CN2591650Y - 光通信温度补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光通信温度补偿装置，为一种用于布拉格光纤光栅和波导的被动性温度补偿装置。其包括有：一光纤，包括有一光纤心芯层与一光纤外包层，其中该光纤外包层包裹于该光纤心芯层之外；一光栅，为有过滤特定光讯号波长的特性；一温度补偿层，附着于该光栅上，该温度补偿层为一负热膨胀系数的材料制成。此特殊设计的负热膨胀系数材料以黏附或沉积的方式附着在光纤光栅或波导上，当光纤光栅与平面波导温度升高时，因其与附层间的正膨胀系数材料的热膨胀不相匹配性，产生的机械应力使得光栅本身与平面波导保持稳定的尺寸长度，且不影响其光学特性，如此可得本实用新型光通信温度补偿构装装置的功效，使布拉格光栅尖峰反射波长保持固定。

Description

光通信温度补偿装置

技术领域

本实用新型涉及一种光通信温度补偿装置，为改普布拉格光纤光栅和平面波导内所传导的信号光波长因外界温度发生变化而变化的问题，利用适当且具负热膨胀的材料贴附此光纤光栅或平面波导上，从而得到适当的补偿，如此使得尖峰反射波长对温度变化反应不灵敏，并使其适用于自动化生产。

背景技术

在光纤通讯的领域中，布拉格光栅因为有极佳的窄频滤波特性，且有多种功能用途，所以为一个有重要地位的光通讯组件，其中包括有光学波导，其具有交替较高及较低折射率，使得在特定设计传导光信号波长被光栅反射，而在设计的外的光信号波长则透射通过光栅，其中波导型态包括硅石光纤、高分子波导、多层沉积型波导等。布拉格光栅有着多种不同的应用，如波长多任务器、光纤激光反射镜、色散控制器和传感器等。

布拉格光栅的重要特性在于其尖峰反射波长会随着温度变化的。一般而言，硅石光纤布拉格光栅尖峰反射波长随着温度变化而产生的改变值为10微微米/℃，除非所测值对该偏移作补偿，能够以应力对该布拉格光栅产生该补偿，使得尖峰反射波长对温度并不灵敏，进而改善其温度效应。

为改善布拉格光栅反射波长受温度影响产生的偏移和平面波导受温度影响产生的变形，US Pat.5,694,503(1997)提出将布拉格光纤光栅与具负热膨胀的材料贴附一起，借着负热膨胀的效应使光纤光栅得到适当的热补偿效果，但是目前的现有技术存在一些缺点。第一，现有技术制造状态为复杂且非集成化的，在其封装过程中，需有多处高分子胶接着点，其中需要大量的人力来进行加工，并且其中负热膨胀材料与波导仅为点接触，长期使用有机械疲劳的问题产生。其二，一般负热膨胀材料多为铁电陶瓷或为杂质玻璃，其在机械加工制成封装形状时，具有高难度。因而，存在一具集成化封装的布拉格光栅，使其适用于自动化量产和对温度不灵敏的需求。

已知现有技术要防止光栅布拉格反射波长变动的手段是将对应于温度变化的张力施加于布拉格光栅，使格子间隔变化，以抵消折率变化所引起的成分。

以下列举各种现有技术的技术特征：

如图1A现有技术的温度补偿装置正常温度示意图所示的美国专利U.S6044189，利用两个以上不同正温度系数的材料，以三明治式的方式组合起来，光纤光栅11与上方长板高热膨胀系数材料12结合，下方长板为低热膨胀系数材料13。如图1B现有技术的温度补偿装置较高温度示意图所示，呈现向上弯曲的状态，而如图1C为现有技术的温度补偿装置较低温度示意图所示，呈现向下弯曲的状态，如此利用改变下方低热膨胀系数材料13的尺寸则可做光纤光栅的温度补偿，然而像这样的装置在机构上较为复杂，且两热膨胀系数相互搭配的材料有限不易选择，且需以人力进行机构上的封装。

现有技术瑞士国际专利号WO97/26572所公布，将光纤光栅固定在具负热膨胀系数的玻璃陶瓷基板上，以控制光纤光栅的张力的方法。此装置在机构上较为简单，但有着玻璃陶瓷基板不易加工且其负热膨胀系数不易调整的缺点，且也需人力封装。此外，此装置与其它装置连接需其它连接器，会使成本增加，体积大型化。

现有技术特开平10-96827号公报中所公布的是由锆—钨酸盐系、或铪-钨酸盐系所形成、具负热膨胀系数的温度补偿用构件，但亦有着上述现有技术瑞士国际专利的缺点。

美国专利U.S patent 6108470，利用主动方式来对光纤光栅施加应力，其利用电磁铁同极相吸、异极相斥的原理，改变外加线圈的电流量，来调整施加于光纤光栅的应力大小，但此法亦有着组装困难、且机构设计复杂的缺点。

