專利名稱：光學器件和熔融封接劑的制作方法
發(fā)明的領域一種光學器件，包括負的或接近零膨脹的基片和通過熔融封接劑封接于其上的光學元件。
發(fā)明的背景通常使用熔融封接作為連接元件的方法以形成復合制品。以前，熔融封接用于制造諸如電燈泡、陰極射線管和其它顯示裝置這類制品。
制造這類制品需考慮的主要問題是熱膨脹系數(shù)(CTE)的匹配。要求最終封接劑的CTE與被封接的各部件的CTE合理地接近匹配。例如，在陰極射線管中，習慣上要求玻璃元件的CTE在95-105×10-7／℃的數(shù)量級。
本發(fā)明涉及光學制品或器件，如平面波導、波導光柵(gratings)、耦合器和濾波器。在這些制品中，將光纖與具有接近零或相對較大負值的CTE的基片連接。為了實現(xiàn)這一目的，熔融封接劑必須緊密地粘合在基片和光纖上。其粘結強度必須足以使應變傳遞穿過玻璃料封接劑(即在基片和光纖之間傳遞)。
紫外光會引起光纖(如氧化硅和氧化鍺-氧化硅光纖)的折射率變化。如此變化的光纖適用于制造復雜的、窄波段光學元件，如濾波器和波道加入／脫離(add／drop)器件。這類器件可作為多波長通訊系統(tǒng)的重要組成部分。反射光柵(或Bragg光柵)是一種光敏器件，它在很窄的波段反射光線。通常這些器件具有以納米計的波道間距。
采用Bragg效應選擇波長進行濾波的不同結構的光學濾波器是已知的。制造濾波器的一種方法包括在光纖內(nèi)芯中壓印至少一種周期性光柵。使兩束紫外光的干涉圖形透過包層照射內(nèi)芯。從而形成通常垂直于光纖軸取向的反射光柵。
在氧化硅和氧化鍺-氧化硅光纖反射光柵中，折射率隨溫度的變化支配著中心波長的變化。由光纖光柵反射的光線頻率隨光柵區(qū)域溫度的不同而異。因此，這種濾波器不適用于要求反射光頻率與溫度無關的場合。
顯然需要開發(fā)一種對溫度變化不敏感的體系。1996年1月16日提交的臨時申請S．N．60／010，058描述了一種無熱效應的(athermal)器件，其中具有正CTE的熱敏元件被固定在具有負CTE的基片正表面的兩個隔開的位置上。在這種器件中建議使用氧化鋰-硅鋁酸鹽玻璃-陶瓷(β-鋰霞石)作為基片。它還報導了可使用有機聚合物膠粘劑、無機玻璃料或金屬將元件(如光纖)固定在基片上。
本發(fā)明的目的是提供一種光學器件，包括與具有接近零或負CTE的基片結合的具有正CTE的光學元件。本發(fā)明另一個目的是提供用熔融封接劑將所述元件固定在基片上的制品。本發(fā)明再一個目的是提供一種封接材料，它具有良好的封接性能、低的CTE并能在光學元件和基片之間形成粘合封接。本發(fā)明還有一個目的是提供使用熔融封接劑制造這種光學器件的方法。
本發(fā)明制品是一種光學器件，包括具有接近零或負CTE的基片和用熔融封接劑固定在基片上的光學元件，所述封接劑是具有正CTE的低熔點玻璃料和具有負CTE的玻璃-陶瓷研磨添加劑(mill addition)的熔融產(chǎn)物。
本發(fā)明還涉及制造這類光學器件的方法，該方法包括摻混具有正CTE的低熔點玻璃料與具有負CTE的玻璃-陶瓷研磨添加劑，用該摻混物形成封接漿料，將該漿料施加在基片表面，將光學元件置于封接漿料上，將漿料加熱至一定溫度并保持一定時間以在元件和基片之間形成封接。
附圖的簡要說明在附圖中，

圖1是實施本發(fā)明的典型光學器件的側視圖，圖2表示封接中遇到的匹配不符的情況。
圖3是實施本發(fā)明的器件的透視圖。
圖4是圖3所示器件的頂視圖。
圖5是實施本發(fā)明的器件的透視圖。
圖6是實施本發(fā)明的器件的透視圖。
圖7是實施本發(fā)明的器件的側視圖。
圖8是實施本發(fā)明的器件的透視圖。
圖9是實施本發(fā)明的器件的側視圖。
已有技術可能相關的文獻描述于單獨的文件中。
發(fā)明的描述本發(fā)明是在開發(fā)一種將光纖粘合固定在CTE比它低得多的基片上的有效方法的過程中作出的。因此，本發(fā)明將參照這種制品及其發(fā)展進行描述。但是，顯然本發(fā)明不受此限制，本發(fā)明可普遍適用于光學器件中的熔融封接。
為了形成熔融型封接，必須將封接材料加熱至一定溫度，在該溫度它柔軟得足以濕潤封接表面并形成粘合連接。從許多目的出發(fā)，要求封接溫度盡可能低。因此，在溫度低于500℃，最好為400-500℃形成封接的玻璃料常被稱為低熔點或中溫的封接用玻璃。
