溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置的制造方法
【專利摘要】本發明由兩層不同膨脹系數材料組成的濾波裝置，是以外層低膨脹系數金屬套管總長度對溫度變化產生的長度，來比較其內置高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度，受溫度變化引起的長度差，對其內內置己預拉的高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長造成放松張力或伸張張力的作用，達到以增減折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長位移的一種結構。
【專利說明】
溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置
技術領域
[0001]本發明有關于一種光波濾波裝置，特別是一種光纖布拉格光柵自體外被覆彈簧的預緊溫度補償技術，達成精確濾波的裝置結構。
【背景技術】
[0002]現有的以光纖制成光纖布拉格光柵(Fiber Bragg’s Grating以下簡稱FBG)作為光纖濾波功能，可以依此光纖光柵所默認的光柵周期長Λ所造成默認布拉格回授(Bragg’ s Feedback)波長λ B反射光波的接收作為一種光纖通信的精確濾波裝置。FBG是利用布拉格繞射(Bragg Diffract1n)所產生的回授作用，將滿足布拉格條件(Braggcondit1n)特定波長稱為回授布拉格波長λ B，其與射入方向相反的方向，反射回到射出光波的掃描儀器來分析，可以量測接收波長是否增減；或是將反射波長分光射入通信接收設備，可以檢出預設接收波長中的調變載波信號內容。此回授布拉格波長λΒ，以下式表示:
[0003]λΒ=2ηΛ(I)
[0004]Λ為布拉格光柵周期長，η為光纖有效折射率。此回授布拉格波長λ Β的波長值受溫度的變動引起光纖核心材料折射率η的增減，或光纖光柵受力使Λ間距的改變而改變。溫度不變時，當此FBG用于應變量測功能時，光纖光柵受到外力作用產生的應變，所造成原本Λ間距的改變量為△ Λ，代入式(I)可得
[0005]ΔλΒ=2ηΔΛ(2)
[0006]依應變ε定義，設I為受力體標距長度，Δ I為受力變化長度
[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]以上是在溫度不變時；其折射率η為定值下的假設，常以預設波長變化比例，亦即以△ λ Β/λ Β來量測FBG所貼結構的應變值的計算式。但在溫度變化時，來量測波長變化A λ Β相對原預設布拉格回授波長λ ^變化比例，常以下式表示:
[0013]Δ λβ/λβ = (1-Pe)A ε+(α?+ζ) ΔΤ (5)
[0014]P e為有效的光彈效應值(the effective photo-elastic), a f為熱膨脹系數(the thermal expans1n coefficient), ζ 為石圭質光纖熱光系數(the thermal-opticcoefficient of fused silica fiber)。Δ λ p 為 FBG 回授波長受溫引起的變化值，Δ ε為光柵軸向溫度變化引起的應變變化值，及AT為溫度變化。實際上，溫度改變時的光纖導光核心玻璃分子疏密度變化下，折射率η跟隨改變；則縱使在FBG未受任何施力下的原預設布拉格回授波長λΒ也產生飄移變化。這對于光纖通信以點對點固定波長通信的正確性要求，常產生信息漏接的后果，必需加以改善。因任何通信使用環境想維持恒溫，使FBG內的折射率值不變的電路成本太高，必須以自然物理技術的原理并利用最低成本的方式，來補償溫度所引起的固定通信波長λ飄移變化的問題。
[0015]現有的對于溫度變化引起布拉格回授波長λ Β產生波長飄移變化的溫度補償技術，有 Morey 等以 U.S.Pat.N0.5，042，898 的，，Incorporated Bragg filter temperaturecompensated optical waveguide device”所揭不如其內容中圖3?4裝置；另一如U.S.Pat.N0.6, 493, 486Finisar Corporat1n, Chen 的，，Thermal compensated compactBragg gating filter”所揭示內容的圖6?8及其內揭示的圖3、圖4、圖5等現有技術等結構來達成。以上各種結構或裝置，大多以兩種不同膨脹系數的金屬材料，組成各不同幾何形狀結構；如雙金屬條狀、c型夾或軸中棒形等結構；當此結構受冷熱溫度變化所產生的物理長度差距，而迫使結構中FBG因軸向受力的伸縮、側向受力彎曲的伸縮或扭轉受力的伸縮等作用，產生了光柵周期A Λ變化量。此刻意在結構施加的△ Λ變化量，是為了反向彌補FBG自身因受冷熱的物理長度增減，造成原設布拉格光柵周期長Λ其內的△ Λ變化量的調回作用。