一种温度不敏感光纤光栅滤波器的制作方法

本实用新型涉及一种温度不敏感光纤光栅滤波器。

背景技术：

光滤波器在光通信和光纤传感等领域具有非常广泛的应用，主要用于对各个波长的光进行选择。

一般的光滤波器由F-P干涉型滤波器、多层介质膜滤波器、薄膜多共振腔滤波器、光纤光栅滤波器等，一般滤波器如F-P干涉型滤波器，多层介质膜滤波器，薄膜多共振腔滤波器其缺点主要是边带抑制比低，体积较大，与光纤耦合工艺复杂，成本较高。

而普通光纤光栅滤波器主要是带宽灵活，体积小，边带抑制比高，易于与光纤耦合，成本低，由于温度的变化会导致中心波长的漂移，限制了光纤光栅滤波器的温度使用范围以及性能。主动温度控制装置则增加了系统的复杂度，不利于大规模的应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种温度不敏感光纤光栅滤波器，采用双金属片结构，以光纤光栅滤波器作为载体，通过使用形变量补偿的方式，成功的改变了传统的光纤光栅滤波易受温度影响的问题，使得光纤光栅滤波器可以更加广泛的在光纤通信，光纤传感等领域使用。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种温度不敏感光纤光栅滤波器，包括光纤光栅。所述光纤光栅固定在两片堆叠的金属片上，其中，光纤光栅固定在第一金属片上表面，第一金属片的下表面于第二金属片的上表面相连，第一金属片与第二金属片的中心重合。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述光纤光栅通过环氧树脂胶固定于第一金属片上表面。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述第一金属片与第二金属片的膨胀系数不同。

作为本实用新型的进一步优化方案，第一金属片的膨胀系数小于第二金属片的膨胀系数。

作为本实用新型的进一步优化方案，第一金属片与第二金属片之间通过环氧树脂胶粘接。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、采用形变的方式，对温度量进行补偿，从而使光纤光栅滤波器具有温度不敏感性；

2、采用的两种金属片的组合及其上下位置固定的方式。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是温度变化后的结构示意图。

图3是采用两种热膨胀系数不同的金属材料构成的温度补偿结构示意图。

图4是采用两种热膨胀系数不同的金属材料构成的温度补偿结构在温度变化后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

随着光纤传感行业和光纤通信行业的迅猛发展，光滤波器正在被大量的使用。

一般的光滤波器存在着体积大，边带抑制比低，光纤耦合复杂度高，成本居高不下的缺点，而普通的光纤光栅滤波器虽然具有边带抑制比高，易于光纤耦合，成本低等优点，但是其中心波长随温度的变化而产生便宜，由于环境要求高，难于大面积推广使用，而一些主动温度控制系统也由于其过于复杂，而没有得到广泛的应用。

本发明以光纤光栅滤波器作为载体，通过使用形变量补偿的方式，成功的改变了传统的光纤光栅滤波易受温度影响的问题，使得光纤光栅滤波器可以更加广泛的在光纤通信，光纤传感等领域使用。

本实用新型实现了一种温度不敏感光纤光栅滤波器，具体是采用双金属片结构，首先将光纤光栅采通过环氧树脂胶固定于两片金属片上，两片金属片则选择不同的膨胀系数的金属片，由于两种金属片的膨胀系数不同，所以其热形变量也不同，所以当外界温度发生变化时，其金属片的形变量则可以补偿光栅滤波器由于温度变化产生的中心波长的漂移。本系统所选的下层金属片的膨胀系数大于上层金属片的膨胀系数，两片金属片通过环氧树脂胶进行粘接。本实用新型光纤光栅滤波器的结构如图1所示，温度变化后的结构如图2所示。

下面对结合附图对本实用新型的实现原理作进一步阐述：

由耦合模理论可知，光栅的布拉格Bragg波长为

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中，n_eff为纤芯的有效折射率；Λ为栅格周期。

由(1)式可以看出，布拉格波长随n_eff前和Λ的改变而改变。

应变作用下的光弹效应导致折射率的变化，形变使光栅常数变化：温度导致的光热效应使有效折射率改变，而热膨胀系数致使光栅常数改变。先忽略温度和应变的交叉敏感，分别考察仅在单一的温度或应变作用下的传感特性。

温度引起光纤光栅Bragg波长的变化为

其中，Δλ_B为Bragg波长变化，ΔT为温度变化，为光纤的热膨胀系数，为光纤的热光系数，K_T为光纤光栅相对波长温度灵敏度系数。

由(2)式可知Δλ_B与ΔT存在着线性关系。通过检测波长的移位，即可确定被测温度变化量。

光纤轴向应变ε_Z引起的光纤光栅Bragg波长变化公式为：

式中，P_e为有效弹光系数，其中，P₁₁、P₁₂为弹光系数，v为光纤泊松比；K_ε为光纤光栅相对波长应变灵敏度系数。

与温度类似，Δλ_B与ε_Z也成线性关系，由Δλ_B可方便地求出外界应变ε_Z。

由上可知，光栅Bragg波长变化与应变和温度的变化关系为：

显然，光栅中心反射波长对应变和温度都是敏感的，测量一个量的同时，势必要受到另一个量的影响。由此可见，解决应变和温度交叉敏感的问题是FBG传感检测技术实用化的关键。

采用两种热膨胀系数不同的金属材料构成的温度补偿结构，如图3所示，其中，L为两个金属片的长度，d为两个金属片的厚度，L₁为光纤光栅的长度。

当温度发生变化ΔT时，由于两种材料的热膨胀系数不同，光栅中的应变量同时发生变化。如图4所示。假定两个金属片相连部分长度L不变，设弯曲后的弧圆心角为θ(弧度)，内侧金属片的曲率半径是R，外侧金属片的膨胀系数是α₁，内侧金属片的热膨胀系数为α₂，光纤光栅的膨胀系数是α。

由光纤光栅的伸长量与金属的形变量的几何关系可知：

L₁ε_Z+L₁αΔT＝L(1+α₁ΔT)-L(1+α₂ΔT) (5)

即为：

由公式(4)可知：

当通过应变来完全补偿温度时，则(7)式为0，即：

从公式(8)可以看出，最后只与两个金属片的膨胀系数α₁、α₂、光纤光栅的膨胀系数α，光纤光栅的热光系数ξ，光纤光栅的有效弹光系数P_e，光纤光栅的长度L₁，金属片的长度L有关。

因此，只要根据金属材料的膨胀系数适当选取金属材料以及金属片的长度，，可以使温度和应变引起的Bragg波长的变化相抵消，即可实现通过应变对光纤光栅滤波器温度漂移的补偿。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。