基于双金属结构的光纤光栅温度不敏感滤波器
0 引 言
光纤陀螺仪(FOG)在战术导弹制导、陆地交通导航、航天姿态调整等领域应用广泛[1]。高精度光纤陀螺仪光源对其平均波长稳定性具有较高的要求。如标度因数稳定性优于5 ppm (1 ppm=10–6)的惯导级光纤陀螺,在–45~70 ℃的温度范围内,要求光源平均波长稳定性优于1 pm/℃[2]。因此,大温度范围下减小温度对光源的影响是提高光源平均波长稳定性的关键技术之一,对提升光纤陀螺性能具有重要的研究意义[3]。
目前,提高平均波长稳定性的方法主要包括优化光源结构[4-5]、使用新型光纤[6-7]及在光源中加入滤波器[8-11]。光源中加入的滤波器主要有长周期光纤光栅[8]、啁啾光纤光栅[10]、高斯滤波片[11]等。
对光纤光栅滤波器进行温度补偿可以有效抑制光源平均波长的变化,提升光源输出波长的稳定性、可靠性,实现光源系统的全光纤化。
近几年,国内外学者提出了许多光纤光栅温度补偿方法[12-17],主要采用设计适当的结构封装[12,15-16]和利用负热膨胀材料[13]封装。武汉大学易本顺[12]等人利用磁场和磁致伸缩效应对光纤光栅的温度进行补偿,在22~80 ℃范围内光栅的波长变化为1.77 pm/℃。南开大学黄勇林等人采用负热膨胀系数材料[13]对光纤光栅进行温度补偿,在–20~44 ℃温度范围内光纤光栅的波长变化为1.25 pm/℃。华中理工大学刘永红[17]等人设计了一种温度补偿组件,在−20~40 ℃温度范围内,光纤光栅经温度补偿后波长变化率为2 pm/℃。对比惯导级光纤陀螺光源对平均波长稳定性要求,目前使用的温度补偿方法所实现的平均波长稳定性还不足以满足应用需求[11]。因此,对光纤光栅温度补偿方法进行进一步研究具有重要的研究意义。
为提高高精度光纤陀螺宽谱光源的平均波长稳定性,文中设计了一种双金属温度补偿结构,该结构能够随温度对光纤光栅进行压缩或拉伸,有效地补偿了光纤光栅由热光效应引起的波长变化,提高了光纤光栅滤波器的温度不敏感性。此外,根据该结构系统地研究了材料热膨胀系数、滤波器几何参数等对滤波器灵敏度的影响,制作了尺寸为74 mm×6 mm×4 mm的温度不敏感滤波器。实验结果表明,在30~60 ℃温度范围内,滤波器的温度灵敏度系数为0.15 pm/℃,较未补偿前降低了近两个数量级。该滤波器可用于较大尺寸的光纤陀螺光源,通过对滤波器尺寸的进一步优化将适用于小尺寸的光纤陀螺光源。
1 温度不敏感光纤光栅滤波器设计
温度不敏感滤波器温度补偿原理是利用双金属结构的热膨胀系数差补偿光纤光栅由热光效应引起的波长漂移[14]。当温度变化时,由于高热膨胀系数材料热胀冷缩的物理特性,使基底与应变传递梁的长度均发生变化。相同条件下,基底和应变传递梁长度变化量的差值传递给光纤光栅,与光纤光栅由于热光效应引起的波长漂移量抵消。因此,降低光纤光栅的温度灵敏度系数可以通过选用适当的双金属材料组合及调整基底和应变传递梁的长度实现[18]。
图1为双金属结构示意图,由基底和两个应变传递梁组成。L1为基底上的两个固定点之间的长度,L2为滤波光纤光栅的长度。
令
式中:参数Pe与
由于光纤光栅的波长漂移量受
假设由机械结构引起的应变无损耗地传递到光纤上,由温度变化引起的光纤光栅应变及相应的光纤光栅温度灵敏度系数可用公式(2)、(3)表示:
由公式(1)~(3),双金属结构的温度灵敏度系数可表示为:
由公式(4)可见,基底和应变传递梁的热膨胀系数和长度影响着滤波器的温度灵敏系数。当滤波器的几何参数固定,即L1和L2的值不变时,双金属结构的温度灵敏度系数与双金属材料的热膨胀系数差有关。当材料确定后,光纤光栅温度灵敏度系数是与材料长度相关的常数。从理论上保证了采用光纤光栅制作温度不敏感滤波器,可以得到很好的线性输出。为了更加直观地分析温度灵敏度系数与双金属材料的热膨胀系数和几何参数的关系,设定几种材料进行关系曲线绘制。20 ℃时,常见几种材料的热膨胀系数如表1所示。
表 1. 常见材料的热膨胀系数
Table 1. Thermal expansion coefficient of common materials
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当基底选用低热膨胀系数的材料、应变传递梁选用高热膨胀系数的材料时,光纤光栅中心波长为1533 nm,滤波器的温度灵敏度系数与L1/L2的曲线关系如图2所示。
