温度补偿光学装置的制作方法

专利名称：温度补偿光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学装置，更特别地I涉及一种温度补偿光学装置。
背景技术：
已经知道光纤布拉格光栅可以被动地、机械地进行温度补偿，从而成为“无热”，即，基本上不受温度变化的影响，如Morey等人发明的，序列号5,042,898，题为“组合布拉格滤光温度补偿光波导装置”的美国专利所述。然而，这种技术需要复杂的机械装配以及昂贵的制造成本。并且，这种技术表现出光纤附带的问题，如蠕变和滞后。进一步地，这种技术不能提供使光栅波长易于进行动态调整而达到理想波长的能力。
另外，也已经知道有源调整光栅的应变以补偿温度的改变，如通过使用闭环控制器测量温度并由此调整光栅的应变。然而，这种技术需要在源的组成部分补偿温度变化，这增加了装置的复杂性和成本，并减少其可靠性。
因而，需要基于这种装配的光学布拉格光栅，它基本上不受温度改变的影响，并且结构简单，制造成本低。

发明内容
本发明的目的包括提供一种无源光学无热装置，其结构简单且成本低。
根据本发明，温度补偿光学装置，包括光学元件，沿其纵向轴至少有一个光栅置于其中，所述光栅具有一个特性波长，随环境温度及作用于所述光学元件的轴向压力而变化，所述光学元件由具有元件热膨胀系数(CTE)的元件材料构成；隔离物，接近所述光学元件的轴端放置，且由具有隔离物CTE的隔离物材料构成，所述隔离物的CTE大于元件的CTE；箱体，与所述隔离物和所述光学元件装配在一起，使得所述隔离物和所述光学元件的至少一个部分在工作温度范围内处于受压状态，所述箱体的箱体CTE小于所述隔离物的CTE；以及所述特性波长在所述工作范围内的改变小于预定量。
进一步根据本发明，所述箱体包括一个接近所述隔离物一个轴端放置的端盖，以及所述箱体包括外部壳体，其一轴端熔接到所述端盖，另一轴端熔接到所述元件的相对轴端。
进一步根据本发明，所述光学元件包括光纤，所述光栅嵌入其中；管，所述光纤和所述光栅沿所述管的纵轴封装其中，所述管熔接到所述光纤的至少一部分，和/或所述光学元件包括大直径光波导(＞0.3mmOD)，该光波导具有外部包层和置于其中的内芯。
进一步根据本发明，所述元件材料包括玻璃材料，所述隔离物包括金属。进一步根据本发明，所述可调谐元件具有多个置于其中的光栅，或者一对配置作为激光器或者DFB激光器的光栅。进一步根据本发明，装置可以制成全部由玻璃构成的整体装置。
本发明提供超越已有技术的实质性进步，提供了一种布拉格光栅装置，其无源机械地补偿温度变化，从而光栅波长在预定温度范围内基本上不改变。并且，发明可以包含一个或多个布拉格光栅，一对被配置作为法布里—珀罗干涉仪或者谐振器或者布拉格光栅反射激光器，布拉格光栅分布式反馈(DFB)激光器，或者交互式激光器的布拉格光栅，能体现出在温度范围内最小的变化(例如，＜50皮米)。本发明可以用作温度范围内的非常稳定光栅波长参考。另外，本发明可以调整到理想波长，在此波长处装置无热地运行。进一步地，本发明无源地温度补偿光栅，即，没有任何有源部件或者反馈控制环，由此减小装置的复杂性和成本。
本发明的前述和其他目的，特征以及益处将在下面典型实施方式的详细描述中更加显而易见。


图1是根据本发明的无热光学装置的侧横截面视图，该装置中具有一个布拉格光栅。
图2是根据本发明的图1所示无热光学装置在温度范围内光栅波长误差的曲线图，该装置包含一对布拉格光栅。
图3是根据本发明的图1所示无热光学装置在温度范围内波长误差的曲线图，该装置包含一对布拉格光栅。
图4是根据本发明的图1所示无热光学装置的侧横截面视图，该装置包含一对布拉格光栅。
图5是根据本发明的图1所示无热光学装置的侧横截面视图，该装置包含DFB激光器。
图6是根据本发明的图1所示无热光学装置的末端横截面视图，该装置包含多于一根的芯。
图7是根据本发明的无热光学装置的侧横截面视图，该装置包含可选择的装置结构。
图8是根据本发明的无热光学装置的侧横截面视图，该装置包含调整光栅波长的激励器。
图9是根据本发明的无热光学装置的侧横截面视图，该装置包含带导线的可选择的装置结构。
图10是根据本发明的无热光学装置的侧横截面视图，该装置包含具有可变预压缩及可变补偿材料长度的可选择的装置结构。
图11是根据本发明的无热光学装置的侧横截面视图，该装置包含可调整无热装置的激励器。
图12是根据本发明的图1所示一部分光学装置的弹簧特性曲线图。
