CN1299068A - 光学元件 - Google Patents

光学元件 Download PDF

Info

Publication number
CN1299068A
CN1299068A CN00136642A CN00136642A CN1299068A CN 1299068 A CN1299068 A CN 1299068A CN 00136642 A CN00136642 A CN 00136642A CN 00136642 A CN00136642 A CN 00136642A CN 1299068 A CN1299068 A CN 1299068A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical element
optical
organic
inorganic
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN00136642A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1174271C (zh
Inventor
小山正
山本博章
中村浩一郎
山口淳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Sheet Glass Co Ltd filed Critical Nippon Sheet Glass Co Ltd
Publication of CN1299068A publication Critical patent/CN1299068A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1174271C publication Critical patent/CN1174271C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/008—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08072—Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

一种光学元件,在该光学元件的光程中有一固体材料,该固体材料包括第一材料和第二材料,第一和第二材料分别具有第一和第二折射率温度变化系数,第一折射率温度变化系数具有与第二折射率温度变化系数相反的符号。

Description

光学元件
本发明涉及一种用于构成一种光学元件的材料，该光学元件可用于光通信/光测量和激光工程。
近年来，随着光通信和激光器的进步，光学技术有了显著的发展。这些领域对于所应用的光学元件的精度和性能的要求也越来越高。玻璃是构成诸如光纤和光学透镜这类光学部件最重要的材料之一。玻璃的组分非常多，可根据不同用途的需要来选择。用于上述用途的玻璃必须有良好的光透性和稳定性。尽管玻璃有较好的抗大气腐蚀能力和耐热性，可有些组分的玻璃的防水性和热力学性能却达不到某些特殊应用的需要。
光学材料的所需性能之一是温度稳定性。温度稳定性是指其性能不随温度变化而变化的特性。也就是说，随着温度的变化，耐热玻璃并不总是具有稳定的性能。
当温度变化时，光学材料的折射率和长度都随之变化，这两个参数一起变化使光程长度发生变化。考虑到空间光程长度随热膨胀的变化，根据Izumiya Tetsuro,Kogaku glass(光学玻璃)，Kyoritsu Syuppan(1984)，热膨胀系数αa和折射率na与温度的关系之间的关系满足方程[1]，
        dna/dT+(na-1)αa=0                   -----(1)
当一种光学性能随温度而变化的材料用作光学元件如激光介质时，光束模式也将随之改变。当在干涉仪中用棱镜来控制光程长度时，光程长度将被准确地调节。根据Kogaku Glass，LSG91H玻璃的光程长度s的温度变化系数ds/dT是6×10-6/℃。尤其在干涉仪中，光程长度随温度的变化将会引起相当大的不稳定性。已开发出一种叫做非热玻璃(athermal glass)的材料来克服上述缺陷，该玻璃的光程长度随温度的变化几乎为0。
为满足方程1必须选择非热玻璃的组分，这就使得非热玻璃含有更多的磷酸/硼酸等，从而使该玻璃的抗水性较差，这个难题妨碍了它的广泛应用。另外由于组分受到限制，使控制该玻璃的物理性能，如折射率，变得非常困难。
此外，近年来随着光通信的发展，光学元件发展很快。特别是光学波分复用(WDM,wavelength division multiplex)通信系统由于能满足对通信能力的日益增长的需求，变得非常重要。不象传统的传输一种波长例如1550nm的单通道光通信系统，波分复用(WDM)通信系统的每根光纤同时传输不同的波长以增加传输容量。峰值波长分别以等间距1.6nm或0.8nm排列的8-通道系统和16-通道系统已经投入实际应用。而且，通道数有增加的趋势，波长之间的间隔有减小的趋势。在波分复用(WDM)系统中把不同波长的光信号合成(多路复用)或者将光信号分离(多路解编)成不同波长的功能非常重要。光的衍射效应或干涉效应已被用来分离不同的波长。
光纤布拉格(Bragg)光栅是具有代表性的波长分离元件。如图4所示，光纤包括一包层14和一含有SiO2和GeO2的纤芯13，该光纤受到强度呈周期性分布的(如波长为248nm的准分子激光束)的紫外光15的辐射以在纤芯13内形成呈周期性分布的高折射率部分19和低折射率部分，该光纤起光纤布拉格(Bragg)光栅11的作用。强度分布呈周期性变化的光线可以由相位掩模16等形成，并使衍射光束17和18相互干涉。光纤布拉格(Bragg)光栅11作为多路解编元件，用来反射和隔离所需波长，在波分复用(WDM)通信系统中起着非常重要的作用。
用周期性形成高折射率部分和低折射率部分的方法，上述布拉格(Bragg)光栅不仅可以做成光纤，而且做成扁平部件，如感光高分子膜等等，以被用作多路解编元件或滤光器。
