專利名稱：可調(diào)諧光纖f-p腔濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖傳感以及光通信技術領域，尤其是一種高分辨率 波長穩(wěn)定性好的新性可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，主要應用于波長調(diào)制 型傳感器的波長解調(diào)。
背景技術：
F-P腔濾波器是光纖傳感技術和光通信領域中的重要^件之一。現(xiàn) 有的F-P腔濾波器典型結構如圖1所示，它主要由端面鍍有反射膜的 兩光纖構成的F-P腔和作為控制光纖端面距離(即腔長)的壓電陶瓷 組成。壓電陶瓷會隨著控制信號發(fā)生形變，從而控制F-P腔濾波器腔 長，這樣F-P腔的透射波長就會隨著控制信號的改變而變化。當所加 載的控制信號為周期性信號，可實現(xiàn)輸出波長的周期性變化。
F-P腔濾波器的基本原理是當平行光入射到F-P腔，只有滿足相 干條件的特定波長的光才能出射。F-P腔濾波器其分布函數(shù)為
<formula>formula see original document page 4</formula> 1 )
其中，^ = 4%-^)， R為濾波器的反射率，s = ，， L為濾波器 腔長。
由于F-P腔濾波器是由壓電陶瓷控制的，所以壓電陶瓷的性能必 然影響到F-P腔濾波器的性能。壓電陶瓷是一種電介質(zhì)，電介質(zhì)在電 場的作用下有兩種效應,即逆壓電效應和電致伸縮效應。壓電陶瓷在電 場的作用下發(fā)生應變，應變的大小與電場的關系為
<formula>formula see original document page 4</formula>(2)
式(2)中AZ表示壓電陶瓷位移；^是逆壓電效應，M五2是電致伸縮 效應；d是壓電系數(shù)(m/V); M是電致伸縮系數(shù)(單位m2/K2);E是電場強度(單位V/m);込為極化后的剩余電荷；s為壓電陶瓷的介電常數(shù)；s。為 真空的介電常數(shù)；K為壓電陶瓷的彈性模量。壓電陶瓷的逆壓電效應 和電致伸縮效應本質(zhì)上就是電介質(zhì)在電場的作用下產(chǎn)生極化,在電場力 的作用下產(chǎn)生形變，在宏觀上表現(xiàn)為機電耦合效應。壓電陶瓷的基本特 性包括位移和遲滯特性、蠕變特性和溫度特性等。因此F-P腔濾波器 也會表現(xiàn)出非線性、遲滯特性、蠕變特性和溫度特性
F-P腔濾波器最重要的特性便是其透射光中心波長與電壓的關系。 理想情況下這種關系被認為是線性的，或者等價于認為壓電陶瓷的位 移量與電壓的關系是線性的，即認為壓電系數(shù)是與電壓無關的。由薄 板型壓電陶瓷的位移與電壓的關系即
AL—《'歷" (3)
由式(3)、 (4)得到F-P腔濾波器的中心波長與電壓的關系為
通常情況下材料在溫度變化時產(chǎn)生的形變與溫度的變化值成正比 關系，即AI-Z)Ar， D為材料的線膨脹系數(shù)。但溫度對壓電陶瓷的影 響表現(xiàn)在兩個方面
1) 、線膨脹，這是指壓電陶瓷隨著溫度的變化而伸長的特性,常用 的高壓陶瓷和低壓陶瓷在其工作溫度范圍內(nèi)線膨脹系數(shù)分別為 11x10-V。C和-3.5xl0-6A:。隨著溫度的變化，其線膨脹系數(shù)也會有微小 的變化；
2) 、溫度對壓電/電致伸縮效應的影響,壓電/電致伸縮陶瓷的輸出位 移隨溫度的增加而減小，壓電陶瓷的減小幅度較小，在0。C 50。C范 圍內(nèi)減少5% 8%，電致伸縮陶瓷減小幅度較大，在0。C 50。C范圍 內(nèi)減小量在65%壓電/電致伸縮陶瓷的遲滯也隨溫度而變化，壓電陶瓷 的變化較小，電致伸縮陶瓷的變化較大。所以溫度與壓電陶瓷位移關 系并不是線性關系，這就意味著溫度與F-P腔濾波器中心波長的關系 也會表現(xiàn)出非線性。
光纖F-P腔濾波器的性能往往與溫度以及加熱史有關。這是由于 壓電陶瓷的位移量與電壓的關系式中s項與所在溫度及加熱史有關，因而溫度會導致壓電陶瓷的位移與電壓的關系曲線中存在非線性以及遲
滯回線，進而影響F-P腔濾波器的性能。
另外，F(xiàn)-P腔濾波器的光纖端面和腔體多為多層薄膜堆積形成，溫 度變化會對濾波器透射干涉特性的影響較大，使透射中心波長隨溫度
漂移，導致F-P腔濾波器的波長電壓關系的不穩(wěn)定，而且其光學性能
會因時間老化發(fā)生中心波長的漂移和透射譜寬增大等性能退化。
所以說，F(xiàn)-P腔濾波器的性能與溫度、加熱史等因素相關，這些因 素會影響F-P腔濾波器的性能。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術問題
