專利名稱：溫度補(bǔ)償光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)裝置，更特別地I涉及一種溫度補(bǔ)償光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)知道光纖布拉格光柵可以被動地、機(jī)械地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而成為“無熱”，即，基本上不受溫度變化的影響，如Morey等人發(fā)明的，序列號5,042,898，題為“組合布拉格濾光溫度補(bǔ)償光波導(dǎo)裝置”的美國專利所述。然而，這種技術(shù)需要復(fù)雜的機(jī)械裝配以及昂貴的制造成本。并且，這種技術(shù)表現(xiàn)出光纖附帶的問題，如蠕變和滯后。進(jìn)一步地，這種技術(shù)不能提供使光柵波長易于進(jìn)行動態(tài)調(diào)整而達(dá)到理想波長的能力。
另外，也已經(jīng)知道有源調(diào)整光柵的應(yīng)變以補(bǔ)償溫度的改變，如通過使用閉環(huán)控制器測量溫度并由此調(diào)整光柵的應(yīng)變。然而，這種技術(shù)需要在源的組成部分補(bǔ)償溫度變化，這增加了裝置的復(fù)雜性和成本，并減少其可靠性。
因而，需要基于這種裝配的光學(xué)布拉格光柵，它基本上不受溫度改變的影響，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的包括提供一種無源光學(xué)無熱裝置，其結(jié)構(gòu)簡單且成本低。
根據(jù)本發(fā)明，溫度補(bǔ)償光學(xué)裝置，包括光學(xué)元件，沿其縱向軸至少有一個光柵置于其中，所述光柵具有一個特性波長，隨環(huán)境溫度及作用于所述光學(xué)元件的軸向壓力而變化，所述光學(xué)元件由具有元件熱膨脹系數(shù)(CTE)的元件材料構(gòu)成；隔離物，接近所述光學(xué)元件的軸端放置，且由具有隔離物CTE的隔離物材料構(gòu)成，所述隔離物的CTE大于元件的CTE；箱體，與所述隔離物和所述光學(xué)元件裝配在一起，使得所述隔離物和所述光學(xué)元件的至少一個部分在工作溫度范圍內(nèi)處于受壓狀態(tài)，所述箱體的箱體CTE小于所述隔離物的CTE；以及所述特性波長在所述工作范圍內(nèi)的改變小于預(yù)定量。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，所述箱體包括一個接近所述隔離物一個軸端放置的端蓋，以及所述箱體包括外部殼體，其一軸端熔接到所述端蓋，另一軸端熔接到所述元件的相對軸端。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，所述光學(xué)元件包括光纖，所述光柵嵌入其中；管，所述光纖和所述光柵沿所述管的縱軸封裝其中，所述管熔接到所述光纖的至少一部分，和/或所述光學(xué)元件包括大直徑光波導(dǎo)(＞0.3mmOD)，該光波導(dǎo)具有外部包層和置于其中的內(nèi)芯。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，所述元件材料包括玻璃材料，所述隔離物包括金屬。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，所述可調(diào)諧元件具有多個置于其中的光柵，或者一對配置作為激光器或者DFB激光器的光柵。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，裝置可以制成全部由玻璃構(gòu)成的整體裝置。
本發(fā)明提供超越已有技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步，提供了一種布拉格光柵裝置，其無源機(jī)械地補(bǔ)償溫度變化，從而光柵波長在預(yù)定溫度范圍內(nèi)基本上不改變。并且，發(fā)明可以包含一個或多個布拉格光柵，一對被配置作為法布里—珀羅干涉儀或者諧振器或者布拉格光柵反射激光器，布拉格光柵分布式反饋(DFB)激光器，或者交互式激光器的布拉格光柵，能體現(xiàn)出在溫度范圍內(nèi)最小的變化(例如，＜50皮米)。本發(fā)明可以用作溫度范圍內(nèi)的非常穩(wěn)定光柵波長參考。另外，本發(fā)明可以調(diào)整到理想波長，在此波長處裝置無熱地運(yùn)行。進(jìn)一步地，本發(fā)明無源地溫度補(bǔ)償光柵，即，沒有任何有源部件或者反饋控制環(huán)，由此減小裝置的復(fù)雜性和成本。
本發(fā)明的前述和其他目的，特征以及益處將在下面典型實(shí)施方式的詳細(xì)描述中更加顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置中具有一個布拉格光柵。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的圖1所示無熱光學(xué)裝置在溫度范圍內(nèi)光柵波長誤差的曲線圖，該裝置包含一對布拉格光柵。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的圖1所示無熱光學(xué)裝置在溫度范圍內(nèi)波長誤差的曲線圖，該裝置包含一對布拉格光柵。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的圖1所示無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置包含一對布拉格光柵。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的圖1所示無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置包含DFB激光器。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的圖1所示無熱光學(xué)裝置的末端橫截面視圖，該裝置包含多于一根的芯。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置包含可選擇的裝置結(jié)構(gòu)。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置包含調(diào)整光柵波長的激勵器。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置包含帶導(dǎo)線的可選擇的裝置結(jié)構(gòu)。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置包含具有可變預(yù)壓縮及可變補(bǔ)償材料長度的可選擇的裝置結(jié)構(gòu)。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的無熱光學(xué)裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置包含可調(diào)整無熱裝置的激勵器。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的圖1所示一部分光學(xué)裝置的彈簧特性曲線圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償材料隔離物的側(cè)視圖，該隔離物具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件的側(cè)橫截面視圖，該光學(xué)元件中光纖熔接到光柵相對端的毛細(xì)管。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)的側(cè)視圖，該光波導(dǎo)具有一對尾光纖部件耦合到其中的相應(yīng)端。
圖16是根據(jù)本發(fā)明無熱裝置的另一實(shí)施方式的側(cè)橫截面視圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的圖16所示無熱裝置的部分放大橫截面視圖。
