DE102016107276B4 - Thermisch kompensierte und mit feder gespannte kompakte faser-bragg-gitter-wellenlängen-filtereinrichtung - Google Patents

Abstract

Thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung, aufweisend:einen Einmoden-Lichtleiter (201), der ein Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) umfasst;eine zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312), welche ausgebildet ist durch eine zylindrische Spiraldruckfeder (302) und eine zylindrischen Spiralzugfeder (312), die beide hintereinander angeordnet sind, wobei der Einmoden-Lichtleiter (201) durch die Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) hindurchgeführt ist, und wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) des Einmoden-Lichtleiters (201) in die zylindrische Spiraldruckfeder (302) der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) eingebaut ist, und wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) in der zylindrischen Spiraldruckfeder (302) vorgespannt fixiert ist;einen Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (304), welcher ein Ende des eingebauten, vorgespannten Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) und ein Ende der außerhalb des Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) angeordneten zylindrischen Spiraldruckfeder (302) verbindet;einen Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (305), welcher ein anderes Ende des eingebauten, vorgespannten Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) und ein anderes Ende der außen angeordneten zylindrischen Spiraldruckfeder (302) verbindet, wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) dadurch vorgespannt ist, dass die zylindrische Spiraldruckfeder (302) zunächst zusammengedrückt wird, dann der Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (304) und der Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (305) fixiert werden und schließlich die zylindrische Spiraldruckfeder (302) freigegeben wird;eine äußere metallische Röhre (314), deren beide Enden durch zwei Verbindungs-Ringe oder -Kleber (308, 309) in nicht-vorgespannter Weise fest mit den beiden Enden der im Inneren der äußeren metallischen Röhre (314) angeordneten, zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) verbunden sind, und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Feder der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) höher ist als derjenige der äußeren metallischen Röhre (314), und wobeidie Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung dadurch ausgebildet ist, dass alle Elemente koaxial zu dem inneren Lichtleiter (201) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen der thermisch induzierten Längenveränderung der äußeren metallische Röhre (314) mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der thermisch-induzierten Längenveränderung der in die metallischen Röhre (314) eingebauten, zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Entspannungseffekt oder Anspannungseffekt auf die vorgespannte, eingebaute zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) erzeugt, um den Brechungsindex des Lichtleiters zu erhöhen oder zu verringern, und um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung der Faser-Bragg-Filtereinrichtung zu kompensieren.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine WellenlängenFiltereinrichtung, insbesondere eine Präzisions-Wellenlängen-Filtereinrichtung, deren Faser-Bragg-Gitter ummantelt und durch Federn vorgespannt ist, um eine thermisch kompensierende Funktion zu erreichen.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Nach dem Stand der Technik wird ein Faser-Bragg-Gitter (unten abgekürzt als FBG) durch einen Lichtleiter bzw. eine optische Faser ausgebildet, um als ein Präzisionswellenlängenfilter für Lichtleiter-Kommunikation zu fungieren, welcher die Lichtwelle entsprechend der Bragg-Rückkopplungswellenlänge reflektiert, die über die Bragg-Gitterperiode A des Lichtleitergitters vorbestimmt ist. Basierend auf dem Prinzip der Bragg-Beugung, wird eine Wellenlänge, welche die Bragg-Bedingung erfüllt, als eine Bragg-Rückkopplungswellenlänge AB bezeichnet. Die Lichtwelle, die eine Bragg-Rückkopplungswellenlänge aufweist, wird in eine Richtung, die entgegengesetzt zur Einfallsrichtung zu einem Abtastvorrichtungs-Interrogator steht, reflektiert, wobei das einfallende Licht für die Analyse emittiert wird, wodurch detektiert wird, ob sich die empfangene Wellenlänge ändert, und wodurch das reflektierte Licht aufgeteilt wird und in eine Kommunikations-Empfangsvorrichtung übertragen wird, um die Inhalte des demodulierten Trägersignals der vorbestimmten Empfangs-Wellenlänge zu detektieren. Die Bragg-Rückkopplungswellenlänge AB ist durch die Gleichung (1) wie folgt darstellbar: $$\mathrm{\lambda }\text{B}\mathrm{=2}\text{n}\mathrm{\Lambda }$$

  

  wobei Λ die Periode des Bragg-Gitters ist und n der effektive Brechungsindex des optischen Lichtleiters ist. Die Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge AB wird von der thermisch induzierten Veränderung des Brechungsindex des Kernmaterials oder der spannungsinduzierten Veränderung der Periode des Bragg-Gitters beeinflusst.
• In der Anwendung von FBGs zur Messung von Spannungen bzw. Spannungskräften bei unveränderter Temperatur ist die spannungsinduzierte Veränderung der Periode Λ des Bragg-Gitters durch ΔΛ gegeben. ΔΛ wird in Gleichung (1) eingesetzt, um Gleichung (2) zu erhalten: $$\mathrm{\Delta \lambda }\text{B}=2\text{n}\mathrm{\Delta \Lambda }$$

  

  wobei angenommen wird, dass 1 die Eichlänge eines Objekts, auf das eine Kraft angewendet werden soll, und Δl die durch die Kraft induzierte Längenveränderung des Objekts ist.
  Gemäß der Definition der Spannung ε gilt, $$\mathrm{\epsilon }=\mathrm{\Delta }\text{l / l }=\mathrm{\Delta \Lambda }\text{/}\mathrm{\Lambda }$$

  

  $$\text{da }\mathrm{\Delta }\text{l}=\left(\mathrm{\Delta \Lambda }\text{/}\mathrm{\Lambda }\right)\text{l }=\left((\mathrm{\Delta \lambda }\text{B/2n}\right)\text{/}\left(\mathrm{\lambda }\text{B/2n}\right))\text{l}\text{,}$$

  

  $$\mathrm{\epsilon }=\mathrm{\Delta }\text{l / l }=\mathrm{\Delta \lambda }\text{B /}\mathrm{\lambda }\text{B}$$

  
• Gleichung (4) gilt nur unter der Annahme, dass die Temperatur unverändert bleibt, und unter der Annahme, dass der Brechungsindex n konstant ist. Unter diesen Annahmen kann ΔλB/λB verwendet werden, um die Spannung der Struktur, auf der das FBG befestigt ist, zu ermitteln.
• Während Temperaturveränderungen wird das Verhältnis der Veränderung der Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge ΔλB zu der ursprünglichen Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge AB durch Gleichung (5) gegeben: $$\mathrm{\Delta \lambda }\text{B/ }\mathrm{\lambda }\text{B }=\left(1-\text{Pe}\right)\mathrm{\Delta \epsilon +}\left(\mathrm{\alpha }\text{f+}\zeta \right)\mathrm{\Delta }\text{T}$$