图13是根据本发明的补偿材料隔离物的侧视图，该隔离物具有不同的热膨胀系数(CTE)的材料。
图14是根据本发明的光学元件的侧横截面视图，该光学元件中光纤熔接到光栅相对端的毛细管。
图15是根据本发明的光波导的侧视图，该光波导具有一对尾光纤部件耦合到其中的相应端。
图16是根据本发明无热装置的另一实施方式的侧横截面视图。
图17是根据本发明的图16所示无热装置的部分放大横截面视图。
图18是根据本发明无热装置的另一实施方式的侧横截面视图。
图19是根据本发明的图18所示无热装置的部分放大横截面视图。
图20是根据本发明的图18所示经简化的无热装置的侧横截面视图。
图21是根据本发明的图20所示无热装置在100℃δ时的位移曲线图。
图22是根据本发明无热装置的另一实施方式的立体图。
具体实施例方式
温度补偿(“无热的”)光学装置包括内部玻璃元件10，该元件具有单一或者少数几种模式的内芯11，并有一个铭印(或者嵌入或者铭刻)在其中的布拉格光栅12。元件10包括含有适当搀杂剂的硅石玻璃(SiO2)，允许光14沿芯11传播。正如已知的，布拉格光栅12在有效折射率和/或光波导的有效光学吸收系数方面呈周期性变化或非周期性变化，如Glenn等人发明的，专利号为4,725,110和4,807,950，题为“在纤维光学中铭印光束的方法”的美国专利中所述；以及Glenn发明的，专利号为5,388,173，题为“在光学纤维中形成非周期性光栅的方法和装置”的美国专利中所述，由此将其结合作为所需内容的参考以理解本发明。
然而，任何嵌入，蚀刻，铭刻，或者以其他方式在元件10上形成的波长可调光栅或者反射元件，都具有随温度变化而变化的特定波长，该特性波长可在想要的时候使用。用在此处的术语“光栅”意思是任何这种反射元件。进一步地，反射元件(或者光栅)12可以用于光的反射和/或透射。
元件10可以由玻璃材料制成，如硅石，熔融的硅石，石英，或者其他玻璃。光14入射到光栅12，光栅12反射其中具有预定波段的光，该波段以反射波长λb为中心，如线16所示，并使入射光14(在预定波长范围内)剩余波长的光通过，如线18所示。
光栅12可以形成在大直径波导中，例如杖，如1999年12月6日提交，序列号为09/455,868，题为“大直径光波导，光栅及激光”的Commonly-ownedCo-pending美国专利申请中所述。
另外，光栅12可以形成在光纤中并封装其中，熔接到柱状玻璃毛细管(参见图14)的至少一部分，如1999年12月6日提交的序列号为09/455,865，题为“管封装纤维光栅”的共同未决的美国专利申请中所述。这种情况下，玻璃管由基本上与光纤相同的材料制成，使得管(或者管中钻孔的内径)熔接到(即，与光纤外表面创造一个分子结合物，或者与光纤外表面一起熔化)光纤的外表面(或者包层)，从而基本上消除管内径与光纤外径之间的交界面(即，管内径不能与光纤的包层区别开)，这一表面如虚线13所示。
在每种情况下，无论使用大直径波导还是管封装光纤，芯11外部的玻璃材料都起大包层的作用，如前述共同未决的专利申请所讨论的。管封装光栅和大直径波导光栅在管与光纤熔接的位置处具有基本上相同的组成和属性，这是由于管封装光栅12的末端(或者横向)横截面与大直径波导光栅相接，并且在横截面处都由基本上相同的材料构成，例如涂硅或未涂硅的玻璃材料。这些位置都有光芯和大包层。
每种情况下，对光学元件10的直径d2进行设置，从而元件10不会弯曲得超过理想光栅波长的调整范围，这需要元件的外径至少为大约0.3mm，如上述专利申请中所讨论的。
光纤19具有芯15和包层17，它可以连接到和/或从元件10取出以将光14接入和/或退出元件10。如果使用大直径波导，那么光纤19被熔接或以其他方式光学耦合到元件10的一个或两个轴端，为熔接光纤或将来自光纤的光耦合到大波导而使用任何已知或还在开发的技术，它对于申请提供可接受的光损失。如果使用管封装光纤，那么光纤19从一个或两个轴端插入/退出元件10，并断裂和熔接到玻璃管。
