一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置的制作方法

本发明涉及一种控制预紧力装置，具体的涉及一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置。

背景技术：

光纤布拉格光栅(Fiber Braag Grating，以下简称FBG)，是光纤发明以来近半个世纪中，发展出的最为重要的光子器件之一，其具有灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，在光纤激光器、光纤通信和光纤传感等领域中得到了广泛应用。

而随着光纤通信和激光技术的不断发展，对应不同的具体应用，对FBG的带宽要求也各不相同。对于40GHz的DWDM(密集型光波复用)通信系统中，FBG所需的带宽为0.05nm-0.07nm；在普通光传感系统中，FBG带宽范围为0.1nm-0.2nm；而在光纤激光器谐振腔所需的FBG其带宽范围为0.5nm-2nm。对于光纤通信和光纤传感常用的C波段(1525～1565nnm)，由于其带宽有限，在对其进行波分复用的情况下，需要对每个带宽通道进行严格控制，因此要求每个通道内对应的FBG的Bragg反射波长提出具体的数值。并要求其Bragg反射波长制作不定度控制在一定范围内，不确定度越小，对系统设计的要求就越简单。并且由于多个通道对应的Bragg反射波长各不相同，因此如何设计能精确刻写指定FBG中心波长方法成为研究的热点。

当前常见的FBG栅制作方法有：双光束全息干涉横向写入法、点光源写入法、相位掩模板法。

在现有的使用相位掩模板的FBG刻写方法中，施加的预紧力大小一般为经验数值，通过实验找出光纤施加预紧力与刻写波长之间的关系。在通过插值方法计算指定波长所需的预紧力大小。插值计算出来的预紧力与实际情况会有偏差。而且，在目前的生产工艺中，需通过人工操作对光纤光纤直接施加预紧力，施加大小仅凭借经验决定，因此无法保证每次放置光纤时的拉力相同。导致现有方法刻写FBG的Bragg反射波长不确定度较大。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置，具有操作简单和控制精确的优点。

本发明的技术方案是：一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置包括第一定位夹具、第二定位夹具、第一固定夹具、第二固定夹具、预紧力调节装置和预紧力锁定夹具，其特征在于，所述的预紧力调节装置包括升降台和预紧力施加装置，所述的第一定位夹具、第二定位夹具、第一固定夹具、第二固定夹具和预紧力锁定夹具分别置于与其对应的二维调节平台上方；

所述的第一定位夹具包括上盖和底座，所述底座沿长度方向设有多个不同尺寸V型槽，不同尺寸V型槽以满足不同外径尺寸的光纤。

所述的第一固定夹具包括上板和下板，所述上板和下板通过可拆卸紧固件固定连接，实现方便拆卸和固定。

所述的预紧力施加装置为倒J型金属结构；所述的预紧力施加装置在工作状态通过倒J型金属结构的直线部位与升降台通过磁铁连接，弯钩部分与光纤接触连接，通过磁铁的吸附作用力，实现预紧力施加装置的弯钩部分对光纤施加向下的拉力。

所述的预紧力锁定夹具呈U型框架结构，所述的U型框架的两块垂直板通过螺杆连接，两块垂直板相对于底板可相对滑动，通过螺杆改变垂直板间的间隙从而起到锁紧两板之间光纤作用。

优选的，所述的第一固定夹具和第二固定夹具与光纤直接接触面设有橡胶垫，所述预紧力锁定装置的两个垂直板两侧设有橡胶垫，橡胶垫增加摩擦力避免光纤在作用力作用下发生相对滑动，影响检测。

优选的，所述的第二定位夹具结构与第一定位夹具相同，所述的第二固定夹具结构与第一固定夹具相同。

优选的，所述的第一定位夹具和第二定位夹具之间设置相位掩膜板，所述的相位掩膜板位于与其对应的二维移动平台上方，所述的第一固定夹具和第二固定夹具位于光纤的首末两端。

优选的，所述的第一定位夹具、第二定位夹具、第一固定夹具、第二固定夹具和预紧力锁定夹具通过紧固件固定在与其相对应的二维调节平台上表面。

优选的，所述的升降台通过微分头调节，通过微分头的精密调节，改变预紧力施加装置的高低位置。

优选的，所述的二维调节平台在横向方向和纵轴方向的调节行程为5mm-200mm。

本发明的有益效果是:一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置可在光纤可承受的范围内对预紧力进行连续调整和精确施加，实现特定光纤光栅的反射波长的刻写。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性的示出本发明一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置的结构示意图；

图2示出本发明一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置的试验结果图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1为本发明一种精密控制FBG刻写中预紧力的装置的结构示意图。如图1所示，包括第一定位夹具101、第二定位夹具102、第一固定夹具103、第二固定夹具104、预紧力调节装置和预紧力锁定夹具107，预紧力调节装置包括升降台106和预紧力施加装置105，其中第一定位夹具101、第二定位夹具102、第一固定夹具103、第二固定夹具104和预紧力锁定夹具107分别置于与其对应的二维调节平台上方，第一定位夹具101置于二维调节平台002上方，第二定位夹具102置于二维调节平台004上方，第一固定夹具103置于二维调节平台001上方，第二固定夹具104置于二维调节平台006上方，预紧力锁定夹具107置于二维调节平台005上方；第一定位夹具101、第二定位夹具102、第一固定夹具103、第二固定夹具104和预紧力锁定夹具107通过紧固件固定在与其相对应的二维调节平台上表面；所有二维调节平台在横向方向和纵轴方向的调节行程为5mm-200mm，通过调节二维调节平台的高度，确保光纤在刻写过程中处于同一条直线上。