另外，利用光束通过光束分离器(two-split optical paths，二分光程)产生的干涉效应的系统也被应用于光通信技术，如光波技术期刊(J.Lightwave Technology)第16卷第265页(1998)描述的光纤型Mach-Zehnder干涉元件和上述同一期刊第17卷第771页(1999)描述的光波导型Mach-Zehnder干涉元件。
随着温度的变化，这些光学元件的折射率和物理长度也发生变化。这两个参数一起变化使光程(optical length)发生变化，从而使例如上述光纤布拉格(Bragg)光栅的反射光波长偏离设定值。例如，光波技术期刊(J.Lightwave Technology)第14卷第58页(1996)曾报导二氧化硅光纤随着温度的变化其波长位移约为0.01nm/℃。即如果温度由-20℃变化到80℃，反射光波长将位移到较长波长侧约1nm。这样的位移宽度超出了上述WDM通信系统的波长间距，这个严重的问题将使该系统不能工作。光纤布拉格衍射光栅只是一个例子，其他光学元件也存在同样的问题。
本发明的一个目的是提供一个光学元件，其光程长度随温度的变化受到了抑制，因此可以应用到包括光波分复用(WDM)通信在内的许多光学系统。
上述问题的解决在于用第一材料和第二材料的混合物或组合物组成光学元件的光程材料，第一材料和第二材料的折射率的温度变化系数符号相反。(即如果第一材料的折射率的温度变化系数是正号，则第二材料的系数是负号，反之亦然。)该材料含有有机材料和无机材料的混合物或组合物。
在本发明中，在光学元件的光程中可以包括一个固体材料和一个空间，该空间可以由空气或真空组成(第一实施例)，或者可以基本上由固体组成(第二实施例)。在第二实施例中，例如，有选择地反射具有特定波长的光的功能在元件(例如波导型衍射栅)的内部完成。在第一实施例中，光学元件可被用作激光介质、透镜、棱镜或分光镜。在第二实施例中，该光学元件可被用作衍射光栅(波导型)、干涉滤波器、光子晶体(photonic crystal)、标准具或光波导。
图1是解释光程长度及其随温度变化而变化的示意图；
图2是测量光程长度变化的干涉光学系统；
图3是用干涉仪进行实验得出的光程长度的温度变化系数与组份之间的关系图；
图4给出了光纤布拉格衍射光栅的结构及其制备方法；
图5是用于制备衍射光栅的二束干涉曝光光学装置；
图6是实施例2制备的光波导型衍射光栅的透视图；
图7是波长位移与无机材料所占比例之间的关系图；以及
图8图示无机材料的比率和波长漂移之间的关系。
附图标记的说明如下：
1…光学介质
2…在已升高的温度下的光学介质
A…光程
B…空间的光程长度
3…反射镜
4…反射镜
5…半透射一半反射镜
6…试样
7…光检测器
10…入射光
11…光纤布拉格光栅
12…光纤
13…纤芯
14…包层
15…辐射光
16…相位掩膜
17，18…相位掩膜产生的衍射光
19…折射率因照射而变化的区域
20…激光
22、26、28…反射镜
24…分光镜
30…试样
42、43、44、45、46…光束
50…衬底
52…薄膜
54…衍射光栅
56…条形波导
此处“混合物”意思是仅通过搅拌获得的有机化合物与无机化合物的结合物(combination)。
“组合物(composite)”在此处是指有机化合物与无机化合物通过化学键如共价键或配位键相结合的结合物。
在第一实施例中，有机材料在混合物或组合物中所占的比例(摩尔百分含量)最好是2～10mol％(摩尔％)。
在第二实施例中，有机材料在混合物或组合物中所占的比例(摩尔百分含量)最好是15～25mol％(摩尔％)。
“摩尔百分含量”在本发明中表示组成有机组份或无机组份的原子数量的比例，有机组份和无机组份定义如下。
无机组份的浓度定义为金属元素(例如，Si,Ti,Zr,Al,Zn,In,Sn，等等)和其所结合的氧原子的数量。
有机组份的浓度定义为除上述元素以外其他的元素的数量(例如，C,H,Cl,F,Br,I,O，等等)。
在本发明中，出现在化合物中但分解或挥发了的组份没有计算在内，留在最终材料中的组份被计算在内。例如，用作溶剂的乙醇和Si-OC2H5水解产生的C2H5OH如果挥发了就不被计算在内。
在本发明中，出现在无机化合物的有机组份被计算在有机组份中。例如在CH3-Si中的CH3基团、在Ph-Si中的Ph(苯基)基团，和在CH2=CH-Si中的CH2=CH基团都被计作有机组份。
在本发明中，有机化合物的原材料包括除二氧化碳和金属碳酸盐以外的所有的碳化合物，如有烃类基团的化合物和可聚合基团的可光聚合单体，如乙烯基团、丙烯酸基团、甲基丙烯酸基团和烯丙基团。无机化合物的原材料包括金属醇盐、金属卤化物和金属络合物。有机组份和无机组份的组合物的原材料如乙烯基硅烷、丙烯酰硅烷和甲基丙烯酰硅烷都可被利用。
本发明利用的有机材料包括主要由烃类和/或烃类衍生物组成的有机材料。本发明所利用的无机材料包括玻璃材料，其至少包括SiO2、TiO2、GeO2、Al2O3、ZrO2、B2O、Na2O、MgO和CaO其中之一。
在本发明中，组成该组合物的材料的原始物料最好是有机/无机组合物。当某一具体的有机化合物和无机化合物混合时，存在匹配不好的问题，并且出现相分离或白化(whitening)。例如，一种情况是，有机化合物不合有容易键合类似于硅醇基团的烃基基团的功能基团(例如，氨基键、亚胺基键(imide bond)、尿烷基键(urethane bond))，这发生在在无机物的形成工艺期间。因此，当以有机化合物和无机化合物彼此键合的有机/无机组合物作为起始材料时，匹配性得到改进。
本发明的光学元件最好由一包括在150℃或更高温度下进行热处理的过程来制造。这种在150℃或更高温度下的热处理可以将在制造工艺中作为催化剂加入的有机溶剂和水挥发掉，以避免有机溶剂和水残留在材料中。因此，这种热处理能够抑制在元件成形后有机溶剂和水挥发造成的收缩，并减小光学元件的温度变化。
在第一实施例中，用于某些用途的透镜、棱镜和激光介质可由塑料制成，但这些光学元件的组份大部分由无机材料，通常是玻璃组成。折射率随温度的变化导致光程长度的变化以及由于热膨胀而导致的光程长度的物理变化引起光学性能随温度而变化。例如光线通过一个如图1所示形状为简单直角平行六面体的光学介质1，光程长度s由方程2定义：