在OFC(Optical Fiber Communication)研讨会上，其中一篇论文(OFC’97 Technical Digest pp.155)讨论以压电致动器当作主动致动器来对光纤光栅施加应力，以达到温度补偿效果和调变波长功能。压电致动器有着高精密度且高反应速度；但其成本昂贵、且有记忆效应、控制困难。

现有技术台湾专利89117312，如图2A现有技术的沉积材料温度补偿装置示意图所示，利用沉积第一沉积材料22、第二沉积材料23与第三沉积材料24于负值膨胀性基材21上而形成波导，当温度改变时，波导与基材间机械张力被释除使得波导内折射率不变，亦不影响其光学特性。如图2B现有技术的蚀刻沉积材料温度补偿装置示意图所示，利用蚀刻技术将沉积材料蚀刻，制作成所需宽度的波导而控制其补偿范围。如图2C现有技术的槽内沉积材料温度补偿装置示意图所示，亦可将沉积材料内嵌入基材21中。又如图2D现有技术的紫外线下沉积材料温度补偿装置示意图所示，利用紫外光25于第二沉积材料23中形成光栅的现有技术，利用温度补偿装置使布拉格光栅尖峰反射波长保持为固定。但负值膨胀性基材制作与加工皆不易，且无法达到如硅晶圆的高平坦度及半导体制程的兼容性。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种光通信温度补偿构装装置，改善布拉格光纤光栅和平面波导内所传导的信号光波长因外界温度发生变化而变化的问题，利用适当且具负热膨胀的材料贴附此光纤光栅或平面波导上，从而得到适当的补偿，如此使得尖峰反射波长对温度变化反应不灵敏，并使其适用于自动化生产。

本实用新型提供一种光通信温度补偿构装装置，为一种用于布拉格光纤光栅和平面波导的被动性温度补构装装置。此一特殊设计的负热膨胀系数材料以黏附或沉积的方式附着在光纤光栅或平面光波导上，因为波导与含负热膨胀系数材料层具有不相匹配的热膨胀性，外在温度发生变化时，产生的机械应力使得波导保持稳定的尺寸长度，可有效抑制布拉格光栅尖峰反射波长偏移且得到适当的补偿；此外，负膨胀系数材料在附层中的体积比可微量调整，使附层与波导间由不相匹配的热膨胀性所产生的应力亦可以微量调整，封装上较有弹性，而且以一集成化被动式封装的构造，其同时可避免外在温度变化所造成的布拉格光栅尖峰反射波长偏移，又可避免布拉格光栅受外力破坏，在另一实施例中，可避免平面波导受温度影响而变形，提供一保护功能。其可改良现行温度补偿构装所需大量人力来进行封装的缺点，其适用于自动化生产。以上所述，可得本实用新型光通信温度补偿构装装置的功效。

