TW460720B - Environmentally stable athermalized optical fiber grating device and method of making a stabilized device - Google Patents

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Grorge Halsey Beall
Joel Patrick Carberry
Kenneth Chyung
Joseph Eugene Pierson
Kemjula Pattabhirami Reddy
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Description

4607 2 ϋ A? -------- - _____ Β7 五、發明説明（丨） 發明背景： 本發明係關於光學轉数，以及特卿於光學波導 以及包含負值瓣祕顧，其對光學波導鱗溫性的。 基質由具有貞健雜性材料觸成，使縣f由於溫度 昇高被縮，其能觸絲波導裝置隨著溫錢化之光學 特性提供補償 技術領域： 本發明係關於溫度補償之滯溫性裝置，特別是關於對 環境穩定之裝置，其利用負值膨脹性基質以使用於光纖反 射性Bragg光學波導裝置及使光學波導裝置穩定之方法。 由紫外線引起折射率變化有用於產生複雜狹窄頻帶光 學組件例如為濾波器以及頻道加入/移除之裝置。 這些裝置為多種波長通訊系統之重要零件。一般光靈 敏光學裝置為反射性光柵(Bragg光柵)，其反射狹窄波長頻 帶範圍内之光線。通常，這些裝置頻道之間隔以奈米為量 測單位。 經濟部中央樣準為冕工消費合作社印製 ----------A---r —.—,-IT (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 存在各種已知構造之光學濾波器，其中使用Bragg效應 作為波長瓔擇性之濾波。美國第4725110號專利揭示出一 種方法以製造濾波器，其包含暴露於兩條紫外線光束之干 涉圖案以劃記至少一個週期性光柵於光纖，該光束通過包 層以及對著光纖中心軸呈兩個角度，該兩個角度互為180度 補角。此將構成一個垂直於光纖中心軸之反射性光栅。由 具有光柵之光學濾波器所反射光線波長與光柵波長相關， 其隨著光栅區域之應變，或光柵區域溫度而變化，並呈清楚 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨公釐） 4 607 2 U .八7 B7 丨 —-丨 .......五、#明説明（>) 經濟部中央擦準局炅工消費合作'杜印装 界定出其關係，其大體上與該參數為線性關係。 對於間距為L之均勻光柵，在有效折射率為η以及膨脹 係數為a之光纖中，中央反射波長變化1為 dlr/dT=2L[dn/dT+na] 在石夕石及一氣化錯-石夕石光纖反射性光栅中中央波長 變化主要受到括弧中第一項折射率對溫度之變化影響。膨 脹項產生小於10%之總變化。對於在i550nm尖峰反射性之 光栅,dlr/d,T通常小於〇, 〇inm/°c。 在使甩這些光柵一項實際困難在於其會隨著溫度變化 。只要光纖光柵反射光線之頻率隨著光栅區域溫度變化， 該主要濾波器無法使用於一些應用中，該應用之反射光線 頻率與溫度無關。光纖反射性光柵滯溫化可靠以及穩定之 方法為需要的以符合精密的以及發展中光學通訊應用之需 求以及該光柵之規格。 一種將光纖反射性光栅滯溫化之方法為利用主動性控 制之熱學穩定系統以熱學方式控制光柵之環境。該熱穩定 實施為十分昂貴以及需要功率，以及其複雜性將導致可靠 度之問題:。 第二項滯溫方法為產生負值熱膨脹性，其能夠補償dn/ dT。使用不相匹配正值熱膨脹性材料之裝置以達成所需要 之負值熱膨脹性為人們所知。 美國第5042898號專利揭示出溫度補償，埋嵌光栅光學 波導光線赛波裝置，其具有光纖光柵。光纖每—端部連接 至兩個補償構件之另外一個構件，該兩個補償構件由熱膨 本...氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2[〇χ297公澄） ό (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
4 607 2υ Α7 Β7 五、發明説明（5) ，’ 脹係數不相同的以及使光纖產生縱向應變之材料所構成， .光纖縱向應變大小隨著溫度而變化,該變化在縱向應變中 .將補償光柵由於溫度產生之變化。
Yoffe，G.W.等人之"Temperature-Compensated Optical -Fiber Bragg Gratings" 0FCf95 Technical Digest, paper W14揭示出利用不相同的熱膨脹係數金屬機械性之 配置，其將使光纖按裝點間之距離隨著溫度昇高而減小以 及減小光柵中之應變。 另外一個滯溫性光學波導裝置使用一種基質與光纖光. 栅連接，該基質由本質性為負值熱膨脹係數之材料所構成。 發明大要： 本發明一項係關於一種環境穩定滯溫性光纖光栅波導 裝置以使用於光學波導配置環境，其包含反射中央波長為 λ光纖光柵，環境穩定負值熱膨脹性冷鋰霞石玻璃陶瓷基 質，利用環境耐久性鉛鋅硼酸鹽玻璃融合密封將光栅在承 受張力情況下連接至基質，其中當暴露於潮濕環境時基質 補償熱光纖光柵中引起之波長偏移以及波長又變化小於士 0. 015nm 經濟部中央標準局覓工消費合#:社印製 本發明一個實施例為環境穩定負值熱膨脹性光纖Bragg 波導纖維裝置以使用於光學波導配置環境中，其包含反射 中央波長為λ之光纖Bragg光柵，經穩定處理對外界環境穩 定負值熱膨脹性微細裂缝Θ鋰霞石基質，光纖光栅在承呈 張力情況下連接至基質，其中當暴露於潮濕環境時基質補 償熱光纖光柵中引起之波長偏移以及波長λ變化小於± 0. 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) Α4規格（210X297公釐） 經濟部中夬標準局旯工消費合作社印製
