CN1184500C - 光通信用温度补偿装置 - Google Patents

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Abstract

于-40℃～100℃的温度范围内，基体材料具有-10℃～-120×10-7/℃的负的热膨胀系数，具有正的热膨胀系数的光部件处于在此基体材料的规定部位上形成的内孔中。而且，在其光部件的内孔孔轴方向上，将分离开的多个特定部位固定在基体材料上。

Description

光通信用温度补偿装置
技术领域
本发明是关于使用了有负的热膨胀系数的基体材料的光通信用温度补偿装置。
现有技术
随着光通信技术的发展，使用光导纤维的网络正在快速整备。在网络中一起传输多个波长的光的波长多重技术已开始被采用，波长滤波器或耦合器、波导路等正逐渐成为重要的装置。
在这种装置中，由于温度，而特性发生变化，给室外使用带来不便，因此要使这样的装置特性不因温度变化而保持一定，这就需要所谓的温度补偿技术。
需要温度补偿的主要光通信装置是纤维布拉格光栅(以下叫FBG)，FBG是使光导纤维磁心内折射率变化成栅格状的部分，即形成所谓光栅的装置，按照下述式(1)所表示的关系，具有反射特定波长光的特点。因此波长不同的光信号通过一根光导纤维被多重传输的作为波长分割多重传输方式的光通信系统中的重要的光学装置，已被刮目相看
λ＝2nΛ                               ……(1)
这里λ表示反射波长，n表示磁心实效折射率，Λ表示折射率变成栅格状部分的栅格间隔。
然而，这样的FBG所存在的问题是：周围温度一旦发生变化，反射波长就产生变动。反射波长的温度依赖性由用温度T微分数1的式子而得到的下述式(2)表示，
λ/T＝2[(n/T)Λ+n(Λ/T)]
＝2Λ[(n/T)+n(Λ/T)/Λ]          ……(2)
这个式子(2)的右边第2项的(Λ/T)/Λ相当于光导纤维的热膨胀系数，其值大约是0.6×10-6/℃。另一方面，右边第1项是光导纤维的磁心部分的折射率的温度相依性，其值大约是7.5×10-6/℃。也就是反射波长的温度依赖性依赖磁心部分的折射率变化和基于热膨胀所引起的栅格间隔变化的双方。大部分是由于折射率的温度的变化所引起的，这一点已清楚。
为了防止这样的反射波长的变动，解决的方法是：根据温度变化，在FBG上附加张力，使栅格间隔发生变化，由此把引起折射率变化的部分相互抵消。
作为此种方法的具体例子，有如下建议，例如，把热膨胀系数小的合金或石英玻璃等的材料与热膨胀系数大的铝等金属组合成温度补偿用部件，将FBG固定在这个温度补偿部件上。也就是如第1图那样，在热膨胀系数小的殷钢(商标)棒10的两端分别安装热膨胀系数比较大的铝制支架11a、1b，使用金属固定工具12a、12b，用规定的张力，将光导纤维13以拉的状态固定在这些铝制的支架11a、11b上。这时光导纤维13的光栅部分13a，移动到2个金属固定工具12a，13a的中间。
在这样的状态下，周围温度一旦上升，则铝制支架11a、11b扩张，由于2个金属固定工具12a、12b之间的距离缩短，附加在光导纤维13的光栅部分13a的张力减少。另一方面，周围温度一旦下降，则铝制的支架11a、11b收缩，由于2个金属固定工具12a、12b之间距离增加，附加给光导纤维13的光栅部分13a的张力就增加。这样根据温度变化，改变FBG上的张力，能够调节光栅部位的栅格的间隔，由此能够抵消反射中心波长的温度依赖性。
然而，这样的温度补偿装置，存在结构复杂，安装困难的问题。
于是，为了解决上述问题，在WO97/26572中示出了以下方法，即如第2图所示，将预先形成为板状的原玻璃体进行热处理，结晶化，在有负的热膨胀系数的玻璃陶瓷衬底14上固定FBG15，由此控制FBG15的张力。在第2图中，16表示光栅部分，17表示粘合固定部分，18表示砝码。