元件10呈圆柱形，具有轴端20、22，它们的直径d1约为3mm，元件10还有稍小点的中间部分24，其直径d2较小，约为1mm，光栅12定位于此中间部分。如果想要为嵌入元件10的光栅12提供机械应变，则可以使用其他直径、尺寸和平面图形。元件10具有“狗骨”形，如前述共同未决的美国专利申请中所述，它们是1999年12月6日提交、序列号为09/455,865，题为“管封装纤维光栅”的共同未决的美国专利申请；1999年12月6日提交、序列号为09/456,112，题为“可调压缩布拉格光栅和激光器”的共同未决的美国专利申请；1999年12月6日提交、序列号09/455,868，题为“大直径光波导，光栅和激光器”的共同未决的美国专利申请。另外，元件10可采用如虚线21所示的平直几何图形代替狗骨形。在这种情况下，元件10的直径可以是d2或d1，这取决于想达到的设计标准。狗骨形有助于提高或放大光栅12的抗压应变，光棚提供大表面面积，如上述专利申请中所述。
补偿材料隔离物26(或者铁芯或者片状器件)的一轴端靠近玻璃元件10的一轴端放置，另一端轴向接近端盖28放置。隔离物26的直径d1基本上与元件10的直径d1相同，长度L5(例如1.1英寸)设置为提供温度范围内必需的机械补偿，下文更详细地讨论。然而，隔离物26的直径、元件10的直径和端盖28的直径不需要都相同，但是规定隔离物26提供元件10在温度范围内所需的机械应变补偿，下文更详细地讨论。隔离物26可以具有一个沿其轴向设置的孔40。
另外，隔离物26可以位于玻璃元件10的另一侧或者其两个轴端处，如虚线36所示。这种情况下，隔离物和元件10之间将有一个端盖38。
外部玻璃管或者壳体30的一个轴端33熔接或者以其他方式刚性连接于元件10的轴端22，外部壳体30的另一轴端34刚性连接于端盖28。壳体30与元件10，隔离物26，以及端盖28中的某些部件之间内部空腔32。壳体30与元件10之间的间隙g1大约为50微米，壳体30的厚度大约为0.5mm。
隔离物26和/或端盖28可以有一个穿过它们的轴向孔40。孔40可用于允许连接到元件10的第二光纤42穿过并离开装置以提供一种两端穿过装置。
出于对准的目的和/或减少裂缝的可能性或者其他目的，端盖28和元件10之间可以具有圆锥形突起，铁芯26具有与突起配合的圆锥形基座44，从而代替隔离物26与元件10之间，隔离物26与端盖28之间那样具有平的或者同平面的接触表面。装置8的轴端可以具有斜角以便留出位置与装置或者其他部分配合，如图11所示的激励系统中，下文讨论。并且，“狗骨”的内边缘不需要垂直，如虚线35所示。
元件10和端盖28由低CTE材料制成，如石英，硅石或者低CTE陶瓷，或者其他低CTE材料。隔离物26由CTE高于元件10的材料制成，例如金属，派热克斯玻璃，高CTE陶瓷，等。对元件10，端盖28，外部壳体30以及隔离物26的热膨胀系数和长度进行选择，从而光栅12的反射波长在预定温度范围内基本上不改变。更特别地，隔离物26的长度L5设定为抵消因温度引起的光栅波长变化。当温度升高时，隔离物长度膨胀得比玻璃元件10快，它使光栅波长向下移动，从而平衡随温度升高而变化的固有波长。
例如，假设元件4cm长，由硅石构成，隔离物26的长度L5为1cm长。硅石的CTE为0.5×10-7/C，由dn/dT的玻璃光栅产生的“表观应变”近似等于约7×10-6/C的CTE。这样，如果隔离物26由CTE约为3×10-5的材料构成，那么温度范围内光栅的最终波长变化将接近为0，即，装置基本上对温度作出补偿(即，无热)。
对于整个装置来说，所有部件都由整块玻璃材质构成是可能的。例如，假设元件10、端盖28以及壳体30全都由硅石或石英构成，隔离物26由派热克斯玻璃(或者其他CTE大于硅石或石英的玻璃)构成，并且元件10和端盖28每一个都有一个突起或者小块43，它安装于隔离物26的孔40内，然后隔离物26被断裂和熔接到小块43上。另外，玻璃隔离物26仅仅被熔接到元件10或端盖28的一端。
参考图2，特别地，曲线98示出对于图1的无热光栅装置在0到83℃温度范围时光栅反射波长λb的变化约为12.1皮米，或者约为0.145pm/℃。参考图3，曲线100示出温度范围内典型无补偿光栅的光栅反射波长λb的变化情况。曲线102是将曲线98(图2)的各点以更大比例画出的曲线，并且该曲线102示出温度范围内的变化正好在50皮米中(这是无热光栅典型的工业现行规范)。
对于图2和图3的数据，元件10、端盖28以及外部壳体30都由热膨胀系数(CTE)约为0.5ppm/℃的熔融硅石构成。元件10的总长度L1约为1.3英寸。(这里大端部20的长度L2约为0.5英寸，另一大端部22的长度L4约为0.5英寸，较小的部分24的长度L3约为0.3英寸)，隔离物26的长度L5约为1.1英寸，端盖28的长度L6约为3英寸。长度L2和L4无需相同的长度。隔离物26由铝构成，其CTE约为22.4ppm/℃。如果需要的话，补偿材料隔离物26可以使用其他材料和长度。