r 46072Q A7 _____ . B7 五、發明説明（ψ) .-. 〇15nm。 本發明另外一項實施例包含一種方法以製造環境穩定 滯溫性光纖光柵波導裝置以使用於光學波導配置環境，其 包含下列步驟:提供反射中央波長為λ之光纖光柵，對環境 .穩定之負值，熱膨脹性yS鋰霞石玻璃陶瓷基質，將光纖光栅 以鉛鋅硼酸鹽玻璃融合密封將光柵連接至對環境穩定之玻 璃陶瓷基質，其中當暴露於潮濕環境時基質將使光纖光柵 熱引起之波長偏移滯溫化及波長λ變化小於± 〇. 〇15nme 本發明另外一個實施例亦關於一種方法以製造環境穩 定滯溫性光纖光柵波導裝置以使用於光學波導配置環境。 '該方法包含下列步驟:提供反射中央波長為λ之光纖Bragg 光栅，將負值熱膨脹性微細裂縫召鋰霞石玻璃陶瓷基質對 環境穩定，將光纖光栅以在承受張力狀態下連接至對環境. 穩定之玻璃陶瓷基質，其中當暴露於80%相對濕度之潮濕環 境時基質將補償光纖光柵熱引起之波長及波長A變化小於 ± 0. OlOnm。 本發明另外一個實施例亦關於一種方法以製造環境穩 定滯溫性光纖光柵波導裝置以使用於光學波導配置環境。 該方法包含下列步驟:提供反射中央波長為λ之光纖Bragg 光柵，提供負值熱膨脹性微細裂缝召鐘霞石玻璃陶瓷基質， 利用鉛鋅硼玻璃融合密封在4HTC至43(TC將光纖光柵在承 受張力狀態下連接至玻璃陶瓷基質，其中當暴露於80%相對 濕度之潮罈環境時基質將補償光纖光柵熱引起之波長偏移 以及波長λ變化小於± 0. 01f)nm。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） (请先閱讀背面之注意事項再填寫本瓦) 許 4607 2 0 A7 __ '___B7 五、發明説明（f) 本發明裝置及方法在長時期暴露於光學波導配置之不 同溫度潮濕環境下將產生高度之尺寸穩定。 本縈明其他特性及優點將詳細揭示於下列說明中，其 部份能夠由該說明立即地了解或實施下列説明包含詳細說 明，申請專利範圍，以及附圖而明暸。 人們了解先前之一般說明以及下列詳細說明只作為本 發明之範例性以及作為提供一個架構或概要以了解申請專 利範圍所包含本發明之原理及特性。附圖提供作為更進一 步了解本發明，以及在此加入構成本發明說明書之一部份 。附圖列舉出本發明不同的實施例，以及隨著說明作為解 釋本發明原理及操作。 附圖簡單說明： 第一圖（圖1)為本發明光學波導裝置之實施例侧視圖.； 第一圖（圖2)為本發明光學波導裝置部份剖面及透射 圖； 第三圖（圖3)為實施本發明方法及裝置之侧視示意圖； 第四圖（圖4)為波長偏移(nm)(y_軸）與時間（日）(χ_軸） 曲線圖，其比較玻璃料暴露於環境之财久性； 經濟都中央標準局I.工消費合作社印製 _ ·"-_ _ _-__ ^n·· 1· nn n^l ^—ϋ ^i^i— n ^ tn^— ^^^^1 ^^^^1 —^lv F-t' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第五圖（圖5)為波長偏移(^^(^^軸)與時間（日）(又_軸） 曲線圖，其比較玻璃料暴露於環境之耐久性； 第六圖（圖6)為本發明光纖Bragg光栅裝置與包含vectra 包裝容器裝置暴露於控制濕度裝置(Hura)或潮濕加熱(D，H.) I2小時之參長變化(nm)(y-軸)與時間（日）(χ—軸)之曲線圖。 附圖元件數字符號說明： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 4 6 0 7 2 0 A7 B7 五、發明説明（t) 經濟部中央標準局覓工消費合作社印製 …波導裝置 19;基質20;光纖Bragg光柵22;玻璃料融 合密封24;固定構件26;包裝容器28;雷射光束30;雷射 32;固定器34;熱偶器36。 詳細說明：. 現在對本發明優先實施例詳細說明，其範例顯示於附 圖中。滯溫性光學波導負值熱膨脹性基質範例性實施例 顯示於圖1中，以及以參考數字19表示。 依據本發明，使用於光學波導纖維配置環境中滯溫性 光纖Bragg光柵波導濾波器包含光纖Bragg光柵，其操作將 反射中央波長為λ光線。如圖1所示，加上光纖Bragg光柵 22,滯溫性光纖Bragg光柵波導裝置19包含對環境穩定處理 之穩定負值熱膨脹性/5鋰霞石玻璃陶瓷基質2(]。光纖光栅 22在承受張力情況下連接至對環境耐久性鉛鋅硼玻璃料融 合密封24,其中基質20對光纖光柵22中熱引起波長偏移提 供補償使得當暴露於潮濕環境時波長λ變化小於± 〇. 〇i5nm 。優先地光纖光柵22在承受張力情況下利用第一及第二鉛 鋅棚酸鹽玻璃料融合密封24連接至基質20。其他固定構件 26使用來更進一步固定光纖22相對於基質20之移動以及優 先地具有固定構件26之玻璃料融合密封24為環氧樹脂密封 。波導構件19加以組合使得當裝置溫度以及其週圍溫度提 高時，基質20收縮以及減緩光纖光柵22上張力以補償光學 波導纖維光柵22之溫度提高。在優先實施例中，當裝置19 暴露於相對濕度大於80%潮濕環境時波長;I變化小於± 〇. OlOnm。