可调谐光纤FP腔滤波器.pdf

本发明公开了一种可调谐光纤F-P腔滤波器，包括：由金属或陶瓷材料构成的封装盒(1)；固定于封装盒(1)内的半导体制冷器(12)；固定于半导体制冷器(12)上的结构块(4)、压电陶瓷(10)、测温元件(8)和耐热材料(9)；通过环氧树脂粘贴材料密封，并固定于开有球冠形通孔的结构块(4)上的护套(6)；通过第一光纤插针(5)固定于护套(6)中的第一光纤(2)；通过第二光纤插针(7)固定于护套(6)中的第二光纤(13)；以及由端面镀膜的第一光纤(2)与第二光纤(13)形成的一F-P腔。本发明提供的可调谐光纤F-P滤波器具有分辨率高、动态范围大、响应速度快、工作稳定等优点，大大提高F-P滤波器的性能。

1、  一种可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，包括：
由金属或陶瓷材料构成的封装盒(1)；
固定于封装盒(1)内的半导体制冷器(12)；
固定于半导体制冷器(12)上的结构块(4)、压电陶瓷(10)、测温元件(8)和耐热材料(9)；
通过环氧树脂粘贴材料密封，并固定于开有球冠形通孔的结构块(4)上的护套(6)；
通过第一光纤插针(5)固定于护套(6)中的第一光纤(2)；
通过第二光纤插针(7)固定于护套(6)中的第二光纤(13)；以及
由端面镀膜的第一光纤(2)与第二光纤(13)形成的一F-P腔。

2、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述第一光纤(2)和第二光纤(13)的端面均镀有折射率不同的两层高反射率金属膜，且该镀膜的端面相对形成F-P腔。

3、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述护套(6)由绝热性良好的碳纳米管材料、陶瓷材料或石英材料构成，该护套(6)通过弹性模量小的粘结剂粘结于所述结构块(4)的球冠形通孔中。

4、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述压电陶瓷(10)上开有通孔，第二光纤(13)穿过通孔并粘贴于压电陶瓷(10)。

5、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述结构块(4)由负热膨胀系数的金属或压电陶瓷或复合性材料构成，该结构块(4)开有通孔，第一光纤(2)穿过通孔并粘贴于结构块(4)。

6、  根据权利要求4或5所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述压电陶瓷(10)与结构块(4)热膨胀系数的极性相反，大小相当，且压电陶瓷(10)上的通孔与结构块(4)上通孔处于同一高度，保证温度升高时光纤受力方向相反。

7、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述测温元件(8)固定于半导体制冷器(12)上，测温元件(8)的电极焊接于耐热材料(9)上，该电极通过封装盒(1)与外界连接，连接端固定于封装盒(1)上，该电极上加压后，测温元件(8)与外界对应电路实现封装盒(1)内温度的测量。

8、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述第一光纤(2)通过第一橡胶护套(3)穿过封装盒(1)，并与封装盒(1)固定；所述第二光纤(13)通过第二橡胶护套(11)穿过封装盒(1)，并与封装盒(1)固定。

9、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述半导体制冷器(12)两侧面固定两电极，该电极通过封装盒(1)与外界导线连接，该电极上加电流正负可变的电流，可对压电陶瓷(10)进行加热或制冷，与测温元件(8)实现对压电陶瓷(10)的温度控制。

10、  根据权利要求1所述的可调谐光纤F-P腔滤波器，其特征在于，所述压电陶瓷(10)两侧固定有两电极，该电极通过封装盒(1)与外界导线连接，电压加于电极上可改变光纤的长度，进而改变F-P腔滤波器的腔长，实现输出波长的调谐。