在WO97/26572中公布的方法，其优点是使用单一的构件进行温度补偿，因此结构简单，安装容易，但因为FBG15粘接在玻璃陶瓷衬底15的一面，所以要求衬底要做得厚一些以便在基于温度变化的衬底膨胀时不弯曲。
而且把这样的衬底14与其他装置连接的时候，需要另外的连接器，其结果连接部分增加，光的损失变大，装置成本变高，装置变大，存在一定的问题。
而且除了上述以外，在特开平10-96827号公报中，公开了由Zr-钨酸盐系列或Hf-钨酸盐系列组成的有负热膨胀系数的温度补偿用构件，然而这些的原料非常昂贵，作为工业产品实用化很困难。
在特开平8-286040号公报中，公开了比玻璃纤维热膨胀系数还小的温度补偿用构件(固定构件)，这种温度补偿用构件是由比石英玻璃5.5×10-7/℃的热膨胀系数还小的正的热膨胀系数的材料，由热膨胀系数为0以及负的材料而制作的，具有足够的负的热膨胀系数的温度补偿部件材料，目前还没有完全被认识。
也就是说，在特开平8-286040号公报中所记载的那样，如果使用比玻璃纤维的热膨胀系数还小的温度补偿用构件，就能得到理想的温度补偿效果这样的理解是完全错误的。即在上述(1)式中所明确的，即使使用正的热膨胀系数的材料用作温度补偿用的构件，也得不到足够的温度补偿效果，日本电气哨子(株)所制作的新陶瓷是N-0，所使用的具体材料的热膨胀系数大约是0，即使新陶瓷是N-0，由于负的热膨胀系数太小，仍得不到足够的温度补偿效果。
因此本发明的目的在于提供小型化、结构简单，具有足够温度补偿效果的光通信用补偿装置。
本发明的另一个目的是提供制作容易，成本低，并且能实现与光导纤维的连接简单化的光通信用温度补偿装置。
发明内容
根据本发明，可得到一种有下述特征的光通信用温度补偿装置，其特点是：包括基体材料和光部件，其基体材料在-40～100℃温度范围内具有负的热膨胀系数-10～-120×10-7/℃并于规定部位形成内孔，其光部件位于上述内孔且具有正的热膨胀系数，上述光部件在上述内孔的孔轴方向上将分离开的多个特定部位固定在上述基体材料上。
附图说明
第1图是表示防止对应现有的FBG反射波长温度变化的变动的装置正面图。
第2图是表示将FBG固定于表面的具有负热膨胀系数的玻璃陶瓷衬底斜视图。
第3图是本发明实施例有关的光通信用温度补偿装置的剖面图。
第4图是第3图中光通信用温度补偿装置所使用的基体材料的斜视图。
第5图表示第4图中基体材料的形状上变形例的斜视图。
第6图表示第4图中基体材料形状上其他变形例的斜视图。
第7图表示第4图中基体材料形状上其他再变形例的斜视图。
第8图表示第4图中基体材料制造上变形例的斜视图。
第9图表示第8图中基体材料形状上变形例的斜视图。
第10图表示第9图中基体材料制造上变形例的斜视图。
实施方式
参照第3图和第4图，说明本发明实施例有关的光通信用温度补偿装置。图示中的光通信用温度补偿装置包括于-40～100℃温度范围具有-10～-120×10-7/℃的负热膨胀系数的基体材料21、具有正的热膨胀系数的光部件22。基体材料21在这里是在所定部位形成了贯通的圆筒状内孔23的圆筒体。光部件22是由含有布拉格光栅部件22a的光导纤维等组成，穿通基体材料21的内孔23，并在沿内孔23的孔轴方向将分离开的多个特定部位由粘接固定部件24固定在基体材料21上。
使用这个光通信用温度补偿装置，可得到足够的温度补偿效果。而且光部件22即使在附加张力的状态下，由于内孔23的周围将应力平衡，很难产生弯曲等的变形。因此无必要将基体材料21扩大。另外，从基体材料21的整个周围可向光部件22均一附加应力，因而能提高光部件22的耐久性。而且，由于能保护光部件22，不需要保护盖，所以可实现小型化。
另外，基体材料21的热膨胀系数如果从-10×10-7/℃接近正的方向，则温度补偿变为不充分，如果从-120×10-7/℃向负的方向增大，则呈现出反方向的温度依赖性。最理想的是基体材料21的热膨胀系数是-30～-90×10-7/℃。