        S=nL                      ---------(2)
式中n是介质的折射率；L是介质的总长度。在图1中，A表示光通道，B表示空间的光程长度。
当温度变化ΔT℃时，光程长度的变化由光介质2示出。光介质2的折射率为(n+(dn/dT)·ΔT)，长度为(L+αLΔT)。光介质2的光程长度(变化后)由方程(3)给出：
S+(dS/dT)LΔT
=(n+(dn/dT)ΔT)(L+αLΔT)-1·αLΔT
=nL+(dn/dT)ΔTL+nαLΔT+(dn/dT)ΔTαLΔT)-1·αLΔT
                               -------(3)
式中dn/dT是折射率的温度变化系数；ds/dT是光程长度的温度变化系数；α是线性膨胀系数。既然所有这些系数都在10-6数量级，方程(3)等号右边第4项可被忽略。最后一项表示由于光学元件的膨胀对空间的光程长度变化B的补偿。
光程长度随温度变化ΔT的变化可由下式导出：
(dS/dT)LΔT=(dn/dT)ΔTL+nαLΔT-1·αLΔT
从该式可推导出方程(4)即光程长度的温度变化系数dS/dT：
        dS/dT=(dn/dT)+(n-1)αT             ----(4)
因此，要使光程长度变化为0，则必须满足方程(5)
        (dn/dT)+(n-1)α=0                  ----(5)
因为α通常为正数，而固体材料的n值大于1，所以dn/dT项必须是负数才能满足方程(5)。尽管许多玻璃材料的dn/dT值为正数，许多有机化合物具有负的dn/dT值，这可以使方程(5)的左项为负。
因此我们希望利用有机化合物和无机化合物的混合物来消除光程长度与温度的相关关系。本发明目的在于利用有机材料和无机材料的混合物或组合物作为基本材料来组成光学元件以解决这个突出的问题。下面将介绍一种确定有机材料与无机材料组成比例的理论最优值的方法。
(1)分别测量单独有机材料的折射率和单独无机材料的折射率(分别为np、ni)，单独有机材料和单独无机材料的折射率温度变化系数(分别为dnp/dT和dni/dT)，单独有机材料和单独无机材料的线性膨胀系数(分别为αp和αi)。
(2)上述测量值用于从“Lorentz-Lorenz(洛伦茨-洛伦兹)方程”导出的方程(6)以得到有机材料和无机材料的电子偏振的温度变化系数(分别为Φp和Φi)，
dnm/dT={[(n2 m-1)(n2 m+1)]/6nm}(φm-3αm)      -------(6)
式中对于有机材料m=p，对于无机材料m=i。
(3)有机材料和无机材料的混合物或组合物的折射率nc，折射率温度变化系数nc/dT和线性膨胀系数αc可用逐次近似法(迭代法)通过方程(7)至(12)得出，在该法中，无机材料在混合物或组合物中摩尔百分含量被设为变量x，将上述方程代入方程(5)即可得出组成该光学元件的无机材料的摩尔百分含量x。
    n2 c=(Vc+2Rc)/(Vc-Rc)                        ------(7)
    Vc=Vix+Vp(1-x)                              ------(8)
    Rc=Rix+Rp(1-x)                              ------(9)
αc={αiVix/[Vp(1-x)+Vix]}+{αpVp(1-x)/[Vp(1-x)+Vix]}---(10)
Φc={ΦiVix/[Vp(1-x)+Vix]}+{ΦpVp(1-x)/[Vp(1-x)+Vix]}---(11)
dnc/dT={[(n2 c-1)(n2 c+1)]/6nc}(Φc-3αc)     ------(12)
式中Φc是组成光学元件的材料的电子偏振温度变化系数；Vc是组成光学元件的材料的摩尔体积；Vp是单独有机材料的摩尔体积；Vi是单独无机材料的摩尔体积；Rc是组成光学元件的材料的分子折射度；Rc是单独有机材料的分子折射度；Ri是单独无机材料的分子折射度。
实际材料的配料工作可根据由上述方法确定的摩尔百分含量x进行，具体见以下的实施例1。
在第二实施例中，在某些应用中，利用光的干涉或衍射的光学元件可由塑料制成，但绝大部分光学元件由无机材料如玻璃组成。折射率随温度的变化导致光程长度的变化以及由于热膨胀而导致的光程长度的物理变化引起光学性能随温度而变化。以光纤布拉格衍射光栅为例，反射波波长由方程(1’)给出：
        λB=2nΛ                                  -------(1’)
式中λB是中心波长；n是传播模的有效折射率；Λ是衍射光栅的周期。
当温度变化ΔT℃，中心波长的变化由方程(2’)给出：
      λBT=2(n+(dn/dT)ΔT)·(Λ+αΛΔT))
=2(nΛ+(dn/dT)ΔTΛ+nαΛΔT+(dn/dT)ΔTαΛΔT)  ----(2’)
式中dn/dT是折射率的温度变化系数，α是线性膨胀系数。由于这两个系数都在10-6数量级，方程(2’)的最后一项可被忽略。随着温度变化ΔT光纤衍射光栅的波长位移Δλ可由方程(3’)给出：
      Δλ=2[(dn/dT)+nα]ΔTΛ                         -------(3’)
显然，要使波长位移为零，方程3’等号右侧括号中的值必须为零，即必须满足方程(4’)：
      (dn/dT)+nα=0                                    -------(4’)
因为n和α通常为正数，为满足方程(4’)，dn/dT必然为负。该条件也适用于标准具、干涉波导等等光学元件。除了特殊玻璃以外，许多玻璃材料具有正的折射率温度变化系数dn/dT，并且nα是比上述值大的正数值。因此很难使方程(4’)的等号左侧为零。另一方面，如Kino Zairyo(功能材料)，第10期第5页(1998)所述，许多有机化合物具有负的dn/dT值，可使方程(4’)左侧第一项为负值。
