CN1390308A

CN1390308A - 滤光器的受控应力热补偿

Info

Publication number: CN1390308A
Application number: CN00815748A
Authority: CN
Inventors: W·L·德博因顿; K·R·弗朗西斯; S·M·海尔曼; M·乌施特兹基; P·G·威格雷
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2003-01-08
Also published as: JP2003510628A; US6304383B1; CA2385546A1; TW524996B; AU6607300A; WO2001022128A1; EP1212642A1

Abstract

一种温度补偿滤光器组件,它包括具有依赖于温度的折射率的多个薄膜,所述薄膜配置在玻璃基底上,以形成传统的干涉滤光器。玻璃基底粘结到金属支持物,使得配置的薄膜干涉滤光器介于玻璃基底和沿支持物装配面分配的粘合剂层之间。因此,玻璃基底向干涉滤光器的内层施加第一热失配应力,支持物向干涉滤光器的外层施加第二失配应力,其中第一和第二失配应力依赖于滤光器组件的温度。以具有机械特性的材料较佳地形成玻璃基底、粘合剂和支持物,使得第一和第二失配应力补偿依赖于温度的薄膜折射率的影响,以响应温度变化保持滤光器组件统一的光谱性能。在一个实施例中,在形成期间,用电/磁致伸缩预加应力薄膜叠层获得附加的自由度。在另一实施例中,使用有源应力管理系统。

Description

滤光器的受控应力热补偿

发明背景

发明领域

本发明涉及滤光器，尤其，本发明涉及温度补偿滤光器组件，其中配置有薄膜干涉滤光器子组件。

相关技术的描述

滤光器通常用于科学和工业中，以根据频率选择性地衰减光信号。例如，沿单个光纤发射具有多个频率分量的多路复用光信号的通信系统依赖滤光器多路分解发射信号。尤其，适于实质衰减或反射除了一窄频带之外所有频带的滤光器(熟知为带通滤光器)允许相应的频率分量与发射光信号隔离，使得可以以无干扰方式实质处理隔离频率分量所传送的信息。

典型的滤光器组件包括玻璃基底、配置在玻璃基底上的干涉滤光器，和支撑基底的支持物。具体而言，玻璃基底在结构上支撑干涉滤光器，干涉滤光器包括以叠层方式配置在玻璃基底表面上的多个薄膜。此外，支持物与玻璃基底的另一表面耦合，其中两个表面位于相反侧。

当输入宽带光信号入射在干涉滤光器上时，干涉滤光器使用熟知的反射、折射和干涉原理选择性地衰减信号。具体而言，当信号在干涉滤光器的各个层经历反射和折射时，首先将输入信号细分成多个带宽成分。因此，每个成分沿唯一光路长度传播，以下将光路长度定义为物理通路长度与折射介质之折射率的乘积，所以每个成分的频率分量经历依赖于频率的相位变化。此外，在通过滤光器折射介质中的变化光路长度传播之后，以干涉方式重新组合最后从背面层出射的细分成分，以产生发射滤光输出信号。类似地，从正面层出射的光能被重新组合成反射滤光输出信号。

因此，滤光方面由干涉滤光器中每个薄膜的厚度和折射率、以及输入信号相对于干涉滤光器的入射角确定。因此，使用具有适当折射率的适当尺寸薄膜，干涉滤光器可适用于执行任何实质的特殊滤光操作，如带通滤光或带阻滤光。此外，干涉滤光器可以用作反射装置以及透射装置，使得反射和透射信号能相互补偿。

然而，已知的滤光器组件通常对温度变化敏感。尤其，因为温度变化会改变薄膜的特性，所以薄膜的折射率和厚度通常随温度变化而变化。此外，由于玻璃基底和干涉滤光器通常具有不同的热膨胀系数，所以玻璃基底通常向配置的薄膜施加热失配应力，使得薄膜在厚度上进一步经历依赖于温度的变化。因此，由于滤光特征依赖于薄膜的折射率和厚度，所以温度变化通常改变滤光器的滤光特征。

