CN1363050A - 具有环境稳定性的无热变化光纤光栅器件以及实现器件稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包括一具有环境稳定性的无热变化光纤光栅以及制造这种稳定的光波导光纤光栅的方法。通过使负热膨胀基底(20)实现稳定性并利用具有耐久性的玻璃料(24)使光纤布拉格光栅与基底相连来提供稳定的耐湿、无热变化的光纤布拉格光栅(19)。

Description

具有环境稳定性的无热变化光纤光栅器件 以及实现器件稳定性的方法
本申请要求享受1999年4月23日提交的美国临时专利申请60/130,653的权益。
                            发明背景
1.发明领域
本发明总体涉及光波导器件，具体来说，涉及其中包括有负热膨胀基底以实现光波导无热变化的光波导器件。该基底由负热膨胀材料制成，因而该基底随温度的升高而收缩，对光波导器光特性的热变动进行补偿。
2.技术背景
本发明涉及一种经过温度补偿的无热变化光学器件，具体来说，涉及一种用于光纤反射性布拉格光栅光波导器件的具有稳定负膨胀基底的环境稳定器件以及实现光波导器件稳定的方法。
UV光引起的折射率变化对于诸如滤波器和信道增/减器件这种复杂、窄带光学部件的制造是有益的。这些器件可能是多波长电信系统的重要组成部分。常用光敏光纤器件是一种反射性光栅(布拉格光栅)，在一较窄波段上反射光。通常，这些器件具有按纳米测定的信道间隔。
已知有种种光滤波器结构，这其中有的利用波长选择性滤波的布拉格效应。美国专利U.S.Pat.No.4,725,110揭示一种滤波器构造方法，其中包含通过使光纤芯透过包层暴露于两束方向为相对于光纤光轴呈两个180°互补角的紫外线光束的干涉图案，在光纤芯中印上至少一个周期性光栅的方法。这造成反射性光栅的取向与光纤光轴相正交。这种结合有光栅滤波器的光滤波器所反射光的波长，与该光栅的间隔有关，而该间隔随光栅区所受应变即光栅区温度按一明确关系变化，即基本与这些参数其中之一线性变化。
对一间隔为L的均匀光栅，光栅中有效折射率为n，膨胀率为a，中心反射波长Ir的变化由下式给出。
dIr/dT＝2L[dn/dT+na]
石英光纤及锗石英(germania-silica)光纤反射性光栅中，中心波长的变化由括号中第1项即折射率随温度的变化所支配。膨胀率项其贡献小于总变量的10％。对峰值反射在1550nm的光栅来说，该比率dIr/dT通常为0.01nm/℃。
这些光栅使用中的一个实际困难是它们随温度变化。只要该光纤光栅所反射光的波长随光栅区温度变化，该基频滤波器便无法用于所反射光的波长要与温度无关的应用。需要可靠且稳定实现光纤反射性光栅无热变化的方法来满足苛刻的要求，这通常是成长中的光电信应用对这种光栅的需求和要求。
实现光纤反射性光栅无热变化的一种方法，要用一有源控制的热稳定系统对光栅环境进行热控制。这种热稳定的实施和供电成本高，而且其复杂度导致对可靠性的关注。
第二种无热变化实现方法是创建对dn/dT进行补偿的负膨胀。已知采用具有不一样的正热膨胀的材料来实现所需负膨胀的器件。
美国专利U.S.Pat.No.5,042,898揭示一种经过温度补偿、嵌入的光栅，以及具有光纤光栅的光波导滤光器件。该光纤的每一端与所具有的这种热膨胀系数彼此相关的材料制成的两个补偿部件其中不同的一个连接，并与光纤材料的那个连接以加到该光纤纵向应变上，其随温度变化的量按纵向应变的变化基本上对光栅温度变化的上述贡献进行补偿的方式变化。
G.W.Yoffe等人在OFC’95《技术文摘》W14页“经温度补偿的光纤布拉格光栅”中揭示具有不一样的热膨胀的金属机械配置，使得光纤安装点间的距离随温度的升高而减小以减轻光栅的应变。
实现光波导器件无热变化的另一方法将具有固有的负膨胀系数的材料所制造的基底用于与光纤光栅相连的基底。
                            发明概述
本发明的一个实施例是一用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件，其中包括一反射中心波长为λ光的光纤光栅，一具有环境稳定性(经稳定性处理)的、靠具有环境耐久性的铅锌硼玻璃料熔融密封在紧张状态下使光纤光栅与基底连着的负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底，其中该基底对光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.015nm。
按照本发明实施例，用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化的光纤布拉格光栅波导光纤器件，包括一反射中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，一经稳定性处理的具有环境稳定性的、在紧张状态下使光纤光栅与基底连着的负热膨胀并带有微细裂纹的β锂霞石玻璃陶瓷基底，其中该基底对光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.015nm。
按照本发明一实施例，包括一用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件的制造方法，包括下列步骤：提供一作用于中心波长为λ光的光纤光栅，使负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底实现环境稳定性，用铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使光纤光栅与具有环境稳定性的玻璃陶瓷基底相连，其中该基底对光纤光栅中的热致波长偏移实现无热变化，波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.015nm。
本发明一实施例，还包括一用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件的制造方法。该方法包括下列步骤：提供一作用于中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，使负热膨胀并带有细微裂纹的β锂霞石玻璃陶瓷基底实现环境稳定性，使光纤光栅在紧张状态下与具有环境稳定性的玻璃陶瓷基底相连，其中该基底对光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，中心波长λ的变化在暴露于相对湿度至少为80％的潮湿环境时小于+/-0.010nm。
本发明一实施例，还包括一用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤布拉格光栅波导器件的制造方法。该方法包括下列步骤：提供一作用于中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，提供一负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底，在410℃至低于430℃温度范围内用铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使光纤光栅在紧张状态下与玻璃陶瓷基底相连，其中该基底对光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于相对湿度至少为80％的潮湿环境时小于+/-0.010nm。
本发明的器件及方法在光波导布置环境所经历的种种温度下提供一种长期暴露于湿度环境情况下的高度尺度稳定性。
本发明另外的特征和优点，将在接下来的详细说明当中给出，并从包括下面的详细说明、权利要求以及附图的说明书当中或从实践在此所说明发明的认识当中部分容易为本领域技术人员所理解。
应理解，前面总体说明和下面详细说明仅仅是示范本发明，并用于对所要求保护的发明其本质和特征提供用于理解的总览或框架。所包括的附图提供对本发明的进一步理解，并结合到该说明书中构成其中一部分。附图示出本发明种种实施例，与说明书一起来解释本发明的原理和运作。
                             附图简要说明
图1是实现本发明的光波导器件的侧视图；
图2是实现本发明的光波导器件的局部剖开透视图；
图3是实现本发明的装置和方法的侧面示意图；以及
图4是对比玻璃料暴露耐久性的波长偏移(nm)(y轴)与时间(天数)(x轴)之间关系的制图。
图5是对比玻璃料耐久性的波长偏移(nm)(y轴)与时间(天数)(x轴)之间关系的制图。
图6是按照本发明包括VECTRA封装容器的光纤布拉格光栅器件暴露于潮湿(Hum)或潮热(D.H.)环境12周时波长变化(nm)(y轴)与时间天数(x轴)之间关系的制图。
                     较佳实施例的详细说明
现详细参照本发明较佳实施例，其实例示于附图中。图1中示出本发明具有环境稳定性的无热变化光纤光栅的示范性实施例，并且通篇总体用标号19标注。
按照本发明，用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤布拉格光栅波导滤波器件，其中包括一作用于中心波长为λ光并使其反射的光纤布拉格光栅。如图1所示，除了光纤布拉格光栅22，无热变化的光纤布拉格光栅波导器件19还包括一经稳定性处理的具有环境稳定性的负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底20。光纤光栅22在紧张状态下靠具有环境耐久性的铅锌硼玻璃料熔融密封24与基底20连着，其中该基底20对光纤光栅22中的热致波长偏移进行补偿，使得波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.015nm。最好光纤光栅22在紧张状态下用第一和第二铅锌硼玻璃料熔融密封24与基底20连着。另外还用紧固组件26来进一步紧固光纤22相对于基底20和玻璃料熔融密封24的移动，最好该紧固组件26为环氧密封。波导器件19组装使得当器件及其周围温度升高时基底20收缩并释放光纤光栅22上的紧张来补偿光波导光纤光栅22温度升高造成的光学变化和波长变动。较佳实施例中，波长λ的变化在器件19暴露于相对湿度大于80％的潮湿环境时小于+/-0.010nm。最佳实施例中，波长λ的变化在器件19暴露于相对湿度至少为85％、温度至少为25℃的潮湿环境2000小时时小于+/-0.010nm。光波导器件19提供在其寿命跨度上以最小的波长λ变动用于反向的光波导布置环境中时得到提高的性能。
经稳定性处理的具有环境稳定性的负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底20，是一种带有细微裂纹的玻璃陶瓷体，具有多个所引起的细微裂纹和经密封细微裂纹的裂缝尖端。具有所引起的细微裂纹和经密封的细微裂纹的裂缝尖端的玻璃陶瓷基底20最好是经过浸浴、润湿并干燥的基底。经过浸浴、润湿并干燥的基底20是一种在加上光纤光栅22之前被浸没于包括水的液体浸浴中、接着暴露于潮湿处理氛围、再暴露于干燥处理氛围的基底。最好基底22是一带有细微裂纹的玻璃陶瓷体，具有某一长度(尤其基底20与光纤光栅22对齐的长度)和多个裂纹，该裂纹具有稳定的裂纹长度，其中该基底裂纹体的长度当暴露于光波导布置环境时是稳定的。用这样一种基底，该基底裂纹体的长度最好当暴露于光波导布置环境时其变化小于32ppm。最好该基底裂纹体具有多个以裂缝尖端为终端的细微裂纹，该裂缝尖端用从玻璃陶瓷基底体当中滤出的玻璃陶瓷组分的沉淀物密封并且基本填满。利用这种经过密封和填满的尖端，基底20最好在暴露于光波导布置环境及其湿度环境时所具有的尺度变化ΔD≤20ppm。
具有环境耐久性的玻璃料熔融密封24是填有诸如焦磷酸盐研磨添加剂这种反相研磨添加剂的铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封。最好光纤光栅22用玻璃料结合温度在405℃至440℃范围内的玻璃料熔融密封24在紧张状态下与基底20相连。熔融密封24所具有的玻璃料结合密封温度较好在410℃至低于430℃范围内，最好在420℃至低于430℃范围内。这种铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封24最好形成一具有拉力强度至少为2lb、最好大于3lb的与光纤光栅22的结合。
如图2所示，无热变化的光纤布拉格光栅波导器件19包括一封装容器28。为了便于示范图2中的器件19，未设置容器28的顶盖，而且正面一侧壁面被剖开。光纤布拉格光栅22的折射率光栅由延伸至光纤及其芯的垂直线示出。光纤布拉格光栅22包含在容器28内，光纤光栅22的光纤末端21延伸通过容器28的端壁，从而可与光纤系统的光纤连接。一较佳实施例中，包含由基底20实现无热变化的光纤光栅22的容器28是一非密闭封装容器。较佳的非密闭封装容器是VECTRA液晶聚合体容器。器件19的这种封装是非密闭的，闭合容器28外面的湿气(H2O分子)可能进入到容器28的内部，并与封装中的光纤光栅22、基底20以及玻璃料熔融密封24等所容纳物体相接触。一替代实施例中，容器28为一密闭封装容器，这样光纤光栅、基底以及玻璃料密封便被密闭容纳并密封在容器28内，H2O分子以及其他气体便被禁止从外面进入容器。这样一种密闭容器是一包金的KOVAR容器。参照PTC/US 98/20042(装订10)(10/10/97提交的美国临时申请US Prov.60/061,688)，揭示了对容器28和这一容器内光纤光栅22、基底20和玻璃料熔融密封24的密封以及与该容器的隔离所进行的更为详细的说明。
本发明包括一用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件的制造方法，包括下列步骤：提供一作用于中心波长为λ光的光纤光栅，使负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底实现环境稳定性，用具有环境耐久性的铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使光纤光栅22与具有环境稳定性的玻璃陶瓷基底20在紧张状态下相连，其中基底20对光纤光栅22中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.015nm。
使基底20实现环境稳定性，包括提供一尺度不稳定的基底，将该基底浸没在含水的液体浴中，接着使基底暴露于潮湿的处理氛围，再使所暴露的基底干燥。使基底20实现环境稳定性，包括提供一细微裂纹带有长度和裂缝尖端的尺度不稳定的带细微裂纹基底，引起这些细微裂纹增加其长度，接着密封该细微裂纹的裂缝尖端。最好这种暴露和密封包括将基底暴露于具有相对湿度至少为80％的潮湿氛围。一较佳实施例中，实现环境稳定性，包括在去离子水中使所提供的基底煮沸至少3个小时，再在干燥氛围(低湿度近乎为零的空气)中以200℃干燥至少12小时，再使该基底暴露于潮热氛围(≥80℃/相对湿度≥80％)中至少5天，接下来在100℃干燥温度下干燥至少12小时。实现环境稳定性的替代实施例包括靠湿气处理使裂缝尖端密封之前在低于50℃的温度下用含水的液体浸浴引起该细微裂纹。参照同时于4/23/99提交的Webb等人的发明名称为“使负热膨胀光波导基底实现稳定性的制造方法以及玻璃陶瓷基底(METHOD OF MAKING STABILIZED NEGATIVE THERMAL EXPANSIONOPTICAL WAVEGUIDE SUBSTRATE AND A GLASS-CERAMIC SUBSTRATE)”的美国临时专利申请US Prov.60/130,896(代理人案卷号P14721)，对实现稳定性和实现稳定性的基底20进行了更为详细的说明。
使光纤布拉格光栅22与基底20相连，包括在405℃至440℃这一范围内的温度对铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封24进行处理。最好这种对密封24的处理包括将玻璃料熔融密封加热到410℃至低于430℃这一范围内的温度，较好是420℃至低于430℃，最好是约425℃。这种热处理较好是导致所形成的玻璃料熔融密封和光纤光栅的结合具有的拉力强度大于2lb，最好是≥3lb。
该方法较好包括将相连的光纤光栅22、基底20以及玻璃料熔融密封24封闭在非密闭封装容器28内，湿气可从容器外面进入到所封闭的容器内。另一实施例中，该方法包括将相连的光纤光栅22、基底20以及玻璃料熔融密封24以密闭方式密封在密闭封装容器28内。
本发明包括一用于光波导电信布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤布拉格光栅波导滤波器器件，其包括：一反射中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，以及一经过稳定性处理具有环境稳定性的负热膨胀、带细微裂纹的β锂霞石玻璃陶瓷基底。光纤光栅22在紧张状态下与基底20连着，其中基底20对光纤光栅22中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.04nm，较好是小于+/-0.03nm，希望小于+/-0.02nm，最好小于+/-0.015nm。一较佳实施例中，当暴露于相对湿度至少为80％的潮湿环境时波长λ的变化小于+/-0.010nm，最好在暴露于其温度为25℃、相对湿度至少约为85％这种湿度环境2000小时的情况下小于+/-0.010nm。
具有环境稳定性基板20较好引起以密封裂缝尖端为末端的细微裂纹。最好这种基底基底22相连前浸没水浴(包含水的液体)，暴露于潮湿处理氛围以及干燥处理氛围。这种稳定基底20是经过水浸没、潮湿和干燥的基底。较好是，基底为一光纤光栅相连点间具有长度、带多个细微裂纹的细微裂纹体，该基底主体尺度具有稳定长度，并且暴露于光波导电信布置环境时基本上没有稳定性。较好是，暴露于布置环境时基底尺度的长度变化小于50ppm，希望小于40ppm，最好小于约32ppm。一较佳实施例中长度变化小于20ppm。
较好是，基底的细微裂纹以裂缝尖端为终端，该细微裂纹尖端基本由所述玻璃陶瓷基底主体当中滤出的玻璃陶瓷组分的经干燥薄膜沉淀物填满。基底20较好在暴露于布置环境时尺度变化小于32ppm。较佳实施例中，器件所包括的非密闭封装容器28包含与基底相连的光纤光栅。一替代实施例中，器件所包括的密闭封装容器28其中具有基底20和光纤光栅22，使得封装暴露于外部污染为最小。
本发明还包括一种具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件的制造方法，该方法包括下列步骤：提供一反射中心波长为λ光的光纤布拉格光栅22，使负热膨胀并带有细微裂纹的β锂霞石玻璃陶瓷基底20实现环境稳定性。该方法还包括使光纤光栅22与具有环境稳定性的玻璃陶瓷基底20相连，其中基底20对光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于相对湿度至少为80％的潮湿环境时小于+/-0.020nm，最好小于+/-0.010nm。使基底20实现环境稳定性，包括下列步骤：提供一尺度不稳定的基底，在包含水的浸浴中浸没所提供的基底，使浸没过的基底暴露于潮湿处理氛围，以及在相连前对暴露过的基底进行干燥。
使基底实现环境稳定性，包括下列步骤：提供一尺度不稳定的带细微裂纹的基底，其具有的多个细微裂纹具有长度和裂缝尖端。引起细微裂纹来增加其长度以便提供理想的热膨胀目标系数，裂缝尖端通过预调节处理密封。这最好包括将先前浸没的基底暴露于温度至少为25℃、相对湿度至少为80％的潮湿氛围足够长时间再干燥。
较好是，该方法还包括将相连的光纤光栅22和基底20封闭在非密闭封装容器28内。作为替代，该方法包括将相连的光纤光栅和基底以密闭方式密封在密闭封装容器28内。
本发明较好包括下列步骤：使与基底相连的光纤光栅暴露于其相对湿度至少约为85％、温度约为25℃的潮湿环境至少2000小时，以及监视所述波长λ。这种暴露和测试确保代表性器件19在极端布置环境中的可靠性。
本发明还包括一种用于光电信布置环境具有环境稳定性的无热变化光纤布拉格光栅波导器件的制造方法，该方法包括下列步骤：提供一反射中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，提供一负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底。该方法还包括在410℃至低于430℃温度范围内用铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使光纤光栅22在紧张状态下与基底20相连，其中基底20对所述光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于相对湿度至少为80％的潮湿环境时小于+/-0.010nm。较好是，使光纤光栅22与基底20相连，包括将铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封加热至约425℃温度，并且在422℃至428℃以内。基底20较好是一具有环境稳定性基底。如图3所示，用铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封24相连最好包括用激光束30经基底20加热密封24。最好相连步骤包括用激光束30加热和用红外线(IR)热电偶36来监测受热的玻璃料熔融密封24的温度。如图3所示，CO2激光器32产生波长10.6微米波长的激光束30。保持座30保持基底20下的透镜系统以及基底20。除了从下面用高温计以外，较好是用红外线热电偶(例如OMEGA牌温度传感器OS36-2不锈钢壳自供电非接触红外线热电偶)来监测熔融密封24的温度。这种监测允许对熔融密封24的温度进行精确控制和形成有益的玻璃料熔融密封。相连步骤较好包括对拉力强度在1至3lb范围内的光纤栅板形成一玻璃料熔融密封。
该方法还包括将相连的光纤光栅22、基底20以及玻璃料熔融密封24封闭在非密闭封装容器28内。作为替代，该方法以密闭方式密封在密闭封装容器内。
                            实例
将进一步由下列用于示范本发明的实例来澄清本发明。
这些实例示出的是暴露于潮热和潮湿条件下2000小时具有低于0.01nm这种中心波长稳定性的非密闭封装无热变化光纤布拉格光栅器件19的实施。这些光纤布拉格光栅器件用具有环境稳定性的基底20和具有耐久性的玻璃料24来实现。除了浸没于沸水中以外，基底20还暴露于85℃/85％相对湿度的潮热当中，接着在100℃干燥一整夜。具有耐久性的铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封(PbO-ZnO-B2O3)(PZB)填有反相(Mg·Co)2P2O7。
β锂霞石玻璃陶瓷样本由48.7wt％SiO2，37.8wt％Al2O3，9.7wt％LiO2，3.8wt％TiO2以及8.5wt％Al2TiO5这种玻璃组分制成。按照97年1月16日(ATHERMAL OPTICALDEVICE)提交的美国专利申请连续号08/785,336所述由上述玻璃组分制成β锂霞石样本。该专利申请在此引用作为参照，就象按其本身完备性全面给出的那样，用于更为详细地说明非稳定β锂霞石玻璃陶瓷基底的制造。
从PZB类当中选择铅锌硼酸盐CRT密封玻璃料。采用具有74.7wt％PbO，12.9wt％ZnO，8.3wt％B2O3，1.9wt％BaO，2.2wt％SiO2这种基本玻璃组分的Corning公司的Corning商品码7580PZB CRT密封玻璃料。这种玻璃料是一种具有环境耐久性的玻璃料，其中PZB基本玻璃料具有0.006的耐水性(90℃去离子水中24小时其重量的百分比变化量)。
玻璃料
A.用5份(5个样本)在385-460℃温度范围用具有PZB基本玻璃料相连的光纤光栅来给出如下玻璃料矩阵实验结果。
处理温度T℃*  385   410   435   460
PZB样本数量    5    5     5     5
*按图3中装置在玻璃料结合上方1mm处由IR热电偶测定的玻璃料处理温度
相连步骤后，这些玻璃料结合经过一拉力测试来进行强度评估，选定玻璃料结合用于拉力测试后的SEM检查。
根据这些评估，选择拉力测试强度优于2 lb且没有光纤断裂的最好玻璃料及其处理条件来制造全功能的VECTRA封装器件。
      对PZB耐久性玻璃料商品码7580加的是反相焦磷酸盐研磨添加剂，具体
为：
PZB：商品码7580+10wt％(Mg·Co)2P2O7+5wt％Co2P2O5。
下面表1示出作为图3所示玻璃料处理期间IR热电偶所测定结合温度的函数的光纤拉力强度结果。
用PZB玻璃料，在410℃和435℃处理的结合其拉力强度均一致较高处于3.4-4.0lb范围，其中1.5-2.0(1.75)lb被认为是由外部环氧结合所贡献，反射率测定结果(50.0dB或以下)表明没有光纤断裂。但460℃的玻璃料处理温度给出了相对较高但不够稳定的拉力强度，但-15至-20dB的反射率测定结果表明光纤断裂，暗示460℃的玻璃料结合温度可能太高。较佳的玻璃料处理温度处于410℃至低于430℃范围。当玻璃料结合在380℃或以下温度制造时，该玻璃料未充分流动，在小于0.5lb的较低拉力强度下拉出光纤时没有断裂。根据这些结果，选定425℃的玻璃料结合温度为最优。下面表中经过计算的玻璃料拉力强度是通过从总数当中扣除1.75lb消除环氧结合强度贡献来确定的。
表1  光纤拉力强度与玻璃料处理温度间关系
I.R./T.C    总拉力    反射输入  (1524nm)   光纤断裂  经计算玻璃料
 (T℃)      强度(ldb)  (dB)      输出(dB)            强度(ldb)
410         3.78      -66.97    -67.17    未断裂       2.03
435         3.96      -67.76    -66.57    未断裂       2.21
435         3.42      -65.72    -65.54    未断裂       1.67
460         2.48      -17.02    -17.65    未断裂       0.73
图4示出耐久性玻璃料熔融密封和非耐久性玻璃料熔融密封之间的差异。PZB(铅锌硼酸盐)耐久性玻璃料熔融进行完，与对比的锡锌磷(SZP)玻璃料熔融密封相比具有耐久性。用这些玻璃料将光纤布拉格光栅与未处理不稳定β锂霞石基底相连，并在暴露于潮热(85℃/85％相对湿度)期间监测波长。具有耐久性的玻璃料较好是具有小于+/-0.010、最好小于或等于约+/-0.006的耐水性(90℃去离子水中24小时其重量的百分比变化量)而具有耐久性。相比较而言，不稳定的SZP玻璃料具有约-0.030耐水性。图4示出有助于减小波长偏移的耐久性玻璃料。
图5示出具有耐久性的玻璃料的益处和暴露于几乎与保湿器相比的潮热中的不同结果。光纤布拉格光栅用具有耐久性的PZB与未经处理的不稳定β锂霞石相连。不稳定基底造成中心波长λ较大尺度的变化。该玻璃料在减小其对中心波长的贡献和保持光纤-玻璃料结合-基底的连接完整性方面具有耐久性。图4和图5示出相连的耐久性和耐环境性(耐水性)在实现较低λ变化方面起作用。
基底
2×4×50mm基底用1300℃-16小时的陶瓷并通过热循环两次至800℃制成，在去离子水中煮沸4小时/以200℃干燥16小时，接着在潮热(85℃/85％相对湿度)当中进行预调节处理1周并以100℃干燥16小时，接着用于环境稳定性、耐久性测试。
光纤光栅
所用的是使条状高Δ光纤覆盖有5mm、其偏差为20ps的长布拉格光栅，再以125℃退火24小时。
器件
光纤光栅22在紧张状态下以425℃的PZB-1熔融密封24与基底20相连。光栅、基底以及玻璃料连接均封装在用下列材料的VECTRA容器：
·- MCA95UV将环氧(包含Polyset Company公司Siloxy PC-1000牌、UnionCarbide Chemical & Plastics Company公司ERL-4221、ERL-4206、Cyracure UVI-6974以及A-187 Silane牌、Shell Oil Company公司Epon Resin 828牌、CabotCorporation公司Cab-O-Sil610牌、Geltech Inc.公司Silaned GelTech 1.5micro牌、以及Corning公司N118？TCE牌和N118/SIK)用于对环氧紧固组件26的外部调剂结合。
·- 用于覆盖光纤裸露(包覆层条状)的组件26至26的器件(光纤光栅22)的2份6679Fluoro胶、2份处理电介质胶。
·- 395UV将环氧用于使光纤与靴固定来通过容器端部的通孔密封光纤，并使靴与容器端部紧固。
·-S2000Poron硅树脂(Rogers Corporation公司)在基底底板和容器底部之间的泡沫板(2 1/2”×5/32”×1/32”)，具有紧固孔。
·- 3145硅树脂(用于使基底与VECTRA封装结合)(按先前引用的PTC/US98/20042(装订本10)(美国临时申请US Prov.60/061,688)
分别将2组各6个VECTRA封装的器件暴露于保湿器(25℃/100％相对湿度)以及潮热环境(DH；85℃/85％)。得到下列评估：
中心波长稳定性
将中心波长的变化(Δλc)作为长达12周(2000小时)的时间的函数来监测。
图6示出12个VECTRA封装的器件19其作为潮湿环境暴露时间函数的中心波长变化(Δλc)，其中6个器件暴露于潮热(DH)环境，6个器件暴露于保湿器(HUM)。由此可见，12个器件中的11个甚至在12周以后仍在+/-0.01nm以内，有一个器件在HUM当中小于-0.03nm这一例外。
由图6可知，如暴露于不论DH环境还是HUM环境、甚至12周以后的Δλc稳定性所示，潮热环境中进行1周另外的预调节处理，在难以达到保湿的环境(25℃，100％湿度)下实现了基底尺度的稳定性。
图6示出暴露于潮热(85℃/85％相对湿度)的潮湿环境下和保湿器(25℃/100％相对湿度)环境下的λ最小变化量。本发明靠具有稳定性的β锂霞石玻璃陶瓷基底和具有耐久性的铅锌硼酸盐玻璃料实现高稳定性。全部12个样本器件所具有的波长λ变化量小于+/-0.030nm。这些器件还有的经过约2000小时时间所具有的波长λ变化量小于+/-0.020nm，小于+/-0.015nm，甚至小于+/-0.010nm。这清楚地表明光纤布拉格光栅其具有的环境稳定性、非密闭封装能力。
这一实验表明，本发明所提供的有益的具有环境健壮的波长稳定性，在暴露于包括高湿度环境的极端布置环境时其波长变化小于+/-0.020nm，小于+/-0.015nm，甚至小于或等于+/-0.010nm。
显然，本领域技术人员很清楚，可在不脱离本发明保护范围的情况下对本发明作种种修改和变动。本发明打算涵盖所提供的对本发明的种种修改和变动，使之均落在所附权利要求及其等同物的保护范围内。

Claims (41)

1.一种用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件，其特征在于，所述器件包括：一反射中心波长为λ光的光纤光栅，一经过稳定性处理具有环境稳定性的负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底，所述光纤光栅靠具有环境耐久性的玻璃料熔融密封在紧张状态下与基底连着，其中该基底对所述光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，所述波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.015nm。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述具有环境耐久性的玻璃料熔融密封是铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述波长λ的变化在暴露于湿气时小于+/-0.030nm。
4.如权利要求1或26所述的器件，其特征在于，所述基底还包括多个包括经过密封的裂缝尖端在内的所引起的细微裂纹。
5.如权利要求4所述的器件，其特征在于，所述基底是一经过浸浴润湿干燥等预先调节的基底。
6.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述基底是一具有某一长度和多个细微裂纹的细微裂纹体，所述细微裂纹具有稳定的裂纹长度，其中所述基底的细微裂纹体的所述长度当暴露于光波导布置环境时具有尺度稳定性。
7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述基底细微裂纹体当暴露于光波导布置环境时其长度变化小于50ppm。
8.如权利要求7所述的器件，其特征在于，所述长度变化小于32ppm。
9.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述基底是一所具有的多个细微裂纹以裂缝尖端为终端的细微裂纹体，所述细微裂纹尖端基本由滤出的玻璃陶瓷组分填满。
10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述基底主体当暴露于光波导布置环境时其尺度变化小于或等于20ppm。
11.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封填有反相研磨添加剂。
12.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封填有焦磷酸盐研磨添加剂。
13.如权利要求2所述的器件，其特征在于，光纤光栅靠玻璃料结合温度在405℃至440℃范围内的所述玻璃料熔融密封在紧张状态下与所述基底相连。
14.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述玻璃料熔融密封形成一具有拉力强度大于1lb的与所述光纤光栅的结合。
15.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述玻璃料熔融密封形成一具有拉力强度在1-3lb范围的与所述光纤光栅的结合。
16.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件还包括一非密闭封装容器，与所述基底相连的所述光纤光栅包含在所述非密闭封装容器内。
17.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件还包括一密闭封装容器，与所述基底相连的所述光纤光栅包含在所述密闭封装容器内。
18.一种用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：提供一作用于中心波长为λ光的光纤光栅，使负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底实现环境稳定性，用具有环境耐久性的铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使所述光纤光栅在紧张状态下与所述具有环境稳定性的玻璃陶瓷基底相连，其中所述基底对所述光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.020nm。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，使所述基底实现环境稳定性，包括下列步骤：提供一尺度不稳定的基底，在包含水的浸浴中浸没所提供的基底，使所述浸没过的基底暴露于潮湿处理氛围，以及对所述暴露过的基底进行干燥。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，使所述基底实现环境稳定性，包括下列步骤：提供一尺度不稳定的带细微裂纹的基底，其具有的多个细微裂纹具有长度和裂缝尖端；引起所述细微裂纹以便增加所述细微裂纹的长度；以及使所述细微裂纹的裂缝尖端密封。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，使所述浸没过的基底暴露于潮湿处理氛围，包括下列步骤：使所述基底暴露于相对湿度至少为80％的潮湿氛围。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，用铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使所述光纤光栅与所述基底相连，包括下列步骤：在405℃至440℃温度范围下处理所述玻璃料熔融密封。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，相连还包括下列步骤：形成一具有拉力强度在1-3lb范围的玻璃料熔融密封与光纤光栅的结合。
24.如权利要求18或39所述的方法，其特征在于，还包括将所述相连的光纤光栅和所述基底以及所述玻璃料熔融密封封闭在非密闭封装容器内。
25.如权利要求18或39所述的方法，其特征在于，还包括将所述相连的光纤光栅和所述基底以及所述玻璃料熔融密封以密闭方式密封在密闭封装容器内。
26.一种用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤布拉格光栅波导滤波器器件，其特征在于，所述器件包括：一反射中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，一经过稳定性处理具有环境稳定性的负热膨胀、带细微裂纹的β锂霞石玻璃陶瓷基底，所述光纤光栅在紧张状态下与基底连着，其中该基底对所述光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，所述波长λ的变化在暴露于潮湿环境时小于+/-0.015nm。
27.如权利要求1或26所述的器件，其特征在于，所述波长λ的变化小于+/-0.010nm，所述潮湿环境具有相对湿度至少为约80％。
28.如权利要求1或26所述的器件，其特征在于，所述波长λ的变化在暴露于所述湿度环境2000小时的情况下小于+/-0.010nm，所述潮湿环境其相对湿度至少约为85％，温度约为25℃。
29.如权利要求26所述的器件，其特征在于，所述光栅与所述基底相连前，所述基底浸没在水浴中，并暴露于潮湿处理氛围。
30.如权利要求26所述的器件，其特征在于，所述基底是一具有某一长度和多个细微裂纹的细微裂纹体，所述细微裂纹具有稳定的裂纹长度，其中所述基底的细微裂纹体的所述长度当暴露于光波导布置环境时具有稳定性。
31.如权利要求30所述的器件，其特征在于，所述基底细微裂纹体当暴露于光波导布置环境时其长度变化小于32ppm。
32.如权利要求26所述的器件，其特征在于，所述基底是一所具有的多个细微裂纹以裂缝尖端为终端的细微裂纹体，所述细微裂纹尖端基本由所述玻璃陶瓷基底主体当中滤出的玻璃陶瓷组分的沉淀物填满。
33.一种用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤光栅波导器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：提供一作用于中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，使负热膨胀并带有细微裂纹的β锂霞石玻璃陶瓷基底实现环境稳定性，使所述光纤光栅在紧张状态下与所述具有环境稳定性的玻璃陶瓷基底相连，其中所述基底对所述光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，所述波长λ的变化在暴露于相对湿度至少为80％的潮湿环境时小于+/-0.010nm。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，使所述基底实现环境稳定性，包括下列步骤：提供一尺度不稳定的基底，在包含水的浸浴中浸没所提供的基底，使所述浸没过的基底暴露于潮湿处理氛围，以及在相连前对所述暴露过的基底进行干燥。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，使所述基底实现环境稳定性，包括下列步骤：提供一尺度不稳定的带细微裂纹的基底，其具有的多个细微裂纹具有长度和裂缝尖端；引起所述细微裂纹以便增加所述细微裂纹的长度；以及使所述细微裂纹的裂缝尖端密封。
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括将所述相连的光纤光栅和所述基底封闭在非密闭封装容器内。
37.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括将所述相连的光纤光栅和所述基底以密闭方式密封在密闭封装容器内。
38.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：使与所述基底相连的所述光纤光栅暴露于其相对湿度至少约为90％、温度约为25℃的潮湿环境至少2000小时，以及监视所述波长λ。
39.一种用于光波导布置环境中具有环境稳定性的无热变化光纤布拉格光栅波导器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：提供一作用于中心波长为λ光的光纤布拉格光栅，提供一负热膨胀β锂霞石玻璃陶瓷基底，在410℃至低于430℃温度范围内用铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使所述光纤光栅在紧张状态下与所述玻璃陶瓷基底相连，其中所述基底对所述光纤光栅中的热致波长偏移进行补偿，所述波长λ的变化在暴露于相对湿度至少为80％的潮湿环境时小于+/-0.010nm。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，用铅锌硼酸盐玻璃料熔融密封使所述光纤光栅与所述基底相连，包括下列步骤：将所述玻璃料熔融密封加热至约425℃温度。
41.如权利要求39所述的方法，其特征在于，相连包括用激光束加热。
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