用于形成熔融封接的玻璃質材料通常是粉末狀的，并稱之為玻璃料。封接用玻璃料?；煊幸环N有機載體(如乙酸戊酯)形成可流動或可擠出的漿料。隨后將這種漿料混合物施加至封接表面上(在這種情況下是器件的基片上)。欲封接元件的CTE和封接玻璃料的CTE之間常存在著差異?？杉尤胙心ヌ砑觿┮栽诓ＡЯ虾驮g形成膨脹匹配。
除了流動性和膨脹相容性以外，還要求封接用玻璃料具有許多其它有利的特性。這些特性包括對欲封接部件的良好濕潤性和與有機載體的相容性。具體地說，玻璃料應與常用的硝化纖維素和乙酸戊酯等載體和粘合劑相容。
在很長時間內(nèi)工業(yè)上使用結晶或非結晶的硼酸鉛鋅封接用玻璃形成熔融封接。一般來說，這類玻璃主要由68-82％PbO、8-16％ZnO、6-12％B2O3和任選的高達5％的SiO2、BaO和Al2O3組成。這種玻璃常用的封接溫度在430-500℃的數(shù)量級。
近來，開發(fā)了一類無鉛的磷酸錫鋅封接用玻璃。這種玻璃詳細描述在美國專利5，246，890(Aitken等)和5，281，560(Francis等)中。這些專利描述的玻璃是無鉛的，并具有較低的、在400-450℃范圍內(nèi)的封接溫度。
Aitken等的玻璃由于其氧化錫含量相對較低而在用于制備陰極射線管外殼中的封接劑中特別引人注目。除了無鉛外，這類玻璃的組成含有25-50％(摩爾)P2O5和SnO與ZnO，后兩者的含量使得SnO∶ZnO的摩爾比為1∶1-5∶1。在玻璃組合物中還可含有高達20％(摩爾)的改性氧化物，包括高達5％(摩爾)的SiO2、高達20％(摩爾)B2O3和高達5％(摩爾)的Al2O3。它們還可含有一種或多種選自1-5％(摩爾)鋯石和／或氧化鋯和1-15％(摩爾)R2O的結晶促進劑。另外，組合物中可包括選自高達5％(摩爾)WO3、高達5％(摩爾)MoO3、高達0．10％(摩爾)Ag金屬及其混合物的封接助粘劑。
Francis等人的玻璃使用摩爾比大于5∶1的SnO和ZnO。在玻璃組合物中還包括至少一種選自高達25％R2O、高達20％B2O3、高達5％Al2O3、高達5％SiO2和高達5％WO3的使其穩(wěn)定的氧化物。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，可如下制得封接用玻璃料熔融具有合適組成的玻璃坯料，冷卻玻璃熔體，最好將其急冷形成破裂的碎片，隨后磨碎形成玻璃粉(玻璃料)。接著按照本發(fā)明將玻璃料與研磨添加劑一起摻混。將摻混物與載體和粘合劑一起混合，形成粘度適合于施涂至封接表面的漿料。
用于封接陰極射線管的傳統(tǒng)載體和粘合劑是硝化纖維素和乙酸戊酯的混合物。近來，開發(fā)了不使用揮發(fā)性有機化合物的載體。這種載體(纖維素聚合物的水溶液)披露在臨時申請S．N．60／012，330中。該申請?zhí)峤挥?996年2月27日，轉讓給了與本發(fā)明相同的受讓人，列于此引為參考。在本發(fā)明實踐中，兩種載體都可使用，也可使用任何其它合適的載體。
本發(fā)明被開發(fā)用于波導應用，如連接在接近零或負膨脹的基片上的光柵。接近零意味著在0-300℃溫度范圍內(nèi)CTE值為0±10×10-7／℃。典型的材料是熔凝氧化硅。負的CTE是指膨脹具有負斜率。
基片可由β-鋰霞石玻璃-陶瓷制成。在這種情況下，使用的研磨添加劑至少主要是焦磷酸鹽。合適的焦磷酸鹽具有通式2(Co，Mg)O·P2O5。在70-300℃溫度范圍內(nèi)這種晶體經(jīng)歷了相轉化(phase inversion)。相轉化的確切溫度取決于Co的含量。
如果沒有相轉化，在0-300℃溫度范圍內(nèi)該材料本來會具有正的CTE。但是，相轉化導致了體積變化。從而產(chǎn)生使體系的CTE降低變成負值的凈效應。與β-鋰霞石基片一起使用的具體材料含有28％(陽離子)CoO。
或者，基片可以是熔凝二氧化硅。在這種情況下，封接用玻璃摻混物可使用(作為玻璃陶瓷研磨添加劑)焦磷酸鹽和具有很低的或負的膨脹系數(shù)的材料。所述材料可以是例如β-鋰霞石、β-鋰輝石和β-石英，它們在與基片的不匹配很小或等于零的封接劑中形成接近零的有效CTE。這種材料在通常添加劑的意義下降低有效CTE。β-鋰霞石是較好的添加劑，應在混合物中起主要作用。它是通過將合適的玻璃在1250-1350℃的溫度范圍內(nèi)陶瓷化(eeramming)4小時制成的。其測得的CTE在-50～-75×10-7／℃的范圍內(nèi)。