更優先地當裝置19暴露於相對濕度至少為85%以及 (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 訏 本紙張尺度適用中國國家操率（CNS ) A4規格（210X297公釐） 10 460720 . A7 --——_______五.、發明説明（7 ) 經濟部t央標隼局£工消費合祝社印製 溫度至少為25。〇潮濕環境2000小時時波長;I變化小於± 0. OlOnm。當使用於逆轉光學波導配置環境時，在整個使用期 限内波長λ變化為最小時，光學波導裝置19性能將得到改 善。. 對環境穩定處理之負值熱膨脹性沒鋰霞石破璃陶瓷基 質20為微細裂縫之玻璃陶瓷物體，其具有一組多條擴展微 細裂縫，其微細裂縫端部被密封。具有擴展微細裂縫以及 密封微細裂縫端部之玻璃陶瓷基質20優先地為經過水浴並 加以乾燥之基質。在連接至光纖光柵22前經過水浴並加以 乾燥之基質為浸潰於水浴中再暴露於潮濕處理氣體以及再 進行乾燥處理之氣體中。優先地，基質22為微細裂縫物體， 其具有尺寸長度(特別地基質2〇長度與光纖光柵22相當）以 及具有一組多條微細裂縫，微細裂缝為經過穩定之裂縫長 度，其中當暴露於光學波導配置環境時基質微細裂縫物體. 之尺寸長度為穩定的。優先地當暴露於光學波導配置環境 時，微細裂縫基質物體之長度變化小於32ppm:。優先地微細 裂缝基質物體具有一組多條具有裂縫端部之微細裂縫，裂 縫端部被齊封以及填充以由玻璃陶瓷基基質物體滲漏出玻 璃陶瓷組成份之沉澱物。當暴露於光學波導配置環境以及 其濕度時，該密封以及填充端部之基質2〇尺寸變化差值20ppm。 環境耐久性玻璃料融合密封24為鉛鋅硼玻璃料融合密 封’其填充相反相之研磨添加劑例如為焦磷酸鹽研磨添加 劑。優先地光纖光柵22在承受張力情況下利用玻璃料融合 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（2iOX297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
460720 A7 —__ B7 五、發明説明（& .) … 密封24在4 05°C至440 °C範圍内之玻璃料鍵結溫度下連接至 基質20。優先地，融合密封24為玻璃料密封於溫度為41〇t； 至430°C範圍，更優先地在420°C至430°C範圍。該鉛鋅硼酸 鹽玻璃料融合密封24優先地與光纖光柵22形成鍵結，其拉 引強度至少為2磅，以及優先地大於3磅。 經濟部中央標準局見工消費合作社印製 如圖2所示，配置滯溫性光纖Bragg光柵波導裝置19包 含包裝容器28。為了較佳地顯示裝置19,圖2中並不包含容 .器28頂部覆蓋以及前端側面壁板被切開來。在光纖Bragg 光柵22折射性光柵以垂線表示，其超出光纖及其心蕊。光 纖Bragg光栅22包含於容器28内並使光纖光柵22之光纖端 部21延伸過容器28之端部壁面使得其能夠與光纖系統之光 ,纖連接。在優先地實施例中含有滯溫性基質20光纖光柵22 之容器為非密封包裝容器。優先地，非密封包裝容器為 Vectra液晶聚合物容器。該裝置19之包裝為非密閉的，其 中由閉合容器28外側之濕氣(H20)能夠進入容器28内部以 及與光纖光柵22,基質2,以及玻璃料融合密封24接觸以及 其他元件在包裝中。在另外一個實施例中，容器28為密閉 性包裝容葬，使得光纖光柵，基質以及玻璃料密封密閉地包 裝以及密封於容器28内以及H20分子以及其他氣體被阻止 由外界進入容器。該密閉性容器為塗覆金之K0VAR容器。 可參考PCT/US 98/20042(Bookbinder 10)(US Prov. 60/ 061，688, 10/10/97申請），其中所揭示詳細說明容器28以及 光纖光柵22之包裝，基質20,以及玻璃料融合密封24於該外 殼容器内以及與外殼容器隔離。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐} I 2- 460720 A7 ___：__；______ B7五、發明説明（q ) 經濟部中央標準局见工消費合作社印製 本發明包含一種對環境穩定滯溫性光纖光柵波導裝置 以使用於光學波導配置環境+之方法，該^法包含下列步 驟:提供光線操作+域長為;i之錢光栅，將貞值熱膨脹 性/9鋰霞石玻璃陶瓷基質對環境穩定。該方法包含將光纖 光柵22在承受張力情況下利用對環境耐久性鉛鋅硼酸鹽玻 璃料融合密封連接至對環境穩定玻璃陶瓷基質2〇以補償光 纖光柵22中熱引起之波長偏移以及當暴露於潮濕環境時該 波長λ變化小於土 〇. 〇i5nm。 對環境穩定基質20包含提供尺寸並不穩定基質，將所 提供基質浸潰於水浴中，將基質暴露於潮濕處理氣體，以及 將暴露後基質加以乾燥。對環境穩定基質2〇包含提供尺寸 並不穩定微細裂縫基質，其具有多長度之微細裂縫以及裂 縫端部，促使微細裂缝長度增長，以及再將微細裂缝端部密 封。優先地該暴露及密封包含將基質暴露於相對濕度至少 為85%潮濕氣體中。在優先實施例中對環境穩定包含將所 提供基質在去除離子水中沸騰至少3小時，在乾燥氣體(低 濕度，接近零相對濕度)2〇〇°C下乾燥12小時，將基質暴露於 潮濕加熱氣體（^80°C/280%相對濕度)至少5天，在l〇〇°C 乾燥氣體中乾燥12小時。對環境穩定之另外一個實施例包 含在利用濕度處理將裂縫端部密封前，使用溫度低於5〇°c 水浴擴展微細裂缝。參考相關Webb等人之4/23/99申請美 國弟60/130, 896號專利，Method of Making Stabilized Negative Thermal Expansion Optical Waveguide Sub-strate And AkGlass-Ceramic Substrate，其詳細說明穩