参考图13，隔离物26可以包括轴向堆放的多种材料54，55，56，而代替补偿材料隔离物26由单一CTE的一种材料构成以便提供想要的总CTE响应特性。如果需要温度范围内更加复杂或者非线性响应，例如补偿dn/dT效应或者其他原因，则可以使用这种技术。
当元件10以最终形式完全装配时，它处于初始预压缩状态，从而允许装置以最佳状态运行。特别地，元件10的初始预压缩可以多种不同形式进行，下文更详细地讨论。对于图1，隔离物26被渐渐冷却达到预定温度以使隔离物26收缩。可以使用冷却隔离物26的任何技术，如使用增压超级冷却液(例如，液化氮，氦，氟利昂或者其他凝固和制冷设备)。然后当隔离物凝固时外部壳体30熔接到端盖28。玻璃熔融时，由于端盖长度L6，例如3英寸，以及材料(例如，硅石)不是良好的导热体，因而不会对装置引起热冲击。当装置8在室温下达到平衡时，隔离物26的膨胀产生作用于元件10的压力。这种情况下注意除壳体30承受拉力外，装置的其余部分均受压。
另外，壳体30可被加热以及在精确的负载下进行轴向压缩，这一精确负载用于设置预加载。用于在元件10上施加初始压力的其他技术也可以使用，下文更详细地讨论其中的一些技术。
壳体断裂和熔接到端盖28及元件10的端22可以通过CO2激光器，切割器，或者其他技术实现，如前述专利申请所述。真空装置用于促进断裂，但也可以不需要它，这取决于外部壳体30的厚度t1和材料。如果使用真空装置，则其通过孔40从左端拖入。元件10、隔离物26以及端盖28的各表面之间所存在的天然不完整性充分允许在空腔32内抽真空。另外，可以在隔离物26和/或端盖28上开径向孔以方便在空腔32内抽真空。当壳体30完成断裂和熔接时，孔40，49可以用材料填满以便使装置与外界环境隔离，例如使用环氧树脂，聚合物等材料。另外，其内具有元件的外部密封包(未示出)也可被用来使腔32与外界环境隔离。
装配后，如果装置8的温度补偿不能满足所需的性能，则要提高端盖28的刚度，这通过在更接近隔离物26的距离处再次将端盖28熔接到壳体30而实现。这样使最终装配能够进行精确地调整，而不需要任何的拆卸。
参考图4，对于此处记载的任何实施方式，可以用嵌入元件10的两个或更多光栅50，52代替位于元件10的单一光栅。光栅50，52可以具有相同的反射波长和/或外形或者具有不同的波长和/或外形。多个光栅50，52可以用于已知的法布里珀罗干涉仪或者谐振器装置。
进一步地，一个或多个纤维激光器，如美国专利No.5,666,372所记载的“可调压缩纤维激光器”(在此处结合以作为所需内容的参考以理解发明)可以嵌入到元件10中并保持温度稳定。在这种情况下，光栅50，52形成一个空腔，元件10的部分，至少光栅50，52之间的部分(如果想要的话，也可以包括光栅50，52，和/或光栅外的那部分元件10)掺入一种或多种稀土搀杂剂，例如铒和/或镱，等，当作用于元件的轴向力改变时，发射激光的波长也相应得到调整。
参考图5，可使用的另一种可调整纤维激光器是可调整分布式(DFB)反馈纤维激光器60，如V.C.Lauridsen等人于1998年10月15日出版的《电子Letters》第34卷第21号，第2028至2030页；P.Varming等人于1995年出版的《UV后加工处理产生的永久π/2相移涂铒纤维DGB激光器》IOOC’95，Tech.Digest第5卷PD1-3；Kringlebotn等人发明，专利号为5,771,251，题为“光纤分布式反馈激光器”的美国专利；或者D’Amato等人发明，专利号为5,511,083，题为“偏振纤维激光源”的美国专利所述。这种情况下，光栅被称为稀土掺杂光纤，并且在接近光栅12中心的预定位置64处有λ/2的相移，它提供确定的谐振条件，可以在单一纵向模式操作下连续调整，而无需模式切换，如公知的情况。另外，用两个光栅50，52取代单一光栅，它们的位置足够接近以形成(N+1/2)λ长度的空腔，这里N为整数(包括0)，光栅50，52位于稀土掺杂光纤中。
另外，DFB激光器60可位于一对光栅50元件10中，52之间的，这里元件10至少在沿着光栅50，52之间的距离部分涂覆稀土搀杂剂。这种结构被称为“交互式纤维激光器”，如Pan等人发明，专利号为6,018,534，题为“纤维布拉格光栅DFB-DBR交互式激光器以及相关纤维激光源”的美国专利所述。如果需要的话，可在元件10中放置其他单一或者多纤维激光器装置。