  

  wobei Pe die effektive Fotoelastizität, αf der Wärmeausdehnungskoeffizient, ζ der thermisch-optische Koeffizient der verschmolzenen Silica-Quarz-Glasfaser, ΔλB die thermisch induzierte Veränderung der Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge, Δε die thermisch induzierte Veränderung der axialen Spannung und ΔT die Temperaturveränderung sind.
• In der Tat verändert die Temperaturveränderung die Dichte des Licht-Leitungs-Kern-Glas-Materials des Lichtleiters und verändert daher auch den Brechungsindex n. Sogar wenn keine Kraft auf das FBG aufgebracht wird, verschiebt weiterhin die Temperaturveränderung die momentane Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge AB. Für die Punkt-zu-Punkt Lichtleiter-Kommunikation bei einer konstanten Wellenlänge, wird das obig genannte Phänomen einen Verlust an Informationen verursachen und muss behoben werden. Es ist zu teuer, die Kommunikations-Umgebung bei konstanter Temperatur aufrechtzuerhalten oder zu bewerkstelligen, dass der Brechungsindex des Materials des FBG unverändert bleibt. Es ist sinnvoller, die thermisch induzierte Verschiebung bzw. den Shift der Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge mit den physikalischen Prinzipien zu kompensieren, bei möglichst geringen Kosten.
• Es gibt einige herkömmliche Technologien zum Kompensieren der thermisch induzierten Verschiebung der Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge ΔλB, sowie Geräte, die in 3 und 4 der amerikanischen Patentschrift US 5042898 A , „Incorporated Bragg Filter Temperature Compensated Optical Waveguide Device“, gezeigt und in deren Beschreibung beschrieben werden und welche von Morey, et al. offenbart wurden, und die Strukturen, welche in 3-5 und 6-8 der amerikanischen Patentschrift US 6493486 B1 , „Thermal compensated compact Bragg gating filter“, gezeigt und in deren Beschreibung beschrieben werden und von Chen und der Finisar Corporation offenbart wurden. Die zuvor erwähnte konventionelle Vorrichtung oder Struktur benutzt normalerweise zwei metallische Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, um verschiedene geometrische Strukturen auszubilden, wie z. B. bimetallische Streifen, C-förmige Klemmen oder sog. Bar-in-Axis-Strukturen. Eine Temperaturveränderung wird verschiedene Längenveränderungen auf verschiedene Materialien bewirken. Der Unterschied der Längenveränderung führt des Weiteren zu axialen Verlängerungen, axialen Kontraktionen, lateralem Biegen oder Torsion und führt daher zu einer Veränderung der Gitter-Periode A. Die absichtlich generierte Gitter-Perioden-Veränderung ΔΛ wird benutzt, um die thermisch induzierte Längenveränderung zu kompensieren und die thermisch induzierte Veränderung der ursprünglichen Bragg-Gitter-Periode A auszugleichen.
• Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung benutzt 1 und 2, um jeweils die Vorrichtung in der amerikanischen Patentschrift US 5042898 A und die Strukturen gemäß der amerikanischen Patentschrift US 6493486 B1 zu illustrieren. 1 ist ein Querschnitts-Diagramm der Vorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß der amerikanischen Patentschrift US 5042898 A , wobei mit Bezugszeichen 20 eine Lichtwellenfilter-Vorrichtung versehen ist, und wobei mit Bezugszeichen 10 ein Lichtleiter versehen ist, welcher durch die Lichtwellenfiltervorrichtung geht; und wobei das Bezugszeichen 13 den Bragg-Gitter-Teilabschnitt bezeichnet (derselbe wie das nachfolgend genannte „Segment“); und wobei das Bezugszeichen 17 das Eingabe-Leitersegment der Lichtwellenfilter-Vorrichtung bezeichnet; und wobei das Bezugszeichen 21 (28) den ersten thermisch kompensierten Abschnitt bezeichnet; und wobei das Bezugszeichen 22 (29) den zweiten thermisch kompensierten Abschnitt bezeichnet; und wobei das Bezugszeichen 23 die mittlere Vertiefung des ersten thermisch kompensierten Abschnitts 21 bezeichnet; und wobei das Bezugszeichen 24 einen Vorsprung des zweiten thermisch kompensierten Abschnitts 22 bezeichnet; und wobei das Bezugszeichen 25 einen Verbindungs-Teilabschnitt bezeichnet, welcher das Lichtleiter-Segment 17 zwischen dem Eingangs-VerbindungsAbschnitt 26 und dem Vorsprung 24 und dem Bragg-Gitter-Segment 13 verbindet; und wobei 26 den Eingangs-Verbindungs-Abschnitt bezeichnet; und wobei 27 den Verbindungsabschnitt des Vorsprungs des zweiten thermisch kompensierten Abschnitts bezeichnet; und wobei 30 einen Vorspannungs-Abschnitt bezeichnet; und wobei 31 eine rückstellbare Feder zum Aufbringen einer Vorspannkraft bezeichnet. 2 zeigt ein Querschnitts-Diagramm der Struktur nach dem Stand der Technik gemäß der amerikanischen Patentschrift US 6493486 B1 , nämlich die Struktur, welche in deren 6 dargestellt ist, wobei 80 die thermisch kompensierte Bragg-Gitter-Filtereinrichtung bezeichnet; und wobei 82 den Lichtleiter, welcher durch die Lichtwellenfilter-Vorrichtung durchgeht, bezeichnet; und wobei 90 eine Plastik-Ummantelung des Lichtleiters bezeichnet; und wobei 84 einen axialen Kern des Lichtleiters bezeichnet; und wobei 86 einen Umhüllungs-Teilabschnitt des Lichtleiters bezeichnet; und wobei 88 das Bragg-Gitter-Segment des Lichtleiters bezeichnet; und wobei 92 einen Lichtleiter-Torsions-Abschnitt bezeichnet, welcher Mittel zum Anwenden einer axialen Drehung auf den Lichtleiter-Torsions-Abschnitt 82 bereitstellt; und wobei 104 einen Torsions-Anpassungs-Abschnitt mit hohem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten bezeichnet; und wobei 104 dimensioniert wird, um in ein Loch zu passen, welches an
  einem Ende des thermisch kompensierten Abschnitts 106 bereitgestellt wurde; und wobei 96 einen Anbringungs- bzw. Befestigungspunkt des Torsions-Anpassungs-Abschnitts 104 bezeichnet; und wobei 98 einen Anbringungspunkt bezeichnet, welcher mit dem Anbringungspunkt 96 in Verbindung steht, um einen Abstand, nämlich den Abstand zwischen den Anbringungspunkten 96 und 98, an einen Abstand anzupassen, welcher den Abstand des Bragg-Gitter-Teilabschnitts 88 und einen geeigneten Abstand umfasst, um den Lichtleiter 82 und den Torsions-Abschnitt 92 anzupassen; und wobei 94 einen Anbringungspunkt des Torsions-Anpassungs-Abschnitts 104 und des thermisch kompensierten Abschnitts 106 bezeichnet.
