长，实现光纤光栅温度补偿，本发明结构设计更简单，不需要昂贵的封装材料，且易于加工制作，有助于降低成本；并且可以灵活的进行波长调整，提高效率和成品率，保证产品的一致性，在实际产品生产中有很大的实用价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例波长可调的光纤光栅温度补偿结构的截面示意图；
图2是图1中的局部放大视图；
图3是本发明实施例调节件的结构示意图；
图4是温度补偿有效长度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例波长可调的光纤光栅温度补偿结构包括基体1，金属毛细管2，调节螺钉3，光纤光栅4。
该基体一侧的顶部设有半圆形凹槽；该基体另一侧的端部设有一定长度的微孔7；该微孔7下方设有调节孔，该调节孔下方设有纵向的应力调节缝6，该调节孔延伸至基体内部的顶端设有横向的应力调节缝5。
金属毛细管2固定在所述半圆形凹槽内。光纤光栅4，穿设在所述金属毛细管2和所述微孔7内，并呈预拉伸状态。
调节件，置于所述调节孔内，所述调节件的顶端穿过所述应力调节缝5与所述基体接触；调节所述调节件时，其上方的基体产生微位移，所述光纤光栅4产生形变，从而调节光纤光栅的波长。
本发明的实施例中，如图1所示，基体1的顶部设有凹槽，凹槽两侧高出凹槽部分为台阶，按照图示可称为左侧台阶和右侧台阶。右侧台阶上设有半圆形凹槽，半圆形凹槽的直径与金属毛细管2的外径相同，以便于安装固定金属毛细管2。左侧台上设有微孔7，微孔7的中心轴线与毛细管2的轴线重合，微孔7主要用于光纤光栅4的安装。应力调节缝5和应力调节缝6的主要作用是便于调节左侧台阶与基体的相对位置；基体左侧台阶中间位置有一个螺纹通孔(即调节孔)，用于安装调节件3，该实施例中调节件3采用调节螺钉。基体材料是一种金属，其膨胀系数小于金属毛细管2的膨胀系数。
金属毛细管2的内径与基体1左侧台阶微孔7的内径相等，并且同轴；金属毛细管2与基体1之间的固定采用金属焊接的方式；金属毛细管2安装后右端端面与基体端面平齐。
调节螺钉的材质与基体1相同；调节螺钉顶端穿过应力调节缝6与基体面接触。光纤光栅4位于结构中间位置，光纤光栅4的两端尾纤8分别穿过微孔7和金属毛细管2；光纤光栅4以预应力的状态固定在基体1上；两端尾纤通过点胶的方式进行固定。
进一步地，如图2所示，设置应力调节缝5的右侧末端和应力调节缝6顶部末端基本在一个高度，使基体左侧台阶微位移的调整更加灵敏；当调节螺钉接触基体面后顺时针旋进时，由于调节螺钉无法前进，基体左侧台阶会相对基体主体发生一个向外的微位移，对光纤光栅4的拉力变大，光纤光栅4的波长变大；反之，当调节螺钉逆时针旋出时，基体左侧台阶会相对基体主体发生一个向内的微位移，对光纤光栅4的拉力变小，光纤光栅4的波长变小，从而实现波长可调。
为了具体说明波长调节过程，现对结构相关设计进行详细介绍。本发明的较佳实施例中，应力调节缝5和应力调节缝6的宽度为1mm，缝的顶端为半圆形，半径为0.5mm。应力调节缝5的轴线为水平线，应力调节缝6的轴线为竖直线，两缝轴线相互垂直，两缝顶端的圆心在一个水平线。如图3所示，调节件3为一个特制小螺钉，外径为3mm，与基体接触的调节端为球形，另一端为内六角。牙距为0.2mm，即旋转一周，球形端前进0.2mm位移。其所在的调节孔位置，位于微孔7和应力调节缝5正中间，因此当其球形端接触基体之后，调节件旋进一周，微孔7向左移动0.4mm。
根据设计要求进行基体1加工、调节件3加工和金属毛细管2加工，基体与调节件为同一种材料，一般选用因瓦合金，基体1、调节件3和金属毛细管2的膨胀系数符合温度补偿的要求。
将金属毛细管2利用激光焊接的方式固定在基体1上，金属毛细管2的右端与基体端面平齐，金属毛细管2与基体上微孔7同轴。
调节件3采用调节螺钉时，将调节螺钉旋进基体的螺纹孔中，当调节螺钉顶端与基体面接触时，继续旋进90°，使调节螺钉处于预紧状态。
将光纤光栅尾纤穿过金属毛细管2和微孔7，使光纤光栅位于结构中间附近的位置，然后对光栅施加一个预拉力，同时在金属毛细管和微孔内注入固化粘接胶，使光纤光栅在预拉伸的状态固定。
测试封装后光纤光栅4的波长，与目标控制波长进行比较。如果封装后光栅的波长较小，此时可继续旋进调节螺钉，基体左侧台阶向外发生微位移，对光纤光栅拉力变大，光纤光栅波长变大，调整到目标波长即可。反之，调节螺钉向外旋出。根据产品实际制造情况，封装后波长调节最大范围大概为1nm，那么球形端需要调节位置为0.02mm，由上述设计分析可知，需要其旋转角度大致为4°。
当封装结构所处环境温度上升时，由于热胀冷缩的特性，基体1会发生膨胀，对光栅的拉力变大，但由于金属毛细管2和光栅4也会发生膨胀，并且金属毛细管2和光纤光栅4的膨胀量与基体的膨胀量相等，光纤光栅4受力不变，故中心波长不会发生变化。同理，环境温度降低时，中心波长也不会发生变化。
本发明波长可调的光纤光栅温度补偿结构的主要特征是：
如图4所示，对于温度补偿，基体1的有效长度为l1，金属毛细管2的有效长度l2，光纤的有效长度为l3，由结构关系可知，
l1＝l2+l3
假设基体的膨胀系数为α1，金属毛细管的膨胀系数为α2，光纤的膨胀系数为假设基体的膨胀系数为α3，光纤材料的膨胀系数很小，一般比金属小一个量级，那么各材料之间膨胀系数的关系为，
α2＞α1＞α3
如果温度的变化量是
Figure BDA0002841146750000051
使应力达到平衡，光纤光栅的中心波长保持不变，那么有，
Figure BDA0002841146750000052
在实际封装结构中l2与l3存在多种关系，选取l2与l3相等来对结构的可行性和设计进行特例说明，利用l1＝l2+l3简化得到，
2α1＝α2+α3
根据经验，光纤的膨胀系数约为0.5×10-6/℃，大部分金属的膨胀系数约为15×10-6/℃，光纤约为金属膨胀系数的
Figure BDA0002841146750000053
做一个粗略的近似关系有，
Figure BDA0002841146750000054
由此可见，利用膨胀系数近2倍的两种金属，可以有效的实现温度补偿。不过很难找到膨胀系数刚好是2倍的两种金属，实际操作中通常是通过调整l2与l3实现温度补偿的。本发明中，基体采用的材料是因瓦合金，其膨胀系数是7.82×10-6/℃，有效长度是65mm；金属毛细管采用的材料是1Cr18Ni9Ti,其膨胀系数是16.61×10-6/℃，有效长度是29.42mm；光纤的膨胀系数是0.55×10-6/℃，有效长度是35.58mm.