因此，已知的具有实质温度依赖的滤光组件会限制依赖这种装置的光学系统的性能。具体而言，已知滤光器组件中依赖于温度的滤光特征会限制其恒定发射具有第一频段的信号而衰减或反射具有第二频段的另一信号的能力。因为这些装置通常位于具有实质温度变化的环境中，所以使用这种装置的光学系统的设计中需要实质的公差，以补偿上述的温度依赖。

例如，在上述多路复用光纤通信系统的情况下，发射信号每个频率分量之间的所需频率间隔要求相对较大，以适应滤光器组件的依赖于温度的光谱性能。因为沿单个光纤能同时发射信号的最大数目直接与最大频率间隔相关，所以依赖于温度的滤光器组件同样将限制通过光纤光缆同时发射信号的数目。

工业中用于减小以上温度依赖问题的典型解决方法是在补偿玻璃基底上配置干涉滤光器。具体而言，选择玻璃基底的材料，使得基底向薄膜施加的热失配应力能使薄膜的厚度变化，使得滤光器的滤光特征减小对温度变化的灵敏度。然而，虽然这种方法可用于减小滤光特征的热依赖，但是通常还保留实质的热依赖。此外，由于补偿玻璃基底通常由相对昂贵的玻璃材料构成，所以这种滤光器的制造较贵。

因此，从以上描述中，可以理解需要一种滤光器组件，其光谱响应受温度变化的影响较小。为此，需要一种滤光器组件，它能够进一步减小滤光器光路长度中的热感应变化。此外，还需要以简单的方式构成该装置，使得能够廉价地制造它。此外，还需要该装置的尺寸较小，以用于光纤系统所限定的空间。

发明内容

本发明的光学装置满足了上述需要。根据本发明的一个方面，该光学装置包括透光基底、支持物、和配置在基底表面上并连接到支持物表面的干涉滤光器。其中，基底和支持物具有不同的热膨胀系数，选择该系数在一温度范围上向所述滤光器施加补偿应力。在一个实施例中，支持物和滤光器通过粘合剂接合在一起，所述粘合剂使所述滤光器部分隔离支持物热感应尺寸变化所引起的应力。在另一实施例中，滤光器包括电/磁致伸缩材料。

本发明的另一方面包括一光学装置，该光学装置包括沿光路接收光的输入口和包含电/磁致伸缩材料的干涉滤光器。还包括电/磁场发生器，用于向所述材料施加电/磁场。较佳的是，包括一控制器，用于控制电/磁场发生器。

本发明的又一方面包括稳定干涉滤光器滤光特征的方法。该方法包括向所述干涉滤光器施加多个热依赖应力，以响应稳定变化减小所述干涉滤光器与期望滤光特征的偏差。

在一个实施例中，稳定干涉滤光器滤光特征的方法还包括使用机构产生多个应力。在另一实施例中，该方法还包括使用电/磁场产生多个应力中的至少一个。

本最佳实施例的光学装置过滤输入光信号，使滤波特性不受温度变化的实质影响。从下面描述中，通过结合附图中，将使本最佳实施例的这些和其它优点变得更加明显。

附图概述

图1A是本发明实施例中温度补偿滤光器组件的侧视图；

图1B是图1A中滤光器组件的放大图；

图2是本发明实施例中使用电/磁致伸缩材料的滤光器组件的侧视图；

图3是使用图1A和2中滤光器组件的光纤接头组件的侧视图；

图4是本发明实施例中包括有源应力管理控制系统的滤光器组件的侧视图；

图5是示意图4中滤光器组件的控制系统的框图。

较佳实施例的详细描述

现在参考附图，其中类似的标号都表示类似的部分。具体而言，图1A显示了响应温度变化提供改进滤光特征的光学装置30。尤其，装置30根据依赖于频率的衰减曲线选择性地衰减输入光信号32，使得当装置30经历温度变化时衰减曲线实质保持不变。如以下将要详细描述的，通过向光学装置30的干涉滤光器46施加第一和第二热失配应力，提供改进的热补偿。