圖18是根據(jù)本發(fā)明無熱裝置的另一實(shí)施方式的側(cè)橫截面視圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明的圖18所示無熱裝置的部分放大橫截面視圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的圖18所示經(jīng)簡化的無熱裝置的側(cè)橫截面視圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明的圖20所示無熱裝置在100℃δ時的位移曲線圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明無熱裝置的另一實(shí)施方式的立體圖。
具體實(shí)施例方式
溫度補(bǔ)償(“無熱的”)光學(xué)裝置包括內(nèi)部玻璃元件10，該元件具有單一或者少數(shù)幾種模式的內(nèi)芯11，并有一個銘印(或者嵌入或者銘刻)在其中的布拉格光柵12。元件10包括含有適當(dāng)攙雜劑的硅石玻璃(SiO2)，允許光14沿芯11傳播。正如已知的，布拉格光柵12在有效折射率和/或光波導(dǎo)的有效光學(xué)吸收系數(shù)方面呈周期性變化或非周期性變化，如Glenn等人發(fā)明的，專利號為4,725,110和4,807,950，題為“在纖維光學(xué)中銘印光束的方法”的美國專利中所述；以及Glenn發(fā)明的，專利號為5,388,173，題為“在光學(xué)纖維中形成非周期性光柵的方法和裝置”的美國專利中所述，由此將其結(jié)合作為所需內(nèi)容的參考以理解本發(fā)明。
然而，任何嵌入，蝕刻，銘刻，或者以其他方式在元件10上形成的波長可調(diào)光柵或者反射元件，都具有隨溫度變化而變化的特定波長，該特性波長可在想要的時候使用。用在此處的術(shù)語“光柵”意思是任何這種反射元件。進(jìn)一步地，反射元件(或者光柵)12可以用于光的反射和/或透射。
元件10可以由玻璃材料制成，如硅石，熔融的硅石，石英，或者其他玻璃。光14入射到光柵12，光柵12反射其中具有預(yù)定波段的光，該波段以反射波長λb為中心，如線16所示，并使入射光14(在預(yù)定波長范圍內(nèi))剩余波長的光通過，如線18所示。
光柵12可以形成在大直徑波導(dǎo)中，例如杖，如1999年12月6日提交，序列號為09/455,868，題為“大直徑光波導(dǎo)，光柵及激光”的Commonly-ownedCo-pending美國專利申請中所述。
另外，光柵12可以形成在光纖中并封裝其中，熔接到柱狀玻璃毛細(xì)管(參見圖14)的至少一部分，如1999年12月6日提交的序列號為09/455,865，題為“管封裝纖維光柵”的共同未決的美國專利申請中所述。這種情況下，玻璃管由基本上與光纖相同的材料制成，使得管(或者管中鉆孔的內(nèi)徑)熔接到(即，與光纖外表面創(chuàng)造一個分子結(jié)合物，或者與光纖外表面一起熔化)光纖的外表面(或者包層)，從而基本上消除管內(nèi)徑與光纖外徑之間的交界面(即，管內(nèi)徑不能與光纖的包層區(qū)別開)，這一表面如虛線13所示。
在每種情況下，無論使用大直徑波導(dǎo)還是管封裝光纖，芯11外部的玻璃材料都起大包層的作用，如前述共同未決的專利申請所討論的。管封裝光柵和大直徑波導(dǎo)光柵在管與光纖熔接的位置處具有基本上相同的組成和屬性，這是由于管封裝光柵12的末端(或者橫向)橫截面與大直徑波導(dǎo)光柵相接，并且在橫截面處都由基本上相同的材料構(gòu)成，例如涂硅或未涂硅的玻璃材料。這些位置都有光芯和大包層。
每種情況下，對光學(xué)元件10的直徑d2進(jìn)行設(shè)置，從而元件10不會彎曲得超過理想光柵波長的調(diào)整范圍，這需要元件的外徑至少為大約0.3mm，如上述專利申請中所討論的。
光纖19具有芯15和包層17，它可以連接到和/或從元件10取出以將光14接入和/或退出元件10。如果使用大直徑波導(dǎo)，那么光纖19被熔接或以其他方式光學(xué)耦合到元件10的一個或兩個軸端，為熔接光纖或?qū)碜怨饫w的光耦合到大波導(dǎo)而使用任何已知或還在開發(fā)的技術(shù)，它對于申請?zhí)峁┛山邮艿墓鈸p失。如果使用管封裝光纖，那么光纖19從一個或兩個軸端插入/退出元件10，并斷裂和熔接到玻璃管。
元件10呈圓柱形，具有軸端20、22，它們的直徑d1約為3mm，元件10還有稍小點(diǎn)的中間部分24，其直徑d2較小，約為1mm，光柵12定位于此中間部分。如果想要為嵌入元件10的光柵12提供機(jī)械應(yīng)變，則可以使用其他直徑、尺寸和平面圖形。元件10具有“狗骨”形，如前述共同未決的美國專利申請中所述，它們是1999年12月6日提交、序列號為09/455,865，題為“管封裝纖維光柵”的共同未決的美國專利申請；1999年12月6日提交、序列號為09/456,112，題為“可調(diào)壓縮布拉格光柵和激光器”的共同未決的美國專利申請；1999年12月6日提交、序列號09/455,868，題為“大直徑光波導(dǎo)，光柵和激光器”的共同未決的美國專利申請。另外，元件10可采用如虛線21所示的平直幾何圖形代替狗骨形。在這種情況下，元件10的直徑可以是d2或d1，這取決于想達(dá)到的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。狗骨形有助于提高或放大光柵12的抗壓應(yīng)變，光棚提供大表面面積，如上述專利申請中所述。
補(bǔ)償材料隔離物26(或者鐵芯或者片狀器件)的一軸端靠近玻璃元件10的一軸端放置，另一端軸向接近端蓋28放置。隔離物26的直徑d1基本上與元件10的直徑d1相同，長度L5(例如1.1英寸)設(shè)置為提供溫度范圍內(nèi)必需的機(jī)械補(bǔ)償，下文更詳細(xì)地討論。然而，隔離物26的直徑、元件10的直徑和端蓋28的直徑不需要都相同，但是規(guī)定隔離物26提供元件10在溫度范圍內(nèi)所需的機(jī)械應(yīng)變補(bǔ)償，下文更詳細(xì)地討論。隔離物26可以具有一個沿其軸向設(shè)置的孔40。
另外，隔離物26可以位于玻璃元件10的另一側(cè)或者其兩個軸端處，如虛線36所示。這種情況下，隔離物和元件10之間將有一個端蓋38。
外部玻璃管或者殼體30的一個軸端33熔接或者以其他方式剛性連接于元件10的軸端22，外部殼體30的另一軸端34剛性連接于端蓋28。殼體30與元件10，隔離物26，以及端蓋28中的某些部件之間內(nèi)部空腔32。殼體30與元件10之間的間隙g1大約為50微米，殼體30的厚度大約為0.5mm。
隔離物26和/或端蓋28可以有一個穿過它們的軸向孔40?？?0可用于允許連接到元件10的第二光纖42穿過并離開裝置以提供一種兩端穿過裝置。
出于對準(zhǔn)的目的和/或減少裂縫的可能性或者其他目的，端蓋28和元件10之間可以具有圓錐形突起，鐵芯26具有與突起配合的圓錐形基座44，從而代替隔離物26與元件10之間，隔離物26與端蓋28之間那樣具有平的或者同平面的接觸表面。裝置8的軸端可以具有斜角以便留出位置與裝置或者其他部分配合，如圖11所示的激勵系統(tǒng)中，下文討論。并且，“狗骨”的內(nèi)邊緣不需要垂直，如虛線35所示。
元件10和端蓋28由低CTE材料制成，如石英，硅石或者低CTE陶瓷，或者其他低CTE材料。隔離物26由CTE高于元件10的材料制成，例如金屬，派熱克斯玻璃，高CTE陶瓷，等。對元件10，端蓋28，外部殼體30以及隔離物26的熱膨脹系數(shù)和長度進(jìn)行選擇，從而光柵12的反射波長在預(yù)定溫度范圍內(nèi)基本上不改變。更特別地，隔離物26的長度L5設(shè)定為抵消因溫度引起的光柵波長變化。當(dāng)溫度升高時，隔離物長度膨脹得比玻璃元件10快，它使光柵波長向下移動，從而平衡隨溫度升高而變化的固有波長。
例如，假設(shè)元件4cm長，由硅石構(gòu)成，隔離物26的長度L5為1cm長。硅石的CTE為0.5×10-7/C，由dn/dT的玻璃光柵產(chǎn)生的“表觀應(yīng)變”近似等于約7×10-6/C的CTE。這樣，如果隔離物26由CTE約為3×10-5的材料構(gòu)成，那么溫度范圍內(nèi)光柵的最終波長變化將接近為0，即，裝置基本上對溫度作出補(bǔ)償(即，無熱)。
對于整個裝置來說，所有部件都由整塊玻璃材質(zhì)構(gòu)成是可能的。例如，假設(shè)元件10、端蓋28以及殼體30全都由硅石或石英構(gòu)成，隔離物26由派熱克斯玻璃(或者其他CTE大于硅石或石英的玻璃)構(gòu)成，并且元件10和端蓋28每一個都有一個突起或者小塊43，它安裝于隔離物26的孔40內(nèi)，然后隔離物26被斷裂和熔接到小塊43上。另外，玻璃隔離物26僅僅被熔接到元件10或端蓋28的一端。
參考圖2，特別地，曲線98示出對于圖1的無熱光柵裝置在0到83℃溫度范圍時光柵反射波長λb的變化約為12.1皮米，或者約為0.145pm/℃。參考圖3，曲線100示出溫度范圍內(nèi)典型無補(bǔ)償光柵的光柵反射波長λb的變化情況。曲線102是將曲線98(圖2)的各點(diǎn)以更大比例畫出的曲線，并且該曲線102示出溫度范圍內(nèi)的變化正好在50皮米中(這是無熱光柵典型的工業(yè)現(xiàn)行規(guī)范)。
