專利名稱：光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是有關(guān)于一種可補(bǔ)償一光纖元件受溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮的形變，尤指在外在環(huán)境溫度變化時(shí)，原本會(huì)隨溫度變化而改變的形變，因有此補(bǔ)償裝置而得到溫度補(bǔ)償，使該元件對(duì)溫度不敏感。
背景技術(shù)：
光通信元件都期望能有高穩(wěn)定性，以濾波元件為例，在傳統(tǒng)波段中(1530-1565nm)所要求的頻譜間距需在0.8nm之內(nèi)，這種穩(wěn)定性會(huì)因?yàn)闉V波元件(如光纖光柵)受到外界環(huán)境溫度的變化時(shí)，其反射波長(zhǎng)(稱布拉格波長(zhǎng))會(huì)有漂移的情形而破壞，此情況在通信上容易造成信號(hào)誤判。因此不隨溫度變化而受影響的濾波器至為重要，在此提出制程簡(jiǎn)單、體積尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本便宜，并容易大量生產(chǎn)的溫度補(bǔ)償裝置。
G.W，Yoffe等人于1995年曾提出包括硅制套管、鋁合金蓋以及螺帽等，另必須由環(huán)氧樹脂接著，雖然其效果可達(dá)到0.7pm/℃，但是其所需的構(gòu)件以及構(gòu)裝的程序都相當(dāng)復(fù)雜，不符實(shí)用。請(qǐng)參閱G.W.Yoffe，P.A.Kurg，F(xiàn).Ouellette，and D.A.Thorncraft，“TemPerature-compensated Optical fiber Bragg gratings，”in Optical FiberCommunications，vol.8 of 1995 Osa technical Digest SerieS(Optical Societyof America，Washington，D.C.，1995)pp.134-135。
T.Iwashima于1997年利用液晶高分子管配合內(nèi)填環(huán)氧樹脂，利用兩種材料熱膨脹系數(shù)的差異，作為熱補(bǔ)償?shù)妮d體，載體受溫度影響產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)移到光纖光柵上，以做補(bǔ)償動(dòng)作，其補(bǔ)償?shù)男Чm僅能達(dá)到1.3Pm/℃，然而其裝置則較Yoffe等的簡(jiǎn)便。請(qǐng)參閱T.Iwashima，A.Inoue，M.Shigematsu，M.Nishimura，and Y.Hattori，“Temperature compensationtechnique for fiber Bragg gratings using liquid crystalline polymer tubes，”Electron.lett.，vol.33，pp.417-419，1997。
2000年，Mill等人以石英與300不銹鋼的疊合，將光纖貼覆在石英上，由兩材料的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，得以壓縮或拉伸光纖，使光纖光柵的漂移量得到補(bǔ)正，然而其材質(zhì)易碎，材料的重量對(duì)材質(zhì)脆弱的光纖而言，在側(cè)向上構(gòu)成沉重的負(fù)荷。請(qǐng)參閱Miller etal.，“Temperature compensated fiber Bragg gratings，”U.S.Patent 6,044,189，1997。
美國(guó)康寧玻璃公司(Corning Glass Work)Beall等人發(fā)展出一種熱縮冷脹的陶瓷材料，光纖光柵固定于其上，波長(zhǎng)的飄移量可被壓抑至1.212pm/℃，此發(fā)明的溫度補(bǔ)償性能一般，材質(zhì)為易碎的陶瓷。請(qǐng)參閱Beall et al.，“Athermal optical device，”U.S.Patent 6,087,280，2000。
2001年，Prohaska等人提出具有非等向性結(jié)晶(anisotropiccrystal)特性的方解石化合物(calcite)各方向的熱膨脹系數(shù)不同，因熱膨脹不相容而可以找到適合提供光纖光柵溫度補(bǔ)償所需壓應(yīng)變的方向。然而，在制作方解石化合物時(shí)，其成分的比例，包括氧化鋁、氧化鈦、碳酸鈣等，都必須非常準(zhǔn)確，若比例稍有出入，則熱膨脹系數(shù)的分布曲線便產(chǎn)生變動(dòng)，而所需安置的角度也要隨之調(diào)整；此外，安置的角度也容易產(chǎn)生偏差，而造成過補(bǔ)償或虛補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，以致于所需的波長(zhǎng)穩(wěn)定性不如預(yù)期，故此方法的實(shí)用性不高。請(qǐng)參閱Prohaska et al.，“Temperaturecompensated fiber grating and method for compensating temperature variationin fiber grating，”U.S.Patent 6,240,225，2001。