具体地讲，本实用新型公开了一种光通信温度补偿构装装置，该装置包括有：

一光纤，包括有一光纤心芯层与一光纤外包层，其中该光纤外包层于该光纤构造中包裹于该光纤心芯层外；

一光栅，为有过滤特定光信号波长的特性；

一温度补偿层，于该光栅上，该温度补偿层为一负热膨胀系数的材料，且与该光栅的热膨胀不相匹配性大于9ppm/℃。

该光纤外包层以蚀刻方法作轻微蚀刻以利该温度补偿层包覆。

该温度补偿层以沉积法处理，其可调整的沉积参数包括有沉积温度、时间、压力、种子气体、溶液成分。

利用该温度补偿层与该光纤心芯层的体积比控制温度补偿效果。

该温度补偿层是以电镀、沉积与黏附择一附贴于该光栅上。

黏附方法是利用一高分子胶以整面黏着的方式将该温度补偿层与该光栅黏附。

本实用新型还公开了一种光通信温度补偿构装装置，该装置包括有：

一光纤，包括有一光纤心芯层与一光纤外包层，其中该光纤外包层于该光纤构造中包裹于该光纤心芯层外；

一光栅，为有过滤特定光信号波长的特性；

一温度补偿层，于该光栅上，该温度补偿层掺杂一负热膨胀材料，且与该光栅的热膨胀不相匹配性大于9ppm/℃。

该光纤外包层以蚀刻方法作轻微蚀刻以利该温度补偿层包覆。

该温度补偿层以沉积法处理，其可调整的沉积参数包括有沉积温度、时间、压力、种子气体、溶液成分。

利用该温度补偿层与该光纤心芯层的体积比控制温度补偿效果。

利用该温度补偿层与该温度补偿层内所掺杂的该负热膨胀材料的体积比以控制该温度补偿层的负热膨胀系数。

该温度补偿层以电镀、沉积与黏附择一附贴于该光栅上。

黏附方法是利用一高分子胶以整面黏着的方式将该温度补偿层与该光栅黏附。

本实用新型还公开了一种光通信温度补偿构装装置，一平面波导的温度补偿装置包括有：

一基材；

一平面波导，包括有一平面波导外包层与一平面波导心芯层；

一温度补偿层，以沉积法沉积于基材的上，且与该平面波导的热膨胀不相匹配性大于4ppm/℃。

对该温度补偿层以退火方式处理。

对该平面波导外包层以退火方式处理。

该平面波导外包层与该平面波导心芯层以沉积法交替沉积形成。

该平面波导外包层包括有一平面波导上包层与一平面波导下包层。

该平面波导具布拉格光栅。

有关本实用新型的详细内容及技术，配合附图说明如下。

附图说明

图1A为现有技术的温度补偿装置正常温度示意图；

图1B为现有技术的温度补偿装置较高温度示意图；

图1C为现有技术的温度补偿装置较低温度示意图；

图2A为现有技术的沉积材料温度补偿装置示意图；

图2B为现有技术的蚀刻沉积材料温度补偿装置示意图；

图2C为现有技术的槽内沉积材料温度补偿装置示意图；

图2D为现有技术的紫外线下沉积材料温度补偿装置示意图；

图3A为本实用新型实施例的光纤光栅断面示意图；

图3B为本实用新型实施例的光纤光栅端面示意图；

图4为本实用新型实施例负热膨胀系数材料温度补偿层的光纤光栅断面示意图；

图5为本实用新型实施例的温度补偿层胶着光纤断面示意图；

图6A为本实用新型实施例的多层沉积基材断面示意图；

图6B为本实用新型实施例的蚀刻型多层沉积基材断面示意图；

图6C为本实用新型实施例的两层温度补偿层型多层沉积基材断面示意图；

图6D为本实用新型实施例的封闭型多层沉积基材断面示意图；

图6E为本实用新型实施例的内嵌型多层沉积基材断面示意图；

图6F为本实用新型实施例的暴露紫外光多层沉积基材断面示意图。

具体实施方式

本实用新型第一实施例，如图3A所示的光纤光栅断面示意图，已完成的光纤布拉格光栅包含光纤31与光栅37。将光纤31外皮层剥去后，就显露出如图3A所示的断面图，剩下光纤心芯层33和光纤外包层35，之后以蚀刻方法对光纤外包层35作轻微的蚀刻，增加其表面的粗糙度，如此有利于事后负热膨胀系数材料的附着。温度补偿层39是在热膨胀系数上呈现为负值的材料，光栅37因温度改变造成尺寸上的改变，因此其光学特性亦会改变，使其中光波长信号造成偏差，此温度补偿层39的负热膨胀特性会造成一机械应力使光栅37保持不变以维持光学性质，其中温度补偿层39与光栅37之间热膨胀不相匹配性大于9ppm/℃，已达本发明光通信温度补偿构装装置的功效与目的。温度补偿层39可选择性包含全部或部分为负热膨胀系数材料，其中部分为负热膨胀系数材料的实施例将于图4负热膨胀系数材料温度补偿层的光纤光栅断面示意图作详细解说。

温度补偿层39的制作由电镀、无电镀、物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、溶胶—凝胶法(Sol-Gel)、火焰水解沉积法(FHD)或喷涂法选出等常用于半导体制程中处理的方式产生，其沉积处理过程利用选择适当的沉积参数，包括沉积温度、时间、压力、种子气体、溶液成分等，使沉积或电镀方式产生的具负热膨胀系数材料的温度补偿层39的热膨胀系数可获得控制。

请参阅图3B本实用新型实施例的光纤光栅端面示意图所示，两个同心圆，内层为光纤心蕊绳端面33’，也包含光栅37，其直径为光纤心芯层直径D_f，外层为温度补偿层端面39’，其直径为温度补偿层直径D_c，温度补偿层39与光栅37所占的长度为L，所以可得体积差为： $\frac{1}{4}\mathrm{\πL}(D_c^2-2D_f^2).$