本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) M規格（2l〇X 297公釐yiS (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •計 11460720 A7 B7 經濟部中夹橾準局覓工消費合作社印裝 五、發明説明（ |ϋ) … 定以及穩定後基質20。 將光纖Bragg光柵22連接至基質2〇包含在4〇5°C至440 °0溫度範圍内處理鉛辞硼酸鹽玻璃料融合密封24。優先地 該密封2 4處理包含對玻璃料融合密封加熱至41 〇 至4 3 ◦ ,.溫度範圍内，以及優先地在420°C至430°C,更優先地在425 °C。該處理過程優先地對光纖光柵鍵結形成玻璃料融合密 封，其拉力強度大於2磅，優先地^3磅。 該方法優先地包含圍蔽該連接光纖光柵22,基寶20,以 及玻璃料融合密封14於非密閉性包裝容器28内，其中濕氣 .能夠由容器外侧進入圍蔽容器内。在另外一個實施例中， 該方法包含密閉性地密封該連接光纖光柵22,基質20,以及 玻璃料融合密封24於密閉性包裝容器28内。 本發明包含一種對環境穩定滯溫性光纖光栅波導裝置 以使用於光學波導配置環境中，該裝置包含反射中央波長 為λ之光埤光柵，經穩定化處理對環境穩定負值熱膨脹性 沒鍾霞石玻璃陶瓷基質。光纖光栅22在承受張力情況下利 用對環境耐久性玻璃料融合密封連接至基質2〇,其中基質 2 0補償光纖光柵2 2中熱引起之波長偏移以及當暴露於潮濕 環境時該波長λ變化小於± 0, 04nm，優先地小於± 0. 〇3皿， 更優先地小於± 〇· 〇2nm，最優先地小於± 〇. 〇15nm。優先地 ，當暴露於相對濕度至少為80%之潮濕環境時,波長;L變化 小於± 0. 〇l〇nm，以及更優先地當暴露於相對濕度至少為85 %以及溫度為25。(：之潮濕環境2000小時，波長;I變化小於士 0,010nm〇 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 460720 . A7 2 11 ----------B7 五、發明説明''' ；--
I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 對環境穩定基質20具有擴展微細魏，其裂縫端部為 密封的。優先地該基質浸潰於水洛中，在光栅22連接之前 暴露於>驗處理氣體巾，以及乾燥餘氣體。觸定基質 :20為浸潰水中，經過潮濕以及乾燥處理之基質。優先地基 貝22為微細驗物體，其具有光栅連接關之尺寸長度，以 及當暴露於光學波導通賊置環_具雜定裂縫長度之 微細裂縫以及基質物體尺寸長度為穩定的以及並不會產生 變化。優先地當暴露於配置環境中基質尺寸長度變化小於 50ppm’優先地小於4〇_，更優先地小於32卿。優先地實 .施例中長度變化小於2〇ppm。 優先地，基質20微細裂縫終止於裂縫端部，其填充以基 物體滲漏出玻璃陶瓷組成份之乾燥薄膜沉澱物。優先地 當暴露於配置環境時基質20物體尺寸變化小於32ppm。在 優先實施例中，裝置包含非密閉性包裝容器28,其包含連接 至基質之光纖光栅。在另夕['一個實施例中，裝置包含具有. 基質20及光纖光柵22之密閉性包裝容器28使得暴露於包裝 外側之污染減為最小。 . 經濟部中央標準局1-工消費合作杜印製 本發叼更進一步包含製造對環境穩定光纖光柵波導裝 置之方法，該方法包含:提供反射中央波長為λ之光纖Bragg 光栅，提供對環境穩定負值熱膨脹性微細裂縫石鋰霞石玻 璃陶瓷基質20。該方法更進一步包含將光纖光柵22連接至 對環境穩定之玻璃陶瓷基質20,其中基質2〇補償光纖光柵中 熱引起之波長偏移以及當暴露於至少80%相對濕度之潮濕環 境時該波長λ變化小於± 0. 020nm，優先地小於± o.oionm。 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS > A4規格（210X297公釐） /夕 13 7. ·?:-·'> '：*'T · "Γ4 6 0 7 2 0 經濟部中央標準局晁工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（丨l) ，： • · 對環境穩气基質包含提供尺寸並不穩定基質，將所提供基質 浸潰於水浴中，將浸潰後之基質暴露於潮濕處理氣體，以及 在連接前將經過暴露之基質乾燥。 對環境穩定基質包含提供尺寸並不穩定微細裂縫基質， 微細裂縫具有長度以及裂縫端部。擴展微細裂縫以增加長 度以產生所需要目標之熱膨脹係數以及裂縫端部經由預先 處理過程加以密封。優先地，此包含將先前浸潰基質暴露 於溫度至少為8〇°C以及相對濕度至少為8.0%之潮濕氣體中’ 歷時相當長時間以及再加以乾燥。 優先地，該方法更進一步包含圍蔽所連接光纖光柵22 以及基質20於非密閉包裝蓉器28中。另外一個方法包含密 閉性地密封連接光纖光栅及基質於密閉性包裝容器28内。 優先地，本發明包含將連接至基質之光纖光柵暴露於 85%相對濕度及25°C溫度之潮濕環境至少2000小時以及監 測中央波長λ。該暴露以及測試確保裝置19在嚴勵配置環 境中為可靠的。 本發明更進一步包含一種製造對環境穩定滞溫性光纖 Bragg光柄波導裝置之方法，其使用於光學波導配置環境中 ，該裝置包含反射中央波長為；I之光纖光柵以及提供負值 熱膨脹性点鋰霞石玻璃陶瓷基質。