對于圖2和圖3的數(shù)據(jù)，元件10、端蓋28以及外部殼體30都由熱膨脹系數(shù)(CTE)約為0.5ppm/℃的熔融硅石構(gòu)成。元件10的總長度L1約為1.3英寸。(這里大端部20的長度L2約為0.5英寸，另一大端部22的長度L4約為0.5英寸，較小的部分24的長度L3約為0.3英寸)，隔離物26的長度L5約為1.1英寸，端蓋28的長度L6約為3英寸。長度L2和L4無需相同的長度。隔離物26由鋁構(gòu)成，其CTE約為22.4ppm/℃。如果需要的話，補(bǔ)償材料隔離物26可以使用其他材料和長度。
參考圖13，隔離物26可以包括軸向堆放的多種材料54，55，56，而代替補(bǔ)償材料隔離物26由單一CTE的一種材料構(gòu)成以便提供想要的總CTE響應(yīng)特性。如果需要溫度范圍內(nèi)更加復(fù)雜或者非線性響應(yīng)，例如補(bǔ)償dn/dT效應(yīng)或者其他原因，則可以使用這種技術(shù)。
當(dāng)元件10以最終形式完全裝配時，它處于初始預(yù)壓縮狀態(tài)，從而允許裝置以最佳狀態(tài)運(yùn)行。特別地，元件10的初始預(yù)壓縮可以多種不同形式進(jìn)行，下文更詳細(xì)地討論。對于圖1，隔離物26被漸漸冷卻達(dá)到預(yù)定溫度以使隔離物26收縮。可以使用冷卻隔離物26的任何技術(shù)，如使用增壓超級冷卻液(例如，液化氮，氦，氟利昂或者其他凝固和制冷設(shè)備)。然后當(dāng)隔離物凝固時外部殼體30熔接到端蓋28。玻璃熔融時，由于端蓋長度L6，例如3英寸，以及材料(例如，硅石)不是良好的導(dǎo)熱體，因而不會對裝置引起熱沖擊。當(dāng)裝置8在室溫下達(dá)到平衡時，隔離物26的膨脹產(chǎn)生作用于元件10的壓力。這種情況下注意除殼體30承受拉力外，裝置的其余部分均受壓。
另外，殼體30可被加熱以及在精確的負(fù)載下進(jìn)行軸向壓縮，這一精確負(fù)載用于設(shè)置預(yù)加載。用于在元件10上施加初始壓力的其他技術(shù)也可以使用，下文更詳細(xì)地討論其中的一些技術(shù)。
殼體斷裂和熔接到端蓋28及元件10的端22可以通過CO2激光器，切割器，或者其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如前述專利申請所述。真空裝置用于促進(jìn)斷裂，但也可以不需要它，這取決于外部殼體30的厚度t1和材料。如果使用真空裝置，則其通過孔40從左端拖入。元件10、隔離物26以及端蓋28的各表面之間所存在的天然不完整性充分允許在空腔32內(nèi)抽真空。另外，可以在隔離物26和/或端蓋28上開徑向孔以方便在空腔32內(nèi)抽真空。當(dāng)殼體30完成斷裂和熔接時，孔40，49可以用材料填滿以便使裝置與外界環(huán)境隔離，例如使用環(huán)氧樹脂，聚合物等材料。另外，其內(nèi)具有元件的外部密封包(未示出)也可被用來使腔32與外界環(huán)境隔離。
裝配后，如果裝置8的溫度補(bǔ)償不能滿足所需的性能，則要提高端蓋28的剛度，這通過在更接近隔離物26的距離處再次將端蓋28熔接到殼體30而實(shí)現(xiàn)。這樣使最終裝配能夠進(jìn)行精確地調(diào)整，而不需要任何的拆卸。
參考圖4，對于此處記載的任何實(shí)施方式，可以用嵌入元件10的兩個或更多光柵50，52代替位于元件10的單一光柵。光柵50，52可以具有相同的反射波長和/或外形或者具有不同的波長和/或外形。多個光柵50，52可以用于已知的法布里珀羅干涉儀或者諧振器裝置。
進(jìn)一步地，一個或多個纖維激光器，如美國專利No.5,666,372所記載的“可調(diào)壓縮纖維激光器”(在此處結(jié)合以作為所需內(nèi)容的參考以理解發(fā)明)可以嵌入到元件10中并保持溫度穩(wěn)定。在這種情況下，光柵50，52形成一個空腔，元件10的部分，至少光柵50，52之間的部分(如果想要的話，也可以包括光柵50，52，和/或光柵外的那部分元件10)摻入一種或多種稀土攙雜劑，例如鉺和/或鐿，等，當(dāng)作用于元件的軸向力改變時，發(fā)射激光的波長也相應(yīng)得到調(diào)整。
參考圖5，可使用的另一種可調(diào)整纖維激光器是可調(diào)整分布式(DFB)反饋纖維激光器60，如V.C.Lauridsen等人于1998年10月15日出版的《電子Letters》第34卷第21號，第2028至2030頁；P.Varming等人于1995年出版的《UV后加工處理產(chǎn)生的永久π/2相移涂鉺纖維DGB激光器》IOOC’95，Tech.Digest第5卷PD1-3；Kringlebotn等人發(fā)明，專利號為5,771,251，題為“光纖分布式反饋激光器”的美國專利；或者D’Amato等人發(fā)明，專利號為5,511,083，題為“偏振纖維激光源”的美國專利所述。這種情況下，光柵被稱為稀土摻雜光纖，并且在接近光柵12中心的預(yù)定位置64處有λ/2的相移，它提供確定的諧振條件，可以在單一縱向模式操作下連續(xù)調(diào)整，而無需模式切換，如公知的情況。另外，用兩個光柵50，52取代單一光柵，它們的位置足夠接近以形成(N+1/2)λ長度的空腔，這里N為整數(shù)(包括0)，光柵50，52位于稀土摻雜光纖中。
另外，DFB激光器60可位于一對光柵50元件10中，52之間的，這里元件10至少在沿著光柵50，52之間的距離部分涂覆稀土攙雜劑。這種結(jié)構(gòu)被稱為“交互式纖維激光器”，如Pan等人發(fā)明，專利號為6,018,534，題為“纖維布拉格光柵DFB-DBR交互式激光器以及相關(guān)纖維激光源”的美國專利所述。如果需要的話，可在元件10中放置其他單一或者多纖維激光器裝置。
在這種情況下(前面所討論的)，元件10通過斷裂和熔接玻璃毛細(xì)管到光纖而構(gòu)成，光纖和/或光柵12熔接到管，所述管在光纖和/或光柵12上施加初始預(yù)壓縮(受壓或受拉)或者無預(yù)壓縮。例如，如果派熱克斯玻璃或者其他CTE大于硅石光纖的玻璃用作管，那么當(dāng)管加熱和熔接到光纖然后冷卻時，光柵12因管處于壓縮狀態(tài)。另外，在管加熱和熔接的過程中，纖維光柵12封裝于管中處于受拉狀態(tài)，通過下列方式實(shí)現(xiàn)，使光柵處于受拉狀態(tài)；使管處于壓縮裝置，并熔接光纖到管，外部施加壓力，接著在熔接完成后釋放壓力；或者加熱和伸長管，所述位于光纖熔接到管的兩熔接點(diǎn)之間。并且，纖維光柵12可以封裝到管中，該管對光柵既無拉力也無壓力。
參考圖14，示出了管封裝光柵的例子，這里光纖75在光柵12的兩側(cè)熔接到毛細(xì)管77上，如前面專利申請所討論的。這種情況下，管77的內(nèi)徑d6比光纖75的直徑約大0.01到10微米，例如125.01到135微米。也可以使用其他直徑；然而為了避免管77軸向受壓時光纖發(fā)生彎曲，直徑d6應(yīng)盡可能接近光纖10的外徑。同時，光柵12到熔接區(qū)域的軸間距不需要相對于光柵12的兩邊呈對稱分布。另外，相同的結(jié)果也可以通過下述方式實(shí)現(xiàn)，在光柵12的兩邊熔接兩個獨(dú)立的管(未顯示)，然后熔接一個外部管通過這兩個管。管77可以具有“狗骨”形，如虛線79所示。
另外，可以使用大直徑波導(dǎo)和管封裝光柵兩者的結(jié)合來形成這里所述光學(xué)元件10的任何給定實(shí)施方式。特別地，元件10的一個或更多的軸向部分可以是管封裝光柵或光纖，和/或一個或更多其他軸向部分可以是大直徑波導(dǎo)，這些波導(dǎo)軸向接合或者熔接或者以其他方式機(jī)械地和光學(xué)地耦合在一起，從而使波導(dǎo)芯對準(zhǔn)熔接到管的光纖芯，如前述專利申請中所討論的。例如，光學(xué)元件的中央?yún)^(qū)域24可以是大直徑波導(dǎo)，一個或兩個軸端可以是管封裝光纖，它們?nèi)劢釉谝黄?，如虛線150，152或者visa versa(圖1)所示。
另外，參考圖6，兩根或更多芯位于元件10內(nèi)，每根芯中至少有一個光柵。芯和芯之間可以如芯70所示那樣相接觸，或者如芯72所示那樣分開一個預(yù)定距離。芯之間的距離可以是任何需要的距離，并可在元件10中任意定向和定位。
參考圖7，補(bǔ)償材料隔離物26可位于箱體80的兩相對端82，84之間，而不熔接到外部殼體30上與其成一體。可以有一孔86通過端82，84從而允許一根或兩根光纖19，42穿過。