因此，将有机化合物和无机化合物组合起来可以消除前述的材料与温度的相关性。本发明目的在于利用有机材料和无机材料的混合物或组合物作为基本材料来组成光学元件以解决此突出的问题。下面将介绍一种确定有机材料和无机材料的混合比例的理论最优值的方法。
(1)分别测量有机材料的折射率和无机材料本身的折射率(分别为np、ni)，有机材料本身和无机材料本身的折射率温度变化系数(分别为dnp/dT和dni/dT)，有机材料本身和无机材料本身的线性膨胀系数(分别为αp和αi)。
(2)上述测量值代入从“Lorentz-Lorenz(洛伦茨-洛伦兹)方程”导出的方程(5)以得到有机材料和无机材料的电子偏振的温度变化系数(分别为Φp和Φi)，
dnm/dT={[(n2 m-1)(n2 m+1)]/6nm}(Φm-3αm)      -------(5’)
式中对于有机材料m=p，对于无机材料m=i。
(3)有机材料和无机材料的混合物或组合物的折射率nc，折射率温度变化系数nc/dT，和线性膨胀系数αc可用逐次近似法(迭代法)通过方程(6’)至(11’)得出，在该法中，无机材料在混合物或组合物中摩尔百分含量被设为变量x，将上述方程带入方程(4’)可得出组成该光学元件的无机材料的摩尔百分含量x。
      n2 c=(Vc+2Rc)/(Vc-Rc)         ------(6’)
      Vc==Vix+Vp(1-x)                          ------(7’)
      Rc=Rix+Rp(1-x)                           ------(8’)
αc={αiVix/[Vp(1-x)+Vix]}+{αpVp(1-x)/[Vp(1-x)+Vix]}------(9’)
φc={φiVix/[Vp(1-x)+Vix]}+{φpVp(1-x)/[Vp(1-x)+Vix]}------(10’)
dnc/dT={[(n2 c-1)(n2 c+1)]/6nc}(φc-3αc)                  ------(11’)
式中Φc是组成光学元件的材料的电子偏振温度变化系数；Vc是组成光学元件的材料的摩尔体积；Vp是单独有机材料的摩尔体积；Vi是单独无机材料的摩尔体积；Rc是组成光学元件的材料的分子折射度；Rp是单独有机材料的分子折射度；Ri是单独无机材料的分子折射度。
实施例1
本实施例制备包括以SiO2为无机材料和以可光聚合单体为有机材料的材料。利用可光聚合单体并不是特别重要，选用可光聚合单体是因为该材料容易准备。应用主要基于溶胶凝胶法的反应来获得这些材料的均匀混合物。原始物料是四乙氧基硅烷(以下简写为TEOS)和2-羟基-3-苯氧基丙烯酸酯(CH2=CHCOOCH2C(OH)HCHO-C6H5，以下简写为HFPA)，四乙氧基硅烷提供折射率约为1.42的二氧化硅，2-羟基-3-苯氧基丙烯酸通过光聚合作用提供折射率为约1.55的聚合物。有机组份和无机组份的比例通过SiO2(TEOS水解后得到)和HFPA的重量比得出。在实施例1中，无机组份的摩尔百分含量从0％变化到大约100％以检验效果。
混合物由90克TEOS，20毫升(cc)四氢趺喃，100毫升异丙醇，15.6毫升水和7.2毫升氯化氢组成，该混合物在80℃下反应30分钟以制备TEOS反应混合物，该混合物是无机材料的基底。
按预定量将HFPA加入该反应混合物。则作为光聚合引发剂的3,3’,4,4’-四(叔-丁基过氧羰基)二苯甲酮(BTTB，可从日本油脂株式会社得到)和作为可见光感光材料的3,3’-碳基二(7-二乙胺香豆素)(苯并二氢呋喃酮染料)分别以基于固体成份的重量百分比10％和0.5％加入该混合物。该反应混合物浇注在支承体上，干后得到一厚度约100到200微米的流延薄膜。当有机组份的比例小时，流延薄膜干得很慢大约需要一周的时间，因此很容易损坏，流延薄膜支承体表面涂覆一层惰性材料，如金，以阻止浇注材料粘附。流延薄膜受到来自氩激光器的514.5nm的光线的均匀辐射以聚合单体，得到所需材料。最后，该材料在160℃下进行热处理。这种在150℃或更高温度下的热处理可以将在制造工艺过程中作为催化剂添加的有机溶剂和水挥发掉，以防止在材料中残留有机溶剂和水。因此，这种热处理能够抑制在元件成形后有机溶剂和水挥发造成的收缩，并减小光学元件的温度变化。
如图2所示制成的材料的厚度为150μm，在Mach-Zehnder干涉仪中用作试样6。Mach-Zehnder干涉仪包括一个半反射镜5、一个第一反射镜3，一个第二反射镜4和一个光检测器7，用珀耳帖设备(Peltier，未示出)将该试样从室温加热至60℃。将入射光10引入并通过干涉仪，并通过用光检测器7检测出输出光线随温度升高的变化值来计算光程长度的温度变化系数。计算结果如图3所示，由图3可以看出满足方程1或5的有机组份摩尔百分含量范围在2％至10％。在图3中垂直轴(纵轴)代表光程长度温度变化系数(ds/dT)，水平轴(横轴)代表SiO2的摩尔百分含量(mol％)。
在实施例1中，虽然该材料用于干涉仪仅仅是为了估算光程长度变化，但并不是对该材料应用的限制。因此该结果可以理解为举例说明本发明的材料基本可用于制造棱镜、透镜及类似的光学元件以产生相似的效果。
如上所述，本发明公开了一种对于构成涉及光程长度的光学系统非常有用的材料。利用本发明材料的光学元件如棱镜、透镜和衍射光栅的光学性能不受温度变化的影响。因此本发明的光学元件不需要温度补偿系统就能有很高的可靠性。尽管在例1中用感光聚合物作有机组份，适用于本发明的有机材料并不局限于此。
实施例2
制备包括以SiO2作为无机材料和以可光聚合单体为有机材料的试样。应用主要基于溶胶凝胶法的反应来获得这些材料的均匀混合物。原始物料是提供折射率约为1.42的二氧化硅的四乙氧基硅烷(以下简写为TEOS)和作为可光聚合单体的2-羟基-3-苯氧基丙烯酸(CH2=CHCOOCH2C(OH)HCHO-C6H5，以下简写为HFPA)。有机组份和无机组份的比例通过SiO2(TEOS水解后得到)对HFPA的重量比得出，并且使用了聚合引发剂和感光剂。