如图1A所示，光学装置30包括具有装配面36的支持物34、具有相反的第一和第二表面42、44的透光基底40、以及介于基底40和支持物34之间的干涉滤光器46。基底40的第一表面42作为输入口，使得进入其中的光被光学装置30选择性地衰减。提供光学装置30滤光能力实质部分的干涉滤光器46配置在基底40的第二表面44上，并粘合到支持物34的装配面36，使基底40与支持物34耦合。因此，如以下将要详细描述的，依赖于温度的第一和第二热失配应力分别通过基底40和支持物34被施加到干涉滤光器。

如图1A所示，较佳地配置光学装置30，在基底40的第一表面42处接收输入光信号32，使得输入信号32沿实质垂直于表面42的通路入射到第一表面42。然后，输入信号32通过基底40，并在第二表面44处从基底40出射。然后，输入信号32进入干涉滤光器46，其中输入信号32被转换成返回基底40的反射输出信号(未图示)和远离基底40出射的透射输出信号54。

然而，可以理解如果光学装置30旋转180°，它可以以类似的方式工作。具体而言，可以配置光学装置使得具有与图1A中输入信号32相反方向的输入光信号在进入基底40之前，直接入射到干涉滤光器46。因此，在这可选结构中，可以使反射输出信号远离基底40，使透射输出信号进入基底40。

如图1A所示，形成的支持物34具有从装配面36延伸的开口68，使输出信号54从中通过，如图1A中的虚线所示。此外，可以将支持物34枢轴装配到任何适当结构，以提供调节光学装置30频率响应的方法。

如图1B所示，干涉滤光器46包括以本领域熟知的方式配置在透光基底40上的多个透光薄膜层60。尤其，多个薄膜层60包括配置在基底40第二表面44上的正面薄膜层62，远离正面层62配置的背面薄膜层64，以及配置在中间的内薄膜层66。此外，由于基底40和滤光器46具有不同的热膨胀系数，所以基底40向滤光器62的正面层施加第一热失配应力。

如图1A和1B所示，粘合剂层70平铺地介于干涉滤光器46的背面层64和支持物34的装配面36之间。尤其，选择粘合剂层70，使干涉滤光器46与支持物34牢固耦合。因此，由于支持物34的热膨胀系数不同于滤光器46的热膨胀系数，所以透光粘合剂70向滤光器46的背面层64间接地施加第二热失配应力。

如上所述，某些现有技术的干涉滤光器通过采用支撑基底向滤光器施加的单个热失配应力实现了一定程度的温度补偿，所以减小了滤光器光路长度中的热感应变化。然而，这要求基底由具有严格定义热膨胀系数的材料制成。因此，该方法通常导致不充分的温度补偿，并且通常要求基底由相对昂贵的材料制成。

然而，在较佳实施例中，通过施加第二失配应力和第一失配应力，实现改进的热补偿。尤其，装置30适于使第二失配应力进一步地改变滤光器46中薄膜60的厚度，以进一步减小薄膜60光路长度中的热感应变化。因此，第二应力提供的附加自由度允许装置30由具有广泛定义热膨胀系数的材料制成，因此能够减小构造装置30的成本。

在一个实施例中，支持物34由某一热膨胀系数的材料形成，该材料提供了尺寸随温度变化而适当变化的支持物34。此外，由于通过粘合剂70施加第二应力，所以粘合剂的物理尺寸和弹性特性也确定了第二应力的大小。因此，例如高弹性厚粘合剂70将导致向滤光器46施加相对小的第二应力，而非弹性薄粘合剂70将导致相对大的第二应力。因此，通过形成适当热膨胀系数的支持物34和适当厚度和弹性模数的粘合剂70，支持物34将适于通过粘合剂70向滤光器46施加第二应力，所以滤光器46的滤光特征的热感应变化将相对较小。因此，由于第二应力由支持物34的热膨胀系数以及粘合剂70的物理尺寸和弹性特性定义，所以可以施加大小依赖于温度的第二应力，该大小落在熟知较大的值范围内。

在图1A中光学装置30的一个实施例中，基底40与干涉滤光器46匹配得较差。尤其，基底40向干涉滤光器施加第一应力，以响应温度变化对干涉滤光器起相反的影响。然而，在该实施例中，支持物34和粘合剂70适于以这种方式施加第二应力，以抵消第一应力的影响。