• In der Tat gibt es eine proportionale Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der inneren Spannung in dem Lichtleiter. Daher kann, während die Temperatur ansteigt, eine nachlassende Spannungskraft oder Torsion den Brechungsindex verringern, um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung der Gitter-Filtereinrichtung zu kompensieren. In 1 wird die Feder 31 des Vorspannungs-Abschnitts 30, welche unter einer vorgespannten Kraft zurückspringen kann, benutzt, um Kraft zum Vorspannen des Faser-Gitters aufzuwenden, um eine nicht-axiale Spannung auf das Faser-Gitter aufzubringen. Das Ansteigen der Temperatur bewirkt den Vorsprung 24 des zweiten thermisch kompensierten Elements 22, welches einen höheren thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, um sich auszudehnen, wobei die Spannung des Bragg-Gitter-Segments 13 abnimmt, und wobei der Brechungsindex abnimmt, um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung in der Gitter-Filtereinrichtung abzusenken. In 2 entspannt, während die Temperatur ansteigt, der Anbringungs- bzw. Befestigungspunkt 96 des Torsions-Anpassungs-Abschnitts 104, welcher einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, das Bragg-Gitter-Segment 88, wodurch die Torsionskraft, welche auf das FBG angewandt wird, abgesenkt wird, und wodurch der Brechungsindex abgesenkt wird, um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung in der Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung zu kompensieren. Mit anderen Worten kann die Torsionsentlastung den Brechungsindex absenken, um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung in der Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung zu kompensieren. Die oben erwähnten konventionellen Techniken nutzen in vollem Maße die Gleichung (5) aus und machen die linke Seite der Gleichung (5) zu Null, d. h. ΔλB/λB = 0. Während eine Temperaturveränderung ΔT auftritt, wird die durch die Temperaturveränderung ΔT induzierte Veränderung der Spannung Δε auf der Achse des Gitters antiproportional angeglichen. Die Spannungskraft oder Torsion wird während eines Temperaturanstiegs abgesenkt und während eines Temperaturabfalls angehoben, um ΔλB = 0 werden zu lassen, und um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung in der Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung zu kompensieren. Es gab eine Tendenz zur Reduzierung der Größe und die Kosten der zuvor genannten mechanischen Strukturen zu verringern, um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung zu kompensieren. Dennoch braucht die Auswahl der zentralen Bragg-Rückkopplungs-Wellenlänge gefertigte Komponenten mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sowie vorgespannte Abschnitte und FBG-Torsions-Elemente, welche das Volumen der thermisch kompensierten Struktur vergrößern können. Im Vergleich mit dem winzigen Lichtleiter, der einen äußeren Umfang von nur 250 µm aufweist, ist die thermisch kompensierte Struktur sehr sperrig. In dem Kommunikations-Ausrüstungsraum belegen überfüllte Verteilungsrahmen von Lichtleitern eine Menge Platz. Daher müssen FBG-Einrichtungen miniaturisiert werden, so dass der Raumbereich des Maschinenraums die FBG-Einrichtungen beherbergen kann, wenn die Lichtleiter so beliebt werden, dass sie zu FTTH (Fiber To The Home) erweitert werden.
• ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung zu schaffen, die durch einfache Maßnahmen die oben genannten Nachteile vermeidet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung, die die im Anspruch 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Der normale Arbeitstemperatur-Bereich muss bestimmt werden, wenn ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) als Wellenlängenfilter-Einrichtung verwendet wird. Normalerweise wird, wenn das Faser-Bragg-Gitter bei Raumtemperatur installiert wird, die Kompression des FBGs bei der niedrigsten Arbeitstemperatur in Betracht gezogen und wird benutzt, um die FBG-Verkleinerung im elastischen Grenzbereich bzw. Limit bereitzustellen, wenn die Temperatur fällt und die Verlängerung des FBGs im elastischen Limit steigt. Für ein FBG, das nicht vorgespannt ist, ist es nicht möglich, linear mit der Temperaturveränderung zu variieren und es wird wahrscheinlich eine Spannungs-Hysterese aufweisen und an Genauigkeit verlieren, während es mit der geringsten Arbeitstemperatur arbeitet. Das Vorspannen des FBG wird in der konventionellen Technik normalerweise durch Vorspannen, Vorbiegen oder Vordrehen realisiert und generell als FBG-Vorspannen bezeichnet, wobei es die Nachteile eines sperrigen Volumens aufweist, wie in der Beschreibung des Standes der Technik beschrieben wurde. In der Anwendung bedingt das Vorspannen des FBGs auf die vorbestimmte zentrale Arbeits-Wellenlänge auch die Kompression des FBG bei den geringsten Arbeitstemperaturen und impliziert eine eingebaute Spannungskraft oder Torsion in dem FBG. Gemäß der Gleichung (5) und der zugehörigen Erklärung kann die eingebaute Spannungskraft oder Torsion als ein Startpunkt für die Temperatur-Kompensation dienen. Die thermisch kompensierte Funktion wird realisiert, so lange wie ein Paar von Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder eine Struktur zum Entspannen des FBG bei ansteigender Temperatur bereitgestellt wird.
• Erfindungsgemäß wird das Faser-Bragg-Gitter mit einer zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination mittels eines losen Ummantelungs-Verfahrens umwickelt, woraufhin die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination mit einer Außenfeder mittels des losen Ummantelungs-Verfahrens umwickelt wird, um die Struktur der thermisch kompensierten Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung auszubilden. Die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination weist einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Die Außenfeder weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und ist in einer anderen Richtung relativ zu der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination gewickelt. Das lose Ummantelungs-Verfahren ist ein Ummantelungs-Verfahren, welches bewirkt, dass der Arbeits-Abschnitt gleichförmige Lücken aufweist und keinen axialen Reibungswiderstand auf den Lichtleiter ausübt. 