第一定位夹具101包括上盖和底座，所述底座沿长度方向设有不同尺寸V型槽，以满足不同外径尺寸的光纤，其中优选的V型槽的尺寸为80um、100um、125um、150um、240um或300um。

第一定位夹具101的上盖和底座的一侧端面通过合页连接，上盖和底座的开合通过磁性吸附实现。

第一定位夹具101和第二定位夹具102之间设置相位掩膜板108，相位掩膜板108位于与其对应的二维移动平台003上方。

光纤置于底座槽内，调整光纤位置目测观察光纤开窗部分中心是否与相位掩膜板108中心对应，若未对齐且开窗处中心偏左则开启第一定位夹具101，在第二定位夹具102右侧轻拉光纤使其对齐；若未对齐且开窗处中心偏右，合上第二定位夹具102，打开第一定位夹具101，再开启第二定位夹具102，在第一定位夹具101左侧轻拉光纤使其对齐；若对齐，合上第二定位夹具102。

其中光纤开窗部分长度与相位掩膜板108掩膜部分的长度相同，一般情况下开窗部分长度大于等于20cm。在目测目测观察光纤开窗部分中心是否与相位掩膜板108中心对应的过程中通过开窗边缘与掩膜边缘的位置来判断。

第一固定夹具103包括上板和下板，所述上板和下板四角通过可拆卸紧固件固定连接，第一固定夹具103的上板和下板与光纤直接接触部位设有橡胶垫，增加光纤与接触面的摩擦力，避免光纤在作用力的影响下发生相对滑动。

第一固定夹具103和第二固定夹具104分别位于光纤的首末两端。

预紧力施加装置105为刚性结构，稳定性强；其结构为倒J型结构，在工作状态弯勾部分与光纤直接接触，另一端直线部分通过磁铁与升降台106为磁性连接。施加预紧力时，通过升降台的微分头精密的调节升降台106的高低，改变预紧力施加装置105的高低。

在无预紧力状态下，倒J型金属结构弯勾部分悬在光纤上方，不与光纤接触，光纤保持水平笔直绷紧状态。

在有预紧力状态下，倒J型金属结构弯勾部分压在光纤上方，与光纤接触，并对光纤产生向下的拉力，使光纤状态从无预紧力时的“—”型变为“\_/”型。总长度被拉长，从而使得光纤径向上的预紧力发生改变。设预紧力施加装置垂直变化距离为x，固定端中间光纤总长为L，光纤伸长长度为ΔL。

ΔL用式(1)表示：

用式(2)表示：

而L的长度远大于x，超过一个数量级，即x每改变一个单位长度，

对应的ΔL要比x小一个数量级以上，所以预紧力施加装置可以跟精细的调整光纤径向预紧力。

预紧力锁定夹具107呈U型框架结构，底板通过螺母固定在二维调节平台005上方，两块对应的垂直板在底板可相对移动，两块垂直板通过螺杆连接，通过螺杆的转动，调节两块垂直板之间的缝隙，用于锁紧两块垂直板间的光纤。

第二定位夹具102结构与第一定位夹具101完全相同，第二固定夹具104结构与第一固定夹具103完全相同。

本实施例中使用了栅格周期为528.97nm的相位掩膜板和载氢增敏的光纤，根据光栅波长公式用式(3)表示：λ＝2n_effΛ (3)

式中，λ为光栅布拉格波长，n_eff为光纤的有效折射率。

使用的载氢增敏的光纤，其n_eff＝1.45；Λ为栅格周期。

本发明为精确控制光纤光栅刻写时预紧力的装置，具体的刻写方法包括以下步骤：

1)将开窗后待刻写的光纤的开窗部分大致对相位准掩膜板108；

2)打开第一定位夹具101，将对应的光纤放入对应V型槽，合上第一定位夹具101；

3)打开第二定位夹具102，将对应的光纤放入对应V型槽；

4)检查光纤开窗处中心是否与相位掩膜版中心对齐，未对齐且开窗处中心偏左则开启第一定位夹具101，在第二定位夹具102右侧轻拉光纤使其对齐；若未对齐且开窗处中心偏右，合上第二定位夹具102，打开第一定位夹具101，再开启第二定位夹具102，在第一定位夹具101左侧轻拉光纤使其对齐；若对齐，合上第二定位夹具102；

5)打开第一固定夹具103，将光纤略微绷直放入其中，合上第一固定夹具103；

6)打开第二固定夹具104，将光纤略微绷直放入其中，合上第二固定夹具104；

7)打开第一定位夹具1101，打开第二定位夹具102；

8)预紧力施加装置105与升降台106连接，并调节升降台106高度，使得预紧力施加装置105与光纤保持无接触状态；

9)调节升降台106高度，使得预紧力施加装置105与光纤开始接触并开始对光纤产生预紧力，通过光纤刻写在线监测系统实施监测，调节升降台微分头，使得预紧力大小精确与要求相符；

10)锁紧预紧力锁定夹具107的两个螺杆，保证此时预紧力大小固定不变；

11)合上第一定位夹具101，合上第二定位夹具102；

12)进行光纤光栅刻写；

13)打开第一定位夹具101；打开第二定位夹具102；打开第一固定夹具103；调节升降台高度，使得预紧力施加装置105与光纤保持无接触状态，取下预紧力施加装置105；打开第二固定夹具104；松开预紧力锁定夹具107，取下光纤光栅。

刻写载氢增敏的光纤，理论刻写波长为1533.999nm，记载不同大小的预紧力要求刻写出波长从1531.000、1531.500nm、1532.000nm、1532.500nm、1533.000nm、1533.500nm的光纤光栅。

重复多次试验的结果如图2所示，得到采用此装置制作的光纤光栅波长的误差小于0.05nm。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。