在另一实施例中，使用应力补偿的附加方法。尤其，使用某些材料的内在限制特性，提供附加自由度，以调节光学装置的滤光特征。尤其，本领域中熟知某些材料显示出限制特性，当暴露于适当环境中时使得这些材料的尺寸会变化。例如外部施加的电场将影响电致伸缩材料，而外部施加的磁场将影响磁致伸缩材料。

在该申请中，电/磁致伸缩材料是指显示出电致伸缩特性的材料和显示出磁致伸缩特性的材料。此外，电/磁场是指使用电致伸缩特性情况下的电场和使用磁致伸缩特性情况下的磁场。

由于已经确定一些折射材料显示出电/磁致伸缩特性，所以可以用这种材料形成干涉滤光器。因此，如以下将要详细描述的，这种干涉滤光器适于具有受外加电/磁场影响的滤光特征。

现在参考图2，它显示了光学装置130的一个实施例，光学装置使用电/磁致伸缩材料，如电/磁致伸缩氧化物，以进一步调节其滤光特征。尤其，光学装置130实质上类似于图1A的光学装置30，除了干涉滤光器146的层160由电/磁致伸缩氧化物材料制成。

在一个实施例中，在光学装置130的形成期间，向粘合剂170预加应力。尤其，在形成干涉滤光器146之后，将干涉滤光器暴露于适当的电/磁场中，以改变干涉滤光器146的拉长尺寸。然后，配置粘合剂层170，并以UV过程处理。然后移去电/磁场，适当干涉滤光器146的拉长尺寸实质返回其初始值。因此，粘合剂170经历相应的的尺寸变化，这使得粘合剂170被预加应力。

在一个实施例中，将滤光器146连续暴露于电/磁场180中。尤其，光学装置130还包括电/磁场发生器182，它适于产生电/磁场180。因此，除了基底40和支持物134向干涉滤光器146分别施加的第一和第二失配应力，电/磁致伸缩引起的尺寸变化提供了热补偿滤光器146的另一补偿机构。

如图2所示，电/磁场发生器182最好位于支持物中。然而，在另一实施例中，场发生器182可以位于另一位置，使得其产生的电/磁场足以有效地操作电/磁致伸缩干涉滤光器146。此外，电/磁场发生器182可以包括多个充电板，以提供适当电场或电流负载线，以产生适当的磁场。

如图2所示，在一个实施例中，光学装置还包括有源控制系统184，它包括控制器186和温度传感器188。控制器186适于以本领域熟知的方式控制电/磁场发生器182。此外，控制器186适于监控温度传感器188，使得控制器186能以依赖于温度的方式改变电/磁场，以更有效地保持统一的滤光特征。

现在参考图3，它显示了热补偿光纤滤光器装置190。尤其，滤光器装置190可以包括图1和2中热补偿滤光器组件30和130中的一个，使第一光纤196的输入信号191可靠地转换成沿第二光纤198传输的滤光输出信号193。

如图3所示，装置190还包括光耦合到第一光纤196的第一光导192和光耦合到第二光纤198的第二光导194。光导192包括渐变折射率透镜195，它将输入信号191聚焦到装置190的中心区域199。此外，光导194包括渐变折射率透镜197，当输出信号193从中心区域199出射时它聚焦该信号。

如图3所示，滤光器组件30、130位于装置190的中心区域199中，并介于第一和第二光导192、194之间，使得第一光纤196的输入信号191朝向滤光器组件30、130。尤其，将支持物34、134装配到第二光导194，使得基底40的第一表面42面向第一光导192。此外，滤光器组件30、130的发射输出信号193通过第二光导194，使得它延伸到第二光纤198。

如图3所示，装置190还包括内壳构件200和外壳构件202。内壳构件200包围第一和第二光导192、194，使得第一和第二光导192、194保持较佳的对准。此外，外壳构件202包围内壳构200，以及第一和第二光纤196、198的末端。

现在参考图4，它显示了光学装置230的实施例。光学装置230实质上类似于图2的有源控制光学装置130，除了干涉滤光器246配置在基底240的第一表面242上，以和支持物234分离。此外，电/磁致伸缩感应应力机构和基底240施加的第一失配应力组合，以下将详细描述。