該方法更進一步包含將 光纖光栅22在承受張力情況下利用鉛辞硼酸鹽玻璃料融合 密封在410eC至430°C溫度範圍内連接至基質2〇,其中基質 20補償光，光柵中熱引起之波長偏移以及當暴露於go%相 對濕度之潮濕環境時該波長λ變化小於± 〇. 〇i〇nm。優先 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) *訂 % K ··· ^;··· >·： ·：„'-;.·：····' .... ， Π6Ό7 2 0 A7 B7 14 五、.發明説明 地將光纖光栅22連接至基質20包含將鉛鋅硼酸鹽玻璃料融 合密封加熱至425°C，以及在422°C至428°C範圍内。優先地 基質20為對環境穩定之基質。如圖3所示，利用錯辞删酸鹽 玻璃料融合密封24連接包含利用雷射光束30經由基質對密 封24加熱。優先地，連接步驟包含利用雷射光束3〇加熱以 及利用紅外線熱偶器36監測加熱之玻璃料融合密封24之溫 度。如圖3所示，一私化碳雷射32產生波長為1〇· 6微求之雷 射光束30。固定器34固定透鏡系統於基f 20下方以及固定 基質20。除了由底部使用高溫計，優先地利用紅外線熱偶 器（例如為OMEGA溫度感測器OS3 6-2不繡鋼外殼自動功率非 接觸性紅外線熱偶器）監測融合密封21之溫度。此監測能 夠精確地控制融合密封24之溫度以及形成有益的玻璃料融 合密封。優先地，連接包含對光纖光柵板形成玻璃料融合 密封，其拉應力強度在1至3磅範圍内。 該方法，更進一步包含圍蔽連接光纖光柵22,基質20,以 及玻璃料融合密封24於非密閉性包裝容器28内。可加以變 化，其密閉性地密封於密閉性包裝容器内。 範例： 本發明藉由下列只作為本發明列舉用途之範例更進一 步加以說明。 這些範例顯示出非密閉性包裝滯溫性光纖Bragg光柵 裂置在暴露於潮濕高熱條件下2000小時後之中央波長穩定 性為小於± 〇‘ 〇lnm。該光纖Bragg光柵裝置使用對環境穩 定基質20以及耐久性玻璃料24達成。除了浸潰於沸騰水中 1^^1- { - - i'«n - —i E I —Λ. nn in n—4 k (請先閱讀背面之注意事碩再填寫本J} 經濟部中央標隼局覓工消費合作衽印製
·- W逍用肀國國家榇準（CNS ) 規格（210X297公釐） 17 460720 A7 ____:__B7_____ 五、發明説明（伙） … ，基質暴露於85%相對濕度以及85°C高濕環境，以及在l〇〇°C 下乾燥至第二天。耐久性鉛鋅硼酸鹽玻璃料融合密封(PbO -ZnO~B2〇3)(PZB)填充相反相之(Mg, Co)2P2〇7。 /5鋰霞石玻璃陶瓷試樣以下列重量百分比表示玻璃組 成份製造出：48.7%Si〇2，37.8% Al2〇3, 9. 7% LiA 以及 3.8% Ti〇2 (8.5% AhTiOs),由該組成份冷鋰霞石試樣依 據 1/16/97申請之美國第08/785336號專利(Athermal Optical Device)製造出，該專利之說明在此加入祚為參考，其更詳 .細說明製造未穩定泠鋰霞石玻璃陶瓷基質。 選擇由PZB之鉛鋅硼酸鹽CRT密封玻璃料。使用本公司 之Code 7580 PZB CRT密封玻璃料，其主要玻璃組成份以重 量百分比表示為74.7%PbO，12.9%Zn0，8. 3% B2〇3，1.9 %BaO，2. 2% Si〇2。該玻璃料為對環境耐久性之玻璃料，其 中PZB玻璃料水溶耐久性(在9〇°C去除離子水中24小時之重 量變化百分比）為+0.006。 玻璃料： .玻璃料處理基質試驗過程如下，其使用5個試樣利用PZB 為主玻璃料在385°C至460。(：溫度範圍内連接光纖光柵。
處理溫度。C 385〇C 410°C 435〇C 460〇C PZB試樣數量 5.5 5 5 玻璃料處理溫度依據圖3以紅外線熱偶器在玻璃料黏接上 方1誦處量測。 在連接後，玻璃料黏接拉引測試以評估強度，以及在拉 引破裂後選擇玻璃料黏接作為Sem觀測。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4ΜΜΤ2Ϊ〇χΖ97^'£1 • 丨孑Α 5 11 (锖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-'Β 經濟部中央標準局覓工消费合作社印製 16 .-j’r.»'·...:、......46〇720 A7 B7 五、發明説明（κ) < .. 由這些評估，選擇大於2磅拉引測試強度而不會使光纖 .破裂之最佳玻璃料以及處理過程條件以及使用來製造完整 功能Vectra包裝裝置。 加入反相之焦磷酸鹽研磨添加劑至編號7580之PZB耐 久性玻璃料，特別地： ’ PZB; Code 7580 + 10% wt. (Co. Μδ)2Ρ2〇7 + 5% wt. C〇2P2〇5 下列表1顯示出光纖拉引強度之結果為如圖3所示以紅 外線熱偶器在玻璃料處理過程中量測玻績料黏接溫度之函 數。 使用PZB玻璃料，在410°C及435°C處理之(玻璃料24+環 氧樹脂26)黏接拉引強度為相當高在3· 4-4. 0碌範圍内，其 中1. 5-2. 0(1· 75)磅被認為由於外侧環氧樹脂所致，以及反 射比量測（50_0dB或較小）顯示並無光纖破裂。不過，4即。〇 玻璃料處理溫度顯示為相當高，但是拉引強度為不確定的， 但是-15至-20dB反射量測顯示光纖破裂，其顯示玻璃料黏 接溫度460°C為太高。優先地，玻璃料處理溫度在4i〇°c至 430 圍内。當玻璃料黏接在380 G或低於該溫度製造出 ，玻璃料無法適當地流動以及在小於〇. 5碎非常低拉引力強 度下被拉出而光纖並不會破裂。由於該結果，玻璃料黏接 溫度選擇425。(：為最佳的。在下表中，所計算玻璃料拉引強 度測疋出為減小1. 75碌。其全部由於去除環氧樹脂產生強 度所致。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