兩種研磨添加劑都是玻璃-陶瓷類的?？捎贸Ｒ?guī)的玻璃熔融技術將它們?nèi)绮Ａ菢尤廴?，讓其結晶，隨后將其球磨成20-25微米的粉末。球磨后，可通過氣流分選(air-classifying)或400目篩網(wǎng)過篩從每種填料中除去大顆粒。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，可使用硼酸鉛鋅或磷酸錫鋅玻璃料或者其它具有低熔解溫度的玻璃(如硼酸鉛)。但是，在許多應用中需要激光束加熱漿料進行封接。在這種情況下，含有無鉛的磷酸錫鋅玻璃料的摻混物的性能好得多，它是較好的玻璃料。
上述Aitken等人和Francis等人的專利描述了磷酸錫鋅玻璃族。這些專利報導的整個內(nèi)容都結合于本發(fā)明。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，我們認為玻璃最好具有位于正磷酸鹽和焦磷酸鹽的化學計算量之間的組分，即25-33％(摩爾)P2O5、0-15％(摩爾)ZnO、0-5％(摩爾)包括SiO2、Al2O3、B2O3和WO3的任選的氧化物、余量是SnO，SnO∶ZnO的摩爾比較好為1-10∶1。
在我們的研制工作中，使用接近正磷酸鹽組成的基質玻璃。這種玻璃組合物(按摩爾數(shù)計)主要由28．5％P2O5、1％B2O3、0．5％Al2O3以及摩爾比為10∶1的SnO和ZnO組成。在950℃熔融該玻璃，輥壓冷卻，隨后進行球磨，形成平均粒徑為20-25微米的粉末。
通過在輥磨機中干混稱重過的粉末制得基質玻璃和填料的各種摻混物。將摻混物用粗篩網(wǎng)過篩進行進一步混合。如下評價流動性用手壓制一個圓柱形的6克流動粒料，將該粒料置于顯微鏡的載玻片上并在要求的熱循環(huán)中煅燒之。如下測定熱膨脹用玻璃料摻混物和乙酸戊酯及硝化纖維素的漿料制備不匹配的試樣，使用該漿料與兩層熔凝氧化硅基片形成顛倒夾層的封接。干燥該不匹配的試樣，隨后在要求的熱循環(huán)中煅燒之，用偏振計測定基片中的膨脹不匹配應變。
下表列出了幾種玻璃料摻混物的數(shù)據(jù)。還列出了每種摻混物與熔凝氧化硅顛倒夾層封接所觀察到的室溫(RT)不匹配(拉伸或壓縮)。所使用的熱循環(huán)是425℃加熱1小時。每個摻混物的組成以重量百分數(shù)計。玻璃料摻混物1和3在熔凝氧化硅夾層之間時，或者是處于中性狀態(tài)或者是處于很輕微的拉伸狀態(tài)。在用于試樣的425℃封接溫度下?lián)交煳?和3具有很好的流動性。這些摻混物適用于封接熔凝氧化硅基片。
玻璃摻混物5和6在熔凝氧化硅夾層封接中處于很高壓縮狀態(tài)。這種摻混物適用于封接膨脹低得多的基片，β-鋰霞石。
使用這些玻璃料制得了光柵器件。使用玻璃料6在450℃將一段光纖封接至β-鋰霞石板上。在波導光纖上進行偏振讀數(shù)。結果表明玻璃料6與β-鋰霞石板連接得很好，足以將不匹配應變從負膨脹的基片傳遞至正膨脹的光纖。
表低膨脹、無鉛玻璃料摻混物1 2 3456玻璃 75 70 75 72．570 70β-鋰霞石 17．5 20 15 17．510 --Co-Mg焦磷酸鹽 7．5 10 10 10 20 30流動性，mm24 18 23 21 22 25室溫(RT)不匹配 輕微拉伸 中性 輕微拉伸 輕微拉伸 中度壓縮 高度壓縮附圖中圖1是本發(fā)明無熱效應的光纖光柵器件20的示意圖。器件20具有由一塊負膨脹材料(如β-鋰霞石)平板制成的基片22。在基片22的表面28上固定有光纖24，其中寫入了至少一個UV引起的反射光柵26。光纖24固定在表面28兩端的點30和32上。用一小塊本發(fā)明封接用玻璃材料將光纖24固定在基片22的點30和32上。
在如圖所示的光柵器件中，始終保持光纖24成直線并不遭受負膨脹導致的壓縮是重要的。因此，光纖24常在拉伸狀態(tài)進行固定。在固定前，如圖所示通過使用重物34使光纖在受控制的張力下進行放置。適當選擇張力，能確保光纖在所有預期的使用溫度下都不會遭受壓縮。
可使用本發(fā)明的另一種器件是光波光路。這種器件包括熔凝氧化硅基片和形成在基片上的多個光學功能塊。每個功能塊必須用與集成電路中所需的電連接很相似的方式與獨立的外部光纖相連。每根連接的光纖必須用一滴本發(fā)明的封接用材料進行封接并保持其成一直線。表中的摻混物1或3可用于這種應用。