本說明書以圖1說明Morey的U.S.Pat.N0.5，042, 898及以圖2說明Chen的U.S.Pat.N0.6，493，486的裝置。圖1為現有的U.S.Pat.Νο5, 042，898的裝置剖面圖，圖中，20為光纖濾波裝置，10為進出光纖濾波裝置的光纖，13為布拉格光柵段長部，17為10在進入光纖濾波裝置的光纖段長部，21 (28)為第I溫度補償元件，22 (29)為第2溫度補償元件，23為21的第I溫度補償元件中凹處，24為22的第2溫度補償元件凸出部，25為橋接光纖10進入端26及24凸出部固定點27間所連接17和13光纖兩段長，30為對光纖預拉元件，31為預拉施力能彈回的彈簧。本說明圖2為現有U.S.Pat.N0.6，493，486剖面圖，即Chen的U.S.Pat.N0.6，493，486其圖6剖面圖的裝置，圖中80為溫度補償布拉格光柵濾波裝置，82為進出光纖濾波裝置的光纖，90為光纖塑料被覆，84為光纖軸心核心，86為光纖纖殼，88為光纖布拉格光柵段長部，92為和82光纖互相扭緊的光纖元件，104為扭緊調整元件，106為104成對溫度補償元件，96為104扭緊調整元件固接點，98為106上和96扭緊調整距長固接點，94為104扭緊調整元件和106成對溫度補償元件黏接固定點。
[0016]實際上，光纖內部應力和其折射率有比例依存關系。因此溫升時；如放松張力(Stress)或扭力(Tors1n)，可減少折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長的位移。圖1可見是以其對光纖預拉組件30中的彈簧31作為預拉光纖光柵而能彈回的施力，產生光纖光柵非軸向應力。當溫度增加使22的第2溫度補償元件較高膨脹系數材料凸出部24延伸而松弛13光纖FBG應力，亦即放松張力(Stress)，可減少折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長的位移。圖2是以其對光纖預拉元件30中的彈簧31作為預拉光纖光柵而能彈回的施力，產生光纖光柵非軸向應力。當溫度增加使104的溫度補償元件較高膨脹系數材料96扭緊光纖光柵88部的松弛而降低原先光纖FBG所扭緊的扭力。此即放松扭力(Tors1n)，可減少折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長的位移。以上現有發明的技術結構，也充分利用上式(5)的維持Δ λ ρ不變，亦即Δ λ e= O讓左式Δ λ β/λβ =0;則溫度縱使有所變化，即光柵軸向因溫度變化AT引起的應變變化值△ ε予以反比例調整。因在溫度增加時，釋放松應力或扭力；在溫度降低時，旋緊應力或扭力，使AAfi=O以達到溫度補償目的。以上所見現有的技術用來調整FBG光纖光柵的機械結構方法，雖然逐漸縮小體積及有降低成本的進步性；但其中FBG在真正預設的中心回授波長選定時，除了以不同膨脹系數材料元件組合外；還必須制造預拉緊的施力元件裝置或使FBG扭緊的元件，使溫度補償結構體積變大。特別是，此結體相對于纖細如外徑250 μ m的光纖可視為十分龐大的結構。尤其在電信機房光纖十分密集的配線架是空間浪費，必須加以縮小以符合真正「光纖到家」全面實現到來時的配線架空間需求。
【發明內容】
[0017]當光纖光柵FBG作濾波檢測目的時，必先決定其正常工作溫度范圍。技術上通常是在常溫裝設時，要先預留最低溫工作條件時的FBG被壓縮量，以備工作環境溫度降低時FBG符合有隨溫度降低時光纖材料線性彈性域的縮收；或溫度增加時的光纖材料線性彈性域的伸長。否則在真正最低溫工作時，沒被預拉的FBG，無法隨溫度變化成為線性比例關系而容易產生應變遲滯而失準確性。光纖光柵FBG的預負荷(Preloading)，在現有的技術常以預拉緊、預彎曲或預扭緊來實作且以光纖預拉稱之，此己在上述現有的技術說明，且其龐大體積的缺點已說明過。因此實作上先預拉FBG至預訂的操作中心波長的同時，也達到了預留最低溫工作條件時的FBG被壓縮量的結果，己對FBG自身內蓄一應力或扭力。此一內蓄應力或扭力，依上式(5)及上述說明內容其己儲備一可作為溫度補償功能的起點。只要提供適當可選擇的一對高低膨脹系數材料或產生隨溫度增加時使FBG松弛(relief)的結構，即可達到溫度補償功能。
[0018]本發明提供了一種溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，此裝置是由下列元件組成:
[0019]一單模態光纖，此光纖內有一段長光纖光柵；及
[0020]一定長度被覆其內置單模態光纖的高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧，此彈簧做溫度補償的總段長是由己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧的段長串聯具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧的組合段長接合而成；及