在实施例2中，无机组份的摩尔百分比含量从10％变化到90％以检验实验效果。如果无机组份摩尔百分比含量超过90mol％(摩尔％)(即如果有机组份少于10mol％)，则会因为缺少可光聚合单体而使该混合物缺乏光记录所需的足够的感光灵敏度。如果无机组份少于10mol％(摩尔％)(即如果有机组份超过90mol％)，则该材料很容易产生塑性变形，使得随后对其边缘进行的光学处理及其他处理非常困难，或者使得该材料的耐候性很差。从此观点来看，有机组份的摩尔百分含量为50mol％(摩尔％)或以下较为合适。
下面描述波导构件的制备。混合物由90克TEOS，20毫升四氢趺喃，100毫升异丙醇，15.6毫升水和7.2毫升HCl组成，该混合物在80℃下反应30分钟以制备TEOS反应混合物，该混合物是无机材料的基础。按预定量将HFPA加入反应混合物。则作为光聚合引发剂的3,3’,4,4’-四(叔丁基过氧羰基)二苯甲酮(BTTB，可从日本油脂株式会社(Nippon Oil&Fats Co.,Ltd)得到)和作为可见光感光材料的3,3’-碳基二(7-二乙胺香豆素)(苯并二氢呋喃酮染料)分别以基于固体成份的重量百分比10％和0.5％加入该混合物。该反应混合物以石英玻璃为衬底旋转涂抹，以得到厚度为2.5μm的膜。
在制得的材料(膜)中的可光聚合单体在受到强度很强的干涉光的辐射可产生聚合作用。用氦-镉激光器(波长325nm)，采用二束干涉曝光方法对上述材料进行照射，以形成间距为432nm的衍射光栅。二束干涉曝光法的光学装置如图5所示。激光42从激光器20发射出来后经反射镜22反射后被分光镜24分成两束光束43和44。光束43和44分别受到反射镜26、28的反射，反射光束45和46在包括上述制备的薄膜的试样30上相互干涉从而用强度周期变化的光线对试样曝光。聚合作用在曝光区域进行以增加折射率，从而形成一个折射率周期变化的衍射光栅。根据方程2Λ·sinθ=λ(λ：光的波长；Λ：干涉条纹的间距；θ：干涉曝光角度)确定干涉曝光的条件，方程中θ为22.1度。
因此，如图6所示，在衬底50上的一部分薄膜52上形成一衍射光栅54。以上述角度曝光得到的衍射光栅54的间距为432nm。薄膜52作为片状波导56，它如图6所示将光线从其边沿导入(入射)。最后，该材料在160℃下进行热处理。这种在150℃或更高温度下的热处理可以将在制造工艺过程中作为催化剂添加的有机溶剂和水挥发掉，以防止在材料中残留有机溶剂和水。因此，这种热处理能够抑制在元件成形后有机溶剂和水挥发造成的收缩，并减小光学元件的温度变化。其光源是波长峰值为1280nm、谱带宽度为约±100nm的发光二极管。
含有约16mol％(摩尔％)有机组份的试样的折射率为1.50。如图6所示，利用光谱分析仪分析透射光揭示出了由于布拉格光栅的反射而在1280nm消失的光谱。尽管随着试样的折射率而改变，衍射光栅的衍射波长仍然在上述宽的谱带宽度范围内。通过红外光电摄像管摄像机观察，如果在厚度方向的传播模式是单模时，条形波导(slab waveguide)56的未形成衍射光栅的部分的波导样式显示出其在厚度方向上对光的抑制作用(containment)。入射光垂直光栅的位置，衍射光满足方程(1’)。
对试样的衍射特性与温度的相关性进行测量。试样的温度用具有温度控制功能的珀耳贴设备来改变。从图7所示可以看出，由温度变化引起的波长位移，当试样中有机组份含量较高时为负向，当试样中无机组份含量较高时为正向。上述两种情况的位移均比在由单独组份组成的试样中的位移小。可以看出有机组份的含量在16mol％(摩尔％)的组合物随温度的变化其波长位移为零。
测量有机组份的含量在16mol％(摩尔％)的组合物的不同物理特性可以证实该材料能很好地满足方程7′至11′所代表的关系。
实施例3
除了以甲基甲基丙烯酸酯(methyl methacrylate)代替2-羟基3-苯氧基丙烯酸酯之外，以与实施例2相同的方式形成衍射栅，并且测量衍射特性随温度的变化。
可以看出，具有大约20mol％有机成份的组合物，其波长漂移不随温度变化，并且也满足式(7′)至(11′)所表示的关系。
对比例1
除了用30克聚甲基丙烯酸甲酯代替TEOS作为SiO2原料和用70克二氧六烷作溶剂以外，该例制备光学波导的方式与实施例2的方式相同。加入20克HFPA，并根据固体成份分别按重量百分比10wt％和0.5wt％加入BTTB(光聚合引发剂)和苯并二氢呋喃酮染料。这样得出的膜的折射率为1.523。在紫外线的辐射下对比例1的材料进行聚合作用以提供衍射光栅等。由于其折射率比实施例2的折射率高，因此为了在厚度方向获得单模，需将膜厚度减少至2μm。由于折射率与实施例2的折射率不同，通过改变辐射的角度将衍射光栅的间距调到421nm。用与实施例2相同的方法测得试样的衍射特性。20℃的反射波长为1280nm，当被加热时它明显地位移至能级更高侧(波长更短侧)。在70℃时波长位移达到1.3nm。
在实施例2和对比例1中，图6所示的光波导的布拉格衍射光栅的结构是为了说明本发明的效果，应注意的是制备此类光学元件并非本发明的主题。重要的是热膨胀的影响和温度变化所引起的折射率的变化的影响可以由本发明的实施例2的材料来消除。具有这种特性的材料适于用来制造干涉滤光器、光子学晶体、标准具、光波导以及衍射光栅等等。
本发明所用的有机材料并没有特别的限制，除了二氧化碳和金属碳酸盐以外，所有碳化合物都可以。也就是说，主要由烃类碳、氢、氮、硫、磷、卤素原子等等组成的有机化合物都适用。可光聚合单体可被用来制备具有波长数量级的周期性结构的衍射光栅，或被用来利用光的干涉作用。此时，该材料可以包括产生自由基的光聚合引发剂。也可根据入射光的波长加入感光材料等。
可用于本发明的无机材料最好包括以SiO2为基底的玻璃材料，但并不限于此。另外，其它主要包括TiO2、GeO2、Al2O3、ZrO3、B2O3、Na2O、MgO、CaO等等的玻璃材料或混合物也适用。
本发明的材料通过熔胶凝胶法很容易制得。仅仅将原材料混合也可。本发明重点在于有机材料和无机材料的比例。
方程(11′)所代表的关系可适用于基底材料，本发明对材料的选择很宽并具有广泛的用途。
本发明的材料使制造光程长度不受温度影响的衍射光学设备及利用干涉或标准具等的光学设备成为可能。因此本发明的光学元件不需单独准备温度补偿系统就具有相对于温度的极稳定的性能。