3 zeigt einen Schnitt durch die Außenfeder, welche eine zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination in der lockeren Weise ummantelt und die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination in einer anderen Richtung umwickelt. In 3 bezeichnet 102 einen Lichtleiter-Kern; 201 bezeichnet einen bloßen Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 125µm; 202 bezeichnet eine Kunstharz-Schutzschicht mit einem Außendurchmesser von 250µm; 203 bezeichnet ein Gitter-Segment in dem Lichtleiter-Kern mit einem Außendurchmesser von 125µm; 204 bezeichnet eine weitere Kunstharz-Schutzschicht mit einem Außendurchmesser von 250µm; 301 ist ein oberes Segment der zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, wobei der feder-ummantelte Lichtleiter mit 0,9 mm Außendurchmesser gewählt wird, um mit dem Außendurchmesser des bekannten Ummantelungs-Materials (wie zum Beispiel PE) des Lichtleiters übereinzustimmen (die Begründung wird unten zur Verfügung gestellt); und 302 bezeichnet eine zylindrische Spiraldruckfeder mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einem Außendurchmesser von 0,9 mm; und 303 bezeichnet einen unteren Teilabschnitt einer Faser mit einer 0,9 mm außen-ummantelter zylindrischer Spiralzugfeder; und 304 bezeichnet einen vorspannenden Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber des Lichtleiters und der Feder; 305 bezeichnet einen vorspannenden Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber des Lichtleiters und der Feder; und 306 bezeichnet einen nicht-vorspannenden Verbindungs-Rings oder -Kleber des unteren Endes für die Faser und die zylindrische Spiralzugfeder mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und mit einem ummantelten Außendurchmesser von 0,9 mm; und 308 bezeichnet einen nicht-vorspannenden Verbindungs-Ring oder -Kleber für die zylindrische Spiralzugfeder (312) mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm und einen oberen Sitzring einer Außenfeder, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und in einer anderen Richtung gewickelt ist; und 309 bezeichnet einen nicht-vorspannenden Verbindungs-Ring oder -Kleber für die faserummantelnde zylindrische Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm und einen unteren Sitzring einer Außenfeder, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und in einer anderen Richtung gewickelt ist; und 311 bezeichnet eine Außenfeder, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und in einem losen Ummantelungs-Verfahren in einer anderen Richtung gewickelt ist; und 312 bezeichnet ein unteres Segment der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm. Die faser-ummantelnde zylindrische Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm ist ein Teil der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination, welches eine bestimmte Vorspannungs-Kraft und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Das obere Segment 301, die faserummantelnde zylindrische Spiraldruckfeder 302 mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm und das untere Segment 303 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm werden verbunden, um die faser-ummantelnde eingebaute zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm auszubilden, um den Lichtleiter und das sich darin befindende Faser-Gitter zu schützen. Die zuvor erwähnte Struktur basiert auf einer Faser-Vorspannungs-Technologie und wird von den Erfindern in der Patentanmeldung „Self-Tensed and Fully Spring Jacketed Lichtleiter Sensing Structure“ offenbart, welche am 20. Januar 2015 eingereicht wurde und die Veröffentlichungsnummer TW 201627637 A trägt. Die Vorspannungs-Technologie der zuvor genannten Patentanmeldung wird realisiert durch die Platzierung des FBGs mit einer Kombination einer zylindrischen Spiralzugfeder und einer zylindrischen Spiraldruckfeder, um eine einstellbare Reaktion auf Spannungen und Belastungen im elastischen Grenzbereich zu ermöglichen, wobei das sperrige Volumen der mechanischen Struktur der Faser-Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung und damit auch die Kosten reduziert werden. Jedoch beansprucht die vorliegende Erfindung nicht die „Self-Tensed and Fully Spring Jacketed Optical Fiber Sensing Structure“. Die Wicklungsrichtung (rechts händige Wicklung) der Außenfeder 311, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und in einer anderen Richtung in einem losen Ummantelungs-Verfahren ummantelt wird, ist verschieden von der Wicklungsrichtung (links händige Wicklung) der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche ausgebildet ist durch eine hintereinander Anordnung des oberen Segments 301 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder, der faser-ummantelnden zylindrischen Spiraldruckfeder 302 und des unteren Segments 303 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder. Durch die verschiedenen Wicklungsrichtungen wird vermieden, dass die koaxial angeordneten Federn versehentlich durch unsachgemäße Handhabung Ineinandergreifen, und um die Torsion auszugleichen, welche durch verschiedene Längenveränderungen der Außenfeder (311) und der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination durch Temperaturveränderung verursacht wird.
• Erfindungsgemäß sind zwei thermisch kompensierte Mechanismen vorgesehen. Der erste kompensierte Mechanismus ist der Vorspannungs-Mechanismus des FBGs. Die faserummantelnde zylindrische Spiraldruckfeder 302 mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, welche sich zwischen dem oberen Segment 301 und dem unteren Segment 303 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm befindet, wird zunächst zusammengedrückt; die zylindrische Spiraldruckfeder 302 und zwei Enden des Lichtleiter-Gitters auf der Achse werden mit den Verbindungs-Ringen oder -Klebern 304 und 305 fixiert, woraufhin die zylindrische Spiraldruckfeder losgelassen wird, wodurch das Vorspannen des FBG abgeschlossen wird. Die zuvor erwähnte Struktur ist eine neue, auf Elastizität beruhende Technologie zur Präzisions-Spannungs-Messung für optische Progression, wobei eine zylindrische Spiralzugfeder und eine zylindrische Spiraldruckfeder miteinander verbunden sind, um eine Federstruktur auszubilden und das FBG in der Achse der Spiraldruckfeder angeordnet ist, und wobei die