[0021]一頭端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧的預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及
[0022]一尾端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及
[0023]一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層低膨脹系數金屬套管；此套管兩端由兩個無預拉固定連接環或固定膠固定其內置高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度；及所有元件以光纖軸心同心共構方式組成的光纖光柵濾波裝置，本溫度補償光纖布拉格光柵濾波裝置的特征為，外層低膨脹系數金屬套管總長度對溫度變化產生的長度，和其內內置高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度，受溫度變化產生的長度差，對其內內置預拉的高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長所造成放松張力或伸張張力作用，以達到增減折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長位移的結構者。
[0024]本發明還提供了一種溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，此裝置是由下列元件組成:
[0025]一單模態光纖，此光纖內有一段長光纖光柵；及
[0026]一定長度被覆其內置單模態光纖的第一條高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧，此彈簧做溫度補償的總段長是由己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧的段長串聯具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧的組合段長接合而成；及
[0027]—頭端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧的預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及
[0028]一尾端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及
[0029]一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧；此不同卷向的松被覆彈簧兩端由兩個無預拉固定連接環或固定膠固定其內置第一條高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度；及所有元件以光纖軸心同心共構方式組成的光纖光柵濾波裝置，本溫度補償光纖布拉格光柵濾波裝置的特征為，外層第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧總長度對溫度變化產生的長度，和其內內置高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度對溫度變化產生的長度差，對其內內置預拉的高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長所造成放松張力或伸張張力作用下，達到以增減折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長位移的結構者。
[0030]本發明將一光纖光柵以同心組合方式，先在其外環表面套上(或稱為松被覆；一種均勻空隙且無光纖軸向摩擦阻力的包覆方法)第一條高膨脹系數彈簧后；再松被覆第二條低膨脹系數且不同卷向的彈簧在第一條彈簧上，來構成一種溫度補償光波濾波裝置的結構，如圖3所示。圖3為松被覆第二條低膨脹系數且不同卷向的彈簧縱向剖面圖。