在这种情况下(前面所讨论的)，元件10通过断裂和熔接玻璃毛细管到光纤而构成，光纤和/或光栅12熔接到管，所述管在光纤和/或光栅12上施加初始预压缩(受压或受拉)或者无预压缩。例如，如果派热克斯玻璃或者其他CTE大于硅石光纤的玻璃用作管，那么当管加热和熔接到光纤然后冷却时，光栅12因管处于压缩状态。另外，在管加热和熔接的过程中，纤维光栅12封装于管中处于受拉状态，通过下列方式实现，使光栅处于受拉状态；使管处于压缩装置，并熔接光纤到管，外部施加压力，接着在熔接完成后释放压力；或者加热和伸长管，所述位于光纤熔接到管的两熔接点之间。并且，纤维光栅12可以封装到管中，该管对光栅既无拉力也无压力。
参考图14，示出了管封装光栅的例子，这里光纤75在光栅12的两侧熔接到毛细管77上，如前面专利申请所讨论的。这种情况下，管77的内径d6比光纤75的直径约大0.01到10微米，例如125.01到135微米。也可以使用其他直径；然而为了避免管77轴向受压时光纤发生弯曲，直径d6应尽可能接近光纤10的外径。同时，光栅12到熔接区域的轴间距不需要相对于光栅12的两边呈对称分布。另外，相同的结果也可以通过下述方式实现，在光栅12的两边熔接两个独立的管(未显示)，然后熔接一个外部管通过这两个管。管77可以具有“狗骨”形，如虚线79所示。
另外，可以使用大直径波导和管封装光栅两者的结合来形成这里所述光学元件10的任何给定实施方式。特别地，元件10的一个或更多的轴向部分可以是管封装光栅或光纤，和/或一个或更多其他轴向部分可以是大直径波导，这些波导轴向接合或者熔接或者以其他方式机械地和光学地耦合在一起，从而使波导芯对准熔接到管的光纤芯，如前述专利申请中所讨论的。例如，光学元件的中央区域24可以是大直径波导，一个或两个轴端可以是管封装光纤，它们熔接在一起，如虚线150，152或者visa versa(图1)所示。
另外，参考图6，两根或更多芯位于元件10内，每根芯中至少有一个光栅。芯和芯之间可以如芯70所示那样相接触，或者如芯72所示那样分开一个预定距离。芯之间的距离可以是任何需要的距离，并可在元件10中任意定向和定位。
参考图7，补偿材料隔离物26可位于箱体80的两相对端82，84之间，而不熔接到外部壳体30上与其成一体。可以有一孔86通过端82，84从而允许一根或两根光纤19，42穿过。
箱体可由高强度金属或者金属合金材料构成，优选低CTE但又高于硅石的材料，如400系列不锈钢，钛，镍一铁合金，如特级铁镍合金钢，镍铬合金钢，易切削钢(Carpenter工艺公司已注册的商标)，这些合金包含不同比例的碳锰，硅，镍，钴和铁以及硒，或者高强度，低CTE材料。当箱体优选地由低CTE材料构成时，也可以使用其他高CTE材料，如铬镍铁合金这样的锰基合金，以及铬镍铁合金，镍铬钛合金(IncoAlloys国际股份有限公司已注册的商标)，这些材料包含不同比例的镍，碳，铬，铁，钼和钛(例如625号铬镍铁合金)。当优先选取CTE相对低的材料时，获得重视和认可的是任何具有更高CTE的高强度材料都可以被使用，但要注意装置(即，箱体)的尺寸取决于材料的CTE。
参考图8和11，除了本发明在温度范围内保持稳定的单一波长外，本发明也允许使用激励器90动态地调整想要的波长，如使用压电(PZT)激励器，适当机械连接的步进电机，磁力控制装置或者提供元件10压缩负载的任何其他技术。激励器90对导线94上由控制器92发出的控制信号作出反应。激励器和控制器92类似于上述1999年12月6日提交，序列号为09/456,112，题为“可调整压缩布拉格光栅和激光器”的共同未决的美国专利申请所述。这种情况下，元件10受激励器90的轴向压缩而设置想要的波长。激励器90对元件10产生轴向压缩负载，以确定光学光栅波长或者其他类似的可调的光学性能。可以有孔91通过激励器90以使光纤穿过。
在图8中，激励器90直接压缩元件10，在图11中，激励器压缩热补偿装置8，或者调整其他能够被轴向压缩的热补偿装置，所述装置8如图1，7，9，10中所示。
参考图9，另一种设置预压缩的方法为具有左“C”形状横截面的箱体111和端盖112。元件10和补偿材料隔离物26位于箱体111内部，导线(例如，钢琴导线)106，108焊接到箱体111的端部及端盖112上，如点110所示。这一结构允许装置预设应变而无需环氧树脂，粘胶剂，或者其他黏合剂，也不需要复杂的工艺过程。箱体和端盖的其他结构，如两个端盖和一个中心圆筒，可以与刚性的导线一起使用以设置拉紧力。