Feder zusammengedrückt wird, um zunächst die Mess- bzw. Eichlänge des FBGs festzulegen, und wobei die zusammengedrückte Feder danach losgelassen wird, wodurch das Vorspannen des FBG abgeschlossen wird. Im elastischen Bereich gehorcht das Verhalten des Materials dem Hookschen Gesetz und der Absolutwert der Elastizität wird benutzt, um die Vorspannungskraft linear einzustellen. Die Feder wird zusammengedrückt, um das darin platzierte FBG zu fixieren und dann wird die aufgebrachte Kraft losgelassen, um das Vorspannen des FBGs abzuschließen. Des Weiteren funktioniert die zusammengedrückte Spiralfeder wie eine Stahlhülle, um das zerbrechliche FBG, welches sich darin befindet, zu schützen. Der zweite thermisch kompensierte Mechanismus lässt die Vorspannungskraft oder die Vortorsion ab, um eine thermische Kompensation der Materialien zu bewirken, welche unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Verbindungs-Ringe oder -Kleber 308 und 309 befestigen zwei Enden der Außenfeder 311, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und in einem losen Ummantelungs-Verfahren in verschiedener Richtung gewickelt ist, um eine festgelegte Länge zu haben. Während die Temperatur steigt, hat die bestimmte Länge wegen des niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine geringere Ausdehnung. Die geringere Ausdehnung beschränkt die größere Ausdehnung der Gesamtlänge der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination. Solch ein Effekt zwingt die faserummantelnde zylindrische Spiralzugfeder 312, die eine bestimmte Vorspannungs-Kraft und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, hin zu der faser-ummantelnden zylindrischen Spiraldruckfeder 302, welche den selben Außendurchmesser aufweist (0,9 mm) und vorgespannt wurde, um vorab eine Vorspannungskraft zu erlangen. Das untere Segment 312 der zylindrischen Spiralzugfeder wird thermisch verlängert sein, um die Vorspannungskraft zu entspannen, und wird gleich sein, um den Brechungsindex zu verringern, um eine Wellenlängen-Veränderung zu verhindern. Der Betrieb der vorliegenden Erfindung basiert auf der proportionalen Beziehung zwischen der inneren Spannung und dem Brechungsindex. Daher kann das Freisetzen von Spannungskraft oder Torsion den Brechungsindex verringern, um die Wellenlängenverschiebung zu kompensieren, welche durch die Temperaturveränderungen hervorgerufen wurde.
• Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausgestaltungen anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
• 1 ein Querschnittdiagramm einer Vorrichtung aus der Patentschrift US 5042898 A ;
• 2 ein Querschnittdiagramm einer Vorrichtung aus der Patentschrift US 6493486 B1 ;
• 3 einen Axialschnitt durch eine thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Filtereinrichtung, wobei eine Außenfeder (311) mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten in unterschiedlicher Richtung gewickelt ist und die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) lose ummantelt; und
• 4 einen Axialschnitt durch eine thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Filtereinrichtung, wobei eine äußere metallische Röhre (314) die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination lose ummantelt.
• DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Es werden im Folgenden Ausführungsformen detailliert beschrieben, um die erfindungsgemäße thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung näher zu beschreiben, deren Lichtleiter von einer Röhre bzw. Hülse mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten durch eine lose Ummantelungs-Technik ummantelt wird.
• Wie in 3 gezeigt ist, wird die thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung, deren Lichtleiter mit einer Außenfeder mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer losen Ummantelungs-Technik ummantelt ist und in einer anderen Richtung gewickelt ist, normalerweise in einer feuchtigkeitsfreien und staubfreien Umgebung benutzt. Für den Fall, dass die thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung der vorliegenden Erfindung in einer Umgebung benutzt wird, welche Feuchtigkeit und Staub enthält, schlägt die vorliegende Erfindung des Weiteren eine Ausführungsform vor, in der eine Röhre mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten die Struktur der thermisch kompensierten Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung in einer losen Ummantelungs-Technik ummantelt, wie in 4 gezeigt ist. 4 stellt einen Axialschnitt dar, welcher schematisch eine thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfilter-Einrichtung zeigt, die von einer Röhre bzw. Hülse mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer losen Ummantelungs-Technik ummantelt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform, welche in 4 gezeigt ist, ist in dem Sinne verschieden von der Ausführungsform, welche in 3 gezeigt ist, dass eine äußere metallische Röhre bzw. Hülse 314 aus Invar-Stahl, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, oder eine Röhre bzw. Hülse 314 aus Quarz, die Außenfeder 311 ersetzt, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und in einem losen Ummantelungs-Verfahren in einer anderen Richtung gewickelt ist. Bei der Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, sichern die Verbindungs-Ringe oder -Kleber 308 und 309 die äußere metallische Röhre 314 aus Invar-Stahl, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, oder die Röhre aus Quarz, um die größere Ausdehnung der Gesamtlänge der eingebauten Struktur der faser-ummantelnden zylindrischen Spiraldruckfeder 302 und des unteren Segments 312 der darin befindlichen zylindrischen Spiralzugfeder zu beschränken. Dieser Effekt zwingt das untere Segment 312 der zylindrischen Spiralzugfeder, welche eine bestimmte Vorspannungs-Kraft und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, an die faser-ummantelnde zylindrische Spiraldruckfeder 302, die denselben Außendurchmesser (0,9 mm) aufweist. Dadurch wird die Spannungskraft oder die Torsion des FBG freigelassen, um verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien zu kompensieren. Die äußere metallische Röhre bzw. Hülse 314 aus Invar-Stahl, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, oder die Röhre aus