在這種光學器件中的熔融封接往往是相當小的。需要仔細地控制封接過程。因此，常需要使用可控制的熱源(如激光)而不是常規(guī)燃燒器的火焰。因此，可將激光束散焦，即聚焦于距目標很短的距離處或聚焦于目標的前面，從而避免點聚焦常會發(fā)生的過熱現(xiàn)象。
我們還發(fā)現(xiàn)在許多應用中需要使用非直接加熱。例如，在將光纖固定在基片上時，可將一滴或多滴封接用漿料施加在基片的正面上。隨后如圖1實例所示安裝光纖。
接著向基片的背面(即反面)施加熱源(燃燒器火焰或激光束)。以這種方法，通過用基片傳遞熱量而非直接加熱使封接用漿料受熱軟化。這種方法能較好地控制封接過程，損壞器件的風險較小。在使用激光的情況下，可對其進行散焦以免損壞基片。
圖2顯示了當使用兩種不同的摻混物與熔凝氧化硅形成夾層封接時所遇到的不匹配。溫度被作為水平軸，基片的不匹配(以百萬分之一(ppm)為單位)為垂直軸。玻璃料摻混物與基片具有相同的不匹配數(shù)值，但是符號由正變成了負。圖2中的正值表示基片處于拉伸狀態(tài)，而玻璃料摻混物處于壓縮狀態(tài)。
曲線A是在不同溫度下測得的摻混物1和熔凝氧化硅之間的封接的不匹配值。曲線B是摻混物6和熔凝氧化硅之間(其中玻璃料處于高度壓縮狀態(tài))測得的相當強烈的不匹配。摻混物6可用于熱膨脹系數(shù)(CTE)比熔凝氧化硅低得多的基片。它可用于例如CTE約為-50×10-7／℃的β-鋰霞石基片。
本發(fā)明還針對光學器件和制備所述光學器件的方法，這些器件可基本上克服由已有技術的局限和缺點造成的一個或多個問題。
本發(fā)明的其它特點和不足闡述于本說明書中，部分可以從說明書中顯而易見，或者可以通過實施本發(fā)明得知。本發(fā)明的其它目的和其它優(yōu)點通過所寫說明書及其權利要求書和附圖中具體指出的設備、器件、結構和方法得以實現(xiàn)。
為了實現(xiàn)這些和其它優(yōu)點并根據(jù)本發(fā)明的目的，如舉例和概述所述，本發(fā)明包括一種光學器件，它由包含光柵的波導光纖固定在基片上組成，以便控制包含光柵的光纖隨溫度變化的光學性能。該基片具有第一縱向溝道，它還包含第一橫切凹槽，與第一縱向溝道形成第一凹部交點。含有光柵的波導光纖與第一縱向溝道成一直線，在第一凹部交點上固定于基片。
另一方面，本發(fā)明包括一種制備光學器件的方法，所述光學器件由波導光纖光柵和基片組成，所述基片控制著波導光纖光柵隨溫度變化的性能，該方法包括提供基片的步驟。另一個步驟是在基片中形成空隙(void)，基片限定所形成的空隙具有縱向區(qū)和至少一個橫切區(qū)。另一個步驟是將波導光纖沿基片中空隙的縱向區(qū)放置。還有一個步驟是提供一種可流動的粘合劑(較好的是液態(tài))，使其流入空隙的所述縱向區(qū)和橫切區(qū)內(nèi)，在這些區(qū)內(nèi)可流動的粘合劑固化成固態(tài)粘合體，將已經(jīng)放置就位的波導光纖在接近空隙的橫切區(qū)和縱向區(qū)處固定于基片。
本發(fā)明的另一方面包括一種光學器件，它由通過玻璃料熔融封接劑(較好由低熔點封接用玻璃組成)固定于基片上的光波導組成。
本發(fā)明的另一方面包括一種光學器件，它包含波導光纖光柵，所述波導光纖光柵與基片連接，以使得基片在所述光纖上施加力，以控制波導光纖光柵隨溫度變化的性能，其中所述波導光纖光柵是用粘合劑與基片連接的，所述基片具有空隙以接受所述粘合劑。所述空隙具有中央?yún)^(qū)和由所述中央?yún)^(qū)延伸開去的指狀區(qū)，其中流體狀態(tài)的所述粘合劑流入所述中央?yún)^(qū)和指狀區(qū)，于其中固化成固態(tài)粘合體，所述固態(tài)粘合體物理固定在所述空隙內(nèi)。
本發(fā)明的另一方面包括一種光學器件，它包含波導光纖光柵，所述波導光纖光柵與基片連接，以使得基片在所述光纖上施加力，以控制波導光纖光柵隨溫度變化的性能，其中所述波導光纖光柵是用玻璃料熔融封接劑與基片連接的。
應該理解，以上概述和以下詳細說明是舉例性和解釋性的，其目的是對權利要求書所述的本發(fā)明作進一步的解釋。
附圖是用來使讀者進一步理解本發(fā)明的，它包含在本說明書內(nèi)并構成說明書的一部分，說明本發(fā)明的實施方式并與說明書相結合來解釋本發(fā)明的原理。