另外，基体材料21的内孔23不限于一个，多个也可以。
将光部件22固定在基体材料21上的时候，可以使用粘合剂。此时如同5图所示的那样，在基体材料21上形成通过内孔23的1个或多个小孔25，容易将粘合剂注入内孔23内。作为粘合剂可使用聚合物(例如环氧树脂)，金属(Au-Su等金属焊锡)，玻璃料(例如低熔点玻璃料或它与负膨胀填料的复合玻璃料)，热固化性树脂，紫外线固化树脂等。
为使光部件22即使基体材料21在抽缩的时候也保持不弯曲，最好在固定前事先附加张力。而且，把粘接固定部件24之间的部分固定在基体材料21上也可以。此时因为光部件22难以弯曲，而且不需要附加张力，这是有利的一点。
基体材料21由向下拉伸等的熔化玻璃直接形成也可以，将熔化玻璃预先形成后，通过机械加工形成规定的形状也可以。
可以将热膨胀系数显示各向异性的结晶粉末集积以后，经过烧结制作基体材料21。这样基体材料21即使是复杂的形状，采用冲压成形，浇铸成形，挤压成形等方法可以低成本制作。当然，在集积结晶粉末的时候，如果使用有机粘合剂，则可以容易得到理想形状的烧结体。
作为制作基体材料21的原料，可使用具有各向异性热膨胀系数的各结晶粉末粒子，因烧结而产生的结晶粒子在冷却过程中，于结晶间产生很多微小的裂纹，可得到理想的热膨胀系数。具有各向异性热膨胀系数的各结晶粉末粒子在热处理过程中，分别沿结晶轴方向，根据热膨胀系数在各方向膨胀或收缩，各个粉末粒子之间相互重新排列提高填充密度，增加各粒子之间的接触面积。这样在热处理过程中粉末粒子互相熔敷，促使表面能量变得最小。结果可得到高强度的，具体有10Mpa以上弯曲强度的陶瓷制的基体材料。另外，为增加粉末粒子之间的接触面积，结晶粉末的粒径最好在50μm以下。
热膨胀系数显示各向异性的结晶粉末，是指至少一个结晶轴方向的热膨胀系数是负的，而在其他轴方向上是正的结晶。作为热膨胀系数显示各向异性的结晶粉末代表例有β-锂霞石结晶或β-石英固溶体结晶为代表的硅酸盐、PbTiO3等的钛酸盐或者NbZr(PO4)3等的磷酸盐等以及La、Nb、V、Ta等的氧化物粉末。其中尤其是β-锂霞石结晶粉末因为热膨胀系数的各向异性大，所以容易得到-10～-120×10-7/℃的热膨胀系数。再有将原料粉末混合烧成的由所谓固相法制作的β-锂霞石结晶粉末与由将原料一时熔化的熔化法所制作的β-锂霞石结晶粉末相比较，前者因为在低温下能够合成，也容易粉碎，因而可以廉价制作，这是有利之处。
对上述结晶粉末可与其它种类的结晶粉末混合，通过将2种以上的结晶粉末并用，则更容易调正热膨胀系数、强度或者化学性质。
对上述结晶粉末，将非结晶玻璃粉末、结晶析出性玻璃粉末、部分结晶化玻璃粉末、由溶胶-凝胶方法制作的玻璃粉末、溶胶，凝胶的添加剂的一种或者2种以上按0.1～50体积％的比例添加后进行烧结，由此能进一步提高弯曲强度。结晶析出性玻璃粉末是指具有经过热处理，在内部析出结晶的性质的玻璃粉末，而部分结晶化玻璃粉末是指在玻璃中已析出结晶的结晶化玻璃粉末。
基体材料21的外形最好作成横断面园形或者横断面棱形。此时对具备园柱状或者棱柱状套管的连接外筒管(图中没有标出)，可以将基体材料21直接插入。根据这个结构，基体材料21因为起其它光通信用装置与光部件22的作为定位部件的作用，所以能够高精度地连接。
最好如第6图所示那样，将基体材料21的端部面向顶端变成细的圆锥形状，这样基体材料21可顺利插入连接外筒管。
最好如第7图所示那样，将基体材料21内孔23的端部面向顶端变成粗的圆锥形状，这样光部件22可顺利插入内孔23。