其中圖3所示元件:102為光纖核心、201為125 μπι裸光纖、202為250 μm外徑樹脂被覆保護層、203為125 μπι光纖核心有光柵區域、204為250 μπι外徑樹脂再被覆保護層、301為外被覆上段長0.9mm外徑圓筒形拉張螺旋彈簧；取0.9mm外徑圓筒形拉張螺旋彈簧目的是有利于商用化大量使用的光纖外被覆材料如PE的同外徑對接(以下同)、302為0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧、303為0.9mm外被覆下段長圓筒形拉張螺旋彈簧、304為上端光纖與彈簧預拉固定連接環或固定膠、305為下端光纖與彈簧預拉固定連接環或固定膠、306為0.9mm外被覆下端圓筒形拉張螺旋彈簧與光纖無預拉固定連接環或固定膠、308為連接環或固定膠，其為0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧與第二條低膨脹系數且不同卷向彈簧上端座圈的無預拉固定連接環或固定膠、309為連接環或固定膠，其為0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧與第二條低膨脹系數且不同卷向彈簧下端座圈的無預拉固定連接環或固定膠、311為外松被覆第二條低膨脹系數且不同卷向的彈簧總長、312為溫度補償0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧具密著初張力高膨脹系數溫度補償段長部分等元件所構成。其中301的0.9mm外被覆上段長圓筒形拉張螺旋彈簧聯結302的0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧及聯結303的0.9mm外被覆下段長圓筒形拉張螺旋彈簧總段長形成的0.9mm外被覆保護其軸內光纖及光纖光柵全圓筒形螺旋彈簧的結構，是利用本發明人2015年I月20日申請案號為第104101751號的「自體預拉全彈簧被覆的光纖檢測結構」中的自體全彈簧被覆的光纖結構預拉技術。其預拉技術為利用在一圓筒形拉張螺旋彈簧與壓縮螺旋彈簧組成的彈簧內置一FBG而形成具有彈性伸長彈性域內的預拉應力技術，來縮小光纖光柵濾波裝置在現有技術使用龐大機械結構的體積并降低其成本；但本自體彈簧被覆的預拉技術并不主張于本發明的專利范圍請求項內。而311外松被覆第二條低膨脹系數的彈簧(例如右卷向)；和301串連302再串連303所形成第一條高膨脹系數的彈簧(例如左卷向)有不同卷向，是為了避免同心組合的內外兩圓筒形螺旋彈簧因不良操作意外地互相嚙合，以及溫度變化時內外兩彈簧長度增減不同所造成扭轉的平衡控制目的。
[0031]本發明二項主要溫度補償作用之中:其一的光纖光柵預拉作用，是由0.9_外被覆上段長圓筒形拉張螺旋彈簧301和0.9mm外被覆下段長圓筒形拉張螺旋彈簧303中間的
0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302段長，先壓縮螺旋彈簧且將其軸心內光纖光柵兩端304及305以連接環或固定膠作光纖與彈簧預拉固定后釋放，以完成FBG預拉作用。此種利用彈簧彈性特性做光波級數精密量測材料應變的新技術，目的在創造一圓筒形拉張螺旋彈簧與壓縮螺旋彈簧所組成的彈簧結構，以內置一 FBG于壓縮螺旋彈簧軸心，先壓縮彈簧固定其內FBG標距長后，再釋放被壓縮螺旋彈簧以達到光纖光柵被預拉作用。因其符合彈性伸長彈性域內的彈性模數技術，實施虎克定律以直線關系完成預拉值設定目的。又因壓縮彈簧不但可以固定內置FBG后再釋放施力的預拉FBG作用；同時又可以壓縮螺旋彈簧形成堅硬如鋼殼自身保護穿過其內脆弱FBG光纖目的。本發明二項主要溫度補償作用之中，其二作用光纖光柵預拉應力或扭力釋放，對結構材料熱膨脹系數差產生的溫度補償作用。例如溫度升高時，此作用則由第二條不同卷向的外松被覆彈簧311兩端308和309固定連接環所形成固定距離，因其低膨脹系數的伸長量較低；限制其內302串連312所結合較高膨脹系數總段長的較高伸長量。此迫使312具密著初張力且高膨脹系數的圓筒形拉張螺旋彈簧段長，推向相同外徑0.9_外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302的段長。而原本此段長的圓筒形壓縮螺旋彈簧302是為了獲得預負荷的作用，FBG己先預拉。因此312因熱延伸結果，如同放松(relief)原預負荷的預拉作用，正如同降低折射率來避免波長變化的作用。由于上述說明利用光纖內部應力和其折射率有比例依存的關系。因此溫升時；如放松張力(Stress)或扭力(Tors1n)，可減少折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長的位移。
【附圖說明】
[0032]圖1現有的U.S.Pat.N0.5，042，898的裝置剖面圖；
[0033]圖2現有的U.S.Pat.N0.6，493，486的裝置剖面圖；
[0034]圖3松被覆第二條低膨脹系數且不同卷向的彈簧縱向剖面圖；
[0035]圖4一種以低膨脹系數外套管松被覆的溫度補償光波濾波裝置剖面圖；
[0036]其附圖標記為:
[0037]10進出光纖濾波裝置的光纖 13布拉格光柵段長部
[0038]17光纖在進入光纖濾波裝置的光纖段長部
[0039]20光纖濾波裝置 21第I溫度補償元件
[0040]22第2溫度補償元件23第I溫度補償元件中凹處