可调谐光纤F-P腔滤波器
技术领域
本发明涉及光纤传感以及光通信技术领域，尤其是一种高分辨率波长稳定性好的新性可调谐光纤F-P腔滤波器，主要应用于波长调制型传感器的波长解调。
背景技术
F-P腔滤波器是光纤传感技术和光通信领域中的重要器件之一。现有的F-P腔滤波器典型结构如图1所示，它主要由端面镀有反射膜的两光纤构成的F-P腔和作为控制光纤端面距离(即腔长)的压电陶瓷组成。压电陶瓷会随着控制信号发生形变，从而控制F-P腔滤波器腔长，这样F-P腔的透射波长就会随着控制信号的改变而变化。当所加载的控制信号为周期性信号，可实现输出波长的周期性变化。
F-P腔滤波器的基本原理是：当平行光入射到F-P腔，只有满足相干条件的特定波长的光才能出射。F-P腔滤波器其分布函数为
GP=11+Fsin2(δ/2)---(1)]]>
其中，F＝4R/(1-R²)，R为滤波器的反射率，δ=4πLλ,]]>L为滤波器腔长。
由于F-P腔滤波器是由压电陶瓷控制的，所以压电陶瓷的性能必然影响到F-P腔滤波器的性能。压电陶瓷是一种电介质，电介质在电场的作用下有两种效应，即逆压电效应和电致伸缩效应。压电陶瓷在电场的作用下发生应变，应变的大小与电场的关系为：
ΔL=dE+ME2=QrϵE+ϵ2E2Sϵ0K---(2)]]>
式(2)中ΔL表示压电陶瓷位移；dE是逆压电效应，ME²是电致伸缩效应；d是压电系数(m/V)；M是电致伸缩系数(单位m²/V²)；E是电场强度(单位V/m)；Q_r为极化后的剩余电荷；ε为压电陶瓷的介电常数；ε₀为真空的介电常数；K为压电陶瓷的弹性模量。压电陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应本质上就是电介质在电场的作用下产生极化，在电场力的作用下产生形变，在宏观上表现为机电耦合效应。压电陶瓷的基本特性包括位移和迟滞特性、蠕变特性和温度特性等。因此F-P腔滤波器也会表现出非线性、迟滞特性、蠕变特性和温度特性
F-P腔滤波器最重要的特性便是其透射光中心波长与电压的关系。理想情况下这种关系被认为是线性的，或者等价于认为压电陶瓷的位移量与电压的关系是线性的，即认为压电系数是与电压无关的。由薄板型压电陶瓷的位移与电压的关系即：
ΔL＝-d₁₁LU/d    (3)
由式(3)、(4)得到F-P腔滤波器的中心波长与电压的关系为
λp=λp0+Δλp=2n(L0+ΔL0)m=2nL0(1-d11U/d)m---(4)]]>
通常情况下材料在温度变化时产生的形变与温度的变化值成正比关系，即ΔL＝DΔT，D为材料的线膨胀系数。但温度对压电陶瓷的影响表现在两个方面：
1)、线膨胀，这是指压电陶瓷随着温度的变化而伸长的特性，常用的高压陶瓷和低压陶瓷在其工作温度范围内线膨胀系数分别为11×10^-6/℃和-3.5×10^-6/℃。随着温度的变化，其线膨胀系数也会有微小的变化；
2)、温度对压电/电致伸缩效应的影响，压电/电致伸缩陶瓷的输出位移随温度的增加而减小，压电陶瓷的减小幅度较小，在0℃～50℃范围内减少5％～8％，电致伸缩陶瓷减小幅度较大，在0℃～50℃范围内减小量在65％压电/电致伸缩陶瓷的迟滞也随温度而变化，压电陶瓷的变化较小，电致伸缩陶瓷的变化较大。所以温度与压电陶瓷位移关系并不是线性关系，这就意味着温度与F-P腔滤波器中心波长的关系也会表现出非线性。
光纤F-P腔滤波器的性能往往与温度以及加热史有关。这是由于压电陶瓷的位移量与电压的关系式中ε项与所在温度及加热史有关，因而温度会导致压电陶瓷的位移与电压的关系曲线中存在非线性以及迟滞回线，进而影响F-P腔滤波器的性能。
另外，F-P腔滤波器的光纤端面和腔体多为多层薄膜堆积形成，温度变化会对滤波器透射干涉特性的影响较大，使透射中心波长随温度漂移，导致F-P腔滤波器的波长电压关系的不稳定，而且其光学性能会因时间老化发生中心波长的漂移和透射谱宽增大等性能退化。
所以说，F-P腔滤波器的性能与温度、加热史等因素相关，这些因素会影响F-P腔滤波器的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种可调谐光纤F-P腔滤波器，以提高F-P滤波器的性能。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种可调谐光纤F-P腔滤波器，包括：
由金属或陶瓷材料构成的封装盒1；
固定于封装盒1内的半导体制冷器12；
固定于半导体制冷器12上的结构块4、压电陶瓷10、测温元件8和耐热材料9；
通过环氧树脂粘贴材料密封，并固定于开有球冠形通孔的结构块4上的护套6；
通过第一光纤插针5固定于护套6中的第一光纤2；
通过第二光纤插针7固定于护套6中的第二光纤13；以及
由端面镀膜的第一光纤2与第二光纤13形成的一F-P腔。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述第一光纤2和第二光纤13的端面均镀有折射率不同的两层高反射率金属膜，且该镀膜的端面相对形成F-P腔。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述护套6由绝热性良好的碳纳米管材料、陶瓷材料或石英材料构成，该护套6通过弹性模量小的粘结剂粘结于所述结构块4的球冠形通孔中。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述压电陶瓷10上开有通孔，第二光纤13穿过通孔并粘贴于压电陶瓷10。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述结构块4由负热膨胀系数的金属或压电陶瓷或复合性材料构成，该结构块4开有通孔，第一光纤2穿过通孔并粘贴于结构块4。