Quarz können des Weiteren verhindern, dass Feuchtigkeit oder Staub in die ummantelnde Spiraldruckfeder und in das FBG gelangen, welches konzentrisch darin angeordnet ist, so dass diese in dem elastischen Bereich normal betrieben werden können. In 4 bezeichnet 102 einen Lichtleiter-Kern; und 201 bezeichnet einen bloßen Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 125 µm; 202 bezeichnet eine Kunstharz-Schutzschicht mit einem Außendurchmesser von 250 µm; und 203 bezeichnet ein Gitter-Segment in dem Lichtleiter-Kern mit einem Außendurchmesser von 125 µm; 204 bezeichnet eine weitere Kunstharz-Schutzschicht mit einem Außendurchmesser von 250 µm; und 300 bezeichnet eine zylindrische Spiralfeder aus rostfreiem Stahl mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten; 301 bezeichnet ein oberes Segment einer faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm; und 302 bezeichnet eine faser-ummantelnde zylindrische Spiraldruckfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm; und 303 bezeichnet ein unteres Segment der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, welches einen unteren Teilabschnitt einer Faser, die mit der zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm ummantelt ist, umgibt; und 304 bezeichnet einen vorspannenden Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber des Lichtleiters und der Feder; und 305 bezeichnet einen vorspannenden Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber des Lichtleiters und der Feder; und 306 bezeichnet einen nicht-vorspannenden Verbindungs-Ring oder -Kleber, der am unteren Ende angeordnet ist, für die Faser und faser-ummantelnde zylindrische Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm; 308 bezeichnet einen nicht vorspannenden Verbindungs-Ring oder -Kleber, für die faserummantelnde zylindrische Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm und einen oberen Sitz-Ring einer äußeren Röhre aus Invar-Stahl, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist; 309 bezeichnet einen nicht vorspannenden Verbindungs-Ring oder -Kleber für die faser-ummantelnde zylindrische Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm und einen unteren Sitz-Ring einer äußeren Röhre aus Invar-Stahl, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist; 314 bezeichnet eine lose ummantelnde äußere metallische Röhre mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Beispiel eine Röhre aus Invar-Stahl oder Si0₂; 312 bezeichnet ein unteres Segment der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm. Das untere Segment 312 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm umfasst ein thermisch kompensiertes Segment, welches eine bestimmte Vorspannungs-Kraft und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
• Die vorliegende Erfindung umfasst zwei thermisch kompensierte Mechanismen. Der erste thermisch kompensierte Mechanismus ist der Vorspann-Mechanismus des FBGs. Die faser-ummantelnde zylindrische Spiraldruckfeder 302 mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, welche zwischen dem oberen Segment 301 und dem unteren Segment 303 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm angeordnet ist, wird zunächst zusammengedrückt; die Spiraldruckfeder 302 und die zwei Enden des Faser-Gitters in der Achse werden mit den Verbindungs-Ringen oder -Klebern 304 und 305 fixiert und dann losgelassen, wodurch das Vorspannen des FBGs abgeschlossen ist. Basierend auf dem Zusammenhang zwischen der nominellen Spannung und der nominellen Belastung des FBGs, wird das FBG zuvor vorgespannt, um einen Kompressionsbetrag zu belegen, sodass das FBG in dem elastischen Bereich bei der niedrigsten Arbeitstemperatur normal funktionieren kann. Bei dieser Ausführungsform wird das Vorbestimmen der Eichlänge des FBGs dadurch realisiert, dass die faser-ummantelnde zylindrische Spiraldruckfeder 302 vorgespannt wird, und dass die vorspannenden Verbindungsringe oder -Kleber für den Lichtleiter und die Feder an den zwei Enden der faser-ummantelnden zylindrischen Spiraldruckfeder 302 fixiert werden, d.h. dass der Eingangs-Verbindungs-Ring 304 und der Ausgangs-Verbindungs-Ring 305 vorgespannt werden, wie in 4 gezeigt ist. Der Eingangs-Verbindungs-Ring 304 und der Ausgangs-Verbindungs-Ring 305 werden beabstandet durch eine vorbestimmte Länge als die Eichlänge und an dem unzusammengedrückten, bloßen Lichtleiter 201 in der Spiraldruckfeder gesichert. Dann wird die zusammengedrückte Feder losgelassen, um eine vorbestimmte Vorspannungskraft zu halten. Ein solches Vorgehen ist equivalent zu dem Vorgehen in der konventionellen Technik, das FBG mit verschiedenen Sensor-Strukturen vorzuspannen.
• Angenommen, dass der lineare Zusammenhang der Faser-Bragg Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung bis zu einer Arbeitstemperatur von -25°C aufrechterhalten wird und man die maximal erlaubte Kompressions-Belastung basierend auf der Superposition berechnet, dann ist die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung des FBGs 1 pm/0,1 °C (1 pm = 1×10^-12 m). Der Temperaturabfall zwischen der Raumtemperatur von 25°C und der Temperatur von -25°C beträgt 50 °C. Daher wird die Arbeitswellenlänge um 500 pm (=0,5 nm) abgesenkt. Beim Designen der Kompressions-Feder wird berücksichtigt, dass das FBG vorgespannt werden sollte, um eine Wellenlängenverschiebung von 0,5 nm bei einer Raumtemperatur von 25°C aufzuweisen, um die Vorspannungskraft, welche bei einer Temperatur von -25°C benötigt wird, bereitzustellen. Gemäß der Elastizitäts-Beziehung des Bragg-Gitters gilt: eine klassische Deformation von 1 nm benötigt eine Massenkraft von 80 g, wobei eine Kompressions-Kraft von 40 g (=0,04 kg, d.h. P=0,04 kg) auf die Spiraldruckfeder angewandt wird. Während die Kompressions-Kraft der Kompressions-Feder freigelassen wird, wendet die Kompressions-Feder 40g der Vorspannungskraft auf das FBG in die entgegengesetzte Richtung an.
• Die Eichlänge der zwei Enden des Faser-Bragg-Gitters wird durch die einwirkende Kraft P der Kompressions-Feder zusammengedrückt und dann freigesetzt. Der Zusammenhang zwischen der einwirkenden Kraft P und der Biegung 5 der Feder wird durch die Gleichung (6) ausgedrückt: $$\mathrm{\delta =}\left({\text{8nD}}^3{\text{/ Gd}}^4\right)\text{ P}$$