有鑒于此，為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的主要目的在 于提供一種可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，以提高F-P濾波器的性能。
(二) 技術方案
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是這樣的 一種可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，包括 由金屬或陶瓷材料構成的封裝盒1; 固定于封裝盒1內(nèi)的半導體制冷器12;
固定于半導體制冷器12上的結構塊4、壓電陶瓷10、測溫元件8 和耐熱材料9;
通過環(huán)氧樹脂粘貼材料密封，并固定于開有球冠形通孔的結構塊4 上的護套6;
通過第一光纖插針5固定于護套6中的第一光纖2; 通過第二光纖插針7固定于護套6中的第二光纖13;以及 由端面鍍膜的第一光纖2與第二光纖13形成的一 F-P腔。 此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述第一光纖2和第二光纖
13的端面均鍍有折射率不同的兩層高反射率金屬膜，且該鍍膜的端面
相對形成F-P腔。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述護套6由絕熱性良好的碳納米管材料、陶瓷材料或石英材料構成，該護套6通過彈性模量小
的粘結劑粘結于所述結構塊4的球冠形通孔中。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述壓電陶瓷10上開有通孔， 第二光纖13穿過通孔并粘貼于壓電陶瓷10。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述結構塊4由負熱膨脹系 數(shù)的金屬或壓電陶瓷或復合性材料構成，該結構塊4開有通孔，第一 光纖2穿過通孔并粘貼于結構塊4。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述壓電陶瓷10與結構塊4 熱膨脹系數(shù)的極性相反，大小相當，且壓電陶瓷IO上的通孔與結構塊 4上通孔處于同一高度，保證溫度升高時光纖受力方向相反。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述測溫元件8固定于半導 體制冷器12上，測溫元件8的電極焊接于耐熱材料9上，該電極通過 封裝盒1與外界連接，連接端固定于封裝盒1上，該電極上加壓后， 測溫元件8與外界對應電路實現(xiàn)封裝盒1內(nèi)溫度的測量。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述第一光纖2通過第一橡 膠護套3穿過封裝盒1，并與封裝盒l(wèi)固定；所述第二光纖13通過第 二橡膠護套11穿過封裝盒1，并與封裝盒1固定。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述半導體制冷器12兩側面 固定兩電極，該電極通過封裝盒1與外界導線連接，該電極上加電流 正負可變的電流，可對壓電陶瓷10進行加熱或制冷，與測溫元件8實 現(xiàn)對壓電陶瓷10的溫度控制。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述壓電陶瓷10兩側固定有 兩電極，該電極通過封裝盒1與外界導線連接，電壓加于電極上可改 變光纖的長度，進而改變F-P腔濾波器的腔長，實現(xiàn)輸出波長的調(diào)諧。
(三)有益效果
1、本發(fā)明采用F-P腔濾波器進行控溫處理，利用負熱膨脹系數(shù)的 材料降低溫度對F-P濾波器的影響，并對F-P腔濾波器進行了嚴格的 密封隔熱封裝，使本發(fā)明提供的這種可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器具有較 寬的頻譜范圍和較窄的調(diào)諧精度，并具有重復性好、成本低和可實用
7的優(yōu)點，大大提高了F-P濾波器的性能。
2、本發(fā)明可應用于光纖傳感領域和光通信領域中高分辨率波長解 調(diào)器件，采用兩平整光滑鍍膜的光纖對接固定在耐熱材料套管中構成