2002年，Lin等人分別針對(duì)“25℃以下至-40℃”與“25℃以上至80℃”的兩情況做出了補(bǔ)償溫度的封裝。就低溫方面的補(bǔ)償時(shí)，所采用機(jī)構(gòu)必須在室溫時(shí)便以套簡(jiǎn)夾住光纖，再以螺帽旋緊，當(dāng)溫度降低造成布拉格波長(zhǎng)向下漂移的狀況發(fā)生時(shí)，便旋轉(zhuǎn)螺帽，將螺帽內(nèi)側(cè)夾持光纖的套筒得以拉長(zhǎng)光纖，使波長(zhǎng)得到適當(dāng)?shù)难a(bǔ)正。然而在高溫的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中，卻必須先給定一拉預(yù)力，以便在溫度升高時(shí)做釋放應(yīng)力的動(dòng)作，讓漂移的波長(zhǎng)能得到修正；此兩機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。請(qǐng)參閱Lin etal.，“Temperature-compensating device with tunablemechanism for optical fiber gratings，”U.S.Patent 6,374,015，2002。
本創(chuàng)作人有監(jiān)于上述溫度補(bǔ)償裝置的缺失主要有幾方面結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，重量不夠輕巧，易碎，而且波長(zhǎng)對(duì)溫度的穩(wěn)定仍不甚理想，乃潛心研究并配合學(xué)理的運(yùn)用，提出一種設(shè)計(jì)合理且有效改善上述缺點(diǎn)的本實(shí)用新型專利案。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的，即在針對(duì)上項(xiàng)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，以簡(jiǎn)單機(jī)制及簡(jiǎn)單構(gòu)造，即能達(dá)成待補(bǔ)償元件對(duì)溫度變化不敏感的功能。
本實(shí)用新型的另一目的，在于提供一種重量輕巧，體積尺寸小的光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置。
本實(shí)用新型的又一目的，在于提供一種光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，成本便宜，適合大量生產(chǎn)而可使成本進(jìn)一步降低。
本實(shí)用新型為一種可補(bǔ)償因溫度而熱脹冷縮的元件，包括一待溫度補(bǔ)償?shù)脑患耙谎a(bǔ)償該元件受溫度而變形的材料；該材料是利用連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料單層片(lamina)的熱膨脹系數(shù)異向性，透過積層方式，并按需要選擇疊層數(shù)目以及每一層的纖維走向，可以在積層板(laminatc)特定方向上獲得指定的熱縮冷脹特性。待補(bǔ)償元件如沿此特定方向固定于該復(fù)合材料積層板上，則該待補(bǔ)償元件受溫度變化后產(chǎn)生拉伸或收縮，可以被熱縮冷脹應(yīng)變作用相抵銷，使其因應(yīng)變的作用而將待補(bǔ)償元件形變得以補(bǔ)正。利用連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料單層片(lamina)不同方向的熱膨脹系數(shù)差異，透過積層方式、層片數(shù)目以及每一層的纖維走向，可以在積層板(laminate)特定方向上獲得指定的熱縮冷脹特性，該待補(bǔ)償元件沿此特定方向固定于該復(fù)合材料積層板上；平常受溫度增加，待補(bǔ)償元件會(huì)向外伸張，而溫度增加造成積層板熱縮而產(chǎn)生壓應(yīng)變作用，可以使待補(bǔ)償元件向內(nèi)收縮，故能達(dá)致因溫度增加所導(dǎo)致的待補(bǔ)償元件伸張量相抵銷，以盡量維持原待補(bǔ)償元件形狀不隨溫度增加而改變；同理，對(duì)溫度降低的狀態(tài)下亦然。
本實(shí)用新型是有關(guān)于一種可補(bǔ)償因溫度而漂移光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的裝置，尤指在外在環(huán)境溫度變化時(shí)，原本會(huì)隨溫度變化而改變的布拉格波長(zhǎng)，因有此補(bǔ)償裝置而到溫度補(bǔ)償，使其布拉格波長(zhǎng)對(duì)溫度不敏感。光纖光柵沿補(bǔ)償裝置特定方向固定于該復(fù)合材料積層板上；平常受溫度增加，光纖光柵布拉格波長(zhǎng)會(huì)往長(zhǎng)波長(zhǎng)處漂移，而溫度增加造成積層板熱縮而產(chǎn)生壓應(yīng)變作用，可以使光纖光柵布拉格波長(zhǎng)往短波長(zhǎng)處漂移，因后者的漂移量可以加以設(shè)計(jì)，故能達(dá)致因溫度增加所導(dǎo)致的布拉格波長(zhǎng)漂移相抵銷，以盡量維持原布拉格波長(zhǎng)不隨溫度增加而改變；同理，對(duì)溫度降低的狀態(tài)下亦然。本實(shí)用新型的重點(diǎn)在于溫度補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、體積尺寸微小、重量輕、制程簡(jiǎn)單、成本便宜，并容易大量生產(chǎn)。