本發(fā)明的光學器件包括一種具有光柵的波導光纖，所述波導光纖固定在基片上，以便控制該含光柵的波導光纖的隨溫度變化的光學性能。該器件包含基片，所述基片界定位于該基片中的第一縱向溝道和第一橫切凹槽，第一橫切凹槽與第一縱向溝道形成第一凹部交點。波導光纖與第一縱向溝道成一直線，并在第一凹部交點處固定在基片上?；哂虚L、寬、高，和第一表面(即頂面)和第二表面(即底面)。較好的是，該基片是長形的，其長度成比例地大于寬度和高度。較好的是第一縱向溝道與基片伸長的長度是共線且成一直線的。較好的是第一縱向溝道位于基片的第一表面內(nèi)。較好的是第一橫切凹槽包含位于基片第一表面內(nèi)的橫切凹槽溝道，該溝道橫切第一縱向溝道。
該光學器件還包含第二橫切凹槽溝道，較好的是位于基片的第一表面內(nèi)，第二橫切凹槽與所述第一縱向溝道形成第二凹部交點，波導光纖于該第二凹部交點處進一步固定在基片上。該第二橫切凹槽以及由它形成的交點宜具有與第一橫切凹槽相同的較佳結構。
較好的是，基片中的數(shù)根橫切凹槽溝道與第一縱向溝道基本垂直。較好的是界定第一縱向溝道的基片的第一表面進一步將所述第一橫切凹槽界定為與第一縱向溝道基本垂直的第二溝道。
該光學器件還包含一種用來將所述波導光纖固定在所述結構上的粘合劑，所述用于固定的粘合劑較好的是由能固化的可流動粘合劑組成。更好的是該光學器件包含由低熔點封接用玻璃形成的玻璃料熔融封接劑，所述玻璃料封接劑基本填滿所述第一凹部交點并延伸進入了所述第一橫切凹槽，于此所述波導光纖通過所述玻璃料熔融封接劑固定在具有所述第一凹部交點的所述基片上。所述玻璃料熔融封接劑較好的是延伸開去進入第一縱向溝道。
較好的是，本發(fā)明的橫切凹槽具有漸縮截面(tapered cross-section)，如燕尾槽結構或錐形(如用錐形擴孔器形成的錐形)。
基片較好的是由具有單一結構和組成的單一材料組成。該單一的基片材料宜具有天生即固有的負的熱膨脹系數(shù)，如在具有微裂縫的氧化鋰-硅鋁酸鹽β-鋰霞石玻璃-陶瓷中所見。
基片還可以是由至少兩種不同材料組成的復合基片。這兩種不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，結合在一起形成復合基片，該復合基片具有由兩種材料的不同性及其結合導致的有效的負熱膨脹系數(shù)。
第一縱向溝道較好的是由第一端和遠離第一端的第二遠端組成，在第一端和第二遠端之內(nèi)側第一橫切凹槽與第一縱向溝道形成第一凹部交點。此外，在第一端和第二遠端之內(nèi)側第二橫切凹槽與第一縱向溝道形成第二凹部交點，該第二凹部交點宜遠離所述第一凹部交點。
參考本發(fā)明的較佳實施方案進行詳細說明，實施方案的例子如附圖所示。本發(fā)明光學器件的一個實例如圖3和圖4所示，整個光學器件用標記50表示。如圖所示，光學器件50包括含有光柵54的波導光纖52，所述光柵宜包含折射率的周期性變化，較好的是Bragg光柵。波導光纖52固定在基片56上。第一橫切凹槽60與第一縱向溝道58形成第一凹部交點62，波導光纖52與第一縱向溝道58成一直線，并于凹部交點62處固定在基片56上。第二橫切凹槽64與第一縱向溝道58形成第二凹部交點66，光纖52固定于第二凹部交點66處?；牡谝槐砻?8界定第一縱向溝道58和與其基本垂直的溝道狀第一與第二橫切凹槽60和64。用來將光波導52固定在基片56上的裝置70宜為粘合劑，最好是玻璃料熔融封接劑72，它基本填滿凹部交點62和66并延伸開去進入鄰近所述交點的橫切凹槽區(qū)74，也會延伸開去進入鄰近所述交點的縱向溝道區(qū)76。
圖5示出了目前較佳的本發(fā)明基片56，它由具有負熱膨脹系數(shù)的單一材料組成。
圖6示出了本發(fā)明的一個實例，在該實例中基片56中形成的橫切凹槽60和64具有漸縮截面78。漸縮截面78(如燕尾形狀)進一步確保了沉積在交點62和66中的粘合劑70被約束，不能相對于基片進行移動。此外，縱向溝道58可以具有漸縮截面，該漸縮截面形狀能確保形成于交點62和66中的液態(tài)熔融封接劑保持與基片56連接。如圖7所示，橫切凹槽孔88具有由錐形擴孔器形成的漸縮截面78，因此截面為錐形。
如圖5所示，第一縱向溝道58由第一端80和第二遠端82組成，在第一端80和第二遠端82內(nèi)側有第一橫切凹槽60、第一凹部交點62、第二橫切凹槽64和第二凹部交點66。