箱體可由高強(qiáng)度金屬或者金屬合金材料構(gòu)成，優(yōu)選低CTE但又高于硅石的材料，如400系列不銹鋼，鈦，鎳一鐵合金，如特級鐵鎳合金鋼，鎳鉻合金鋼，易切削鋼(Carpenter工藝公司已注冊的商標(biāo))，這些合金包含不同比例的碳錳，硅，鎳，鈷和鐵以及硒，或者高強(qiáng)度，低CTE材料。當(dāng)箱體優(yōu)選地由低CTE材料構(gòu)成時，也可以使用其他高CTE材料，如鉻鎳鐵合金這樣的錳基合金，以及鉻鎳鐵合金，鎳鉻鈦合金(IncoAlloys國際股份有限公司已注冊的商標(biāo))，這些材料包含不同比例的鎳，碳，鉻，鐵，鉬和鈦(例如625號鉻鎳鐵合金)。當(dāng)優(yōu)先選取CTE相對低的材料時，獲得重視和認(rèn)可的是任何具有更高CTE的高強(qiáng)度材料都可以被使用，但要注意裝置(即，箱體)的尺寸取決于材料的CTE。
參考圖8和11，除了本發(fā)明在溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的單一波長外，本發(fā)明也允許使用激勵器90動態(tài)地調(diào)整想要的波長，如使用壓電(PZT)激勵器，適當(dāng)機(jī)械連接的步進(jìn)電機(jī)，磁力控制裝置或者提供元件10壓縮負(fù)載的任何其他技術(shù)。激勵器90對導(dǎo)線94上由控制器92發(fā)出的控制信號作出反應(yīng)。激勵器和控制器92類似于上述1999年12月6日提交，序列號為09/456,112，題為“可調(diào)整壓縮布拉格光柵和激光器”的共同未決的美國專利申請所述。這種情況下，元件10受激勵器90的軸向壓縮而設(shè)置想要的波長。激勵器90對元件10產(chǎn)生軸向壓縮負(fù)載，以確定光學(xué)光柵波長或者其他類似的可調(diào)的光學(xué)性能?？梢杂锌?1通過激勵器90以使光纖穿過。
在圖8中，激勵器90直接壓縮元件10，在圖11中，激勵器壓縮熱補(bǔ)償裝置8，或者調(diào)整其他能夠被軸向壓縮的熱補(bǔ)償裝置，所述裝置8如圖1，7，9，10中所示。
參考圖9，另一種設(shè)置預(yù)壓縮的方法為具有左“C”形狀橫截面的箱體111和端蓋112。元件10和補(bǔ)償材料隔離物26位于箱體111內(nèi)部，導(dǎo)線(例如，鋼琴導(dǎo)線)106，108焊接到箱體111的端部及端蓋112上，如點(diǎn)110所示。這一結(jié)構(gòu)允許裝置預(yù)設(shè)應(yīng)變而無需環(huán)氧樹脂，粘膠劑，或者其他黏合劑，也不需要復(fù)雜的工藝過程。箱體和端蓋的其他結(jié)構(gòu)，如兩個端蓋和一個中心圓筒，可以與剛性的導(dǎo)線一起使用以設(shè)置拉緊力。
參考圖10，另一種設(shè)置預(yù)壓縮以及補(bǔ)償材料隔離物26長度的方法為使用一個小固定螺絲130，它連接到隔離物26或成為其中一部分，并擰入一個大國定螺絲132中，大固定螺絲設(shè)置預(yù)壓縮力。對于作用于元件10上任何想要的預(yù)壓縮應(yīng)變，這一安排留出將要安置的隔離物26的長度。
參考圖12，裝置8設(shè)計為外部殼體30具有一系列彈簧，同時一根彈簧與端蓋28、隔離物26以及元件10并聯(lián)。在系統(tǒng)中使用兼容等式以及平衡力，可預(yù)知的模式用公式表示以預(yù)測光柵12的波長變化作為溫度的函數(shù)。根據(jù)應(yīng)用，可以設(shè)想有一種裝置8在特定溫度范圍內(nèi)呈線性變化。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至使裝置8將在整個有效溫度范圍內(nèi)呈線性變化，元件10上的初始壓力F應(yīng)進(jìn)行設(shè)置從而使元件10在整個有效溫度范圍內(nèi)在元件10的彈簧常數(shù)曲線204的線性區(qū)域200中工作。元件10上的初始軸向預(yù)壓力必須這樣，當(dāng)溫度下降以及元件和隔離物的長度收縮時，在有效溫度范圍內(nèi)元件上保持足夠的壓力，從而使元件10不進(jìn)入非線性區(qū)域202。
參考圖15和圖16，圖解說明本發(fā)明的無熱光學(xué)裝置200的另一個具體實(shí)施方式
。無熱裝置包括大直徑光學(xué)波導(dǎo)202(例如，杖和被斷裂管)，它作為提供通?！肮饭恰毙蔚幕A(chǔ)，如前文所述。波導(dǎo)包括置于一對軸端210之間的中央部分208。布拉格光柵204置于光波導(dǎo)202中央部分208的芯206中。在一個實(shí)施方式中，波導(dǎo)202的總長度為22.6mm，其中中央部分208的長度為14.4mm，每個軸端210的長度為2.7mm。軸端以大約45度角向中央部分逐漸變細(xì)。小塊212從每個軸端210軸向延伸以耦合到各自的光學(xué)尾光纖部件214。軸端210以大約60度角向中央小塊212逐漸變細(xì)。波導(dǎo)202的軸端的外徑約為2.0mm，中央部分208和小塊212的外徑約為0.8mm。小塊的末端以大約9度的角進(jìn)行切削和拋光。
每一個尾光纖部件214包括一段光纖216(即SMF28)，光纖有一個玻璃管218環(huán)氧于其一端以形成耦合端220。管218的外徑約等于小塊212的外徑，內(nèi)徑稍大于光纖216的外徑以允許光纖還氧于管內(nèi)。尾光纖部件214的耦合端220以小塊212的余角(即，9度)方向進(jìn)行切削和拋光。尾光纖部件末端的耦合端連接在，如通過環(huán)氧或者熔接在光波導(dǎo)202的小塊成角度的那端。由于波導(dǎo)/尾光纖的交界面，尾光纖和波導(dǎo)成余角的表面可減小光沿著芯206反射回去。
連接尾光纖部件214的光波導(dǎo)202以及補(bǔ)償隔離物或者桿240置于管狀箱體222內(nèi)，箱體由高強(qiáng)度金屬或合金材料制成，優(yōu)選低CTE但又高于硅石的材料，如前文所述。
固定端蓋224和可調(diào)整端蓋226(由上文所述與箱體類似的材料制成)分別焊接在箱體222的兩端以確保和維持光波導(dǎo)與補(bǔ)償隔離物240軸向?qū)?zhǔn)。固定端蓋224的外徑基本上與箱體的內(nèi)徑(即，0.16mm)相同。固定端蓋224的外部從箱體222的端面向外延伸，并且該外部包括一個用于容納應(yīng)變消除保護(hù)罩230的環(huán)形槽228，將于下文更詳細(xì)地描述。進(jìn)一步地，固定端蓋224包括一個孔232，它用于容納應(yīng)變消除裝置234并使尾光纖部件214的光纖216穿過。
補(bǔ)償隔離物或者桿240，如圖16所示，置于固定端蓋224和光波導(dǎo)202之間。隔離物240的外徑稍小于箱體的內(nèi)徑(即，0.157英寸)。隔離物240包括軸向放置的階梯孔，用于容納尾光纖部件214。隔離物的一端具有圓錐截體形的軸向預(yù)留孔，以提供一個用于容納和放置波導(dǎo)的軸端210和小塊212的基座。小塊212和尾光纖部件214的連接耦合端220容納于孔的內(nèi)部，孔內(nèi)部的直徑稍大于小塊和耦合端的外徑?？椎碾A梯狀部分容納尾光纖部件的光纖216，并且其直徑大于隔離物的孔內(nèi)部直徑，以確保無熱裝置200膨脹和收縮的過程中隔離物和光纖之間不接觸，如下文所述。隔離物240中的圓錐截體預(yù)留孔有助于對準(zhǔn)波導(dǎo)202和隔離物240，由此減少使波導(dǎo)受損(即，裂紋，變形)的可能性。
隔離物240由金屬或者金屬合金制成，例如鋼，不銹鋼，鋁，高膨脹合金，高膨脹合金如高膨脹“19-2”，高膨脹“22-3”，高膨脹“72”，(Carpenter工藝公司的已注冊商標(biāo))，其包含不同比例的碳，錳，硅，鉻，鎳，鐵和銅，或者其他熱膨脹系數(shù)高于箱體222的材料。這樣選擇光波導(dǎo)，端蓋以及隔離物的CTE和長度，使光柵204的反射波長在預(yù)定溫度(即，100℃)范圍內(nèi)基本上不發(fā)生變化。更特別地，隔離物240的長度設(shè)定為抵消因溫度和箱體，波導(dǎo)以及端蓋的熱膨脹引起的光柵波長變化，如下文將要描述的。當(dāng)溫度升高時，隔離物長度比光波導(dǎo)長度膨脹得快，它改變光柵波長直到平衡隨溫度升高而改變的固有波長。