本實(shí)用新型揭露一種可補(bǔ)償因溫度而漂移光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的裝置，包括一導(dǎo)波管，用以限制及傳輸光信號(hào)；一待溫度補(bǔ)償?shù)墓庠?；及一補(bǔ)償光纖光柵布拉格波長(zhǎng)漂移的材料；該材料是利用連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料單層片(lamina)的熱膨脹系數(shù)異向性，透過積層方式，并按需要選擇疊層數(shù)目以及每一層的纖維走向，可以在積層板(laminate)特定方向上獲得指定的熱縮冷脹特性。光纖光柵如沿此特定方向固定于該復(fù)合材料積層板上，則受溫度變化后產(chǎn)生光纖光柵布扭格波長(zhǎng)漂移，可以被熱縮冷脹應(yīng)變作用所導(dǎo)致的布拉格波長(zhǎng)漂移相抵銷，使其因應(yīng)變的作用而將漂移的波長(zhǎng)得以補(bǔ)正。


為使本實(shí)用新型得以進(jìn)一步被理解，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)手段將根據(jù)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并配合相關(guān)附圖，詳細(xì)說明如下，其中圖1是本實(shí)用新型一實(shí)施例的環(huán)氧樹脂碳纖維(Gr/Epoxy)復(fù)合材料疊層圖。
圖2是本實(shí)用新型一實(shí)施例的待補(bǔ)償元件補(bǔ)償示意圖。
圖3是本實(shí)用新型一實(shí)施例的光纖光柵溫度補(bǔ)償示意圖。
圖4是本實(shí)用新型一實(shí)施例的補(bǔ)償前與補(bǔ)償后曲線圖。
圖5是本實(shí)用新型另一實(shí)施例的光纖光柵溫度補(bǔ)償示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參照附圖，本實(shí)用新型是有關(guān)于一種可補(bǔ)償因溫度而漂移光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的裝置，尤指在外在環(huán)境溫度變化時(shí)，原本會(huì)隨溫度變化而改變的布拉格波長(zhǎng)，因有此補(bǔ)償裝置而到溫度補(bǔ)償，使其布拉格波長(zhǎng)對(duì)溫度不敏感。此補(bǔ)償裝置主要特徵在于利用連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料單層片(lamina)不同方向的熱膨脹系數(shù)有所差異，透過積層方式，并按需要選擇疊合的單層片數(shù)目以及每一層的纖維走向，可以在疊合后的積層板(laminate)一特定方向上獲得指定的熱縮冷脹(即受熱收縮，受冷膨脹)特性；光纖光柵平常在溫度增加下，其布拉格波長(zhǎng)會(huì)往長(zhǎng)波長(zhǎng)處漂移，如將光纖光柵沿上述特定方向固定黏貼于該復(fù)合材料積層板上；則當(dāng)溫度增加時(shí)，積層板受熱收縮而對(duì)光纖光柵產(chǎn)生壓應(yīng)變作用，從而使光纖光柵布拉格波長(zhǎng)往短波長(zhǎng)處漂移，因后者的漂移量可以加以按需求設(shè)計(jì)，透過適當(dāng)?shù)倪x擇，可以使因溫度增加所導(dǎo)致的光纖光柵布拉格波長(zhǎng)漂移與積層板熱縮所導(dǎo)致的光纖光柵布拉格波長(zhǎng)漂移相抵銷，以盡量維持原布拉格波長(zhǎng)不隨溫度增加而改變；同理，對(duì)溫度降低的狀態(tài)下亦然。本實(shí)用新型的重點(diǎn)在于溫度補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、體積尺寸微小、重量輕，制程簡(jiǎn)單，成本便宜，并容易大量生產(chǎn)。
實(shí)施例茲配合圖式詳細(xì)說明介紹本實(shí)用新型的具體實(shí)施例請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)施例乃是采用熱固性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料1，欲制作積層板4時(shí)，先將其碳纖維復(fù)合材料1依預(yù)定的層數(shù)及纖維走向栽切為矩形，并依復(fù)合材料的纖維方向按計(jì)劃的層數(shù)及順序堆疊如疊層2，按復(fù)合材料積層板常用的成型方法加上脫膜層，放入真空袋中抽真空，整組并置于壓力釜中加溫加壓使復(fù)合材料層板4成化。待冷卻后按需要的尺寸切割，請(qǐng)參閱圖2，并將待溫度補(bǔ)償元件3黏貼在積層板4表面選定的方向上。
另一實(shí)施例請(qǐng)參閱圖3，同上的具體實(shí)施例所作的復(fù)合材料層板4，待冷卻后按需要的尺寸切割，并將有光纖光柵5的光纖6用膠水7黏貼在積層板4表面選定的方向上。