本發(fā)明還包括一種制備光學器件的方法，所述光學器件由波導光纖光柵和基片組成，所述基片控制著波導光纖光柵隨溫度變化的性能，該方法包括以下步驟提供基片，在提供的基片中形成空隙以使其具有縱向區(qū)和至少一個橫切區(qū)。該方法還包括以下步驟將波導光纖沿形成的空隙的縱向區(qū)放置，提供一種流體狀態(tài)的粘合劑使其流入空隙的縱向區(qū)和橫切區(qū)，并基本覆蓋縱向區(qū)與橫切區(qū)交點的底面?？闪鲃訝顟B(tài)的粘合劑固化成固態(tài)粘合體，將波導光纖在接近空隙的橫切區(qū)與縱向區(qū)交點處固定于基片。較好的是提供粘合劑使其從交點延伸開去進入鄰近交點的空隙區(qū)。
在制備由含光柵54的波導光纖52組成的光學器件50的方法中，提供基片56較好的是包括提供由單一材料組成的基片56。基片56宜具有接近零或負的熱膨脹系數(shù)。該方法可以包括提供的基片56是復合基片，它具有至少兩種不同的材料，它們的熱膨脹系數(shù)不同。
在基片56中形成空隙84的步驟宜包括在基片中切割一道槽以形成空隙84的縱向區(qū)58。形成空隙84的步驟還包括在基片56中切割基本垂直于縱向區(qū)58的槽，形成橫切區(qū)60和64。形成空隙84較好包括形成漸縮截面的空隙。
形成具有縱向區(qū)58和橫切區(qū)60與64的空隙84的步驟可包括在基片56中鉆孔(宜用錐形擴孔器)以得到漸縮截面78。
將波導光纖52沿空隙84的縱向區(qū)58放置的步驟宜包括將光纖52放入空隙84，還包括拉伸光纖52。
提供液態(tài)粘合劑使其流入空隙84的縱向區(qū)58和橫切區(qū)60的步驟還包括將熔融／封接溫度較好低于約500℃的玻璃料(較好由低熔點封接用玻璃組成)放入空隙84中接近波導光纖52處，將所述玻璃料熔融成液態(tài)，冷卻所述液態(tài)玻璃料，在所述縱向區(qū)58和橫切區(qū)60以及它們的交點處形成玻璃料熔融封接劑72，它將波導光纖52固定在基片56上。
本發(fā)明的另一個實施方案包括一種光學器件，它由通過玻璃料熔融封接劑固定在基片上的光波導組成。玻璃料熔融封接劑較好的是由低熔點封接用玻璃組成。較好的玻璃料熔融封接劑由磷酸錫鋅組成。其它的較佳玻璃料熔融封接劑由硼酸鉛鋅組成。玻璃料熔融封接劑可以是玻璃質或者是經(jīng)反玻璃化的。光學器件50由通過玻璃料熔融封接劑72固定在基片56上的光波導52組成，較好的是所述基片56控制光波導52隨溫度變化的光學性能。光波導52較好的是由波導光纖組成的。波導光纖較好包含光柵。較好的是光波導52用位于基片56中空隙84內(nèi)的玻璃料熔融封接劑72固定在基片56上，所述空隙84具有交叉且橫切的溝道58、60和64。較好的是基片56具有接近零或負的熱膨脹系數(shù)，最好由單一材料組成?；?6可以包含復合基片，它具有至少兩種不同的材料，它們的熱膨脹系數(shù)不同。
本發(fā)明的另一個實施方案是光學器件50，它包含與基片56連接的光纖光柵52和54，以使得所述基片在所述光纖上施加力，以控制光纖光柵52和54隨溫度變化的性能，其中光纖光柵52和54是用粘合劑與基片56連接的，所述基片56具有空隙84以接受所述粘合劑。所述空隙84具有中央交叉區(qū)62和66以及由所述中央交叉區(qū)延伸開去的指狀區(qū)74和76，其中粘合劑較好的是流入中央交叉區(qū)62和66以及指狀區(qū)74和76，于其中固化成固態(tài)粘合體70，所述固態(tài)粘合體70物理固定在所述空隙內(nèi)。物理固定在所述空隙內(nèi)部可以通過漸縮截面78來實現(xiàn)，以使固態(tài)粘合體形成楔形體。
本發(fā)明的另一個實施方案是一種光學器件，它包含與基片連接的波導光纖光柵，以使得基片在所述光纖上施加力，以控制波導光纖光柵隨溫度變化的性能，其中所述波導光纖光柵是用玻璃料熔融封接劑與基片連接的。
圖8示出了本發(fā)明的另一個實施方案，其中通過在基片56中鉆與縱向溝道58相交并橫切它的孔形成第一橫切凹槽60和第二橫切凹槽64。
圖7和圖9示出了本發(fā)明的實施方案，其中基片56包含一根縱向的管材86，它具有沿這根縱向管材86延伸并位于其內(nèi)部的縱向空隙孔98。橫切孔88穿過所述管材86延伸，橫貫縱向空隙孔98，形成交點62和66，其中光纖52用粘合劑70固定在管材86縱向空隙孔98內(nèi)部，所述粘合劑70基本填滿交點62和66，并從交點62和66延伸開去進入橫切孔88和縱向空隙孔98內(nèi)。