在一个实施例中，光学装置230适于使滤光特征随温度变化而变化相当小。尤其，控制器286指导电/磁场发生器282改变电/磁场280，使得电/磁致伸缩感应应力机构与第一热失配应力组合，以热补偿装置230。

在另一实施例中，光学装置230适于具有控制系统284，它使滤光特征在第一滤光器特征和第二滤光器特征之间变化。尤其，可以在第一中心波长和第二中心波长之间调节中心波长，如以下将要详细描述的。

如图4所示，控制系统284实质上类似于图2的控制系统184。尤其，控制系统284包括控制器286和温度传感器288。此外，光学装置230的控制系统284还包括用户输入装置248，如电位计。此外，控制器286适于接收用户输入装置248的输入，使用户能够改变光学装置的滤光特征。因此，根据用户输入装置248提供的信号，控制器286指导电/磁场发生器282改变电/磁场280，提供具有所需的滤光器特征的干涉滤光器246。

现在参考图5的框图，它显示了图2和4中有源控制光学装置130和230的控制系统184、284。如图5所示，控制器186、286适于接收温度传感器188、288的输入信号S_a，该信号指示温度传感器188、288的温度。此外，使信号S_a沿通信通路P_a，该通路连接温度传感器188、288和控制器186、286。

如图5所示，控制器286还适于接收用户输入装置248的控制信号S_b，该信号表示所需滤光特征。尤其，信号S_b沿通信通路P_b，该通路连接用户输入装置148和控制器286。

如图5所示，控制器186、286适于将控制信号S_c发射到电/磁场发生器182、282。尤其，沿通信通路P_c发射控制信号S_c，该通路连接控制器186、286和电/磁场发生器182、282。此外，一旦接收到控制信号S_c，电/磁场发生器182、282产生场强对应于信号S_c的电/磁场180、280。

可以理解，在图1A的实施例中，通过将滤光器46暴露于第一和第二失配应力中，极大地减小了依赖于温度的折射率对干涉滤光器46薄膜层60的影响。尤其，选择支持物34的热膨胀性能和粘合剂70的弹性特性，使得第二失配应力与第一失配应力组合，以提供改进的热补偿。

因此，可以理解在一个实施例中，光学装置30可以用相对廉价、常用、并具有较差热补偿的滤光器构成。尤其，包括基底40和配置在基底上的干涉滤光器46的这种滤光器可以具有对温度变化实质敏感的滤光特征。然而，通过用以上结合图1A和1B描述的方式将滤光器装配到支持物34，以提供具有补充第二失配应力的滤光器46，光学装置30适于具有对温度变化较不敏感的滤光特征。

可以理解，在另一实施例中，使用干涉滤光器146、246的电/磁致伸缩特征，提供另一自由度，以热补偿滤光器146、246。尤其，在制造过程中，可以对电/磁致伸缩滤光器146预加应力。或者，通过不断将滤光器暴露于可控电/磁场中，有源地向滤光器146、246施加应力。此外与温度传感器188、288通信的控制器186、285可以控制有源管理电/磁场。

还可以理解在又一实施例中，使用滤光器246的电/磁致伸缩特性，以通过可变滤光特征。尤其，依赖于用户接 248提供的信号，控制器286指导电/磁场发生器282产生电/磁场，提供具有所需滤光器特征的滤光器246。

虽然本发明的较佳实施例显示、描述并指出了应用于这些实施例的本发明的基本新颖特征，但是应该理解不脱离本发明的精神，本领域熟练的技术人员可以对所示装置细节的形式进行各种省略、替代和变化。因此，本发明的范围不限于以上描述，而是应该由以下权利要求书定义。