可調(diào)整端蓋226支撐并對準(zhǔn)光波導(dǎo)202的另一端。與固定端蓋224相似，可調(diào)整端蓋226外徑基本上與箱體222的內(nèi)徑(例如，0.16英寸)相同?？烧{(diào)整端蓋226從箱體的端面向外延伸，并包括用于容納另一個應(yīng)變消除保護(hù)罩230的環(huán)形槽242。進(jìn)一步地，可調(diào)整端蓋226包括一個孔，用于容納應(yīng)變消除裝置234并使尾光纖部件214的光纖216穿過。類似于隔離物240，可調(diào)整端蓋226包括軸向放置的階梯孔，用于容納尾光纖214穿過?？烧{(diào)整端蓋的一端有一個圓錐截體形的軸向預(yù)留孔，以提供用于容納和放置光波導(dǎo)202的另一軸端210和小塊212的基座。小塊212和尾光纖部件214的連接耦合端220容納于孔內(nèi)部，孔內(nèi)部的直徑稍大于小塊和耦合端的外徑。孔的階梯部分容納尾光纖部件214的光纖216，且其直徑大于可調(diào)整端蓋226的內(nèi)部直徑。可調(diào)整端蓋的大直徑確保在無熱裝置200膨脹和收縮的過程中在可調(diào)整端蓋和光纖216之間不接觸，如下文將要描述的?？烧{(diào)整端蓋226內(nèi)的圓錐截體預(yù)留孔有助于對準(zhǔn)波導(dǎo)202和可調(diào)整端蓋，由此減少波導(dǎo)受損(即，裂紋，變形)的可能性?？烧{(diào)整端蓋的長度大于固定端蓋224的長度。例如，可調(diào)整端蓋約為0.75英寸，而固定端蓋的長度約為0.32英寸。
另外，一對平面244在可調(diào)整端蓋226的外表面磨削或形成，以保持可調(diào)整端蓋在調(diào)整和機(jī)械預(yù)燒過程中旋轉(zhuǎn)定位于箱體222和光波導(dǎo)202中。平面244沿徑向以預(yù)定角度(例如，120度)分布，并沿軸向延伸一個預(yù)定長度(即，0.290英寸)，允許可調(diào)整端蓋226保持旋轉(zhuǎn)裝配時的軸向位移。所述平面對準(zhǔn)置于箱體222內(nèi)的一對孔246，孔也沿徑向以120度分布。箱體222內(nèi)的孔246容納一對彈簧加載銷(未示出)，它們在裝配過程中置于安裝在箱體外表面上的軸環(huán)(未示出)內(nèi)。銷延伸通過孔246與可調(diào)整端蓋226的平面244銜接，同時軸環(huán)將箱體與可調(diào)整端蓋臨時夾緊。
無熱裝置200裝配過程中，校準(zhǔn)管(未示出)首先穿過箱體222，用于對準(zhǔn)波導(dǎo)，補(bǔ)償隔離物240以及固定端蓋224；并提供一種裝置使尾光纖部件214的光纖216易于穿過隔離物，箱體和固定端蓋。首先，校準(zhǔn)管穿過箱體，然后隔離物越過該管，尾光纖部件214(連接到波導(dǎo))的光纖216也穿過該校準(zhǔn)管。接著，當(dāng)校準(zhǔn)管從固定端蓋拉動時，隔離物240和波導(dǎo)202被放置于箱體內(nèi)以與固定端蓋224鄰接。然后可調(diào)整端蓋226通過另一個尾光纖部件214的光纖216，并插入箱體222，以完成裝配和這些部分的校準(zhǔn)。
一旦裝配，可調(diào)整端蓋226就被一個裝置(未示出)壓縮以預(yù)加載光波導(dǎo)202并設(shè)置光柵204的反射波長，所述裝置包括步進(jìn)電機(jī)或者PZT。當(dāng)監(jiān)控從光柵反射回來的光時，可調(diào)整端蓋226被調(diào)整為使光柵204達(dá)到選定波長。然后箱體222焊接到可調(diào)整端蓋226。為了實(shí)現(xiàn)焊接步驟，箱體包括多個向內(nèi)部逐漸變細(xì)的錐孔248，這些孔繞著箱體222呈徑向分布。錐孔248置于可調(diào)整端蓋226的平面244前端接近光波導(dǎo)202。在焊接過程中，每個錐孔248的內(nèi)邊緣被點(diǎn)焊于可調(diào)整端蓋226上。
在預(yù)加載波導(dǎo)202以及將可調(diào)整端蓋226焊接到箱體222之前，無熱裝置200經(jīng)過熱預(yù)燒和機(jī)械預(yù)燒步驟。熱預(yù)燒步驟中，無熱裝置放在烤爐中，溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)循環(huán)。機(jī)械預(yù)燒過程中，激勵器(未示出)與可調(diào)整端蓋226連接，并且在預(yù)定范圍內(nèi)使波導(dǎo)202增壓和減壓一個預(yù)定的周期數(shù)(例如，50周期)。預(yù)燒步驟在部件之間的交界面機(jī)械地和熱地運(yùn)轉(zhuǎn)，以使交界面穩(wěn)定。
參考圖16和圖17，無熱裝置200包括安裝于固定端蓋和可調(diào)整端蓋224，226內(nèi)的應(yīng)變消除部件234，它用于消除波導(dǎo)/尾光纖部件的交界面處由于箱體222，端蓋224，226，隔離物240以及光波導(dǎo)202的熱膨脹和收縮引起的對尾光纖部件的應(yīng)變。這里輸入/輸出光纖216嚴(yán)格固定在箱體222上，應(yīng)變消除部件防止拉力損壞光波導(dǎo)或者脫離/未對準(zhǔn)尾光纖/波導(dǎo)的接合部分。光纖216裝配到箱體222的問題為由于硅石光纖極低的TCE則通常存在大的熱膨脹差。這一失配導(dǎo)致應(yīng)變傳到光纖，也傳到尾光纖的連接部分。如果箱體222由于熱膨脹力也發(fā)生彈性變形，那么這一問題進(jìn)一步加劇。應(yīng)變消除部件234減小或者消除尾光纖部件由這些熱失配引起的應(yīng)變。
應(yīng)變消除部件234包括由聚合物(例如，Hytrel)構(gòu)成并環(huán)氧于膨脹金屬套圈252內(nèi)的外部套管250，套圈由金屬，金屬合金或者聚合物構(gòu)成，如不銹鋼，鋁，聚酰亞胺以及聚合物合成物，如polyetheretherketone(例如，Peek381G，Vitrex USA有限公司已注冊商標(biāo))，或者其他TCE高于光波導(dǎo)202的TCE的材料。金屬套圈252有一個階梯孔，由此階梯孔其中一部分的直徑基本上與套管250的外徑相同，階梯孔另一部分的直徑基本上與尾光纖部件214的光纖216外徑相同。金屬套管252包括一個預(yù)留孔用于容納具有“環(huán)狀物”形狀的環(huán)氧預(yù)制件253。應(yīng)變消除部件234通過使光纖216穿過膨脹金屬套圈252以及外部套管250而固定于無熱裝置200的相應(yīng)端。金屬套管的外端在254處用環(huán)氧或者其他適當(dāng)?shù)姆绞?即，焊接)連接到可調(diào)整端蓋226。然后無熱裝置200在烤爐中預(yù)定溫度下烤一段預(yù)定時間如環(huán)氧預(yù)制件253的說明中所需要的，以便將金屬套管252的內(nèi)端256連接到光纖216。金屬套管252的長度由其材料以及為補(bǔ)償無熱裝置200各部件的CTE失配而需要的熱膨脹位移來確定，如下文詳細(xì)描述的。
要認(rèn)識到，如果箱體222和端蓋224，226以及波導(dǎo)202的CTE失配不嚴(yán)重，那么可以不需要應(yīng)變消除234。在這種情況下，硅管可以環(huán)氧到尾光纖部件214的光纖216，然后尾光纖214被連接到端蓋224，226。
為了完成無熱裝置200的裝配，寬度基本上等于箱體222端部與應(yīng)變消除保護(hù)罩230間距的環(huán)258被放置在可調(diào)整端蓋226上。然后由聚合物(例如，Santoprene)構(gòu)成的應(yīng)變消除保護(hù)罩230配合到端蓋224，226的槽228，242中。
無熱裝置200的制造和裝配包括應(yīng)變精確應(yīng)用于布拉格光柵204。裝配的過程中，部件交界面的固有設(shè)置在光柵中心波長處引起不可預(yù)知的變化。為了補(bǔ)償中心波長的這些變化，無熱裝置200在裝配后通過塑造或者其他使箱體變形的方式進(jìn)行細(xì)微地調(diào)整，由此實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)202選定量的壓縮。作用于波導(dǎo)的壓力變化依次調(diào)整布拉格光柵的反射波長。例如，箱體可被伸長以減小作用于波導(dǎo)202的壓力，由此增加光柵204的反射波長。
使箱體222變形的一種方法為圓周地滾動箱體外表面，如通過在箱體上壓一個鈍輪，并繞箱體滾動輪子，而使箱體伸長。伸長箱體的其他方法包括用CO2激光器加熱表面重熔箱體的材料，并通過作用于箱體表面的水壓力將箱體卷邊。使箱體變形的另一種方法為噴丸加工表面，如通過在箱體表面處噴撒玻璃珠。注意對光柵中心波長的最初調(diào)整應(yīng)當(dāng)小于想要的中心波長(例如，-20pm)以確保能夠使用伸長箱體的方法，這一點(diǎn)非常重要。另外，箱體壓縮變形以增加作用于波導(dǎo)的壓力，從而導(dǎo)致光柵較低的反射波長。
為了調(diào)整處于受壓狀態(tài)中的光波導(dǎo)202的光柵波長而使箱體變形時，需要注意和重視的是處于拉緊狀態(tài)的光波導(dǎo)的光柵204也可以用這種使箱體變形的方法進(jìn)行調(diào)整。