光學器件50是使用單一材料基片56制得的，所述基片由熱膨脹系數(shù)為負值的具有微裂縫的氧化鋰-硅鋁酸鹽β-鋰霞石玻璃-陶瓷組成。基片是長形的矩形厚片，它約52毫米長、約4毫米寬和約2毫米高(垂直厚度)。如圖3和圖4所示，用寬度為1／32英寸(．8毫米)的金剛石薄磨輪在厚基片56的第一表面68上切割深度約為0．040英寸(1毫米)的溝道58、60、64和中央橫切溝道90。將具有Bragg光柵54的波導光纖52放在縱向溝道58稍高于溝道58底部基片表面的位置，并在約10Kpsi張力下進行放置。將電視管封接用玻璃料漿料CORNINGCode 7580(購自Corning Incorporated，Corning，New York)放于凹部交點62和66，并使其環(huán)繞并覆蓋接近凹部交點62和66的光纖52。
使用CO2激光將封接用玻璃料熔融成可流動的狀態(tài)，然后移去激光，使得可流動狀態(tài)的粘合劑封接用玻璃料固化成固態(tài)粘合體玻璃料熔融封接劑。玻璃料熔融封接劑72以機械和物理方式與基片56連接，并將光纖52封接在基片56上。這一結構和制備方法得到與基片以機械和物理方式連接的波導光纖，其中玻璃料熔融封接劑物理上約束于基片和凹槽溝道內(nèi)。對中央橫切溝道90中的光纖和光柵的光學應力測量表明，光纖保持了14度的張力。當加工該光學器件50時，使用環(huán)氧化物92來提供三點連接應變消除，因為光纖／玻璃料熔融封接劑界面的清晰邊緣在光纖52相對于玻璃料熔融封接劑72運動時會導致光纖發(fā)生應變和斷裂。此外，在形成器件的過程中，將環(huán)氧化物接觸區(qū)92內(nèi)側之間的那段光纖上的光纖52保護涂層剝除，以使得環(huán)氧化物92粘合在光纖52的保護涂層上，玻璃料熔融封接劑72粘合在光纖52的保護涂層剝除區(qū)。將保護凝膠(如Dow-Corning牌號為Q-36679型Gel介電氟凝膠)用來填充溝道58，包圍光纖52并防止污染和其它傷害。該光學器件提供了特別堅固的結構，其中玻璃料熔融封接劑不能滑動和移動，以其本身的物理形狀固定于適當位置。固態(tài)玻璃料熔融封接劑物理固定在基片上。橫切和縱向溝道的交點限制了玻璃料熔融封接劑，防止它們沿波導光纖的長度方向移動和滑動。
本領域技術人員顯然可以在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下對本發(fā)明作出各種改動和變化。因此，本發(fā)明覆蓋了這些對本發(fā)明的改動和變化，只要這些改動和變化是在所附權利要求及其等價描述的范圍內(nèi)的。
權利要求
1．一種光學器件，包含含光柵的波導光纖，所述波導光纖固定在基片上，以便控制含光柵的波導光纖隨溫度變化的光學性能，所述器件包含基片，所述基片界定第一縱向溝道；在所述基片中的第一橫切凹槽，它與所述第一縱向溝道形成第一凹部交點；其中所述波導光纖與所述第一縱向溝道成一直線，在所述第一凹部交點處固定于所述基片。
2．如權利要求1所述的光學器件，它包含第二橫切凹槽，它與所述第一縱向溝道形成第二凹部交點，其中所述波導光纖在所述第二凹部交點處固定于所述基片。
3．如權利要求1所述的光學器件，其中所述基片包含界定所述第一縱向溝道的第一表面，而所述第一橫切凹槽包含在所述基片第一表面中的第二溝道，它基本垂直于所述第一縱向溝道。
4．如權利要求1所述的光學器件，它還包含玻璃料熔融封接劑，所述玻璃料熔融封接劑基本填滿所述第一凹部交點并延伸開去進入所述第一橫切凹槽，所述波導光纖在所述第一凹部交點處用所述玻璃料熔融封接劑固定在所述基片上。
5．如權利要求1所述的光學器件，其中所述第一橫切凹槽具有漸縮截面。
6．如權利要求1所述的光學器件，其中所述基片由單一的材料組成。
7．如權利要求1所述的光學器件，其中所述基片是由至少兩種不同的材料組成的復合基片。
8．如權利要求1所述的光學器件，其中所述第一縱向溝道包含第一端和第二遠端，在所述第一端和所述第二端之內(nèi)側所述第一橫切凹槽與所述第一縱向溝道形成所述第一凹部交點。
9．如權利要求2所述的光學器件，所述第一縱向溝道包含第一端和第二遠端，在所述第一端和所述第二端之內(nèi)側存在所述第一和第二凹部交點。
10．一種制備光學器件的方法，所述光學器件由波導光纖光柵和基片組成，其中所述基片控制所述波導光纖光柵隨溫度變化的性能，所述方法包括提供基片；在所述基片中形成空隙，所述空隙具有縱向區(qū)和至少一個橫向區(qū)；將波導光纖沿所述空隙的所述縱向區(qū)放置；提供一種粘合劑，使其流入空隙的所述縱向和橫切區(qū)，其中所述粘合劑固化成固體，將所述波導光纖在接近所述空隙的所述橫切區(qū)和所述縱向區(qū)處固定于所述基片。