参照上述的体积比公式，与本实用新型第二实施例图4负热膨胀系数材料温度补偿层的光纤光栅断面示意图所示，其中以负热膨胀材料41粉末掺杂于温度补偿层39中，若负热膨胀材料41与温度补偿层39的体积比为x％，温度改变ΔT℃，α_f与α_p分别为光纤31和负热膨胀材料41的热膨胀系数。在温差ΔT℃的下，光纤31的体积改变为 $\frac{1}{4}\mathrm{\πL}{D}_f^2{\mathrm{\α}}_f\mathrm{\ΔT}.$ 而温度补偿层39的体积改变为 $\frac{1}{4}\mathrm{\πL}[D_c^2-D_f^2]x{\mathrm{\α}}_p\mathrm{\ΔT},$ 此为负值，如温度补偿层39欲对光纤31作适当补偿以抑制布拉格反射波长的偏移，需控制负热膨胀材料41占温度补偿层39的体积比x％与温度补偿层39的体积，如此控制温度补偿效果，亦可控制负热膨胀材料41的膨胀系数α_p，但此系数必须在制作过程中改变。以上本实用新型实施例中，光纤31本身热膨胀系数很小，造成布拉格反射波长会对温度如此敏感的原因是光纤心芯层33中的光栅37的折射率对温度的依赖性，故在温度上升时，温度补偿层39因内含负热膨胀材料41的缘故产生一收缩力，而达到本实用新型温度补偿的效力。

本实用新型另一实施例，如图5所示的温度补偿层胶着光纤断面示意图，其中温度补偿层39本身即为负热膨胀系数材料，并使用高分子胶51以整面黏着的方式与光栅37连接。

以下所述为本发明温度补偿层39应用在平面波导60的实施例：

如图6A本实用新型实施例的多层沉积基材断面示意图所示，在基材21上形成多层沉积的平面波导60与温度补偿层39，其中基材21的材料可为硅晶圆、锂酸铌、石英基板。首先是以沉积法将温度补偿层39沉积在基材21上，再以退火处理使温度补偿层39固定于基材21上，此平面波导60中包括有平面波导外包层61与光信号行径的平面波导心芯层62，且此平面波导会因温度变化而改变其中折射率等光学特性的变化，而利用温度补偿层39与平面波导60的热膨胀不相匹配性大于4ppm/℃的特性来抑制平面波导60的热膨胀。如图6A所示，平面波导上包层61a、平面波导心芯层62与平面波导下包层61b利用沉积法(PVD)与退火处理进行沉积，更沉积于温度补偿层39的上，而形成一平面波导60。

如图6B本实用新型实施例的蚀刻型多层沉积基材断面示意图所示，是以蚀刻方式制作所需宽度的平面波导60，再以温度补偿层39进行温度补偿的作用。

本实用新型温度补偿层实施例如图6C两层温度补偿层型多层沉积基材断面示意图所示，在平面波导60交替沉积之后，在沉积一层上温度补偿层39a，增加抑制波导60热膨胀的效能。

如图6D为本实用新型实施例的封闭型多层沉积基材断面示意图，以平面波导外包层61包覆平面波导心芯层62。

图6E为本实用新型实施例的内嵌型多层沉积基材断面示意图，平面波导60亦可内嵌温度补偿层39中，是以沉积法将温度补偿层39沉积于一已事先制作内凹的基材21内，在于其上依序沉积平面波导下包层61b、平面波导心芯层62与平面波导上包层61a。

本实用新型光通信温度补偿构装装置又一实施例图6F的暴露紫外光多层沉积基材断面示意图，平面波导60制作出后，可利用暴露于紫外光25的干涉的下，于平面波导心芯层62内形成与布拉格光栅同等效力的明暗条纹，而仍可利用温度补偿层39达到温度补偿的效用。

以上为本实用新型光通信温度补偿构装装置实施例的详细说明，本实用新型利用全部或部分为负热膨胀系数材料的温度补偿层，提供抑制光栅与平面波导因温度改变而产生光学性质改变的功能，其功效达到与光栅的热膨胀不相匹配性大于9ppm/℃，与平面波导的热膨胀不相匹配性大于4ppm/℃。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，当不能限定本实用新型所实施的范围。即大凡依本实用新型申请专利范围所作的等效变化与修饰，应仍属于本实用新型专利涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种光通信温度补偿装置，其特征在于，包括有：

一光纤，包括一光纤心芯层与一光纤外包层，其中该光纤外包层包裹于该光纤心芯层于其内；

一光栅；

一温度补偿层，附着于该光栅上，该温度补偿层为一具负热膨胀系数材料所制成。

2.一种光通信温度补偿装置，其特征在于，包括有：

一光纤，包括有一光纤心芯层与一光纤外包层，其中该光纤外包层包裹于该光纤心芯层之外；

一光栅；及

一温度补偿层，附着于该光栅上，该温度补偿层掺杂一具负热膨胀系数的材料。

3.一种光通信温度补偿装置，其特征在于，包括有：

一基材；

一平面波导，包括一平面波导外包层与一平面波导心芯层，该所述平面波导外包层包裹该平面波导心芯层于其间；及

一温度补偿层，附着于该基材与该平面波导之间。

4.如权利要求3所述的光通信温度补偿装置，其特征在于，该平面波导具有布拉格光栅。

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