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，包括：
基体，该基体一侧的顶部设有半圆形凹槽；该基体另一侧的端部设有一定长度的微孔；该微孔下方设有调节孔，该调节孔下方设有纵向的第一应力调节缝，该调节孔延伸至基体内部的顶端设有横向的第二应力调节缝；
金属毛细管，固定在所述半圆形凹槽内；
光纤光栅，穿设在所述金属毛细管和所述微孔内，并呈预拉伸状态；
调节件，置于所述调节孔内，所述调节件的顶端穿过所述第二应力调节缝与所述基体接触；调节所述调节件时，其上方的基体产生微位移，所述光纤光栅产生形变。
2.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，所述金属毛细管与所述微孔的中心轴线重合。
3.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，所述调节件为调节螺钉，其与所述基体的膨胀系数相同。
4.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，当环境温度上升或者下降时，所述金属毛细管、所述光纤光栅与所述基体的膨胀量相同，所述光纤光栅受力不变。
5.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，所述基体的有效长度为l1，所述金属毛细管的有效长度l2，所述光纤光栅的有效长度为l3，满足关系式l1＝l2+l3。
6.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，所述光纤光栅通过粘接胶固定在所述金属毛细管和所述微孔内。
7.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，所述金属毛细管与所述基体之间采用金属焊接的方式固定。
8.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，所述调节件位旋转螺钉，当所述调节件接触到基体向内旋进时，所述调节件上方的基体相对基体主体发生向外的微位移；当调节件向外旋出时，所述调节件上方的基体相对基体主体发生向内的微位移；基体的微位移使光纤光栅产生形变，改变光纤光栅的波长。
9.根据权利要求1所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，第一应力调节缝的纵向顶端和第二应力调节缝横向左侧末端在同一高度。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的波长可调的光纤光栅温度补偿结构，其特征在于，第一应力调节缝和第二应力调节缝的顶端为半圆形。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW440728B (en) * 1999-11-04 2001-06-16 Ind Tech Res Inst A tunable fiber grating
US6453108B1 (en) * 2000-09-30 2002-09-17 Cidra Corporation Athermal bragg grating package with course and fine mechanical tuning
JP2005017462A (ja) * 2003-06-24 2005-01-20 Fujikura Ltd 特性可変光ファイバグレーティング
CN105137591A (zh) * 2014-04-03 2015-12-09 骆飞 光纤光栅超结构调谐方法和装置
CN106094116A (zh) * 2015-04-30 2016-11-09 晋禾企业股份有限公司 温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2357242A1 (en) * 2001-02-22 2002-08-22 Teraxion Inc. Adjustable athermal package for optical fiber devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW440728B (en) * 1999-11-04 2001-06-16 Ind Tech Res Inst A tunable fiber grating
US6453108B1 (en) * 2000-09-30 2002-09-17 Cidra Corporation Athermal bragg grating package with course and fine mechanical tuning
JP2005017462A (ja) * 2003-06-24 2005-01-20 Fujikura Ltd 特性可変光ファイバグレーティング
CN105137591A (zh) * 2014-04-03 2015-12-09 骆飞 光纤光栅超结构调谐方法和装置
CN106094116A (zh) * 2015-04-30 2016-11-09 晋禾企业股份有限公司 温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Numerical modeling of the capillary in the Bragg grating area ensuring uniaxial stress state of embedded fiber-optic strain sensor";Grigorii Serovaev 等;《Procedia Structural Integrity》;20191231;第17卷;第371-378页 *
"一种光纤光栅施加预应力的管式封装装置";温昌金 等;《光通信技术》;20141231;第38卷(第6期);第12-15页 *

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