[0041]24第2溫度補償元件凸出部
[0042]25橋接光纖進入端26及24凸出部間光纖兩段長元件
[0043]26光纖進入端固定點27第2溫度補償元件凸出部固定點
[0044]30對光纖預拉元件 31預拉施力能彈回的彈簧
[0045]80溫度補償布拉格光柵濾波裝置
[0046]82進出光纖濾波裝置的光纖 84光纖軸心核心
[0047]86光纖纖殼88光纖布拉格光柵段長部
[0048]90光纖塑料被覆 92和82光纖互相扭緊的光纖元件
[0049]94扭緊調整元件和成對溫度補償元件黏接固定點
[0050]96扭緊調整元件固接點
[0051]98 106上和96扭緊調整距長固接點
[0052]102光纖核心104扭緊調整元件
[0053]106成對溫度補償元件 201 125 μπι裸光纖
[0054]202 250 μπι外徑樹脂被覆保護層
[0055]203 125 μ m光纖核心有光柵區域
[0056]204 250 μ m外徑樹脂再被覆保護層
[0057]300不銹鋼外被覆高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧
[0058]301外被覆上段長圓筒形拉張螺旋彈簧
[0059]302外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧
[0060]303外被覆下段長圓筒形拉張螺旋彈簧
[0061]304上端光纖與彈簧預拉固定連接環或固定膠
[0062]305下端光纖與彈簧預拉固定連接環或固定膠
[0063]306外被覆下端圓筒形拉張螺旋彈簧光纖無預拉固定連接環或固定膠
[0064]308連接環或固定膠 309連接環或固定膠
[0065]311外松被覆第二條低膨脹系數且不同卷向的彈簧總長
[0066]312外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧高膨脹系數溫度補償段長
[0067]314外松被覆第二層低膨脹系數金屬套管
【具體實施方式】
[0068]實施例:以低膨脹系數外套管松被覆的溫度補償光波濾器的結構，上述如圖3 —種以第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧的溫度補償光波濾器的結構，是使用于無水氣和塵埃污染的環境。但于有水氣和塵埃污染使用的環境；則如圖4所示以低膨脹系數外套管松被覆的溫度補償光纖光柵濾波裝置的結構實施。圖4為一種以低膨脹系數外套管松被覆的溫度補償光纖光柵濾波裝置的剖面圖。本實施例發明將低膨脹系數外套管松被覆的314殷鋼或石英玻璃管代替圖3中圖示311的松被覆第二條低膨脹系數且不同卷向的彈簧結構而己。低膨脹系數外套管松被覆的314殷鋼或石英玻璃管不但以低膨脹特性的308至309兩端段長，提供限制其內302串連312所結合較高膨脹系數總段長的較高伸長量，迫使312具密著初張力且高膨脹系數的圓筒形拉張螺旋彈簧段長，推向相同外徑0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302的段長，使光纖光柵預拉應力或扭力釋放，對結構材料熱膨脹系數差產生的溫度補償作用。其作用又可以為此密閉的外管防止水氣和塵埃侵入內部松被覆的壓縮彈簧，及其內以同心組合方式的光纖光柵能維持在彈性限域內正常工作。圖4中所示元件:102為光纖核心、201為125 μπι裸光纖、202為250 μm外徑樹脂被覆保護層、203為125 μπι光纖核心有光柵區域、204為250 μπι外徑樹脂再被覆保護層、300為不銹鋼外被覆高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧、301為0.9mm外被覆上段長高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧、302為0.9mm外被覆高膨脹系數圓筒形壓縮螺旋彈簧、303為0.9mm外被覆下段長高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧、304為上端光纖與彈簧預拉固定連接環或固定膠、305為下端光纖與彈簧預拉固定連接環或固定膠、306為0.9mm外被覆下端圓筒形拉張螺旋彈簧與光纖無預拉固定連接環或固定膠、308為連接環或固定膠，其為0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧與外松被覆第二層低膨脹系數金屬套管上端座的無預拉固定連接環或固定膠、309為連接環或固定膠，其為0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧與外松被覆第二層低膨脹系數金屬套管下端座的無預拉固定連接環或固定膠、314為外松被覆第二條低膨脹系數金屬套管如Invar殷鋼或S12管、312為溫度補償0.9mm外被覆具密著初張力圓筒形拉張螺旋彈簧高膨脹系數溫度補償段長部分等元件所構成。