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述压电陶瓷10与结构块4热膨胀系数的极性相反，大小相当，且压电陶瓷10上的通孔与结构块4上通孔处于同一高度，保证温度升高时光纤受力方向相反。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述测温元件8固定于半导体制冷器12上，测温元件8的电极焊接于耐热材料9上，该电极通过封装盒1与外界连接，连接端固定于封装盒1上，该电极上加压后，测温元件8与外界对应电路实现封装盒1内温度的测量。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述第一光纤2通过第一橡胶护套3穿过封装盒1，并与封装盒1固定；所述第二光纤13通过第二橡胶护套11穿过封装盒1，并与封装盒1固定。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述半导体制冷器12两侧面固定两电极，该电极通过封装盒1与外界导线连接，该电极上加电流正负可变的电流，可对压电陶瓷10进行加热或制冷，与测温元件8实现对压电陶瓷10的温度控制。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述压电陶瓷10两侧固定有两电极，该电极通过封装盒1与外界导线连接，电压加于电极上可改变光纤的长度，进而改变F-P腔滤波器的腔长，实现输出波长的调谐。
(三)有益效果
1、本发明采用F-P腔滤波器进行控温处理，利用负热膨胀系数的材料降低温度对F-P滤波器的影响，并对F-P腔滤波器进行了严格的密封隔热封装，使本发明提供的这种可调谐光纤F-P腔滤波器具有较宽的频谱范围和较窄的调谐精度，并具有重复性好、成本低和可实用的优点，大大提高了F-P滤波器的性能。
2、本发明可应用于光纤传感领域和光通信领域中高分辨率波长解调器件，采用两平整光滑镀膜的光纤对接固定在耐热材料套管中构成F-P腔，其中一根光纤固定于开有通孔的压电陶瓷表面，另一根光纤固定于另一开孔的金属或陶瓷上，两光纤处于同一高度。光纤F-P腔滤波器内固定有小型测温元件与半导体制冷器(TEC)，起温度调节作用。压电陶瓷由电极通电并控制，即可调节光纤端面距离，起到调节输出波长的作用。因此，本发明提供的这种可调谐光纤F-P腔滤波器具有分辨率高、动态范围大、响应速度快、工作稳定等优点。
附图说明
图1为现有技术中F-P腔滤波器典型结构的示意图；
图2为本发明提供的可调谐光纤F-P腔滤波器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明采用F-P腔滤波器进行控温处理，利用负热膨胀系数的材料降低温度对F-P滤波器的影响，并对F-P腔滤波器进行了严格的密封隔热封装，使本发明提供的这种F-P腔滤波器具有较宽的频谱范围和较窄的调谐精度，并具有重复性好、成本低和可实用的优点。
如图2所示，图2为本发明提供的可调谐光纤F-P腔滤波器的结构示意图，该F-P腔滤波器包括：
由金属或陶瓷材料构成的封装盒1；
固定于封装盒1内的半导体制冷器12；
固定于半导体制冷器12上的结构块4、压电陶瓷10、测温元件8和耐热材料9；
通过环氧树脂粘贴材料密封，并固定于开有球冠形通孔的结构块4上的护套6；
通过第一光纤插针5固定于护套6中的第一光纤2；
通过第二光纤插针7固定于护套6中的第二光纤13；以及
由端面镀膜的第一光纤2与第二光纤13形成的一F-P腔。
半导体制冷器(TEC)12固定于封装盒1，带通孔的压电陶瓷10和带半圆形通孔的负热膨胀系数的结构块4固定于TEC上，并与压电陶瓷10在同一平面上。封装盒1一般为金属盒或陶瓷盒等。结构块4一般由负热膨胀系数的金属或压电陶瓷或复合性材料构成，为金属块、压电陶瓷块或复合性材料块等。
将绝热性良好的护套6固定于结构块4的半圆形通孔内，在结构块4与护套6上涂敷一层弹性模量小的粘结剂，使两者粘结良好。护套6一般由绝热性良好的碳纳米管材料、陶瓷材料或石英材料构成，为碳纳米管、陶瓷管或石英管等。
第一光纤2端面镀有折射率不同两层高反射率金属膜，第一光纤2固定于高圆度精度和同尺寸的第一光纤插针5，第一光纤插针5固定于护套6中。第二光纤13有折射率不同两层高反射率金属膜，第二光纤13固定于高圆度精度和同尺寸的第二光纤插针7，第二光纤插针7固定在护套6中。因此可以保证两光纤纤芯同轴。
第二光纤13通过压电陶瓷10的通孔，并固定于压电陶瓷10上。
第一光纤2可通过结构块4上的通孔，并粘贴于结构块4上。
压电陶瓷10上通孔与结构块4上通孔处于同一高度，保证温度升高时光纤受力方向相反。压电陶瓷10与结构块4热膨胀系数的极性相反，大小相当。
第一光纤2通过第一橡胶护套3穿过封装盒1，并固定于封装盒1上。第二光纤13通过第二橡胶护套11并固定于封装盒上，起到保护光纤的作用。
测温元件8固定于TEC 12上，测温元件8具有两电极固定于耐热材料9上，电极通过封装盒与外界连接，连接端固定于封装盒1上。电极上加压后，测温元件8与外界对应电路实现封装盒1内温度的测量。
TEC 12两侧面固定两电极，电极通过封装盒1与外界导线连接，电极上加电流正负可变的电流，进而可对压电陶瓷10的加热或制冷，与测温元件8实现对压电陶瓷10的温度控制。
压电陶瓷10两侧固定有两电极，电极通过封装盒1与外界导线连接，电压加于电极上可以改变光纤的长度，进而改变F-P腔滤波器的腔长，实现输出波长的调谐。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。