  

  wobei:
• d der Durchmesser des Kabels aus rostfreiem Stahl ist;
• D der durchschnittliche Knickdurchmesser der Spiraldruckfeder ist;
• G der laterale Elastizitätskoeffizient ist;
• n die Nummer der effektiven Windungen ist.
• Der Federindex wird als c = D/d gesetzt. Daher kann Gleichung (6) weiter ausgedrückt werden durch Gleichung (7) und Gleichung (8): $$\begin{array}{l}\mathrm{\delta =}\left(8{\text{nc}}^{\text{3}}\text{/Gd}\right)\text{ P }\left(7\right)\\ =\left(8{\text{nc}}^4\text{/GD}\right)\text{ P }\left(8\right)\end{array}$$

  
• Der Federindex c=D/d kann benutzt werden, um die Dimensionen und Strukturen von Federn zu bestimmen, um Federn designen zu können, welche erwünschte Außendurchmesser, Innendurchmesser, effektive Wicklungszahlen, Vorspannungen oder maximal erlaubbare Kompressionsspannungen, aufweisen. Der laterale Elastizitätskoeffizient G ist die Spannung bzw. Spannungskraft, welche benötigt wird, um eine Einheits-Scher-Spannung hervorzurufen, welche durch die intrinsischen Eigenschaften des Materials gegeben ist. Die Biegsamkeit einer Feder ist invers proportional zu dem G-Wert des Materials. Die Feder-Biegsamkeit δ, welche durch eine axiale Last P verursacht wurde, kann aus Gleichung (6) gewonnen werden. Angenommen, dass n=50, d=0,3 mm, D=1 mm, P=0,04 kg, und G=7,5×10³ kg/mm² (der laterale Elastizitätskoeffizient von rostfreiem Stahl) ist, dann ergibt sich aus Gleichung (6) die Biegsamkeit, welche durch die Last P verursacht wurde, zu δ= 0,25 mm. Mit anderen Worten wird die Kompressions-Feder um 0,25 mm zusammengedrückt, das Kunstharz wird auf die Streckfeder Verbindungs-Sitze, die sich nahe den zwei Enden befinden, und auf den sich darin befindlichen Lichtleiter aufgebracht, wobei das Kunstharz geformt wird, um Verbindungs-Ringe auszubilden, oder es wird ein Metall gepresst, um Verbindungs-Ringe auszubilden, wobei dann die vorgespannte Feder losgelassen wird, und wobei der Kompressionsbetrag erhalten wird, der zu dem Arbeitstemperaturbereich von 50 °C gehört, um die maximal erlaubbare Kompressions-Spannung tragen zu können, während die Arbeitstemperatur auf -25°C abfällt.
• Der zweite thermisch kompensierte Mechanismus lässt die Vorspannungskraft oder Vortorsion des FBGs frei, um eine Temperaturkompensation der Strukturmaterialien zu erhalten, welche verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Verbindungs-Ringe oder -Kleber 308 und 309 befestigen zwei Enden der äußeren Röhre 314 aus Invar-Stahl, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und die sich darin befindende Feder in einem losen Ummantelungs-Verfahren ummantelt, um eine bestimmte Länge zu haben. Während die Temperatur steigt, weist die bestimmte Länge wegen des niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine geringere Verlängerung auf. Die geringere Verlängerung beschränkt die größere Gesamtverlängerung der Feder-Kombination der faser-ummantelnden zylindrischen Spiraldruckfeder 302 und des unteren Segments 312 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder. Solch ein Effekt zwingt das untere Segment 312 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder, welche eine bestimmte Vorspannungs-Kraft und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, zu der faser-ummantelnden zylindrischen Spiraldruckfeder 302, welche den selben Außendurchmesser (0,9 mm) aufweist und vorgespannt wurde, um eine Vorspannungskraft zu erhalten. Die thermische Verlängerung des unteren Segments 312 der faser-ummantelnden zylindrischen Spiralzugfeder kann das Vorspannen erleichtern und den Brechungsindex verringern, um Wellenlängenveränderungen zu vermeiden.
• Sowohl die thermisch kompensierte FBG-Struktur der Ausführungsform, welche in 4 gezeigt ist und die lose ummantelnde äußere metallische Röhre mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. eine Röhre bzw. Hülse aus Invar-Stahl oder Si0₂, verwendet, als auch die thermisch kompensierte FBG-Struktur der Ausführungsform aus 3, welche die Außenfedermit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet, die in einem losen Ummantelungs-Verfahren in einer anderen Richtung gewickelt ist, können die thermisch kompensierte Funktion realisieren. Des Weiteren kann die lose ummantelnde, äußere metallische Röhre, die einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und zum Beispiel eine Invar-Stahl oder Si0₂ Röhre ist, auch verhindern, dass Feuchtigkeit und Staub eindringt, und eine Ausrichtungsbedingung für die lineare Abstimmung der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination mit hohem Wärmeausdehnungskosten bereitstellen. Die Dicke der metallischen Röhre mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten wird an den Verlängerungsgrad der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination 302,312 angepasst, die gegenüber der äußeren metallischen Röhre 314 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und aus einer zylindrischen Spiraldruckfeder 302 und einer mit dieser in Reihenanordnung verbundenen, zylindrischen Spiralzugfeder 312 besteht. Das heißt, die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination 302,312 ist durch eine Anordnung der Segmente der zylindrischen Spiraldruckfeder 302 und der zylindrischen Spiralzugfeder 312 hintereinander gebildet. Alternativ kann die Dicke der metallischen Röhre gemäß des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten und des bestimmten Abstands zwischen den Verbindungs-Ringen oder -Klebern 308 und 309 angepasst werden, welche die zwei Enden an der äußeren Röhre 314 aus Invar-Stahl mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten verbinden. Bei der Formgebung der äußeren metallischen Röhre 314 handelt es sich um eine Hülse (siehe 4), in der die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination 302,312 und der Einmoden-Lichtleiter 201 konzentrisch angeordnet sind.
• In der Beschreibung und in den Zeichnungen der vorliegenden Erfindung werden Elemente, die durch eine identische Nummer bezeichnet werden, als identisch oder ähnlich funktionierende Elemente angesehen. Die Zeichnungen der Beschreibung stellen die Hauptcharakteristika der vorliegenden Erfindung in einer vereinfachten Art und Weise dar, und sollen nicht alle Charakteristika der vorliegenden Erfindung darstellen oder zu der Annahme veranlassen, dass die tatsächlichen Proportionen oder die tatsächliche Anzahl der Elemente dargestellt sind. Die Zeichnungen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung gezeichnet worden, um einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu präsentieren. Jedoch sollen diese Ausführungsformen nur den Inhalt der vorliegenden Erfindung präzisieren, nicht aber den Schutzbereich der Patentansprüche einschränken. Basierend auf diesen Ausführungsformen können Fachleute viele andere Ausführungsformen ableiten und viele Formen von thermisch kompensierten Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtungen entwickeln, ohne dabei vom Kerngedanken der Erfindung abzukommen. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung mit den Ausführungsformen realisiert werden durch die Benutzung von metallischen Röhren in verschiedenen Formen, durch die Benutzung von verschiedenen Kombinationen von zylindrischen Spiralzugfedern mit verschiedenen Parametern, wie zum Beispiel verschiedenen Spiral-Windungen, verschiedenen Federindices c = D/d (d.h. Kombinationen von verschiedenen gemittelten Knick-Durchmessern und verschiedenen Kabel-Durchmessern und verschiedenen lateralen Elastizitäts-Koeffizienten).
• Zusammenfassend wird eine thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung offenbart, welche eine äußere metallische Röhre mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient 314 und eine zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die durch die äußere metallische Röhre 314 ummantelt wird und vorgespannt wird. Die thermisch induzierte Längenveränderung der äußeren metallischen Röhre und der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) erzeugt einen Entspannungseffekt oder einen Anspannungseffekt auf die vorgespannte zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizient, um den Brechungsindex des Lichtleiters zu erhöhen oder abzusenken und die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung des Faser-Bragg-Gitters zu kompensieren.
• In zwei Ausführungsformen, welche in der Beschreibung beschrieben werden, benutzt die thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung eine lose ummantelnde äußere Röhre mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten (wie zum Beispiel eine Röhre aus Invar-Stahl oder Si0₂) oder eine Außenfeder mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche in einem losen Ummantelungsverfahren in einer anderen Richtung gewickelt ist. Beide Ausführungsformen können die thermisch kompensierende Funktion erzielen und demonstrieren die Struktur der vorliegenden Erfindung. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen und die dazugehörigen Zeichnungen beschränkt. Die Fachleute sollten in der Lage sein, diese Ausführungsformen gemäß der Beschreibung zu verändern, ohne vom Kerngedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Jede äquivalente Modifikation oder Variation gemäß dem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung, welche durch die Patentansprüche definiert ist.