[0069]本發明二項主要溫度補償作用之中:其一的光纖光柵預拉作用，是由0.9_外被覆上段長圓筒形拉張螺旋彈簧301和0.9mm外被覆下段長圓筒形拉張螺旋彈簧303中間的
0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302段長，先壓縮螺旋彈簧且將其軸心內光纖光柵兩端304及305以連接環或固定膠作光纖與彈簧預拉固定后釋放，以完成FBG預拉作用。此預拉作用是為了預先拉伸FBG來形成線性彈性域內能夠在容許的最低溫度下工作，光柵受應力應變關系的一種預留被壓縮量。本實施例的FBG預拉作用，是當預設標距長的壓縮彈簧302被預壓縮后固定其兩端的光纖與彈簧預拉固定連接環，亦即圖4上光纖與彈簧預拉固定連接環304部位及下光纖與彈簧預拉固定連接環305部位。當兩連接環以預定間距固定在壓縮彈簧軸內沒被壓縮的裸光纖201上，再放開被壓縮彈簧而獲得預定的預先張力，此等同現有的在各型檢測元件結構上的事先預拉FBG的作用。
[0070]假設本光纖光柵濾波裝置預訂在工作溫度下降至零下25°C時能保持線性關系，來計算其最大容許壓縮應變量。因FBG溫度變化產生波長飄移為每0.1°C，飄移量為Ipm(=1x10 12M)。則當常溫25°C工作溫度下降至零下25°C，共約下降50°C。亦即工作波長將降約500pm( = 0.5nm)。在設計此一壓縮彈簧特性時，則以光纖光柵在常溫25°C時預拉0.5nm波長位移量，才可達到在零下25°C時的預壓縮量的需求計算。由于光纖光柵段長預拉0.5nm波長位移量依光纖光柵制成后的數據關系，每預拉Inm約需80克施力，則壓縮彈簧需壓縮施力為40g( = 0.04kg) ,P = 0.04kg。當壓縮彈簧壓縮施力釋放時，可對FBG反向產生40g的預拉力。
[0071]上述圓筒形壓縮螺旋彈簧內的光纖光柵兩固定端點的標距長，先被壓縮再釋放彈簧達到光纖光柵被預拉的作用力P和其受力變形的彈簧撓度δ關系，可以下式表示:
[0072]δ = (8nD3/Gd4) P(6)
[0073]d為不銹鋼素線直徑
[0074]D為平均螺旋直徑
[0075]G為橫彈性系數
[0076]η為有效圈數
[0077]其中可設一彈簧指數為c，c = D/d，則式(6)可以下式表示:
[0078]δ = (8nc3/Gd) P(7)
[0079]= (8nc4/⑶)P (8)
[0080]c = D/d的彈簧指數可以做為彈簧尺寸結構選擇，以設計各種符合彈簧外徑、彈簧內徑、彈簧有效圈數、預拉力或最大容許壓縮應力的彈簧。G所代表的橫彈性系數，是使材料產生單位剪切應變所需的應力，為一種取決于材料特性的常數，同尺寸彈簧的撓度反比于材料的G值。由彈簧軸荷重P所致彈簧的撓度δ可以式(6)計算出來。本例設以η為50圈，d = 0.3mm, D = lmm, P = 0.04kg，G 以不銹鋼橫彈性系數 7.5x 103kg/mm2，由公式(6)可得軸荷重P所致彈簧的撓度S，δ =0.25_。亦即以壓縮螺旋彈簧壓縮0.25_，將緊鄰兩端的拉張彈簧兩密著座圈部位和內置的光纖以樹脂膠固化形成連接環或以金屬壓著形成連接環固定后，再放開預壓縮螺旋彈簧。則可以對內置光纖光柵施力而產生預拉0.5nm波長位移作用，以獲得約50°C溫度工作區間的預壓縮應變量，來承受將來裝置在工作溫度下降至零下25°C時的最大容許壓縮應變量。
[0081]本發明二項主要溫度補償作用，其二作用光纖光柵預拉應力或扭力釋放，為一種對結構材料熱膨脹系數差產生的溫度補償作用。例如溫度升高時，此作用則由第二層外松被覆低膨脹系數殷鋼314的兩端308和309固定連接環所形成固定距離，因其低膨脹系數的伸長量較低；限制其內302串連312所結合較高膨脹系數總段長的較高伸長量。此迫使312具密著初張力且高膨脹系數的圓筒形拉張螺旋彈簧段長，推向相同外徑0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302的段長。而原本此段長的圓筒形壓縮螺旋彈簧302是為了獲得預負荷的作用，FBG己先預拉。因此312因熱延伸結果，如同放松(relief)原預負荷的預拉作用，正如同降低折射率來避免波長變化的作用。因此溫升時；如同放松張力(Stress)或扭力(Tors1n)，可減少折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長的位移。