參考圖18，圖解說明本發(fā)明無熱光學(xué)裝置300的另一個實(shí)施方式。波導(dǎo)202和尾光纖部件214與圖15中所示的波導(dǎo)和尾光纖部件相同，因此，標(biāo)號相同。無熱裝置300說明這樣一個實(shí)施方式，該實(shí)施方式具有箱體302，端蓋304，306，補(bǔ)償器座308以及具有高CTE的熱補(bǔ)償隔離物310。例如，箱體和端蓋可以由鈦制成，隔離物可以由鋁制成。類似于圖15至17中的無熱裝置，固定端蓋304焊接到箱體302的一端內(nèi)。固定端蓋304的內(nèi)表面有一個圓錐截體形凹槽，容納補(bǔ)償隔離物310的一端。
補(bǔ)償隔離物310懸在固定端蓋304和補(bǔ)償器座308之間，以防止補(bǔ)償隔離物與箱體302的內(nèi)表面接觸。補(bǔ)償器座308由類似于箱體和端蓋304，306的材料(例如，鈦)制成。座308的兩個端面都具有圓錐截體狀的凹槽，該凹槽的一個端面容納波導(dǎo)202的軸端210，另一個端面容納隔離物310。座310包括一個軸向通孔，其稍大于光波導(dǎo)202的小塊212和尾光纖部件214的耦合端220。
補(bǔ)償隔離物310的外徑小于箱體302的內(nèi)徑(即，0.157英寸)。隔離物包括一個軸向通孔，用于容納尾光纖部件214的光纖216穿過。隔離物310的兩個端面與固定端蓋304和補(bǔ)償器座308的相應(yīng)凹槽呈互補(bǔ)的錐形，以便能夠分別擱在相應(yīng)的凹槽中。
隔離物310由金屬材料，如鋁，或者其他比箱體的熱膨脹系數(shù)(CTE)高的材料制成，如前文所述。這樣選擇光波導(dǎo)，固定端蓋和隔離物的CTE及長度從而使得光柵204的反射波長在預(yù)定溫度范圍內(nèi)基本上不改變。更特別地，隔離物310的長度設(shè)定為抵消因溫度改變以及箱體，波導(dǎo)和端蓋的熱膨脹引起的光柵波長變化。當(dāng)溫度升高時，隔離物長度比光波導(dǎo)長度膨脹得快，它改變光柵波長直到平衡隨溫度升高而改變的固有波長。
可調(diào)整端蓋306支撐并對準(zhǔn)光波導(dǎo)202的另一軸向端210。與固定端蓋304相似，可調(diào)整端蓋306的外徑基本上與箱體302的內(nèi)徑(即，0.16英寸)相同。固定端蓋304從箱體302的端面延伸，并包括用于容納一個應(yīng)變消除保護(hù)罩314的徑向槽312。進(jìn)一步地，固定端蓋304包括一個孔，用于容納應(yīng)變消除部件314并使尾光纖部件214的光纖216穿過?？烧{(diào)整端蓋306包括軸向放置的階梯孔，用于容納尾光纖穿過。可調(diào)整端蓋的一端有一個圓錐截體形軸向預(yù)留孔，以提供用于容納和放置光波導(dǎo)202的另一個軸端210和小塊212的基座。小塊212和尾光纖部件214的耦合端220容納于孔內(nèi)部，孔內(nèi)部的直徑大約與小塊的外孔和耦合端相同。孔的階梯部分容納尾光纖部件214的光纖216，并且其直徑大于可調(diào)整端蓋306的內(nèi)部?？烧{(diào)整端蓋的較大直徑防止當(dāng)光纖發(fā)生松弛時在可調(diào)整端蓋和光纖之間發(fā)生接觸。配備圓錐截體形預(yù)留孔是出于對準(zhǔn)的目的和/或?yàn)榱藴p小裂紋的可能性或者其他原因。
可調(diào)整端蓋306就被一個裝置(未示出)軸向壓縮以預(yù)加載光波導(dǎo)202并設(shè)置光柵204的反射波長，所述裝置包括步進(jìn)電機(jī)或者PZT。當(dāng)監(jiān)控從光柵反射回來的光時，可調(diào)整端蓋306被調(diào)整為使光柵204達(dá)到選定波長。然后箱體302焊接到可調(diào)整端蓋306。為了實(shí)現(xiàn)焊接步驟，箱體302包括一對狹縫，在箱體端部縱向延伸接近可調(diào)整端蓋306。在焊接過程中，每個狹縫的內(nèi)邊緣被點(diǎn)焊于可調(diào)整端蓋306上。
參考圖18和圖19，無熱裝置300包括安裝于固定端蓋和可調(diào)整端蓋304，306內(nèi)的應(yīng)變消除部件320，它用于消除波導(dǎo)/尾光纖部件的交界面處由于箱體302，端蓋304，306，隔離物310，補(bǔ)償器座308以及光波導(dǎo)202的熱膨脹和收縮引起的應(yīng)變。這里輸入/輸出光纖216嚴(yán)格固定在箱體306上，應(yīng)變消除部件防止拉力損壞光波導(dǎo)或者脫離/未對準(zhǔn)尾光纖/波導(dǎo)的接合部分。如前文所述，應(yīng)變消除部件320減小或者消除尾光纖部件由這些熱失配引起的應(yīng)變。
應(yīng)變消除部件320包括由聚合物(例如，Hytrel)構(gòu)成并環(huán)氧于膨脹金屬套圈324的外部套管322，套圈由金屬，金屬合金或者聚合物構(gòu)成，具有TCE高于光波導(dǎo)202的TCE的材料。金屬套圈324有一個孔，其直徑基本上與尾光纖部件214的光纖216外徑相同。金屬套管324包括一個預(yù)留孔，用于容納具有“環(huán)狀物”形狀的環(huán)氧預(yù)制件326。應(yīng)變消除部件320通過使光纖216穿過膨脹金屬套圈324以及外部套管322而固定于無熱裝置300的相應(yīng)端。金屬套管的外端在328處用環(huán)氧或者其他適當(dāng)?shù)姆绞?即，焊接)連接到可調(diào)整端蓋306。然后無熱裝置300在烤爐中預(yù)定溫度下烤一段預(yù)定時間如環(huán)氧performs326的說明中所需要的，以便將金屬套管的內(nèi)端329連接到光纖216。金屬套管324的長度由其材料以及為補(bǔ)償無熱裝置300各部件的CTE失配而需要的熱膨脹長度來確定，如下文詳細(xì)描述的。
為了完成無熱裝置300的裝配，寬度基本上等于箱體302端部與應(yīng)變消除保護(hù)罩314間距的環(huán)330被放置在可調(diào)整端蓋306上。然后由聚合物(例如，Santoprene)構(gòu)成的應(yīng)變消除保護(hù)罩314配合到端蓋304，306的溝槽304，312中。
圖20示出圖18中無熱裝置300的簡化實(shí)施方式400，以說明無熱裝置中每個部件在100℃的溫度范圍內(nèi)的熱膨脹和收縮。因此，簡化實(shí)施方式400的參考數(shù)字與圖18中相應(yīng)部件的參考數(shù)字相同。
如前文所述，金屬套管324的長度取決于其材料組成以及無熱裝置400中的每個部件在預(yù)定溫度范圍內(nèi)的位移。特別地，為了確定應(yīng)變消除部件320的金屬套管324所需長度，必須考慮無熱裝置中每個部件的熱位移和彈性位移，其中應(yīng)變消除部件320用于消除光纖216的應(yīng)變。因此，每個部件的最終位移用下面方程式確定δnet＝δt+δe (1)其中δt為部件的熱位移，δe為部件的彈性位移。
每個部件的熱位移(δt)由下面方程式確定δt＝γ*ΔT*L(2)其中γ代表部件的材料的C.T.E.；ΔT是溫度(℃)δ；L是部件的長度(μm)。
例如，端蓋304，306的長度為6350.0μm，由楊氏模量為1.65E+07，CTE為8.70E-06的鈦構(gòu)成，則其熱位移為5.52μm。長度為3175.0μm的鈦補(bǔ)償器座310，其熱位移為2.76μm。光波導(dǎo)202的每個軸端210，長度均為3002.3μm，由Young’s Modulus為1.05E+07，CTE為5.50E-07的硅構(gòu)成，其熱膨脹為0.17μm。波導(dǎo)202的中央部分208，長度為14010.6μm，其熱膨脹為0.77μm。補(bǔ)償隔離物308，長度為24130.0μm，由楊氏模量為1.00E+07，CTE為2.34E-05的鋁構(gòu)成，其熱膨脹為0.17μm。鈦箱體302，長度為60020.2μm，其熱膨脹為52.22μm。
每個部件的彈性位移(δe)用下面方程式確定δe＝P*L/(A*E)(3)其中“P”(lbs)代表箱體302的最終負(fù)載；“L”代表部件的長度(μm)；“A”(μm2)代表部件的外部面積；“E”代表部件的楊氏模量。
每個部件的面積(A)由下面方程式確定A＝(D02-Di2)*π/4 (4)其中“D0”代表部件的外徑；“Di”代表部件的內(nèi)徑。
最終負(fù)載(P)由下面方程式確定P＝δts+δtc+δta+δtp+δti+δybLs+Lc+La+Lp+Li+Lb(5)As*Es Ac*Ec Aa*Ea Ap*Ep Ai*Ei Ab*Eb其中下標(biāo)“s”代表補(bǔ)償器座308的參數(shù)；下標(biāo)“c”代表補(bǔ)償隔離物310的參數(shù)；下標(biāo)“a”代表波導(dǎo)202軸端210的組合參數(shù)；下標(biāo)“p”代表端蓋304，306的組合參數(shù)；下標(biāo)“i”代表波導(dǎo)202中央部分208的參數(shù)；下標(biāo)“b”代表箱體302的參數(shù)。