如第8图所示那样，基体材料21可以是横断面预先形成半园状的两个部件21a、21b，并通过将它们互相接合而制成的圆筒体。如同第9图那样，基体材料21可以是横断面预先形成凹状的两个部件21c、21d，并通过将它们互相接合而制作成的棱筒体。另外，如第10图所示，基体材料21还可以是通过将横断面为凹状的部件21e和板状的部件21f互相接合而制作成的棱筒体。这样通过将多个部件互相接合，可容易地制作各种形状的基体材料。
这样，当由多个部件制造本发明的光通信用温度补偿装置的时候，可以在横断面为半园状的部件21b或者凹状的部件21d、21e的沟槽部位设置有正的热膨胀系数的光部件22，然后分别与相对应的部件21a、21c或者21f互相接合而进行制作，或者，也可以在部件之间相互接合以后，将光部件22插入所形成的内孔23内。
采用熔融法用玻璃制作基体材料21或者部件21a-21f的时候，所采用的方法为通过热处理具有下述的重量百分率组成的玻璃：SiO2为43～60％、Al2O3为33～43％、Li2O为7～11％、ZrO2为0～6％、TiO2为0～6％、SnO2为0～6％、P2O5为0～6％，或者，SiO2为50～75％、Al2O3为15～30％、Li2O为3～7％、ZrO2为0～5％、TiO2为0～6％、SnO2为0～7％、P2O5为0～6％，在内部析出多数β-锂霞石结晶或β-石英固用体结晶。
以下说明光通信用温度补偿装置的各种各样的样品。
(样品1)
将用固相法制作的β-锂霞石结晶的粉末与有机粘合剂(乙基纤维素)混合，并放入金属模后，通过冲压成形，制成圆筒形状的压块，将此压块用1300℃、10个小时的条件加热后，用降温速度为200℃/小时进行冷却，由此作成圆筒状烧结体。在这个圆筒状的烧结体结晶中形成多数微小裂纹，在-40～100℃的温度范围内的热膨胀系数是-80×10-7/℃。
在这个圆筒状烧结体的内孔内插入以硅石为主要成分的光导纤维，且施加了折射率光栅的正膨胀光部件，在对光导纤维附加张力的状态下，使用环氧树脂在内孔的两个端部粘着固定。
为了检验这样得到的光通信用温度补偿装置的温度补偿性能，进行试验(使用温度范围从-40℃到100℃)，与使用无温度补偿的装置进行了比较，其结果，温度不补偿的装置，相对于反射中心波长1550nm，针对示出0.012nm/℃的温度依赖性，在实施例的装置的情况下，示出0.001nm/℃的温度依赖性，大幅度地改善了温度依赖性。
(样品2)
首先按以下重量百分率调合玻璃原料：SiO2为46.5％、Al2O3为41.0％、Li2O为9％、ZrO2为3.5％，之后，放在白银坩蜗内熔融，然后形成板状以后，切削加工成圆筒形状，由此形成直径3mm、内径0.5mm、长40mm的玻璃体。再将该玻璃体以升温速度200℃/小时进行加热，于760℃保持3小时，1350℃保持10小时，之后以降温速度200℃/小时进行冷却，由此制作结晶化玻璃体。这样得到的结晶化玻璃体的主结晶是β-锂霞石结晶，结晶中形成多数微小的裂纹，在-40～100℃温度范围的热膨胀系数是-70×10-7/℃。
将这个圆筒状结晶化玻璃体作为基体材料，制作与样品1同样的光通信用温度补偿装置，在检验它的温度补偿性能时，示出相对于反射中心波长1550nm的温度依赖性为0.001nm/℃。
(样品3)
将与样品2同样制作的结晶化玻璃体经过切削加工，制作横断面为凹状的结晶化玻璃体和板状的结晶化玻璃体的2个部件。然后使用环氧树脂将这些部件相互接合，制作有内孔的棱筒体。
把这个棱筒体作为基体材料，与样品2同样地制作光通信用温度补偿装置，在检验它的温度补偿性能时，示出相对于反射中心波长1550nm的温度依赖性为0.001nm/℃。
(样品4)
将样品2的玻璃熔融后，形成胶片状，然后用球磨机粉碎。再将其放到金属模中冲压成形，制作板状压块。将这个板状压块采用与样品2同样的条件加热冷却，制作结晶化玻璃体以后，切削加工，制作2个由横断面为凹状的结晶化玻璃体组成的部件。然后将这些部件的端部用环氧树脂相互接合，制作有内孔的棱筒体。