11．如權利要求10所述的方法，其中提供基片的步驟還包括提供由單一材料組成的基片。
12．如權利要求11所述的方法，其中提供由單一材料組成的基片的步驟還包括提供具有接近零或負的熱膨脹系數(shù)的單一材料的基片。
13．如權利要求10所述的方法，其中提供基片的步驟還包括提供復合基片，它由至少兩種材料組成，它們具有不同的熱膨脹系數(shù)。
14．如權利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成具有縱向區(qū)和至少一個橫切區(qū)的空隙的步驟還包括在所述基片中切割槽以形成所述空隙的所述縱向區(qū)。
15．如權利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成空隙的步驟還包括形成具有漸縮截面的空隙。
16．如權利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成具有縱向區(qū)和至少一個橫切區(qū)的空隙的步驟還包括在所述基片中切割基本垂直于所述縱向區(qū)的槽以形成所述橫切區(qū)。
17．如權利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成空隙的步驟還包括對所述基片鉆孔。
18．如權利要求17所述的方法，其中對所述基片鉆孔的步驟包括用錐形擴孔器進行鉆孔。
19．如權利要求10所述的方法，其中沿所述空隙的所述縱向區(qū)放置波導光纖的步驟還包括將所述光纖放置在所述空隙內(nèi)。
20．如權利要求10所述的方法，它還包括拉伸所述波導光纖的步驟。
21．如權利要求10所述的方法，其中提供粘合劑使其流入空隙的所述縱向和橫切區(qū)的步驟還包括將玻璃料放入所述空隙中接近所述波導光纖處，熔融所述玻璃料，冷卻所述被熔融的玻璃料，在所述縱向區(qū)和所述橫切區(qū)形成玻璃料熔融封接劑，它將所述波導光纖機械固定在所述基片上。
22．一種光學器件，它包含通過玻璃料熔融封接劑固定在基片上的光波導。
23．如權利要求22所述的光學器件，其中所述玻璃料熔融封接劑是由低熔點封接用玻璃組成的。
24．如權利要求22所述的光學器件，其中所述基片控制著光波導隨溫度變化的光學性能。
25．如權利要求22所述的光學器件，其中所述光波導用形成于基片中空隙內(nèi)的玻璃料熔融封接劑固定在基片上，所述空隙由交叉的溝道組成。
26．如權利要求22所述的光學器件，其中所述玻璃料熔融封接劑是由磷酸鋅錫組成的。
27．如權利要求22所述的光學器件，其中所述玻璃料熔融封接劑是由硼酸鉛鋅組成的。
28．如權利要求22所述的光學器件，其中所述玻璃料熔融封接劑是玻璃質的。
29．如權利要求22所述的光學器件，其中所述玻璃料熔融封接劑是經(jīng)反玻璃化的。
30．如權利要求22所述的光學器件，其中所述光波導是由波導光纖組成的。
31．如權利要求30所述的光學器件，其中所述波導光纖包含光柵。
32．如權利要求22所述的光學器件，其中所述基片具有接近零或負的熱膨脹系數(shù)。
33．如權利要求32所述的光學器件，其中所述基片是由單一材料組成的。
34．如權利要求32所述的光學器件，其中所述基片是復合基片，它由至少兩種不同的材料組成，它們具有不同的熱膨脹系數(shù)。
全文摘要
揭示了一種光學器件(20)和制備該器件(20)的方法。所述器件(20)包含基片(22)和光波導(24)元件,所述光波導元件通過形成并固定在基片中凹空隙內(nèi)的玻璃料熔融封接劑(34)固定在基片上。所述玻璃料熔融封接劑是低熔點玻璃料的熔融產(chǎn)物?；械陌伎障栋ń邮芄獠▽г?24)的區(qū)域和固定玻璃料熔融封接劑(34)的交叉區(qū)域。光波導元件(24)固定在基片上,以控制該元件隨溫度變化的光學性能。
文檔編號G02B6/02GK1283277SQ98807676
公開日2001年2月7日 申請日期1998年7月28日 優(yōu)先權日1997年7月31日
發(fā)明者D·布克班德, J·卡伯里, S·德馬雷蒂諾, G·弗朗西斯, S·格萊澤曼, R·莫倫娜, B·韋丁 申請人:康寧股份有限公司