温度升高时,由于金属材料的物理特性导致双金属结构对光纤光栅处于压缩状态,而光纤光栅由于热光效应的影响处于膨胀拉伸状态。当L1/L2的值较大时,双金属结构对光纤光栅压缩处于主导地位,因此温度灵敏度系数为负[18],相反情况下温度灵敏度系数为正。必存在一个L1/L2,使双金属材料压缩量和光纤光栅拉伸量抵消,使滤波器的温度灵敏度系数为零。选取双金属结构材料分别为黄铜/铝、铁/黄铜、铁/铝、殷钢/铝,殷钢/黄铜、殷钢/铁,当L1/L2=7.766、5.172、3.798、2.896、2.585、2.438时,双金属结构的温度灵敏度系数近乎为零。表2为温度灵敏度系数在小范围区间变化时,不同金属材料组合后L1/L2的变化范围,其中x表示L1/L2,∆Y为双金属结构温度灵敏度系数变化量。
表 2. 不同金属材料组合后L1/L2的变化范围
Table 2. Variation range of L 1/L 2 with different combinations of metal materials
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由表2可知,在相同温灵敏度系数变化范围,斜率的绝对值越小,L1/L2变化范围越大。此时,封装操作的可控制范围更大,更利于滤波器的封装。因此,黄铜/铝的组合适用于温度不敏感滤波器的封装。温度灵敏度系数约为0时,L1/L2约为7.766。
表3为理想状态下,定量L1(或L2)对应变量L2(或L1)的取值范围。此时,温度灵敏度系数变化量为0.1 pm/℃,L1/L2的取值范围为7.766±0.017。
表 3. 定量对应变量的取值范围
Table 3. Value range of quantitative corresponding variables
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对比变量的取值范围,就封装操作的可调范围而言,固定L2后L1的取值范围是固定L1后L2取值范围的7倍。因此,固定L2后实验操作的可调范围更大。表4为固定L2=8 mm后,理论计算出的L1/L2与温度灵敏度系数的关系。
表 4. L1/L2与灵敏度系数的关系
Table 4. Relationship between L 1/L 2 and sensitivity coefficient
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由表4可知,理想情况下制作温度不敏感滤波器应设计L1/L2的值为7.766,L2为8 mm,L1为62.128 mm。此时可实现温度灵敏度系数为0.00005 pm/℃,在–45~70 ℃的温度范围内,光纤光栅的波长变化为0.00575 pm。
2 温度不敏感光纤光栅滤波器的制作
2.1 滤波光栅刻写
在已有的准分子激光刻写系统的基础上,通过在掩模板前放置狭缝和调节光纤与掩模板之间的距离来控制光纤上的有效曝光长度,采用单缝衍射的方法控制光束强度的分布,从而对光栅进行切趾,实现超短光纤光栅的制作[19]
2.2 温度不敏感滤波器的封装
图4为温度不敏感光纤光栅滤波器的装配及实物图。该滤波器主要由基底、应变传递梁、光纤光栅等组成。胶粘剂将光纤光栅固定于两传递梁中心位置,以保证滤波器所受应变和温度变化有效传递到光纤光栅上。
图 4. 温度不敏感滤波器(a)示意图及(b)实物图
Fig. 4. (a) Schematic diagram and (b) physical drawing of temperature insensitive filter
温度补偿机构的基底采用热膨胀系数较高的黄铜,传递梁采用的是热膨胀系数较低的铝。应变传递梁两端设有两个控制端,将右侧传递量固定,左侧固定端与应变传递梁为活动连接,可以随时更改接入的应变传递长度。制作了L1长度为69 mm,L2长度为8 mm、67.1 mm、65.35 mm及62.25 mm的温度不敏感滤波器。将滤波器放置在DB-1数显不锈钢电热板上,使用EA1C-1V胶水进行两点式封装。封装前,首先用酒精对传递梁进行内外清洗,达到去污效果,保证传递梁与环氧树脂有良好的粘结型。然后将基底与传递梁组合后置于精密光纤调整架中央平台,小心地将光纤光栅穿入铝管中,调整光纤调整架的左右高度,使光栅位于两个铝管中央。然后调整光纤架使光纤光栅施加少量的张力,在此过程中监测光谱仪观察光纤光栅中心波长,直到中心波长移动0.5~1 nm[13]。封装时,先将光纤光栅的中心对准滤波器缺口的中心位置,使光纤光栅悬空放置,以保证光纤光栅被拉伸时内部应力均匀。用注射器将调配好的环氧树脂注入两根铝管端点处,等待其完全固化。滤波器的尺寸参数如表5所示。
表 5. 滤波器尺寸参数
Table 5. Filter size parameters
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3 滤波器的测试与结果分析