参考图10，另一种设置预压缩以及补偿材料隔离物26长度的方法为使用一个小固定螺丝130，它连接到隔离物26或成为其中一部分，并拧入一个大国定螺丝132中，大固定螺丝设置预压缩力。对于作用于元件10上任何想要的预压缩应变，这一安排留出将要安置的隔离物26的长度。
参考图12，装置8设计为外部壳体30具有一系列弹簧，同时一根弹簧与端盖28、隔离物26以及元件10并联。在系统中使用兼容等式以及平衡力，可预知的模式用公式表示以预测光栅12的波长变化作为温度的函数。根据应用，可以设想有一种装置8在特定温度范围内呈线性变化。我们已经发现至使装置8将在整个有效温度范围内呈线性变化，元件10上的初始压力F应进行设置从而使元件10在整个有效温度范围内在元件10的弹簧常数曲线204的线性区域200中工作。元件10上的初始轴向预压力必须这样，当温度下降以及元件和隔离物的长度收缩时，在有效温度范围内元件上保持足够的压力，从而使元件10不进入非线性区域202。
参考图15和图16，图解说明本发明的无热光学装置200的另一个具体实施方式
。无热装置包括大直径光学波导202(例如，杖和被断裂管)，它作为提供通常“狗骨”形的基础，如前文所述。波导包括置于一对轴端210之间的中央部分208。布拉格光栅204置于光波导202中央部分208的芯206中。在一个实施方式中，波导202的总长度为22.6mm，其中中央部分208的长度为14.4mm，每个轴端210的长度为2.7mm。轴端以大约45度角向中央部分逐渐变细。小块212从每个轴端210轴向延伸以耦合到各自的光学尾光纤部件214。轴端210以大约60度角向中央小块212逐渐变细。波导202的轴端的外径约为2.0mm，中央部分208和小块212的外径约为0.8mm。小块的末端以大约9度的角进行切削和抛光。
每一个尾光纤部件214包括一段光纤216(即SMF28)，光纤有一个玻璃管218环氧于其一端以形成耦合端220。管218的外径约等于小块212的外径，内径稍大于光纤216的外径以允许光纤还氧于管内。尾光纤部件214的耦合端220以小块212的余角(即，9度)方向进行切削和抛光。尾光纤部件末端的耦合端连接在，如通过环氧或者熔接在光波导202的小块成角度的那端。由于波导/尾光纤的交界面，尾光纤和波导成余角的表面可减小光沿着芯206反射回去。
连接尾光纤部件214的光波导202以及补偿隔离物或者杆240置于管状箱体222内，箱体由高强度金属或合金材料制成，优选低CTE但又高于硅石的材料，如前文所述。
固定端盖224和可调整端盖226(由上文所述与箱体类似的材料制成)分别焊接在箱体222的两端以确保和维持光波导与补偿隔离物240轴向对准。固定端盖224的外径基本上与箱体的内径(即，0.16mm)相同。固定端盖224的外部从箱体222的端面向外延伸，并且该外部包括一个用于容纳应变消除保护罩230的环形槽228，将于下文更详细地描述。进一步地，固定端盖224包括一个孔232，它用于容纳应变消除装置234并使尾光纤部件214的光纤216穿过。
补偿隔离物或者杆240，如图16所示，置于固定端盖224和光波导202之间。隔离物240的外径稍小于箱体的内径(即，0.157英寸)。隔离物240包括轴向放置的阶梯孔，用于容纳尾光纤部件214。隔离物的一端具有圆锥截体形的轴向预留孔，以提供一个用于容纳和放置波导的轴端210和小块212的基座。小块212和尾光纤部件214的连接耦合端220容纳于孔的内部，孔内部的直径稍大于小块和耦合端的外径。孔的阶梯状部分容纳尾光纤部件的光纤216，并且其直径大于隔离物的孔内部直径，以确保无热装置200膨胀和收缩的过程中隔离物和光纤之间不接触，如下文所述。隔离物240中的圆锥截体预留孔有助于对准波导202和隔离物240，由此减少使波导受损(即，裂纹，变形)的可能性。
隔离物240由金属或者金属合金制成，例如钢，不锈钢，铝，高膨胀合金，高膨胀合金如高膨胀“19-2”，高膨胀“22-3”，高膨胀“72”，(Carpenter工艺公司的已注册商标)，其包含不同比例的碳，锰，硅，铬，镍，铁和铜，或者其他热膨胀系数高于箱体222的材料。这样选择光波导，端盖以及隔离物的CTE和长度，使光栅204的反射波长在预定温度(即，100℃)范围内基本上不发生变化。更特别地，隔离物240的长度设定为抵消因温度和箱体，波导以及端盖的热膨胀引起的光栅波长变化，如下文将要描述的。当温度升高时，隔离物长度比光波导长度膨胀得快，它改变光栅波长直到平衡随温度升高而改变的固有波长。