F-P腔，其中一根光纖固定于開有通孔的壓電陶瓷表面，另一根光纖固 定于另一開孔的金屬或陶瓷上，兩光纖處于同一高度。光纖F-P腔濾 波器內(nèi)固定有小型測溫元件與半導體制冷器(TEC)，起溫度調(diào)節(jié)作用。 壓電陶瓷由電極通電并控制，即可調(diào)節(jié)光纖端面距離，起到調(diào)節(jié)輸出 波長的作用。因此，本發(fā)明提供的這種可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器具有 分辨率高、動態(tài)范圍大、響應速度快、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。


圖1為現(xiàn)有技術中F-P腔濾波器典型結構的示意圖； 圖2為本發(fā)明提供的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器的結構示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具 體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
本發(fā)明釆用F-P腔濾波器進行控溫處理，利用負熱膨脹系數(shù)的材 料降低溫度對F-P濾波器的影響，并對F-P腔濾波器進行了嚴格的密 封隔熱封裝，使本發(fā)明提供的這種F-P腔濾波器具有較寬的頻譜范圍 和較窄的調(diào)諧精度，并具有重復性好、成本低和可實用的優(yōu)點。
如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器的結 構示意圖，該F-P腔濾波器包括
由金屬或陶瓷材料構成的封裝盒h
固定于封裝盒1內(nèi)的半導體制冷器12;
固定于半導體制冷器12上的結構塊4、壓電陶瓷10、測溫元件8 和耐熱材料9;
通過環(huán)氧樹脂粘貼材料密封，并固定于開有球冠形通孔的結構塊4 上的護套6;
通過第一光纖插針5固定于護套6中的第一光纖2;通過第二光纖插針7固定于護套6中的第二光纖13;以及
由端面鍍膜的第一光纖2與第二光纖13形成的一 F-P腔。 半導體制冷器(TEC) 12固定于封裝盒1，帶通孔的壓電陶瓷10 和帶半圓形通孔的負熱膨脹系數(shù)的結構塊4固定于TEC上，并與壓電 陶瓷10在同一平面上。封裝盒l(wèi)一般為金屬盒或陶瓷盒等。結構塊4 一般由負熱膨脹系數(shù)的金屬或壓電陶瓷或復合性材料構成，為金屬塊、 壓電陶瓷塊或復合性材料塊等。
將絕熱性良好的護套6固定于結構塊4的半圓形通孔內(nèi)，在結構 塊4與護套6上涂敷一層彈性模量小的粘結劑，使兩者粘結良好。護 套6 —般由絕熱性良好的碳納米管材料、陶瓷材料或石英材料構成， 為碳納米管、陶瓷管或石英管等。
第一光纖2端面鍍有折射率不同兩層高反射率金屬膜，第一光纖2 固定于高圓度精度和同尺寸的第一光纖插針5，第一光纖插針5固定于 護套6中。第二光纖13有折射率不同兩層高反射率金屬膜，第二光纖 13固定于高圓度精度和同尺寸的第二光纖插針7，第二光纖插針7固 定在護套6中。因此可以保證兩光纖纖芯同軸。
第二光纖13通過壓電陶瓷10的通孔，并固定于壓電陶瓷10上。 第一光纖2可通過結構塊4上的通孔，并粘貼于結構塊4上。 壓電陶瓷10上通孔與結構塊4上通孔處于同一高度，保證溫度升 高時光纖受力方向相反。壓電陶瓷10與結構塊4熱膨脹系數(shù)的極性相 反，大小相當。
第一光纖2通過第一橡膠護套3穿過封裝盒1，并固定于封裝盒l(wèi) 上。第二光纖13通過第二橡膠護套11并固定于封裝盒上，起到保護 光纖的作用。
測溫元件8固定于TEC 12上，測溫元件8具有兩電極固定于耐熱 材料9上，電極通過封裝盒與外界連接，連接端固定于封裝盒1上。 電極上加壓后，測溫元件8與外界對應電路實現(xiàn)封裝盒1內(nèi)溫度的測
TEC 12兩側面固定兩電極，電極通過封裝盒1與外界導線連接， 電極上加電流正負可變的電流，進而可對壓電陶瓷10的加熱或制冷，與測溫元件8實現(xiàn)對壓電陶瓷10的溫度控制。
壓電陶瓷10兩側固定有兩電極，電極通過封裝盒1與外界導線連
接，電壓加于電極上可以改變光纖的長度，進而改變F-P腔濾波器的
腔長，實現(xiàn)輸出波長的調(diào)諧。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果 進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
10
權利要求
1、一種可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于，包括由金屬或陶瓷材料構成的封裝盒(1)；固定于封裝盒(1)內(nèi)的半導體制冷器(12)；固定于半導體制冷器(12)上的結構塊(4)、壓電陶瓷(10)、測溫元件(8)和耐熱材料(9)；通過環(huán)氧樹脂粘貼材料密封，并固定于開有球冠形通孔的結構塊(4)上的護套(6)；通過第一光纖插針(5)固定于護套(6)中的第一光纖(2)；通過第二光纖插針(7)固定于護套(6)中的第二光纖(13)；以及由端面鍍膜的第一光纖(2)與第二光纖(13)形成的一F-P腔。
2、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于， 所述第一光纖(2)和第二光纖(13)的端面均鍍有折射率不同的兩層 高反射率金屬膜，且該鍍膜的端面相對形成F-P腔。
3、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于， 所述護套(6)由絕熱性良好的碳納米管材料、陶瓷材料或石英材料構 成，該護套(6)通過彈性模量小的粘結劑粘結于所述結構塊(4)的 球冠形通孔中。
4、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于， 所述壓電陶瓷(10)上開有通孔，第二光纖(13)穿過通孔并粘貼于 壓電陶瓷(10)。
5、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于， 所述結構塊(4)由負熱膨脹系數(shù)的金屬或壓電陶瓷或復合性材料構成， 該結構塊(4)開有通孔，第一光纖(2)穿過通孔并粘貼于結構塊(4)。
6、 根據(jù)權利要求4或5所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征 在于，所述壓電陶瓷(10)與結構塊(4)熱膨脹系數(shù)的極性相反，大 小相當，且壓電陶瓷(10)上的通孔與結構塊(4)上通孔處于同一高 度，保證溫度升高時光纖受力方向相反。
7、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于，所述測溫元件(8)固定于半導體制冷器(12)上，測溫元件(8)的 電極焊接于耐熱材料(9)上，該電極通過封裝盒(1)與外界連接， 連接端固定于封裝盒(1)上，該電極上加壓后，測溫元件(8)與外 界對應電路實現(xiàn)封裝盒(1)內(nèi)溫度的測量。
8、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于， 所述第一光纖(2)通過第一橡膠護套(3)穿過封裝盒(1)，并與封 裝盒(1)固定；所述第二光纖(13)通過第二橡膠護套(11)穿過封 裝盒(1)，并與封裝盒(1)固定。
9、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在于， 所述半導體制冷器(12)兩側面固定兩電極，該電極通過封裝盒(1) 與外界導線連接，該電極上加電流正負可變的電流，可對壓電陶瓷(IO) 進行加熱或制冷，與測溫元件(8)實現(xiàn)對壓電陶瓷(10)的溫度控制。
10、 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，其特征在 于，所述壓電陶瓷(10)兩側固定有兩電極，該電極通過封裝盒(1) 與外界導線連接，電壓加于電極上可改變光纖的長度，進而改變F-P 腔濾波器的腔長，實現(xiàn)輸出波長的調(diào)諧。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可調(diào)諧光纖F-P腔濾波器，包括由金屬或陶瓷材料構成的封裝盒(1)；固定于封裝盒(1)內(nèi)的半導體制冷器(12)；固定于半導體制冷器(12)上的結構塊(4)、壓電陶瓷(10)、測溫元件(8)和耐熱材料(9)；通過環(huán)氧樹脂粘貼材料密封，并固定于開有球冠形通孔的結構塊(4)上的護套(6)；通過第一光纖插針(5)固定于護套(6)中的第一光纖(2)；通過第二光纖插針(7)固定于護套(6)中的第二光纖(13)；以及由端面鍍膜的第一光纖(2)與第二光纖(13)形成的一F-P腔。本發(fā)明提供的可調(diào)諧光纖F-P濾波器具有分辨率高、動態(tài)范圍大、響應速度快、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，大大提高F-P濾波器的性能。
文檔編號G02B6/34GK101576636SQ200810106218
公開日2009年11月11日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權日2008年5月9日
發(fā)明者劉育梁, 芳 李, 秦海琨 申請人:中國科學院半導體研究所