Claims (17)

1．一种光学元件，在该光学元件的光程中有一固体材料，其中固体材料包括第一材料和第二材料，第一和第二材料分别具有第一和第二折射率温度变化系数，第一折射率温度变化系数具有与第二折射率温度变化系数相反的符号。
2．如权利要求1所述的光学元件，其中，在该光学元件的光程中还包括一空间，该空间可以由空气或真空组成。
3．如权利要求2所述的光学元件，其中，上述固体材料至少包括由第一和第二材料组成的混合物或由第一和第二材料组成的组合物中的一种。
4．如权利要求3所述的光学元件，其中，第一材料是有机材料，第二材料是无机材料。
5．如权利要求4所述的光学元件，其中，该有机材料至少包括烃或烃类衍生物中的一种。
6．如权利要求4所述的光学元件，其中，该无机材料是玻璃材料，该玻璃材料至少包括SiO2、TiO2、GeO2、Al2O3、ZrO2、B2O3、Na2O、MgO、CaO中的一种。
7．如权利要求4所述的光学元件，其中，该有机材料的量占上述混合物或组合物的摩尔百分含量为2摩尔％～10摩尔％。
8．如权利要求2所述的光学元件，其中，该元件可以是激光的介质、透镜、棱镜或分光镜。
9．如权利要求1所述的光学元件，其中，该元件基本由固体材料组成。
10．如权利要求9所述的光学元件，其中，该固体材料至少包括由第一和第二材料组成的混合物或由第一和第二材料组成的组合物中的一种。
11．如权利要求10所述的光学元件，其中，第一材料是有机材料，第二材料是无机材料。
12．如权利要求11所述的光学元件，其中，该有机材料至少包括烃或烃类衍生物中的一种。
13．如权利要求11所述的光学元件，其中，该无机材料是玻璃材料，该玻璃材料至少包括SiO2、TiO2、GeO2、Al2O3、ZrO2、B2O3、Na2O、MgO、CaO中的一种。
14．如权利要求9所述的光学元件，其中，该元件可以是衍射光栅、干涉滤光器、光子学晶体、标准具或光波导。
15．如权利要求3所述的光学元件，其中，该组合物由有机/无机组合物制成。
16．如权利要求10所述的光学元件，其中，该组合物由有机/无机组合物制成。
17．如权利要求1所述的光学元件，其中，该元件由一过程制成，该过程包括一在150℃或更高温度下进行热处理的工序。
CNB001366424A 1999-11-11 2000-11-11 光学元件 Expired - Fee Related CN1174271C (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP321057/1999 1999-11-11
JP32105799 1999-11-11
JP2000030837 2000-02-08
JP30837/2000 2000-02-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1299068A true CN1299068A (zh) 2001-06-13
CN1174271C CN1174271C (zh) 2004-11-03