例如，端蓋304，306的外徑為4013μm，內(nèi)徑為1575μm，則其彈性位移為-0.20μm。補(bǔ)償器座310的外徑為4013μm，內(nèi)徑為1575μm，則其彈性位移為-0.10μm。波導(dǎo)202每個軸端210的外徑2007μm，則其彈性膨脹為-0.51μm。光波導(dǎo)202中央部分208的外徑813μm，則其彈性膨脹為-14.74μm。補(bǔ)償隔離物310的外徑3429μm，內(nèi)徑1575μm，則其彈性膨脹為-1.84μm。
因此，根據(jù)方程式(1)，每個部件的最終位移(δ11)，由圖20中標(biāo)注的位置(ST0-ST7)確定，表示如下
Station0δnet＝0.00μmStation1δnet＝5.52μm+(-0.20μm)＝5.32μmStation2δnet＝0.17μm+(-0.51μm)＝-0.34μmStation3δnet＝0.77μm+(-14.74μm)＝-13.97μmStation4δnet＝0.17μm+(-0.51μm)＝-0.34μmStation5δnet＝2.76μm+(-0.10μm)＝2.66μmStation6δnet＝56.46μm+(-1.84μm)＝54.62μmStation7δnet＝5.52μm+(-0.20μm)＝5.32μm所有部件的總最終位移(即，ST0與ST7之間的位移)為53.28μm。
圖21圖解說明了上述確定的最終軸向位移(μm)與無熱裝置400的軸向位置(μm)在100℃δ時的關(guān)系曲線。如圖所示，應(yīng)變消除金屬套圈324必須補(bǔ)償以防止尾光纖的壓力和張力的位移約等于位置4和位置7之間的最終位移，約等于62.60μm。注意到光纖216在位置4和位置7之間的長度范圍內(nèi)具有-1.85μm的熱位移，所述長度范圍約為33,655μm。因此，光纖216的位移減少對于應(yīng)變消除金屬套圈所必須的位移量以擴(kuò)大到大約61.38μm。根據(jù)方程式(2)，為了補(bǔ)償61.38μm的位移，應(yīng)變消除金屬套圈324的長度約為12,400μm，其中金屬套圈由CTE為4.95E-05的聚酰亞胺材料制成。
對圖18實(shí)施方式一側(cè)的附圖和作出的計算說明，但是如圖所示，這些能夠應(yīng)用于無熱裝置400的兩端。在圖20所示的實(shí)施方式中，光波導(dǎo)202和剛性尾光纖部件214于位置4(ST4)處的連接在100℃δ時相對于無熱裝置右端位置7(ST7)移動了大約61.38μm，并且在位置8(ST8)與金屬套管324結(jié)合。當(dāng)溫度升高時，金屬套管324向無熱裝置400的左端朝向位置0(ST0)膨脹，因此移動了光纖216自己的結(jié)合點(diǎn)。這導(dǎo)致在一個廣泛的溫度范圍內(nèi)，接近0應(yīng)變減去尾光纖中光纖膨脹的較小量。光纖216的任何拉力沿軸向傳送通過金屬套管324，并且返回箱體302，因此，對于這種壓縮負(fù)載，管必須設(shè)定為具有足夠剛硬和剛性。
應(yīng)變消除部件320裝配到箱體302在高于最大工作溫度(例如＞100℃)的溫度處進(jìn)行，以確保在波導(dǎo)/尾光纖交界面上具有最小的應(yīng)變。進(jìn)一步地，金屬套管324的長度減小其計算而得長度的預(yù)定量(例如，大約20％)，以便在整個工作溫度范圍內(nèi)提供光纖216的下垂常數(shù)，由此補(bǔ)償部件中的任何公差。金屬套管的長度減小使光纖214下垂時，下垂量不應(yīng)該導(dǎo)致光纖與補(bǔ)償隔離物310的壁接觸，將產(chǎn)生對光纖的微小彎曲和/或彎曲應(yīng)力。
端蓋和補(bǔ)償元件的基座，用于容納波導(dǎo)的軸端，通常呈錐形或者圓錐截體形，應(yīng)該認(rèn)識到所述座可以是任何其他的形狀和幾何圖形，如圓形，六角形以及平面。
前文所述無熱裝置具有補(bǔ)償隔離物和端蓋，應(yīng)該認(rèn)識和重視的是端蓋的一個或兩個也可以如補(bǔ)償隔離物一樣工作，這樣去掉了獨(dú)立的補(bǔ)償隔離物。
例如，如圖22所示，對本發(fā)明無熱光學(xué)裝置的另一個實(shí)施方式進(jìn)行圖解說明。波導(dǎo)202和尾光纖部件214與圖15所示的相同，因此，標(biāo)號相同。無熱裝置300說明如下實(shí)施例，該實(shí)施例有多個支撐桿502，一對補(bǔ)償端蓋504連接到支撐桿的端部，支撐桿支撐其中的光波導(dǎo)202。支撐桿的作用如前文所述的箱體。
支撐桿502可以由高強(qiáng)度金屬或者金屬合金材料制成，優(yōu)選低CTE但又高于硅的材料，如400系列不銹鋼，鈦，鎳—鐵合金，如特級鐵鎳合金鋼，鎳鉻合金鋼，易切削鋼(Carpenter工藝公司已注冊的商標(biāo))，這些合金材料包含不同比例的碳，錳，硅，鎳，鈷和鐵和硒，或者高強(qiáng)度，低CTE材料。同時支撐桿優(yōu)選由具有低CTE的材料制成，也可以使用其他具有高CTE的材料，如鉻鎳鐵合金的鎳基合金，因科鎳鉻不銹鋼以及鎳鉻鈦合金(IncoAlloys國際有限公司的已注冊商標(biāo))，這些材料包含不同比例的鎳，碳，鉻，鐵，鉬和鈦(例如，625號鉻鎳鐵合金)。當(dāng)優(yōu)選CTE相對低的材料時，也要重視和注意到任何具有更高CTE、高強(qiáng)度的材料也可以使用，但要注意裝置(即，支撐桿)的尺寸取決于材料的CTE。
兩個補(bǔ)償端蓋504都包括內(nèi)部508和外部510，且其外徑大于內(nèi)部直徑。補(bǔ)償端蓋504包括軸向放置的孔，該孔用于容納尾光纖部件214穿過。端蓋504的內(nèi)端有一個圓錐截體的軸向預(yù)留孔，它為容納和放置光波導(dǎo)202相應(yīng)的軸端210和小塊(未示出)提供基座。孔具有足夠的直徑以確保在無熱裝置500膨脹和收縮時端蓋和光纖216之間不接觸，如前文所述。
支撐桿502的端部被焊接到端蓋510的外部。優(yōu)選地，至少有三個沿徑向平均分布的桿用于在端蓋和支撐桿之間提供三個接觸點(diǎn)，以使得端蓋更易于中心對準(zhǔn)。另外，支撐桿之間的空間距離可以在裝配過程中實(shí)現(xiàn)端蓋504和波導(dǎo)202的光學(xué)校驗(yàn)。
補(bǔ)償端蓋504由金屬或者金屬合金制成，例如鋼，不銹鋼，鋁，高膨脹合金，高膨脹合金如高膨脹“19-2”，高膨脹“22-3”，高膨脹“72”，(Carpenter工藝公司的已注冊商標(biāo))，其包含不同比例的碳，錳，硅，鉻，鎳，鐵和銅，或者其他熱膨脹系數(shù)高于支撐桿502的材料。光波導(dǎo)202和端蓋504的CTE和長度這樣選擇，從而使光柵204的反射波長在預(yù)定溫度(即，100℃)范圍內(nèi)基本上不發(fā)生變化。更特別地，端蓋504的長度設(shè)定為抵消因溫度和支撐桿502和波導(dǎo)的熱膨脹引起的光柵波長變化，如前文所述。當(dāng)溫度升高時，每一個端蓋的長度比光波導(dǎo)的長度膨脹得快，它改變光柵波長以平衡隨溫度升高而改變的固有波長。
無熱裝置500包括應(yīng)變消除部件512，類似于前文所述的應(yīng)變消除部件234，其安裝于補(bǔ)償端蓋504內(nèi)部，用于消除波導(dǎo)/尾光纖部件的交界面處由于支撐桿502，端蓋以及光波導(dǎo)202的熱膨脹和收縮引起的對尾光纖部件的應(yīng)變。
另外，支撐桿502可以用圓柱箱體或外殼取代類似于前文所述。進(jìn)一步地，圓柱箱體可以有多個沿徑向分布的狹縫或者徑向延長的開口，以光學(xué)校驗(yàn)端蓋504和波導(dǎo)202的對準(zhǔn)情況。
應(yīng)該了解，除非這里聲明的其他情況，否則這里描述的有關(guān)特定實(shí)施方式的任何特點(diǎn)，特性，替換或者修改可以被實(shí)施，使用，或者與這里任何其他實(shí)施方式結(jié)合。