Claims (5)

1. Thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung, aufweisend: einen Einmoden-Lichtleiter (201), der ein Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) umfasst; eine zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312), welche ausgebildet ist durch eine zylindrische Spiraldruckfeder (302) und eine zylindrischen Spiralzugfeder (312), die beide hintereinander angeordnet sind, wobei der Einmoden-Lichtleiter (201) durch die Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) hindurchgeführt ist, und wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) des Einmoden-Lichtleiters (201) in die zylindrische Spiraldruckfeder (302) der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) eingebaut ist, und wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) in der zylindrischen Spiraldruckfeder (302) vorgespannt fixiert ist; einen Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (304), welcher ein Ende des eingebauten, vorgespannten Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) und ein Ende der außerhalb des Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) angeordneten zylindrischen Spiraldruckfeder (302) verbindet; einen Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (305), welcher ein anderes Ende des eingebauten, vorgespannten Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) und ein anderes Ende der außen angeordneten zylindrischen Spiraldruckfeder (302) verbindet, wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) dadurch vorgespannt ist, dass die zylindrische Spiraldruckfeder (302) zunächst zusammengedrückt wird, dann der Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (304) und der Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (305) fixiert werden und schließlich die zylindrische Spiraldruckfeder (302) freigegeben wird; eine äußere metallische Röhre (314), deren beide Enden durch zwei Verbindungs-Ringe oder -Kleber (308, 309) in nicht-vorgespannter Weise fest mit den beiden Enden der im Inneren der äußeren metallischen Röhre (314) angeordneten, zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) verbunden sind, und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Feder der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) höher ist als derjenige der äußeren metallischen Röhre (314), und wobei die Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung dadurch ausgebildet ist, dass alle Elemente koaxial zu dem inneren Lichtleiter (201) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen der thermisch induzierten Längenveränderung der äußeren metallische Röhre (314) mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der thermisch-induzierten Längenveränderung der in die metallischen Röhre (314) eingebauten, zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Entspannungseffekt oder Anspannungseffekt auf die vorgespannte, eingebaute zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) erzeugt, um den Brechungsindex des Lichtleiters zu erhöhen oder zu verringern, und um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung der Faser-Bragg-Filtereinrichtung zu kompensieren.
2. Thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der äußeren metallischen Röhre (314) um eine rund-gelochte rechteckig-prismenartige metallische Hülse handelt, in der die zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) und der Einmoden-Lichtleiter (201) konzentrisch angeordnet sind.
3. Thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung, aufweisend: einen Einmoden-Lichtleiter (201), der ein Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) umfasst; eine zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312), welche ausgebildet ist durch eine zylindrische Spiraldruckfeder (302) und eine zylindrische Spiralzugfeder (312), die beide hintereinander angeordnet sind, wobei der Einmoden-Lichtleiter (201) durch die Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) hindurchgeführt ist, und wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) des Einmoden-Lichtleiters (201) in die zylindrische Spiraldruckfeder (302) der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) eingebaut ist, und wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) in der zylindrischen Spiraldruckfeder (302) vorgespannt fixiert ist; einen Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (304), welcher ein Ende des eingebauten, vorgespannten Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) und ein Ende der außerhalb des Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) angeordneten zylindrischen Spiraldruckfeder (302) verbindet; einen Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (305), welcher ein anderes Ende des eingebauten, vorgespannten Faser-Bragg-Gitter-Segments (203) und ein anderes Ende der außen angeordneten zylindrischen Spiraldruckfeder (302) verbindet, wobei das Faser-Bragg-Gitter-Segment (203) dadurch vorgespannt ist, dass die zylindrische Schraubendruckfeder (302) zunächst zusammengedrückt wird, dann der Eingangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (304) und der Ausgangs-Verbindungs-Ring oder -Kleber (305) fixiert werden und schließlich die zylindrische Spiraldruckfeder (302) freigegeben wird; und eine Außenfeder (311), welche in einem losen Ummantelungs-Verfahren in einer anderen Richtung gewickelt ist, wobei deren beide Enden durch zwei Verbindungs-Ringe oder - Kleber (308, 309) in nicht-vorgespannter Weise fest mit den beiden Enden der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) verbunden sind, und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) höher ist als derjenige der Außenfeder (311); und eine Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung, die dadurch ausgebildet ist, dass alle Elemente koaxial zu dem inneren Lichtleiter (201) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen der thermisch induzierten Längenveränderung der Außenfeder (311) mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der thermisch-induzierten Längenveränderung der in das Innere der Außenfeder (311) eingebauten, zylindrischen Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Entspannungseffekt oder Anspannungseffekt auf die vorgespannte, eingebaute zylindrische Spiralfeder-Reihenkombination (302,312) erzeugt, um den Brechungsindex des Lichtleiters zu erhöhen oder zu verringern, und um die thermisch induzierte Wellenlängenverschiebung der Faser-Bragg-Filtereinrichtung zu kompensieren.
4. Thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Außenfeder (311) um eine zylindrische Spiralzugfeder handelt, die konzentrisch zu dem darin befindlichen Lichtleiter angeordnet ist.
5. Thermisch kompensierte Faser-Bragg-Gitter-Wellenlängenfiltereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Außenfeder (311) um eine zylindrische Spiraldruckfeder handelt, die konzentrisch zu dem darin befindlichen Lichtleiter angeordnet ist.

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