tQ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) r 經濟部中央標準局炅工消費合—社印裝 460720 A7 B7 7 n 五、發明説明（（毛) 表1光纖拉引強度與玻璃料處理溫度 I.R./T.C總拉力反射比（1542nm)光纖計算玻璃料 410 3. 78 -66. 97 -67.17 Μ 2.03 435 3.96 -67, 76 -66. 57 無 2.21 435 3.42 -65. 72 -65. 54 益 1.67 460 2. 48 -17. 02 -17. 65 無 0. 74 經濟部中央標準局灵工消費合作社印製 圖4顯示出耐久性玻璃料融合密封與非耐久性玻璃料 融合密封間之差值。在預期性能外ΡΖβ(鉛鋅硼酸鹽）耐久 性玻璃以及與錫辞磷(SZP)玻璃料融合密封比較為較耐久 的。光纖Bragg光柵利用未處理步不穩定冷鋰霞石基質連 接及在暴露於濕熱(8 5 °C / 8 5 %相對濕度)過程中監測波長； 耐久性玻璃料之水溶耐久性(在9〇去除離子水中歷時24小 時重量百分比變化)優先地小於± 0. 010，優先地小於或等 於± 0. 006 加以比較，SZP不穩定玻璃料水溶耐久性約為 -0.030。圖4顯示出耐久性玻璃料有助於將波長偏移減為 最小。. 圖5顯示出耐久性玻璃料之優點暴露於濕熱環境下與 潮濕器比較之不同結果。不穩定基質導致中央波長又非常 大比例變化。玻璃料為耐久性以中央波長產生變化減為最 低以及光纖-玻璃料黏接-基質連接狀況之保持整體性表示 。圖4及5顯示出連接對環境抵抗性(水溶耐久性）以及耐2 性以及耐久性對達成低A變化拌演重要角色。基質：. 、 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公瘦） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 18460720 經濟部中央標準局見工消費合也社印裝 A7 B7 i、發明説明（（η ) /， 剝除塗膜高差值光纖具有20ps色散之5rom長Bragg光柵 .,使用125°C歷時24小時退火。 .裝置： 光纖光柵22在承受張力情況下使用PZB-1玻璃料密封 .24連接至基質20。光柵，基質，以及玻璃料連接包裝於 Vectra容器中，其使甩： -MCA 95紫外線固化環氧樹脂（包含Polyset Company之 Siloxy PC-1000, Union Carbide Chemical & Plastics Company之EiRL-4221，ERL-4206, Cyracure UVI-6974,以及 A-l87 石夕烧，Shell Oil Company之Epon樹脂828, Cabot Corporation之Cab-O-Sil 610,Geltech Inc.之Silaned GelTech 1.5 micro,以及本公司之N118/TCE以及N118/SIK )環氧樹脂固定構件26。 -2單位6679 Fluorogel，2單位固化介電質凝膠以塗覆 裝置頂部（光纖光栅22)由構件26至26其中光纖為裸露的（ 塗膜被剝除） -395紫外線固化環氧樹脂將光纖固定至套管將經由容 器端部洞孔端部將光纖密封及將套管固定至容器端部。 -S-2000 Poron發氧化物(Roger Corporation)發泡墊 片（2. 5"x5_ 156”x0, 03125")於基質底部與容器底部之間， 其具有固定洞孔。 -3145矽氧化物（將基質黏接至Vectra包裝）(如先前所 提及PCT/US 98/20042(Bookbinder 10XU.S. Prov_ 60/ 061，688)。.. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 叫 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •^"
460720 . A7 B7 ------------ -—---- " .............. ~~m丨丨丨__ 1 _ — 五、發明説明（（¾) -兩組（6) Vectra包裝暴露於潤溼器（25C /10 〇%相對濕 .度）以及濕熱環境(DH，85°C/85%)中。作下列評估： 中央波長穩定性： 監測中央波長(△ λ〇變化為高達12週(2000小時）時 間之函數。 圖6顯示出12個V6ctra包裝裝置19之中央波長變化（ △ λ。)為暴露於濕度時間之函數;6個裝置暴露於濕熱(DH) 環境中以及6個裝置暴露於濕度器（HUM)中。能夠看出12個 裝置中11裝置在12週後△ λ。保持在± 0. Olnm，一個在濕度 器中之裝置例外地小於-0. 03nm。 圖6顯示出在DH中一週額外預先處理能夠達成基質尺 寸穩定，在濕度器（25°C，100%相對濕度)難以達成，暴露於 DH以及HUM中12週後呈現出定性。 經濟部中央標準局1-工消費合也社印製 .圖6顯示出當暴露於濕熱(85°C/85%相對濕度）以及濕 度器（25°C/100%相對濕度)之潮濕環境時λ變化為最小值 。本發明利用0鋰霞石玻璃陶瓷基質以及耐久性鉛鋅硼酸 '鹽玻璃料達成高度穩定性。