可调整端盖226支撑并对准光波导202的另一端。与固定端盖224相似，可调整端盖226外径基本上与箱体222的内径(例如，0.16英寸)相同。可调整端盖226从箱体的端面向外延伸，并包括用于容纳另一个应变消除保护罩230的环形槽242。进一步地，可调整端盖226包括一个孔，用于容纳应变消除装置234并使尾光纤部件214的光纤216穿过。类似于隔离物240，可调整端盖226包括轴向放置的阶梯孔，用于容纳尾光纤214穿过。可调整端盖的一端有一个圆锥截体形的轴向预留孔，以提供用于容纳和放置光波导202的另一轴端210和小块212的基座。小块212和尾光纤部件214的连接耦合端220容纳于孔内部，孔内部的直径稍大于小块和耦合端的外径。孔的阶梯部分容纳尾光纤部件214的光纤216，且其直径大于可调整端盖226的内部直径。可调整端盖的大直径确保在无热装置200膨胀和收缩的过程中在可调整端盖和光纤216之间不接触，如下文将要描述的。可调整端盖226内的圆锥截体预留孔有助于对准波导202和可调整端盖，由此减少波导受损(即，裂纹，变形)的可能性。可调整端盖的长度大于固定端盖224的长度。例如，可调整端盖约为0.75英寸，而固定端盖的长度约为0.32英寸。
另外，一对平面244在可调整端盖226的外表面磨削或形成，以保持可调整端盖在调整和机械预烧过程中旋转定位于箱体222和光波导202中。平面244沿径向以预定角度(例如，120度)分布，并沿轴向延伸一个预定长度(即，0.290英寸)，允许可调整端盖226保持旋转装配时的轴向位移。所述平面对准置于箱体222内的一对孔246，孔也沿径向以120度分布。箱体222内的孔246容纳一对弹簧加载销(未示出)，它们在装配过程中置于安装在箱体外表面上的轴环(未示出)内。销延伸通过孔246与可调整端盖226的平面244衔接，同时轴环将箱体与可调整端盖临时夹紧。
无热装置200装配过程中，校准管(未示出)首先穿过箱体222，用于对准波导，补偿隔离物240以及固定端盖224；并提供一种装置使尾光纤部件214的光纤216易于穿过隔离物，箱体和固定端盖。首先，校准管穿过箱体，然后隔离物越过该管，尾光纤部件214(连接到波导)的光纤216也穿过该校准管。接着，当校准管从固定端盖拉动时，隔离物240和波导202被放置于箱体内以与固定端盖224邻接。然后可调整端盖226通过另一个尾光纤部件214的光纤216，并插入箱体222，以完成装配和这些部分的校准。
一旦装配，可调整端盖226就被一个装置(未示出)压缩以预加载光波导202并设置光栅204的反射波长，所述装置包括步进电机或者PZT。当监控从光栅反射回来的光时，可调整端盖226被调整为使光栅204达到选定波长。然后箱体222焊接到可调整端盖226。为了实现焊接步骤，箱体包括多个向内部逐渐变细的锥孔248，这些孔绕着箱体222呈径向分布。锥孔248置于可调整端盖226的平面244前端接近光波导202。在焊接过程中，每个锥孔248的内边缘被点焊于可调整端盖226上。
在预加载波导202以及将可调整端盖226焊接到箱体222之前，无热装置200经过热预烧和机械预烧步骤。热预烧步骤中，无热装置放在烤炉中，温度在预定温度范围内循环。机械预烧过程中，激励器(未示出)与可调整端盖226连接，并且在预定范围内使波导202增压和减压一个预定的周期数(例如，50周期)。预烧步骤在部件之间的交界面机械地和热地运转，以使交界面稳定。
参考图16和图17，无热装置200包括安装于固定端盖和可调整端盖224，226内的应变消除部件234，它用于消除波导/尾光纤部件的交界面处由于箱体222，端盖224，226，隔离物240以及光波导202的热膨胀和收缩引起的对尾光纤部件的应变。这里输入/输出光纤216严格固定在箱体222上，应变消除部件防止拉力损坏光波导或者脱离/未对准尾光纤/波导的接合部分。光纤216装配到箱体222的问题为由于硅石光纤极低的TCE则通常存在大的热膨胀差。这一失配导致应变传到光纤，也传到尾光纤的连接部分。如果箱体222由于热膨胀力也发生弹性变形，那么这一问题进一步加剧。应变消除部件234减小或者消除尾光纤部件由这些热失配引起的应变。