搭建如图5所示的实验装置,研究温度对光纤光栅滤波器的影响。实验器材包括宽谱光源、光谱仪、FLUKE7381深井台式恒温槽等。将封装好的滤波器置于FLUKE7381深井台式恒温槽中,由宽带光源发出的光信号经单模光纤引入滤波器中,然后对滤波后反射回光谱分析仪(OSA)的光信号进行分析。
ASE宽谱光源的输出波长范围为1530~1565 nm,滤波光栅的中心波长为1550 nm,光谱仪型号为AQ6370D。实验中,调节恒温槽温度分别为30、40、50、60 ℃,每个温度节点静置10 min,然后记录滤波器的中心波长。
由理论分析可知,滤波器的温度灵敏度与L1/L2呈线性关系,因此必定存在一个L1/L2,使滤波器温度灵敏度系数接近于0。实验结果表明,L1=67.1 mm,L2=8 mm,即L1/L2约为8.39时温度灵敏度系数最接近于0。表6为不同L1/L2对应的温度灵敏度系数。
表 6. 不同L1/L2对应的温度灵敏度系数
Table 6. Temperature sensitivity coefficient corresponding to different L 1/L 2
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实验结果表明,光纤光栅滤波器的温度灵敏度系数随L1/L2的增大而降低,达到了预期效果。由图6可知,当恒温槽的温度从30 ℃加热到40 ℃时,中心波长的漂移量较大,可能是由于铝制悬臂梁传热速度较慢。前期测试实验中温度不敏感滤波器经温度跳变后,光纤光栅中心波长波动较大。经长时间观察及多次实验后发现预紧力释放实验有助于提高滤波器的稳定性。预紧力释放实验如下:将封装好的滤波器置于高温(100 ℃)与室温(约23 ℃)两个温度点间切换,约15个循环。目的是释放封装前对光纤光栅施加的部分应变力,最终光纤光栅滤波器的中心波长稳定性较好。
图 6. 测试光纤光栅滤波器中心波长随温度变化拟合曲线图
Fig. 6. Fitting curve of the center wavelength of the tested fiber grating filter with temperature
对比表4和表6,发现实验测得的L1/L2的值和理论推理的有差异,可能存在以下几种原因。(1) 封装过程中胶的杨氏模量、光纤预紧力大小、胶的热固性等存在误差。(2) 环氧树脂和应变传递梁还未完全粘黏固化,导致封装后的光纤光栅的应变传递率降低。(3) 金属材料不纯,例如铝的热膨胀系数为23.2×10−6/℃,而纯铝的热膨胀系数为23×10−6/℃。(4) 应变传递梁的应变传递系数与光纤性能参数、粘接层杨氏模量和粘接两端距离有关。当光纤性能参数确定后,平均应变传递率随着粘接层材料的杨氏模量增大而增大,因此当环氧树脂胶的杨氏模量较小时,应变传递效率将低于95%。平均应变传递率随着胶厚度的增大而减小,其中理想粘接时滤波器的平均应变传递率大于98%,因此对于两点式封装应尽量减小粘接层厚度,适当地增大胶结层宽度和滤波器的粘贴长度即增大两个点胶位置与缺口长度。因此,滤波器的温度灵敏度系数可能和两个点胶位置与缺口长度的关系、使用胶的杨氏模量等有关,使得应变传递梁的传递效率达不到100%。实验结果表明,在30~60 ℃温度范围内,L1/L2=8.39,即L1=67.1 mm、L2=8 mm时光纤光栅滤波器的灵敏度系数最低为0.15 pm/℃,波长变化量仅4.5 pm,满足高精度光纤陀螺光源的应用需求。
4 结 论
文中成功设计并制备了包含黄铜基底和铝应变传递梁的双金属温度补偿结构,因为两种金属材料的热膨胀系数不同,可以补偿光纤光栅由热光效应引起的波长漂移。分析双金属结构模型,系统研究了材料热膨胀系数、滤波器几何参数等对滤波器灵敏度的影响。研究表明,基底材料金属上两个固定点之间的长度L1和滤波光纤光栅的长度L2的比值与温度灵敏度系数呈线性关系。通过优化L1/L2,使得金属材料压缩量和光纤光栅拉伸量抵消,使滤波器的温度灵敏度系数为零。进一步通过控制变量法对比发现,控制L2调节L1时,封装操作的可调节范围更大,更利于后期滤波器的封装操作。基于双金属结构制备了尺寸为74 mm×6 mm×4 mm的温度不敏感滤波器。实验结果表明,在30~60 ℃的温度范围内,L1/L2为8.39、基底长度为67.1 mm、滤波光栅长度为8 mm时,滤波器中心波长随温度变化漂移量达到了0.15 pm/℃。该滤波器适用于较大尺寸的光纤陀螺光源,通过对滤波器尺寸的进一步优化,将适用于较小尺寸的光纤陀螺光源。
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