[0082]實施例中如圖4所示以314為外松被覆第二層低膨脹系數外套管如Invar殷鋼或S12管的溫度補償光波濾器結構；或上述如圖3—種以第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧的溫度補償光波濾器的結構，兩者皆能達到溫度補償作用。但實用上，實施例中如圖4所示以314低膨脹系數外套管如Invar殷鋼或S12管為外松被覆第二層的溫度補償濾波裝置結構，不但能免于水氣和塵埃污染外；更可以準直條件維持其內第一條高膨脹系數彈簧的線性調整環境。低膨脹系數外套管的管厚度，將配合其內302串連312所結合較高膨脹系數總段長的伸長量或由第二層外松被覆低膨脹系數殷鋼314的兩端308和309固定連接環連接其內拉張彈簧位置所形成固定距離和兩膨脹系數差來調整。低膨脹系數外套管的形狀亦可以和其內光纖具有同心共構的圓孔形長方柱組成。
[0083]以上本發明說明書內容及實施例闡述各種細節所引用各參考編號的元件，皆可視為相同或功能上類似的元件，且意欲以極簡化的圖解方式來圖說實例所表示的主要實施特點；因此，此圖示并非意欲描繪出實際實施例的所有特點，亦并非意欲描繪所繪元件的相對尺寸及數量，故所示的圖并非按比例繪成，其按本發明的結構制成光纖光柵濾波裝置或其組成光纖光柵濾波裝置各變化元件結構及其能完整實現可溫度補償結構元件的基本精神所繪成，且僅作為代表光纖光柵濾波裝置可據以等效發揮功能及據以應用的各種樣態，一如實施例所舉外套管的形狀選用亦可以具有同心共構的圓孔形長方柱組成、或選用不同螺距角圓筒形壓縮螺旋彈簧的串接組合結構或選用不同的彈簧指數C，即c = D/d中不同外徑彈簧和素線直徑的組合、鋼材的橫彈性系數G...等中各種制造參數的微調，做本發明可據以更精準應用的一種補述，使光纖光柵濾波裝置應用更為精彩及多元廣闊。
[0084]盡管本文將實施例以低膨脹系數Invar殷鋼或S12管為外松被覆第二層外套管做溫度補償光波濾器結構；或說明書所述一種以第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧做溫度補償光纖光柵濾波裝置的結構，兩者皆能達到溫度補償作用組成的結構圖解說明并闡述本發明的溫度補償結構；但此并非意欲僅將本發明局限于此等圖示細節，因為在以不脫離本發明精神的任何方式的前提下，可對本發明實施各種修改及結構的改變并應用現有知識合并先前技術觀點，再將本發明修改用于各種應用或改用其他材料應用于本發明，且因此，此等修改應該且己意欲包含在隨附申請專利范圍的等效意義及范圍內。
【主權項】
1.一種溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，此裝置是由下列元件組成: 一單模態光纖，此光纖內有一段長光纖光柵；及 一定長度被覆其內置單模態光纖的高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧，此彈簧做溫度補償的總段長是由己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧的段長串聯具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧的組合段長接合而成；及 一頭端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧的預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及 一尾端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及 一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層低膨脹系數金屬套管；此套管兩端由兩個無預拉固定連接環或固定膠固定其內置高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度；及所有元件以光纖軸心同心共構方式組成的光纖光柵濾波裝置，本溫度補償光纖布拉格光柵濾波裝置的特征為，外層低膨脹系數金屬套管總長度對溫度變化產生的長度，和其內內置高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度，受溫度變化產生的長度差，對其內內置預拉的高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長所造成放松張力或伸張張力作用，以達到增減折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長位移的結構者。2.根據權利要求1所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其內內置高膨脹系數做溫度補償的圓筒形螺旋彈簧總段長長度是由己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧一段長度串聯具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧一段長度所組成者。3.根據權利要求1所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其內內置高膨脹系數做溫度補償的圓筒形螺旋彈簧總段長長度是由一段長度具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧；串聯一段長度己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧；再串聯一段長度具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧所組成者。4.根據權利要求1所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層低膨脹系數金屬套管，為一定長度具有和其內光纖同心共構的圓柱形低膨脹系數金屬套管者。5.根據權利要求1所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層低膨脹系數金屬套管，為一定長度具有和其內光纖同心共構的圓孔形長方柱形低膨脹系數金屬套管者。6.—種溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，此裝置是由下列元件組成: 一單模態光纖，此光纖內有一段長光纖光柵；及 一定長度被覆其內置單模態光纖的第一條高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧，此彈簧做溫度補償的總段長是由己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧的段長串聯具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧的組合段長接合而成；及 一頭端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧的預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及 一尾端固定光纖與其外高膨脹系數彈簧預拉固定連接環，此連接環外接彈簧并且內接光纖；及 一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧；此不同卷向的松被覆彈簧兩端由兩個無預拉固定連接環或固定膠固定其內置第一條高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度；及所有元件以光纖軸心同心共構方式組成的光纖光柵濾波裝置，本溫度補償光纖布拉格光柵濾波裝置的特征為，外層第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧總長度對溫度變化產生的長度，和其內內置高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長長度對溫度變化產生的長度差，對其內內置預拉的高膨脹系數圓筒形螺旋彈簧總段長所造成放松張力或伸張張力作用下，達到以增減折射率來補償因溫度引起光柵濾波裝置波長位移的結構者。7.根據權利要求6所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其內內置高膨脹系數做溫度補償的圓筒形螺旋彈簧總段長長度是由己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧一段長度串聯具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧一段長度所組成者。8.根據權利要求6所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其內內置高膨脹系數做溫度補償的圓筒形螺旋彈簧總段長長度是由一段長度具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧；串聯一段長度己預拉光纖光柵兩端的圓筒形壓縮螺旋彈簧；再串聯一段長度具密著初張力高膨脹系數圓筒形拉張螺旋彈簧所組成者。9.根據權利要求6所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧，為一定長度具有和其內光纖同心共構的圓筒形拉張螺旋彈簧者。10.根據權利要求6所述的溫度補償的光纖布拉格光柵濾波裝置，其特征在于，其一定長度由外套接其內做溫度補償總段長彈簧的外層第二條低膨脹系數且不同卷向的松被覆彈簧，為一定長度具有和其內光纖同心共構的圓筒形壓縮螺旋彈簧者。
【文檔編號】G02B6/02GK106094116SQ201510977820
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2015年12月23日
【發明人】楊春足, 蔡永裕
【申請人】晉禾企業股份有限公司