Family

ID=26570341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB001366424A Expired - Fee Related CN1174271C (zh) 1999-11-11 2000-11-11 光学元件

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6590722B1 (zh)
EP (1) EP1099963A3 (zh)
CN (1) CN1174271C (zh)
CA (1) CA2325303A1 (zh)
TW (1) TW552432B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100419461C (zh) * 2003-06-17 2008-09-17 柯尼卡美能达精密光学株式会社 光学元件
CN100420973C (zh) * 2003-07-23 2008-09-24 柯尼卡美能达精密光学株式会社 摄像镜头和摄像装置
CN101477227B (zh) * 2009-01-19 2011-03-16 北京航空航天大学 应力自补偿波导谐振腔及谐振式集成光学陀螺
CN117624427A (zh) * 2024-01-25 2024-03-01 山东省科学院激光研究所 一种激光增益介质及其制备方法、黄绿光激光器

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3829548B2 (ja) 1999-09-24 2006-10-04 ソニー株式会社 機能性材料および機能素子
JP2002048901A (ja) * 2000-08-02 2002-02-15 Olympus Optical Co Ltd 有機無機複合材料を用いた光学素子
AU2001283369A1 (en) 2000-08-15 2002-02-25 Corning Incorporated Active photonic crystal waveguide device
US6674949B2 (en) 2000-08-15 2004-01-06 Corning Incorporated Active photonic crystal waveguide device and method
US6642295B2 (en) * 2001-12-21 2003-11-04 Eastman Kodak Company Photoresist nanocomposite optical plastic article and method of making same
CN201680815U (zh) * 2009-12-22 2010-12-22 昂纳信息技术（深圳）有限公司 一种准确调节光路径的干涉腔和干涉仪
US20150378102A1 (en) * 2012-06-27 2015-12-31 Afl Telecommunications Llc Feedback system for improving the stability of a co2 laser based splicing and tapering apparatus