又一實(shí)施例請(qǐng)參閱圖5，本實(shí)施例除如前一實(shí)施例將有光纖光柵5的光纖6用膠水7黏貼在切割好的熱固性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料積層板4表面選定的方向上外，并將積層板4的一端以封膠10固定于套筒9內(nèi)，積層板4的另一端懸空于套筒9中，套筒另一端以封膠11密封，套筒9外壁以PU絕熱層12包裹，套簡(jiǎn)9內(nèi)壁及絕熱層12外壁并以鏡面鍍鋁反光層13包覆，套筒9內(nèi)部抽真空14，以阻絕外界環(huán)境溫度的變化以輻射，傳導(dǎo)或?qū)α鱾鬟_(dá)光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置，使光纖光柵布扭格波長(zhǎng)更趨穩(wěn)定，另以適當(dāng)?shù)捻来a8黏貼固定于積層板4懸空的一端，以達(dá)到調(diào)整光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的目的。
請(qǐng)參閱圖4，是本實(shí)用新型一實(shí)施例的補(bǔ)償前與補(bǔ)償后曲線圖。
雖然本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例已被圖例示的目的而揭露，但本實(shí)用新型并不局限于此。熟知該領(lǐng)域一般技術(shù)的人會(huì)了解，在不違背本實(shí)用新型的范圍及精神下，各式各樣的修改、增補(bǔ)及替換是可能的。
權(quán)利要求1.一種光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，包括一用以補(bǔ)償待溫度補(bǔ)償元件因溫度變化而發(fā)生扭伸及收縮所導(dǎo)致的形變的復(fù)合材料積層板；其中上述的復(fù)合材料積層板是采用連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料單層片的預(yù)浸材組成并依設(shè)計(jì)的纖維方向及順序堆疊。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中該待溫度補(bǔ)償元件包含光纖光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中該待溫度補(bǔ)償元件包含波導(dǎo)管。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中該待溫度補(bǔ)償元件包含光纖光柵。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中上述的連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料積層板其成化成型時(shí)利用不同形狀的模具，以獲致從平板至不同彎曲弧度的積層板溫度補(bǔ)償裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中該不同彎曲弧度的積層板的一端固定于套簡(jiǎn)內(nèi)，另一端懸空于該套筒中，該套簡(jiǎn)兩端密封，以阻絕外界環(huán)境溫度的變化，使光纖光柵布拉格波長(zhǎng)更趨穩(wěn)定。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中該套筒外壁以絕熱層包裹，絕熱層外壁并以鏡面反光層包覆，該套筒內(nèi)部抽真空，以阻絕外界環(huán)境溫度的變化以輻射、傳導(dǎo)或?qū)α鱾鬟_(dá)該溫度補(bǔ)償裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中該溫度補(bǔ)償裝置，以適當(dāng)砝碼固定于該積層板懸空的一端，以同時(shí)達(dá)到溫度補(bǔ)償以及調(diào)整光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的目的。
9.如權(quán)利要求1所述的光纖元件的溫度補(bǔ)償裝置，其特征在于，其中該待溫度補(bǔ)償元件是黏貼在該連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料積層板表面上。
專利摘要一種可補(bǔ)償一元件受溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮的形變，包括一待溫度補(bǔ)償?shù)脑?，及一補(bǔ)償該元件熱脹冷縮形變的材料；該材料是利用連續(xù)纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料單層片的熱膨脹系數(shù)異向性，透過積層方式，并按需要選擇疊層數(shù)目以及每一層的纖維走向，可以在積層板特定方向上獲得指定的熱縮冷脹特性。待溫度補(bǔ)償?shù)脑缪卮颂囟ǚ较蚬潭ㄓ谠搹?fù)合材料積層板上，則待溫度補(bǔ)償?shù)脑旧硎軠囟茸兓笏a(chǎn)生的形變，可以被補(bǔ)償材枓其熱縮冷脹應(yīng)變作用相抵銷。
文檔編號(hào)G02B6/124GK2646728SQ0326688
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月8日
發(fā)明者單秋成, 林志豪, 江家慶, 廖顯奎, 曾昱璋, 陳宣臣 申請(qǐng)人:單秋成, 廖顯奎