Claims

1.一种光学装置，其特征在于，它包括：

透光基底；

支持物；

蒸镀在基底表面上并与支持物表面接合的干涉滤光器，

其中基底和支持物具有不同的热膨胀系数，选择该系数，在一温度范围上向滤光器施加补偿应力。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，支持物和滤光器通过粘合剂接合在一起，所述粘合剂使滤光器部分隔离支持物热感应尺寸变化引起的应力。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，滤光器包括多个电/磁致伸缩材料层。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，通过将多个电/磁致伸缩材料层暴露于电/磁场中，向它预加应力。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括电/磁场发生器，用于向电/磁致伸缩材料施加电/磁场。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在支持物中形成电/磁场发生器。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括控制器，用于改变向电/磁致伸缩材料施加的电/磁场。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括温度传感器，该传感器响应检测到的温度变化控制所述电/磁致伸缩材料中的应力。

9.一种光学装置，其特征在于，它包括：

输入口，用于接收沿光路的光；

干涉滤光器，具有多个电/磁致伸缩材料层，滤光器配置在所述通路中，使得光入射到多个层上；和

电/磁场发生器，用于向滤光器施加电/磁场。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括控制器，用于控制电/磁场发生器。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，驱动控制器，以保持一温度范围上滤光器的实质统一的滤光特征。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，控制器改变电/磁场，使得滤光器的滤光特征在第一和第二滤光特征之间变化。

13.一种滤光器组件，它具有指示滤光器能量的光谱性能，以选择性地从输入光信号中过滤较佳范围的光频，其特征在于，该滤光器组件包括：

透光基底，具有第一表面和第二表面，其中第一表面接收输入光信号；

具有第一表面的支持物；

薄膜子组件，具有以叠层形式连续蒸镀在彼此顶部的多个薄膜，其中多个薄膜中包括蒸镀在透光基底第二表面上的第一薄膜，和最远离第一薄膜蒸镀的第二薄膜，其中透光基底向薄膜子组件施加第一热依赖失配应力，其中滤光器组件的光谱性能依赖于通过薄膜子组件分配的机械应力；和

粘合剂层，它将透光基底接合支持物，其中粘合剂层平铺地介于薄膜子组件第二薄膜和支持物的第一表面之间，其中形式粘合剂层，将第二热依赖失配应力从支持物传递到薄膜子组件，使得第二失配应力与第一失配应力组合，以响应温度变化稳定滤光器的光谱性能。

14.如权利要求13所述的滤光器组件，其特征在于，薄膜子组件的多个薄膜包括多个预加应力的薄膜，使得当滤光器经历稳定变化时，进一步地稳定滤光器的光谱性能。

15.一种热补偿滤光器组件，它适于选择性地衰减输入光信号，以产生输出光信号，其特征在于，连接器组件根据依赖于频率的衰减曲线选择性地衰减光信号，该滤光器组件包括：

透光基底，具有第一表面和第二表面；

薄膜滤光器叠层，包括以叠层方式连续蒸镀的多个薄膜，其中多个薄膜中包括蒸镀在透光基底第二表面上的第一薄膜，和最远离第一薄膜蒸镀的第二薄膜，其中薄膜滤光器叠层定义衰减曲线，其中透光基底向薄膜滤光器叠层施加第一依赖于温度的热失配应力；

具有第一表面的支持物；和

粘合剂层，它将透光基底与支持物耦合，其中粘合剂层平铺地介于薄膜滤光器叠层第二薄膜和支持物的第一表面之间，其中形成具有弹性模数的粘合剂层，将第二依赖于温度的热失配应力从支持物传递到薄膜滤光器叠层，其中形成基底、粘合剂和支持物，使得第一和第二失配应力提供具有实质温度保持的滤光器组件。

16.一种稳定干涉滤光器滤光特征的方法，其特征在于，该方法包括向干涉滤光器施加多个热依赖应力，以响应温度变化减小所述干涉滤光器与期望滤光特征的偏差。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括产生多个机械应力。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使用电/磁场产生多个应力中的至少一个。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，向所述干涉滤光器施加多个热依赖应力的步骤包括向所述干涉滤光器的相反表面施加多个热依赖应力。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，向所述干涉滤光器相反表面施加多个热依赖应力的步骤包括施加第一和第二热依赖应力，以减小所述干涉滤光器中光路长度的热感应变化。

21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，向所述干涉滤光器施加多个热依赖应力的步骤包括向所述干涉滤光器施加多个热依赖应力，以影响多个应力之间的抵消。