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4872743A (en) * 1983-04-18 1989-10-10 Canon Kabushiki Kaisha Varifocal optical element
JPS6089936A (ja) 1983-10-24 1985-05-20 Hitachi Ltd デ−タ解析方法
JPS6289936A (ja) * 1985-10-16 1987-04-24 Fuji Photo Film Co Ltd 光導波路素子
US4898755A (en) * 1987-04-17 1990-02-06 Hoechst Celanese Corporation Inorganic-organic composite compositions exhibiting nonlinear optical response
US4851270A (en) * 1987-04-17 1989-07-25 Hoechst Celanese Corporation Inorganic-organic composite compositons exhibiting nonlinear optical response
JPH0486668A (ja) * 1990-07-27 1992-03-19 Canon Inc 投影露光装置
US5111467A (en) * 1990-09-10 1992-05-05 Tacan Corporation Hybrid rugate filter assembly for temperature stabilized emission of grating coupled surface emitting lasers
DE4130550A1 (de) * 1991-09-13 1993-03-18 Inst Neue Mat Gemein Gmbh Optische elemente und verfahren zu deren herstellung
JP3419570B2 (ja) 1994-12-07 2003-06-23 Ｈｏｙａ株式会社 有機−無機複合ポリマーの製造方法
US5930441A (en) * 1995-08-30 1999-07-27 Phontonic Technologies Pty Ltd Split-beam Fourier filter
JPH10221719A (ja) * 1997-02-10 1998-08-21 Fujitsu Ltd 光偏向素子
EP0919840B1 (en) * 1997-02-14 2008-04-23 Nippon Telegraph and Telephone Corporation Optical waveguide circuit and optical waveguide module having the optical waveguide circuit
JPH1144825A (ja) * 1997-07-28 1999-02-16 Fujitsu Ltd 光デバイス及びその製造方法
DE69915578D1 (de) * 1999-01-05 2004-04-22 Corning Inc Asymmetrischer thermo-optischer Schalter

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100419461C (zh) * 2003-06-17 2008-09-17 柯尼卡美能达精密光学株式会社 光学元件
CN100420973C (zh) * 2003-07-23 2008-09-24 柯尼卡美能达精密光学株式会社 摄像镜头和摄像装置
CN101477227B (zh) * 2009-01-19 2011-03-16 北京航空航天大学 应力自补偿波导谐振腔及谐振式集成光学陀螺
CN117624427A (zh) * 2024-01-25 2024-03-01 山东省科学院激光研究所 一种激光增益介质及其制备方法、黄绿光激光器
CN117624427B (zh) * 2024-01-25 2024-04-23 山东省科学院激光研究所 一种激光增益介质及其制备方法、黄绿光激光器

Also Published As

Publication number Publication date
US6590722B1 (en) 2003-07-08
EP1099963A2 (en) 2001-05-16
CA2325303A1 (en) 2001-05-11
CN1174271C (zh) 2004-11-03
TW552432B (en) 2003-09-11
EP1099963A3 (en) 2002-08-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1174271C (zh) 光学元件
CN1292288C (zh) 制造光子晶体和光学元件的方法和设备
US6800724B2 (en) Materials for optical applications
JP6156673B1 (ja) 光導波路形成用組成物
KR20060134133A (ko) 광학 재료용 화합물 및 이의 제조 방법
CN1304861C (zh) 光波导和用于制造该光波导的方法
JP2009525354A (ja) ケイ酸縮合生成物及びそれを使用してなる光導波路デバイス
US6965006B2 (en) Metal alkoxide polymers
JP2004035838A (ja) 光学素子用組成物及び光学素子
TWI702237B (zh) Ｇｉ型光導波路之製造方法
US20040033309A1 (en) Photo-patternable mono-phase fluorinated organometallic sol-gels for integrated optics and methods of fabrication
JP5169213B2 (ja) 硬化性組成物およびそれを硬化してなる光学部材
US7499618B2 (en) Optical element
KR20040095734A (ko) 중합체 광 도파로 및 이의 제조 방법
CN1768283A (zh) 光波导芯片以及含有该芯片的光学元件
WO2004027862A2 (en) Substrate based component packaging and assembly
JP3110814B2 (ja) シロキサン系ポリマおよび光学材料
US20040005131A1 (en) Materials having low optical loss for waveguides and other optical devices
JP2014074799A (ja) 光導波路
JP4087207B2 (ja) 光伝送路形成用材料、光伝送路および光伝送路の製造方法
CN1643417A (zh) 光波导和光合/分波器
Himmelhuber et al. UV-patternable inorganic-organic hybrid materials tailored for use in electro-optic modulators
Sabattie et al. Planar optical integrated circuits based on UV-patternable sol-gel technology
JP2001296419A (ja) 光学素子
CN1863829A (zh) 光学折射率调制聚合物、光学折射率调制聚合物组合物和折射率调节方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee