温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置的制造方法
【专利摘要】本发明由两层不同膨胀系数材料组成的滤波装置，是以外层低膨胀系数金属套管总长度对温度变化产生的长度，来比较其内置高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度，受温度变化引起的长度差，对其内内置己预拉的高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长造成放松张力或伸张张力的作用，达到以增减折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长位移的一种结构。
【专利说明】
温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置
技术领域
[0001]本发明有关于一种光波滤波装置，特别是一种光纤布拉格光栅自体外被覆弹簧的预紧温度补偿技术，达成精确滤波的装置结构。
【背景技术】
[0002]现有的以光纤制成光纤布拉格光栅(Fiber Bragg’s Grating以下简称FBG)作为光纤滤波功能，可以依此光纤光栅所默认的光栅周期长Λ所造成默认布拉格回授(Bragg’ s Feedback)波长λ B反射光波的接收作为一种光纤通信的精确滤波装置。FBG是利用布拉格绕射(Bragg Diffract1n)所产生的回授作用，将满足布拉格条件(Braggcondit1n)特定波长称为回授布拉格波长λ B，其与射入方向相反的方向，反射回到射出光波的扫描仪器来分析，可以量测接收波长是否增减；或是将反射波长分光射入通信接收设备，可以检出预设接收波长中的调变载波信号内容。此回授布拉格波长λΒ，以下式表示:
[0003]λΒ=2ηΛ(I)
[0004]Λ为布拉格光栅周期长，η为光纤有效折射率。此回授布拉格波长λ Β的波长值受温度的变动引起光纤核心材料折射率η的增减，或光纤光栅受力使Λ间距的改变而改变。温度不变时，当此FBG用于应变量测功能时，光纤光栅受到外力作用产生的应变，所造成原本Λ间距的改变量为△ Λ，代入式(I)可得
[0005]ΔλΒ=2ηΔΛ(2)
[0006]依应变ε定义，设I为受力体标距长度，Δ I为受力变化长度
[0007]ε = Δ 1/1 = Δ Λ/Λ(3)
[0008]可得
[0009]Δ I = (Δ Λ/Λ)1 = (( Δ λ Β/2η) / ( λ Β/2η)) I
[0010]因此
[0011]ε = Δ 1/1 = Δ λ Β/ λ Β(4)
[0012]以上是在温度不变时；其折射率η为定值下的假设，常以预设波长变化比例，亦即以△ λ Β/λ Β来量测FBG所贴结构的应变值的计算式。但在温度变化时，来量测波长变化A λ Β相对原预设布拉格回授波长λ ^变化比例，常以下式表示:
[0013]Δ λβ/λβ = (1-Pe)A ε+(α?+ζ) ΔΤ (5)
[0014]P e为有效的光弹效应值(the effective photo-elastic), a f为热膨胀系数(the thermal expans1n coefficient), ζ 为石圭质光纤热光系数(the thermal-opticcoefficient of fused silica fiber)。Δ λ p 为 FBG 回授波长受温引起的变化值，Δ ε为光栅轴向温度变化引起的应变变化值，及AT为温度变化。实际上，温度改变时的光纤导光核心玻璃分子疏密度变化下，折射率η跟随改变；则纵使在FBG未受任何施力下的原预设布拉格回授波长λΒ也产生飘移变化。这对于光纤通信以点对点固定波长通信的正确性要求，常产生信息漏接的后果，必需加以改善。因任何通信使用环境想维持恒温，使FBG内的折射率值不变的电路成本太高，必须以自然物理技术的原理并利用最低成本的方式，来补偿温度所引起的固定通信波长λ飘移变化的问题。
[0015]现有的对于温度变化引起布拉格回授波长λ Β产生波长飘移变化的温度补偿技术，有 Morey 等以 U.S.Pat.N0.5，042，898 的，，Incorporated Bragg filter temperaturecompensated optical waveguide device”所揭不如其内容中图3?4装置；另一如U.S.Pat.N0.6, 493, 486Finisar Corporat1n, Chen 的，，Thermal compensated compactBragg gating filter”所揭示内容的图6?8及其内揭示的图3、图4、图5等现有技术等结构来达成。以上各种结构或装置，大多以两种不同膨胀系数的金属材料，组成各不同几何形状结构；如双金属条状、c型夹或轴中棒形等结构；当此结构受冷热温度变化所产生的物理长度差距，而迫使结构中FBG因轴向受力的伸缩、侧向受力弯曲的伸缩或扭转受力的伸缩等作用，产生了光栅周期A Λ变化量。此刻意在结构施加的△ Λ变化量，是为了反向弥补FBG自身因受冷热的物理长度增减，造成原设布拉格光栅周期长Λ其内的△ Λ变化量的调回作用。本说明书以图1说明Morey的U.S.Pat.N0.5，042, 898及以图2说明Chen的U.S.Pat.N0.6，493，486的装置。图1为现有的U.S.Pat.Νο5, 042，898的装置剖面图，图中，20为光纤滤波装置，10为进出光纤滤波装置的光纤，13为布拉格光栅段长部，17为10在进入光纤滤波装置的光纤段长部，21 (28)为第I温度补偿元件，22 (29)为第2温度补偿元件，23为21的第I温度补偿元件中凹处，24为22的第2温度补偿元件凸出部，25为桥接光纤10进入端26及24凸出部固定点27间所连接17和13光纤两段长，30为对光纤预拉元件，31为预拉施力能弹回的弹簧。本说明图2为现有U.S.Pat.N0.6，493，486剖面图，即Chen的U.S.Pat.N0.6，493，486其图6剖面图的装置，图中80为温度补偿布拉格光栅滤波装置，82为进出光纤滤波装置的光纤，90为光纤塑料被覆，84为光纤轴心核心，86为光纤纤壳，88为光纤布拉格光栅段长部，92为和82光纤互相扭紧的光纤元件，104为扭紧调整元件，106为104成对温度补偿元件，96为104扭紧调整元件固接点，98为106上和96扭紧调整距长固接点，94为104扭紧调整元件和106成对温度补偿元件黏接固定点。
[0016]实际上，光纤内部应力和其折射率有比例依存关系。因此温升时；如放松张力(Stress)或扭力(Tors1n)，可减少折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长的位移。图1可见是以其对光纤预拉组件30中的弹簧31作为预拉光纤光栅而能弹回的施力，产生光纤光栅非轴向应力。当温度增加使22的第2温度补偿元件较高膨胀系数材料凸出部24延伸而松弛13光纤FBG应力，亦即放松张力(Stress)，可减少折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长的位移。图2是以其对光纤预拉元件30中的弹簧31作为预拉光纤光栅而能弹回的施力，产生光纤光栅非轴向应力。当温度增加使104的温度补偿元件较高膨胀系数材料96扭紧光纤光栅88部的松弛而降低原先光纤FBG所扭紧的扭力。此即放松扭力(Tors1n)，可减少折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长的位移。以上现有发明的技术结构，也充分利用上式(5)的维持Δ λ ρ不变，亦即Δ λ e= O让左式Δ λ β/λβ =0;则温度纵使有所变化，即光栅轴向因温度变化AT引起的应变变化值△ ε予以反比例调整。因在温度增加时，释放松应力或扭力；在温度降低时，旋紧应力或扭力，使AAfi=O以达到温度补偿目的。以上所见现有的技术用来调整FBG光纤光栅的机械结构方法，虽然逐渐缩小体积及有降低成本的进步性；但其中FBG在真正预设的中心回授波长选定时，除了以不同膨胀系数材料元件组合外；还必须制造预拉紧的施力元件装置或使FBG扭紧的元件，使温度补偿结构体积变大。特别是，此结体相对于纤细如外径250 μ m的光纤可视为十分庞大的结构。尤其在电信机房光纤十分密集的配线架是空间浪费，必须加以缩小以符合真正「光纤到家」全面实现到来时的配线架空间需求。
【发明内容】
[0017]当光纤光栅FBG作滤波检测目的时，必先决定其正常工作温度范围。技术上通常是在常温装设时，要先预留最低温工作条件时的FBG被压缩量，以备工作环境温度降低时FBG符合有随温度降低时光纤材料线性弹性域的缩收；或温度增加时的光纤材料线性弹性域的伸长。否则在真正最低温工作时，没被预拉的FBG，无法随温度变化成为线性比例关系而容易产生应变迟滞而失准确性。光纤光栅FBG的预负荷(Preloading)，在现有的技术常以预拉紧、预弯曲或预扭紧来实作且以光纤预拉称之，此己在上述现有的技术说明，且其庞大体积的缺点已说明过。因此实作上先预拉FBG至预订的操作中心波长的同时，也达到了预留最低温工作条件时的FBG被压缩量的结果，己对FBG自身内蓄一应力或扭力。此一内蓄应力或扭力，依上式(5)及上述说明内容其己储备一可作为温度补偿功能的起点。只要提供适当可选择的一对高低膨胀系数材料或产生随温度增加时使FBG松弛(relief)的结构，即可达到温度补偿功能。
[0018]本发明提供了一种温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，此装置是由下列元件组成:
[0019]一单模态光纤，此光纤内有一段长光纤光栅；及
[0020]一定长度被覆其内置单模态光纤的高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧，此弹簧做温度补偿的总段长是由己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧的段长串联具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧的组合段长接合而成；及
[0021]一头端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧的预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及
[0022]一尾端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及
[0023]一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层低膨胀系数金属套管；此套管两端由两个无预拉固定连接环或固定胶固定其内置高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度；及所有元件以光纤轴心同心共构方式组成的光纤光栅滤波装置，本温度补偿光纤布拉格光栅滤波装置的特征为，外层低膨胀系数金属套管总长度对温度变化产生的长度，和其内内置高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度，受温度变化产生的长度差，对其内内置预拉的高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长所造成放松张力或伸张张力作用，以达到增减折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长位移的结构者。
[0024]本发明还提供了一种温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，此装置是由下列元件组成:
[0025]一单模态光纤，此光纤内有一段长光纤光栅；及
[0026]一定长度被覆其内置单模态光纤的第一条高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧，此弹簧做温度补偿的总段长是由己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧的段长串联具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧的组合段长接合而成；及
[0027]—头端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧的预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及
[0028]一尾端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及
[0029]一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧；此不同卷向的松被覆弹簧两端由两个无预拉固定连接环或固定胶固定其内置第一条高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度；及所有元件以光纤轴心同心共构方式组成的光纤光栅滤波装置，本温度补偿光纤布拉格光栅滤波装置的特征为，外层第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧总长度对温度变化产生的长度，和其内内置高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度对温度变化产生的长度差，对其内内置预拉的高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长所造成放松张力或伸张张力作用下，达到以增减折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长位移的结构者。
[0030]本发明将一光纤光栅以同心组合方式，先在其外环表面套上(或称为松被覆；一种均匀空隙且无光纤轴向摩擦阻力的包覆方法)第一条高膨胀系数弹簧后；再松被覆第二条低膨胀系数且不同卷向的弹簧在第一条弹簧上，来构成一种温度补偿光波滤波装置的结构，如图3所示。图3为松被覆第二条低膨胀系数且不同卷向的弹簧纵向剖面图。其中图3所示元件:102为光纤核心、201为125 μπι裸光纤、202为250 μm外径树脂被覆保护层、203为125 μπι光纤核心有光栅区域、204为250 μπι外径树脂再被覆保护层、301为外被覆上段长0.9mm外径圆筒形拉张螺旋弹簧；取0.9mm外径圆筒形拉张螺旋弹簧目的是有利于商用化大量使用的光纤外被覆材料如PE的同外径对接(以下同)、302为0.9mm外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧、303为0.9mm外被覆下段长圆筒形拉张螺旋弹簧、304为上端光纤与弹簧预拉固定连接环或固定胶、305为下端光纤与弹簧预拉固定连接环或固定胶、306为0.9mm外被覆下端圆筒形拉张螺旋弹簧与光纤无预拉固定连接环或固定胶、308为连接环或固定胶，其为0.9mm外被覆圆筒形拉张螺旋弹簧与第二条低膨胀系数且不同卷向弹簧上端座圈的无预拉固定连接环或固定胶、309为连接环或固定胶，其为0.9mm外被覆圆筒形拉张螺旋弹簧与第二条低膨胀系数且不同卷向弹簧下端座圈的无预拉固定连接环或固定胶、311为外松被覆第二条低膨胀系数且不同卷向的弹簧总长、312为温度补偿0.9mm外被覆圆筒形拉张螺旋弹簧具密着初张力高膨胀系数温度补偿段长部分等元件所构成。其中301的0.9mm外被覆上段长圆筒形拉张螺旋弹簧联结302的0.9mm外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧及联结303的0.9mm外被覆下段长圆筒形拉张螺旋弹簧总段长形成的0.9mm外被覆保护其轴内光纤及光纤光栅全圆筒形螺旋弹簧的结构，是利用本发明人2015年I月20日申请案号为第104101751号的「自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构」中的自体全弹簧被覆的光纤结构预拉技术。其预拉技术为利用在一圆筒形拉张螺旋弹簧与压缩螺旋弹簧组成的弹簧内置一FBG而形成具有弹性伸长弹性域内的预拉应力技术，来缩小光纤光栅滤波装置在现有技术使用庞大机械结构的体积并降低其成本；但本自体弹簧被覆的预拉技术并不主张于本发明的专利范围请求项内。而311外松被覆第二条低膨胀系数的弹簧(例如右卷向)；和301串连302再串连303所形成第一条高膨胀系数的弹簧(例如左卷向)有不同卷向，是为了避免同心组合的内外两圆筒形螺旋弹簧因不良操作意外地互相啮合，以及温度变化时内外两弹簧长度增减不同所造成扭转的平衡控制目的。
[0031]本发明二项主要温度补偿作用之中:其一的光纤光栅预拉作用，是由0.9_外被覆上段长圆筒形拉张螺旋弹簧301和0.9mm外被覆下段长圆筒形拉张螺旋弹簧303中间的
0.9mm外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧302段长，先压缩螺旋弹簧且将其轴心内光纤光栅两端304及305以连接环或固定胶作光纤与弹簧预拉固定后释放，以完成FBG预拉作用。此种利用弹簧弹性特性做光波级数精密量测材料应变的新技术，目的在创造一圆筒形拉张螺旋弹簧与压缩螺旋弹簧所组成的弹簧结构，以内置一 FBG于压缩螺旋弹簧轴心，先压缩弹簧固定其内FBG标距长后，再释放被压缩螺旋弹簧以达到光纤光栅被预拉作用。因其符合弹性伸长弹性域内的弹性模数技术，实施虎克定律以直线关系完成预拉值设定目的。又因压缩弹簧不但可以固定内置FBG后再释放施力的预拉FBG作用；同时又可以压缩螺旋弹簧形成坚硬如钢壳自身保护穿过其内脆弱FBG光纤目的。本发明二项主要温度补偿作用之中，其二作用光纤光栅预拉应力或扭力释放，对结构材料热膨胀系数差产生的温度补偿作用。例如温度升高时，此作用则由第二条不同卷向的外松被覆弹簧311两端308和309固定连接环所形成固定距离，因其低膨胀系数的伸长量较低；限制其内302串连312所结合较高膨胀系数总段长的较高伸长量。此迫使312具密着初张力且高膨胀系数的圆筒形拉张螺旋弹簧段长，推向相同外径0.9_外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧302的段长。而原本此段长的圆筒形压缩螺旋弹簧302是为了获得预负荷的作用，FBG己先预拉。因此312因热延伸结果，如同放松(relief)原预负荷的预拉作用，正如同降低折射率来避免波长变化的作用。由于上述说明利用光纤内部应力和其折射率有比例依存的关系。因此温升时；如放松张力(Stress)或扭力(Tors1n)，可减少折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长的位移。
【附图说明】
[0032]图1现有的U.S.Pat.N0.5，042，898的装置剖面图；
[0033]图2现有的U.S.Pat.N0.6，493，486的装置剖面图；
[0034]图3松被覆第二条低膨胀系数且不同卷向的弹簧纵向剖面图；
[0035]图4一种以低膨胀系数外套管松被覆的温度补偿光波滤波装置剖面图；
[0036]其附图标记为:
[0037]10进出光纤滤波装置的光纤 13布拉格光栅段长部
[0038]17光纤在进入光纤滤波装置的光纤段长部
[0039]20光纤滤波装置 21第I温度补偿元件
[0040]22第2温度补偿元件23第I温度补偿元件中凹处
[0041]24第2温度补偿元件凸出部
[0042]25桥接光纤进入端26及24凸出部间光纤两段长元件
[0043]26光纤进入端固定点27第2温度补偿元件凸出部固定点
[0044]30对光纤预拉元件 31预拉施力能弹回的弹簧
[0045]80温度补偿布拉格光栅滤波装置
[0046]82进出光纤滤波装置的光纤 84光纤轴心核心
[0047]86光纤纤壳88光纤布拉格光栅段长部
[0048]90光纤塑料被覆 92和82光纤互相扭紧的光纤元件
[0049]94扭紧调整元件和成对温度补偿元件黏接固定点
[0050]96扭紧调整元件固接点
[0051]98 106上和96扭紧调整距长固接点
[0052]102光纤核心104扭紧调整元件
[0053]106成对温度补偿元件 201 125 μπι裸光纤
[0054]202 250 μπι外径树脂被覆保护层
[0055]203 125 μ m光纤核心有光栅区域
[0056]204 250 μ m外径树脂再被覆保护层
[0057]300不锈钢外被覆高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧
[0058]301外被覆上段长圆筒形拉张螺旋弹簧
[0059]302外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧
[0060]303外被覆下段长圆筒形拉张螺旋弹簧
[0061]304上端光纤与弹簧预拉固定连接环或固定胶
[0062]305下端光纤与弹簧预拉固定连接环或固定胶
[0063]306外被覆下端圆筒形拉张螺旋弹簧光纤无预拉固定连接环或固定胶
[0064]308连接环或固定胶 309连接环或固定胶
[0065]311外松被覆第二条低膨胀系数且不同卷向的弹簧总长
[0066]312外被覆圆筒形拉张螺旋弹簧高膨胀系数温度补偿段长
[0067]314外松被覆第二层低膨胀系数金属套管
【具体实施方式】
[0068]实施例:以低膨胀系数外套管松被覆的温度补偿光波滤器的结构，上述如图3 —种以第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧的温度补偿光波滤器的结构，是使用于无水气和尘埃污染的环境。但于有水气和尘埃污染使用的环境；则如图4所示以低膨胀系数外套管松被覆的温度补偿光纤光栅滤波装置的结构实施。图4为一种以低膨胀系数外套管松被覆的温度补偿光纤光栅滤波装置的剖面图。本实施例发明将低膨胀系数外套管松被覆的314殷钢或石英玻璃管代替图3中图示311的松被覆第二条低膨胀系数且不同卷向的弹簧结构而己。低膨胀系数外套管松被覆的314殷钢或石英玻璃管不但以低膨胀特性的308至309两端段长，提供限制其内302串连312所结合较高膨胀系数总段长的较高伸长量，迫使312具密着初张力且高膨胀系数的圆筒形拉张螺旋弹簧段长，推向相同外径0.9mm外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧302的段长，使光纤光栅预拉应力或扭力释放，对结构材料热膨胀系数差产生的温度补偿作用。其作用又可以为此密闭的外管防止水气和尘埃侵入内部松被覆的压缩弹簧，及其内以同心组合方式的光纤光栅能维持在弹性限域内正常工作。图4中所示元件:102为光纤核心、201为125 μπι裸光纤、202为250 μm外径树脂被覆保护层、203为125 μπι光纤核心有光栅区域、204为250 μπι外径树脂再被覆保护层、300为不锈钢外被覆高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧、301为0.9mm外被覆上段长高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧、302为0.9mm外被覆高膨胀系数圆筒形压缩螺旋弹簧、303为0.9mm外被覆下段长高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧、304为上端光纤与弹簧预拉固定连接环或固定胶、305为下端光纤与弹簧预拉固定连接环或固定胶、306为0.9mm外被覆下端圆筒形拉张螺旋弹簧与光纤无预拉固定连接环或固定胶、308为连接环或固定胶，其为0.9mm外被覆圆筒形拉张螺旋弹簧与外松被覆第二层低膨胀系数金属套管上端座的无预拉固定连接环或固定胶、309为连接环或固定胶，其为0.9mm外被覆圆筒形拉张螺旋弹簧与外松被覆第二层低膨胀系数金属套管下端座的无预拉固定连接环或固定胶、314为外松被覆第二条低膨胀系数金属套管如Invar殷钢或S12管、312为温度补偿0.9mm外被覆具密着初张力圆筒形拉张螺旋弹簧高膨胀系数温度补偿段长部分等元件所构成。
[0069]本发明二项主要温度补偿作用之中:其一的光纤光栅预拉作用，是由0.9_外被覆上段长圆筒形拉张螺旋弹簧301和0.9mm外被覆下段长圆筒形拉张螺旋弹簧303中间的
0.9mm外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧302段长，先压缩螺旋弹簧且将其轴心内光纤光栅两端304及305以连接环或固定胶作光纤与弹簧预拉固定后释放，以完成FBG预拉作用。此预拉作用是为了预先拉伸FBG来形成线性弹性域内能够在容许的最低温度下工作，光栅受应力应变关系的一种预留被压缩量。本实施例的FBG预拉作用，是当预设标距长的压缩弹簧302被预压缩后固定其两端的光纤与弹簧预拉固定连接环，亦即图4上光纤与弹簧预拉固定连接环304部位及下光纤与弹簧预拉固定连接环305部位。当两连接环以预定间距固定在压缩弹簧轴内没被压缩的裸光纤201上，再放开被压缩弹簧而获得预定的预先张力，此等同现有的在各型检测元件结构上的事先预拉FBG的作用。
[0070]假设本光纤光栅滤波装置预订在工作温度下降至零下25°C时能保持线性关系，来计算其最大容许压缩应变量。因FBG温度变化产生波长飘移为每0.1°C，飘移量为Ipm(=1x10 12M)。则当常温25°C工作温度下降至零下25°C，共约下降50°C。亦即工作波长将降约500pm( = 0.5nm)。在设计此一压缩弹簧特性时，则以光纤光栅在常温25°C时预拉0.5nm波长位移量，才可达到在零下25°C时的预压缩量的需求计算。由于光纤光栅段长预拉0.5nm波长位移量依光纤光栅制成后的数据关系，每预拉Inm约需80克施力，则压缩弹簧需压缩施力为40g( = 0.04kg) ,P = 0.04kg。当压缩弹簧压缩施力释放时，可对FBG反向产生40g的预拉力。
[0071]上述圆筒形压缩螺旋弹簧内的光纤光栅两固定端点的标距长，先被压缩再释放弹簧达到光纤光栅被预拉的作用力P和其受力变形的弹簧挠度δ关系，可以下式表示:
[0072]δ = (8nD3/Gd4) P(6)
[0073]d为不锈钢素线直径
[0074]D为平均螺旋直径
[0075]G为横弹性系数
[0076]η为有效圈数
[0077]其中可设一弹簧指数为c，c = D/d，则式(6)可以下式表示:
[0078]δ = (8nc3/Gd) P(7)
[0079]= (8nc4/⑶)P (8)
[0080]c = D/d的弹簧指数可以做为弹簧尺寸结构选择，以设计各种符合弹簧外径、弹簧内径、弹簧有效圈数、预拉力或最大容许压缩应力的弹簧。G所代表的横弹性系数，是使材料产生单位剪切应变所需的应力，为一种取决于材料特性的常数，同尺寸弹簧的挠度反比于材料的G值。由弹簧轴荷重P所致弹簧的挠度δ可以式(6)计算出来。本例设以η为50圈，d = 0.3mm, D = lmm, P = 0.04kg，G 以不锈钢横弹性系数 7.5x 103kg/mm2，由公式(6)可得轴荷重P所致弹簧的挠度S，δ =0.25_。亦即以压缩螺旋弹簧压缩0.25_，将紧邻两端的拉张弹簧两密着座圈部位和内置的光纤以树脂胶固化形成连接环或以金属压着形成连接环固定后，再放开预压缩螺旋弹簧。则可以对内置光纤光栅施力而产生预拉0.5nm波长位移作用，以获得约50°C温度工作区间的预压缩应变量，来承受将来装置在工作温度下降至零下25°C时的最大容许压缩应变量。
[0081]本发明二项主要温度补偿作用，其二作用光纤光栅预拉应力或扭力释放，为一种对结构材料热膨胀系数差产生的温度补偿作用。例如温度升高时，此作用则由第二层外松被覆低膨胀系数殷钢314的两端308和309固定连接环所形成固定距离，因其低膨胀系数的伸长量较低；限制其内302串连312所结合较高膨胀系数总段长的较高伸长量。此迫使312具密着初张力且高膨胀系数的圆筒形拉张螺旋弹簧段长，推向相同外径0.9mm外被覆圆筒形压缩螺旋弹簧302的段长。而原本此段长的圆筒形压缩螺旋弹簧302是为了获得预负荷的作用，FBG己先预拉。因此312因热延伸结果，如同放松(relief)原预负荷的预拉作用，正如同降低折射率来避免波长变化的作用。因此温升时；如同放松张力(Stress)或扭力(Tors1n)，可减少折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长的位移。
[0082]实施例中如图4所示以314为外松被覆第二层低膨胀系数外套管如Invar殷钢或S12管的温度补偿光波滤器结构；或上述如图3—种以第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧的温度补偿光波滤器的结构，两者皆能达到温度补偿作用。但实用上，实施例中如图4所示以314低膨胀系数外套管如Invar殷钢或S12管为外松被覆第二层的温度补偿滤波装置结构，不但能免于水气和尘埃污染外；更可以准直条件维持其内第一条高膨胀系数弹簧的线性调整环境。低膨胀系数外套管的管厚度，将配合其内302串连312所结合较高膨胀系数总段长的伸长量或由第二层外松被覆低膨胀系数殷钢314的两端308和309固定连接环连接其内拉张弹簧位置所形成固定距离和两膨胀系数差来调整。低膨胀系数外套管的形状亦可以和其内光纤具有同心共构的圆孔形长方柱组成。
[0083]以上本发明说明书内容及实施例阐述各种细节所引用各参考编号的元件，皆可视为相同或功能上类似的元件，且意欲以极简化的图解方式来图说实例所表示的主要实施特点；因此，此图示并非意欲描绘出实际实施例的所有特点，亦并非意欲描绘所绘元件的相对尺寸及数量，故所示的图并非按比例绘成，其按本发明的结构制成光纤光栅滤波装置或其组成光纤光栅滤波装置各变化元件结构及其能完整实现可温度补偿结构元件的基本精神所绘成，且仅作为代表光纤光栅滤波装置可据以等效发挥功能及据以应用的各种样态，一如实施例所举外套管的形状选用亦可以具有同心共构的圆孔形长方柱组成、或选用不同螺距角圆筒形压缩螺旋弹簧的串接组合结构或选用不同的弹簧指数C，即c = D/d中不同外径弹簧和素线直径的组合、钢材的横弹性系数G...等中各种制造参数的微调，做本发明可据以更精准应用的一种补述，使光纤光栅滤波装置应用更为精彩及多元广阔。
[0084]尽管本文将实施例以低膨胀系数Invar殷钢或S12管为外松被覆第二层外套管做温度补偿光波滤器结构；或说明书所述一种以第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧做温度补偿光纤光栅滤波装置的结构，两者皆能达到温度补偿作用组成的结构图解说明并阐述本发明的温度补偿结构；但此并非意欲仅将本发明局限于此等图示细节，因为在以不脱离本发明精神的任何方式的前提下，可对本发明实施各种修改及结构的改变并应用现有知识合并先前技术观点，再将本发明修改用于各种应用或改用其他材料应用于本发明，且因此，此等修改应该且己意欲包含在随附申请专利范围的等效意义及范围内。
【主权项】
1.一种温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，此装置是由下列元件组成: 一单模态光纤，此光纤内有一段长光纤光栅；及 一定长度被覆其内置单模态光纤的高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧，此弹簧做温度补偿的总段长是由己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧的段长串联具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧的组合段长接合而成；及 一头端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧的预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及 一尾端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及 一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层低膨胀系数金属套管；此套管两端由两个无预拉固定连接环或固定胶固定其内置高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度；及所有元件以光纤轴心同心共构方式组成的光纤光栅滤波装置，本温度补偿光纤布拉格光栅滤波装置的特征为，外层低膨胀系数金属套管总长度对温度变化产生的长度，和其内内置高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度，受温度变化产生的长度差，对其内内置预拉的高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长所造成放松张力或伸张张力作用，以达到增减折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长位移的结构者。2.根据权利要求1所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其内内置高膨胀系数做温度补偿的圆筒形螺旋弹簧总段长长度是由己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧一段长度串联具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧一段长度所组成者。3.根据权利要求1所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其内内置高膨胀系数做温度补偿的圆筒形螺旋弹簧总段长长度是由一段长度具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧；串联一段长度己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧；再串联一段长度具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧所组成者。4.根据权利要求1所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层低膨胀系数金属套管，为一定长度具有和其内光纤同心共构的圆柱形低膨胀系数金属套管者。5.根据权利要求1所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层低膨胀系数金属套管，为一定长度具有和其内光纤同心共构的圆孔形长方柱形低膨胀系数金属套管者。6.—种温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，此装置是由下列元件组成: 一单模态光纤，此光纤内有一段长光纤光栅；及 一定长度被覆其内置单模态光纤的第一条高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧，此弹簧做温度补偿的总段长是由己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧的段长串联具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧的组合段长接合而成；及 一头端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧的预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及 一尾端固定光纤与其外高膨胀系数弹簧预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；及 一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧；此不同卷向的松被覆弹簧两端由两个无预拉固定连接环或固定胶固定其内置第一条高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度；及所有元件以光纤轴心同心共构方式组成的光纤光栅滤波装置，本温度补偿光纤布拉格光栅滤波装置的特征为，外层第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧总长度对温度变化产生的长度，和其内内置高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长长度对温度变化产生的长度差，对其内内置预拉的高膨胀系数圆筒形螺旋弹簧总段长所造成放松张力或伸张张力作用下，达到以增减折射率来补偿因温度引起光栅滤波装置波长位移的结构者。7.根据权利要求6所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其内内置高膨胀系数做温度补偿的圆筒形螺旋弹簧总段长长度是由己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧一段长度串联具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧一段长度所组成者。8.根据权利要求6所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其内内置高膨胀系数做温度补偿的圆筒形螺旋弹簧总段长长度是由一段长度具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧；串联一段长度己预拉光纤光栅两端的圆筒形压缩螺旋弹簧；再串联一段长度具密着初张力高膨胀系数圆筒形拉张螺旋弹簧所组成者。9.根据权利要求6所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧，为一定长度具有和其内光纤同心共构的圆筒形拉张螺旋弹簧者。10.根据权利要求6所述的温度补偿的光纤布拉格光栅滤波装置，其特征在于，其一定长度由外套接其内做温度补偿总段长弹簧的外层第二条低膨胀系数且不同卷向的松被覆弹簧，为一定长度具有和其内光纤同心共构的圆筒形压缩螺旋弹簧者。
【文档编号】G02B6/02GK106094116SQ201510977820
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2015年12月23日
【发明人】杨春足, 蔡永裕
【申请人】晋禾企业股份有限公司