盡管本發(fā)明已經(jīng)描述和圖解說明了關(guān)于其中典型的實(shí)施方式，但是可以進(jìn)行對前述和各種各樣其他的增加和刪除，并且不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種溫度補(bǔ)償光學(xué)裝置，包括光學(xué)元件，沿其縱向軸至少有一個光柵置于其中，所述光柵具有一個特性波長，隨環(huán)境溫度及作用于所述光學(xué)元件的軸向壓力而變化，所述光學(xué)元件由具有元件熱膨脹系數(shù)的元件材料構(gòu)成；隔離物，接近所述光學(xué)元件的軸端放置，且由具有隔離物熱膨脹系數(shù)的隔離物材料構(gòu)成，所述隔離物的熱膨脹系數(shù)大于元件的熱膨脹系數(shù)；箱體，與所述隔離物和所述光學(xué)元件裝配在一起，使得所述隔離物和所述光學(xué)元件的至少一個部分在工作溫度范圍內(nèi)處于受壓狀態(tài)，所述箱體的箱體熱膨脹系數(shù)小于所述隔離物的熱膨脹系數(shù)；以及所述特性波長在所述工作范圍內(nèi)的改變小于預(yù)定量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述箱體包括一個接近所述隔離物一個軸端放置的端蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述箱體包括外部殼體，其一軸端熔接到所述端蓋，另一軸端熔接到所述元件的相對軸端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述光學(xué)元件的外徑至少為0.3mm，并且所述光學(xué)元件的至少一部分具有這樣的橫截面，該橫截面鄰接并由基本上相同的材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述光學(xué)元件包括光纖，所述光柵嵌入其中；一個管，具有所述光纖和所述光柵沿所述管的縱軸封裝其中，所述管熔接到所述光纖的至少一部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述光學(xué)元件包括大直徑光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)具有外部包層和置于其中的內(nèi)芯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述光學(xué)元件包括一個管，沿所述管的縱軸熔接到至少一部分光纖；大直徑波導(dǎo)，具有外部包層和置于其中的內(nèi)芯；以及所述管和所述波導(dǎo)軸向熔接以及光學(xué)耦合在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的壓力傳感器，其特征在于所述光柵放置在所述光纖中，并沿所述管的所述縱軸封裝在所述管中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的壓力傳感器，其特征在于所述光柵放置于所述光波導(dǎo)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述元件材料包括玻璃材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其特征在于所述管熔接到所述光纖，所述光柵定位于所述光纖。
12.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其特征在于所述管熔接到所述光柵另一軸端的所述光纖上。
13.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其特征在于所述裝置進(jìn)一步包括多根封裝于所述管中的光纖。
14.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其特征在于所述裝置進(jìn)一步包括多根置于所述波導(dǎo)內(nèi)的所述芯。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述可調(diào)整元件具有多個置于其中的光柵。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述光學(xué)元件具有至少一對光柵置于其中，并且所述光學(xué)元件中至少在所述一對光柵中間的部分摻入稀土攙雜劑以形成激光器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于所述激光器在發(fā)射激光波長處發(fā)射激光，該波長隨所述光學(xué)元件上作用力的改變而改變。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述光學(xué)元件的至少一部分摻入稀土攙雜劑，所述光柵位于該摻雜部分，并進(jìn)行配置以形成分布式反饋激光器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其特征在于所述分布式反饋激光器在發(fā)射激光波長處發(fā)射激光，該波長隨作用于所述可調(diào)整元件上作用力的改變而改變。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述元件材料包括硅。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述可調(diào)整元件的至少一部分包括圓柱形。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述可調(diào)整元件包括這樣一種形狀，所述形狀對所述特性波長的改變提供預(yù)定的靈敏度，而這種特性波長的改變是由于所述可調(diào)整元件上作用力的改變而引起的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其特征在于所述元件的所述形狀包括狗骨形。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括激勵器，其提供作用于所述光學(xué)元件的軸向作用力，以設(shè)置所述光柵的所述特性波長。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述元件的壓縮在所述工作溫度范圍內(nèi)保持在線性彈簧區(qū)域內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述隔離物材料包括金屬。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述隔離物材料包括鋁。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述隔離物材料和所述光學(xué)元件由玻璃材料構(gòu)成。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述隔離物材料，所述光學(xué)元件，以及所述端蓋熔接在一起作為整體裝置。
全文摘要
一種溫度補(bǔ)償光學(xué)裝置，包括可變壓縮玻璃元件(10)，其中具有一個布拉格光柵、補(bǔ)償材料隔離物(26)以及端蓋(28)，這些部件均安裝于外部殼體(30)內(nèi)。元件(10)、端蓋(28)以及殼體(30)均由熱膨脹系數(shù)(CTE)低的材料制成，例如，硅石，石英等。隔離物(26)由較高CTE材料制成，例如，金屬派熱克斯玻璃，陶瓷等。隔離物(26)的材料和長度L5選擇為抵消因溫度引起的光柵波長變化。當(dāng)溫度升高時，隔離物(26)膨脹得比硅石結(jié)構(gòu)快，導(dǎo)致壓縮應(yīng)變作用于元件(10)，它使光柵(12)的波長改變以平衡內(nèi)在溫度隨變化的波長。因此，光柵(12)的波長在廣泛的溫度范圍內(nèi)基本上不改變。元件(10)包括光纖，所述光纖包含至少一個銘印其中的布拉格光柵(12)，封裝及熔接到玻璃毛細(xì)管的至少一部分，或者帶有光柵(12)的大直徑波導(dǎo)(或杖)，它具有芯(11)和大包層，在承受大范圍軸向壓縮應(yīng)變時不發(fā)生彎曲。元件可以具有“狗骨”形以增大光柵(12)上的壓縮應(yīng)變。裝置(8)也可以放置于軸向可調(diào)整的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)在保持無熱時允許波長動態(tài)調(diào)整。除光柵外，裝置可以是無熱激光器，DFB激光器等。并且，整個裝置(8)可以全部由整塊玻璃材料構(gòu)成。
文檔編號G02B6/00GK1439106SQ01809092
公開日2003年8月27日 申請日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月16日
發(fā)明者J·M·沙利文, T·J·拜利, R·N·布魯卡托, T·W·恩格爾, M·R·費(fèi)納爾德, R·T·瓊斯, A·D·凱西, T·麥多加爾, M·B·米勒, M·A·普特納姆, P·E·桑德斯, J·S·西爾基斯 申請人:塞德拉公司