所有12個試樣裝置產生波長入 變化小於:i； 〇 030nm。裝置在2000小時後產生變化亦小於 ± 0, 020咖，小於± 0. 〇15nm，以及甚至於小於± 〇. oionjn。 此清楚地顯示出光纖Bragg光柵對環境穩定性非密閉性包 裝能力。 該試驗顯示出本發明提供對環境高度波長穩定性，其 暴露於包含高濕度之嚴格配置環境下波長A變化小於土 〇 〇20咖，小於± 〇_ 〇15麗，以及小於或等於± 〇. 〇1〇nra。 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公楚：） ^2. 20 4607 2ϋ Α7 Β7 五、發明説明（丨£p ，： 熟知此技術者能夠對本發明作出多種變化及改變，但 是其並不會脫離本發明之精神與範圍。這些變化及改變均 含蓋於下列申請專利範圍所界定之本發明範圍。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準扃晃工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 4607 20 as Β8 • C8 _一 —__ D8 六、申請專利範圍 1. —種對環境穩定滯溫性光纖光栅波導裝置以使用,於光學 波導配置環境中，職置包含反射巾請長為λ之光纖光 柵，.經穩定化處理對環境穩定負值熱膨脹性沒鋰霞石玻璃 陶瓷i質，該光纖光柵在承受張力情況下利用對環境耐久 性玻璃料融合密封連接至基質，其巾基_償光纖光柵中 熱引起之波長偏移以及當暴露於潮濕環境時該波長λ變化 小於± 0. OBrai。 2. 依據申靖專利範圍第1項夺裝置，其中對環境对久性玻璃 密封為鉛鋅硼酸鹽玻璃料融合密封。 3:依據巾專利範圍項之裝置，其巾當暴露於潮濕環境 中波長λ變化小於;i； 〇. 〇3〇nm。 4·依據申請專利範圍第1項之裝置，其中基質更進一步包含 一組多條含有密封裂縫端部之無展微細裂縫。 3 5_依據申請專利範圍第4項之裝置，其中基質為預先決定條 件下經水浴濕潤後加以乾燥之基質。 八 6_依據申請專利範圍第1項之f置，其中基質為具有—段長 度以及一組多條微細裂縫之物體，該微細裂縫具有經穩定 之裂缝長度，其巾當絲於光學波導崎魏 裂縫物體之尺寸長度為尺寸穩定的。 7. 依據申請專利第6項之泉置，其中當暴露於光學波導 配置環境中時基質微細裂縫物體之尺寸長度變化小於印 ppm ° ' 8. 依據申請專利範圍第7項之裝置，其中長度變化小於恕 ppm ° 丄 、 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公疫） I I I I I I、 装—------" 訂. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 60 7 2 Ο 、申請專利範園 Α8 BS C8 D8 22 9.依據申請專利範圍第㈣之裝置 條含有裂缝終端之微細裂縫:;及微= 滲漏声之玻璃陶瓷組成份。 鬏縫，·、鈿填充 10_依據申請專利範圍第9項之裝 導配置環境時，基寶物體尺寸變化小於於光學波 專利範_項之裝置，其=璃 料融合密封填充以反相之研磨添加劑。_-玻璃 删第2項之蚊物辨職鹽玻璃 枓W合饴封填充以焦磷酸鹽研磨添加劑。 13·依據帽補個_找置，料麵光栅在承受 張力’ft况下糊玻補融合㈣鉛鋅_鹽賴在伽。。 至440°C溫度範圍下連接至基質。 14·依據申請專利範圍第2項之裝置，其中玻璃料融合密封 形成與光纖光栅之黏接，其拉力強度大於1磅。 15,依據申請專利範圍第2項之裝置，其中玻璃料融合密封 形成與光纖光柵之黏接，其拉力強度在1至3磅範圍内。 16·依據申請專利範圍第2項之裝置，其中裝置更進一步包 含非密閉性包裝容器，該光纖光柵連接至基質於非密封性 包裝容器内。 經濟部t央標準局員工消费合作社印製、 ---------- 裝----r . (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 依據申請專利範圍第2項之裝置，其中裝置更進一步包 含密封性包裝容器，該光纖光柵連接至基質於非密封性包 裝容器内,。 18, 一種製造對環境穩定滯溫性光纖光柵波導裝置之方法 、. ^ ，該波導裝置使用於光學波導配置環境中，該方法包含下列 木紙痕尺度適用中國國家襟準（Cns ) A4規格（训父抓公澄） ；^ 4607^ ABCD 23 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 步驟:提供操作光線中央波長為λ之光纖光柵，對環境穩定 .負值熱膨脹性/5鋰霞石玻璃陶瓷基質，將光纖光柵在承受 張力'If況下利用對環境耐久性鉛鋅硼酸鹽玻璃料融合密封 連接至基質，其中基質補償光纖光柵中熱引起之波長偏移 以及當暴露於潮濕環境時該波長X變化小於± 〇. 〇20ηπι。 19. 依據申請專利範圍第18項之方法,其中對外界環境將基 質穩定包含提供尺寸未穩定之基質，將所提供基質浸潰於 水浴中，將浸潰後之基質暴露於潮濕處理氣體中，以及將該 暴露氣體後之基寶乾燥。 > 20. 依據申請專利範圍第丨g項之方法，其中對外界環境將基 質穩定包含提供尺寸未穩定微細裂縫之基質，其具有一組 多條具有多種長度以及裂縫端部之微細裂縫，將該微細裂 縫擴展使罈微細裂縫長度增長，以及將該微細裂縫之裂縫 端部密封。 21. 依據申請專利範圍第19J員之方法,其中將浸漬後基質暴 .露於潮濕處理氣體之步驟包含將該基質暴露於至少8〇%相 對濕度之潮濕氣體。 22. 依據申請專利範圍第18項之方法，其中利用鉛鋅硼酸鹽 玻璃料融合密封將光纖光柵連接至基.