在这个棱柱状烧结体的内孔里，插入以硅石为主要成分的光导纤维，且施加了折射率光栅的正膨胀光部件，在光导纤维上附加张力的状态下，用环氧树脂填满内孔使其粘着固定。
为检验这样得到的光通信用温度补偿装置的温度补偿性能，做了与样品1同样的试验，其结果示出相对于反射中心波长1550nm的温度依赖性为0.001nm/℃。
本发明的光通信用温度补偿装置，以纤维布拉格光栅开始，作为连接器、波导通路等的温度补偿装置是最合适的。

Claims (14)

1.一种光通信用温度补偿装置，其特征在于：
包括
在-40～100℃的温度范围内具有-10～-120×10-7/℃的负的热膨胀系数并于规定部位形成内孔的基体材料；
穿通上述内孔且具有正的热膨胀系数的光部件，
上述光部件在上述内孔的孔轴方向上将分离开的上述光部件的多个特定部位固定在上述基体材料上。
2.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述光部件的上述特定部位之间的部分也固定在上述基体材料上。
3.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料是由粉末烧结体组成的。
4.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料析出β-锂霞石结晶，并在上述结晶中形成很多微小裂纹。
5.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料析出β-石英固溶体结晶，并在上述结晶中形成很多微小裂纹。
6.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料是规定上述内孔的圆筒体，上述圆筒体直接插入连接外筒管，由此确定其它通信用装置与上述光部件连接时的位置。
7.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料是规定上述内孔的棱筒体，上述棱筒体直接插入连接外筒管，由此确定其它通信用装置与上述光部件连接时的位置。
8.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料在上述孔轴方向的至少一端，面向其顶端具有变细的圆锥形状。
9.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料形成通到上述内孔的至少一个小孔。
10.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述内孔在上述孔轴方向的至少内孔的一端，面向其顶端具有变粗的圆锥形状。
11.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料是由采用固相法制作的以β-锂霞石为主要成分的粉末烧结体而制作形成的。
12.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料是用相互接合的多个部件制作的。
13.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料是由具有重量百分率：SiO2为43～60％，Al2O3为33～43％，Li2O为7～11％，ZrO2为0～6％，TiO2为0～6％，SnO2为0～6％，P2O5为0～6％的组成的玻璃制作成的。
14.权利要求1中所记载的光通信用温度补偿装置，其中
上述基体材料是由具有重量百分率：SiO2为50～75％，Al2O3为15～30％，Li2O为3～7％，ZrO2为0～5％，TiO2为0～6％，SnO2为0～7％，P2O5为0～6％的组成的玻璃制作成的。
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