質之步驟包含在4〇5 °(3至440°(：溫度範圍内處理該玻璃料融合密封。 23. 依據申請專利範圍第22項之方法，其中連接更進—步包 含對光纖光柵連接形成玻璃料融合密封，其拉應力強度在 1至3碎範圍内。 24·依據申請專利範圍第18項之方法，其中更進一步包含圍 衣紙張尺度適用中國國家樣準（CNS }八4規格（21〇.χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂--- B8 C8 D8 六、申請專利範圍 蔽該連接光衊光柵以及基質以及玻璃料融合密封於非密閉 '性包裝容器内。. 25. 依據申請專利範圍第18項之方法，其中更進一步包含將 .密閉&地密封連接光纖光柵以及基質以及玻璃料融合密封 於密閉性包裝容器内。 26. —種對環境穩定之滯溫性光纖Bragg光柵光學波導纖維 裝置，其使用於光學波導配皇環境中，該裝置包含:光纖Bragg 光柵，其反射中央波長為λ之光線，經穩定處理對環境穩定 之負值熱膨脹性微細裂縫/5鋰霞石玻璃陶瓷基質，該光纖 光柵在承受張力情況下連接至基質，其中基質補償光纖光 .柵中熱引起之波長偏移以及當暴露於潮濕環境時該波長入 變化小於± 〇. 〇15nm。 ’ 27.依據申請專利範圍第i或26項之裝置，其中該波長入變 化小於± 0. 01 〇nm以及該潮濕環境之相對濕度至少為8〇%。 28. 依據申請專利範圍第1或26項之裝置，其中當暴露於潮 濕環境2000小時後該波長又變化小於土 〇,Qi〇nmw及該潮 濕環境相對濕度至少為85%以及溫度為25°C。 29. 依據申請專利範圍第26項之裝置，其中在光柵連接至基 質前基質，潰於水浴中以及暴露於於潮濕處理大氣中。 30_依據申請專利範圍第26項之裝置，其中基質為微細裂縫 物體，其具有尺寸長度及一組多條微細裂縫，其中當暴露於 光學波導配置環境暢質微細裂縫物K尺科度為穩定 的0 31.依據申請專利範圍第30項之裝置，其中當暴露於光學波 衣紙張尺度適用中國^家標準（CNS) 24 {請先閲讀背面之注^^項再填寫本頁) .装· 經濟部中央橾华局員工消費合作社印製 A60720 A8 BS C8 __------— D8_ __ 六、申請專利範圍 導配置環境+基質微細裂縫物體之尺寸長度變化小於32 ppm。 · 32·依據申讀專利範圍第26項孓裝置，其中基質為微細裂縫 物體，其具有一組多條具有裂縫終端之微細裂缝以及微細. 裂縫端部填充以由玻璃陶瓷基質物體滲漏出玻璃陶瓷組成 份之沉澱物。 33. —種製造對環境穩定滯溫性光纖光柵波導裝置之方法， 其使用於光學波導配置環境中，該方法包含:提供反射中央 波長為λ之光纖Bragg光栅，對環境穩定負值熱膨脹性微細 裂縫/5鋰霞石玻璃陶瓷基質，該光纖光栅在承受張力情況 下連接至對環境穩定之玻璃陶瓷基質，其中基質補償光纖 .光柵中熱引起之波長偏移.以及當暴露於至少8 〇%相對濕度 之潮濕環境時該波長λ變化小於± 〇. 〇i〇nm。 34·依據申請專利範圍第33項之方法，其中基質對環境穩 定包含提供尺寸並不穩定微細裂缝基質，將所提供基質浸 潰於水浴中，將浸潰基質暴露於潮濕處理大氣，以及在連 接前將該經暴露之基質乾燥。 35·依據申請專利範圍第33項之方法，其中基質對環境穩 定包含提供尺寸並不穩定微細裂縫基質，其具有—組多條 微細裂縫以及裂縫端部，擴展該微細裂縫以使微細裂縫長 度增長，以及將微細裂缝之裂縫端部密封。 36.依據申請專利範圍第33項之方法，其中更進—步包含園 蔽該連接光纖光柵以及基質於非密閉包裝容器中。 37_依據申請專利範圍第33項之方法,其中更進—步包含密 25 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) fri. 經濟部中央標準局K工消费合作社印製 (CNS } ( 210X297^ 460720 A8 ?88 -----一 _^_ 六、申請專利範圍 閉性地密封連接光纖光柵以及基質於密閉性包裝容器中。 38. 依據申.請專利範圍第33項之方法，其中更進一步包含暴 露連接至基質之光纖光栅歷時至少20 0 0小時於潮濕環境， .該環i相對濕度至少為90%以及溫度為25°C，以及監測；I波 長。 39. —種製造對環境穩定滯溫性光纖光柵波導裝置之方法， 其使用於光學波導配置環境中，該方法包含:提供反射中央 波長為λ之光纖Bragg光柵，提供對環境穩定負值熱膨脹性 微細裂缝召鋰霞名玻璃陶瓷基質，該光纖光柵在承受張力 .情況下利用溫度範圍為41 (TC至430°C鉛鋅硼酸鹽玻璃料之 融合密封連接至對環境穩定之玻璃陶瓷基質，其中基質補 償光纖光柵中熱引起之波長偏移以及當暴露於至少80%相 對濕度之_濕環境時該波長;I變化小於± 〇. 〇l〇nm。 40. 依據申請專利範圍第39項之方法，其中利用鉛鋅硼酸鹽 玻璃料之融合密封將光纖光柵連接至基質步驟包含對玻璃 料融合密封加熱至425°C溫度。 41. 依據申請專利範圍第39項之方法，其中連接包含利用雷 射光束加熱。 —1 HI 11^1 n^i I - [ - - s U - —I. - . v^eJI (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央榡準局負工消費合作社印I 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) M規格（21〇 x 297公漦）
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