应变消除部件234包括由聚合物(例如，Hytrel)构成并环氧于膨胀金属套圈252内的外部套管250，套圈由金属，金属合金或者聚合物构成，如不锈钢，铝，聚酰亚胺以及聚合物合成物，如polyetheretherketone(例如，Peek381G，Vitrex USA有限公司已注册商标)，或者其他TCE高于光波导202的TCE的材料。金属套圈252有一个阶梯孔，由此阶梯孔其中一部分的直径基本上与套管250的外径相同，阶梯孔另一部分的直径基本上与尾光纤部件214的光纤216外径相同。金属套管252包括一个预留孔用于容纳具有“环状物”形状的环氧预制件253。应变消除部件234通过使光纤216穿过膨胀金属套圈252以及外部套管250而固定于无热装置200的相应端。金属套管的外端在254处用环氧或者其他适当的方式(即，焊接)连接到可调整端盖226。然后无热装置200在烤炉中预定温度下烤一段预定时间如环氧预制件253的说明中所需要的，以便将金属套管252的内端256连接到光纤216。金属套管252的长度由其材料以及为补偿无热装置200各部件的CTE失配而需要的热膨胀位移来确定，如下文详细描述的。
要认识到，如果箱体222和端盖224，226以及波导202的CTE失配不严重，那么可以不需要应变消除234。在这种情况下，硅管可以环氧到尾光纤部件214的光纤216，然后尾光纤214被连接到端盖224，226。
为了完成无热装置200的装配，宽度基本上等于箱体222端部与应变消除保护罩230间距的环258被放置在可调整端盖226上。然后由聚合物(例如，Santoprene)构成的应变消除保护罩230配合到端盖224，226的槽228，242中。
无热装置200的制造和装配包括应变精确应用于布拉格光栅204。装配的过程中，部件交界面的固有设置在光栅中心波长处引起不可预知的变化。为了补偿中心波长的这些变化，无热装置200在装配后通过塑造或者其他使箱体变形的方式进行细微地调整，由此实现对波导202选定量的压缩。作用于波导的压力变化依次调整布拉格光栅的反射波长。例如，箱体可被伸长以减小作用于波导202的压力，由此增加光栅204的反射波长。
使箱体222变形的一种方法为圆周地滚动箱体外表面，如通过在箱体上压一个钝轮，并绕箱体滚动轮子，而使箱体伸长。伸长箱体的其他方法包括用CO2激光器加热表面重熔箱体的材料，并通过作用于箱体表面的水压力将箱体卷边。使箱体变形的另一种方法为喷丸加工表面，如通过在箱体表面处喷撒玻璃珠。注意对光栅中心波长的最初调整应当小于想要的中心波长(例如，-20pm)以确保能够使用伸长箱体的方法，这一点非常重要。另外，箱体压缩变形以增加作用于波导的压力，从而导致光栅较低的反射波长。
为了调整处于受压状态中的光波导202的光栅波长而使箱体变形时，需要注意和重视的是处于拉紧状态的光波导的光栅204也可以用这种使箱体变形的方法进行调整。
参考图18，图解说明本发明无热光学装置300的另一个实施方式。波导202和尾光纤部件214与图15中所示的波导和尾光纤部件相同，因此，标号相同。无热装置300说明这样一个实施方式，该实施方式具有箱体302，端盖304，306，补偿器座308以及具有高CTE的热补偿隔离物310。例如，箱体和端盖可以由钛制成，隔离物可以由铝制成。类似于图15至17中的无热装置，固定端盖304焊接到箱体302的一端内。固定端盖304的内表面有一个圆锥截体形凹槽，容纳补偿隔离物310的一端。
补偿隔离物310悬在固定端盖304和补偿器座308之间，以防止补偿隔离物与箱体302的内表面接触。补偿器座308由类似于箱体和端盖304，306的材料(例如，钛)制成。座308的两个端面都具有圆锥截体状的凹槽，该凹槽的一个端面容纳波导202的轴端210，另一个端面容纳隔离物310。座310包括一个轴向通孔，其稍大于光波导202的小块212和尾光纤部件214的耦合端220。
补偿隔离物310的外径小于箱体302的内径(即，0.157英寸)。隔离物包括一个轴向通孔，用于容纳尾光纤部件214的光纤216穿过。隔离物310的两个端面与固定端盖304和补偿器座308的相应凹槽呈互补的锥形，以便能够分别搁在相应的凹槽中。
隔离物310由金属材料，如铝，或者其他比箱体的热膨胀系数(CTE)高的材料制成，如前文所述。这样选择光波导，固定端盖和隔离物的CTE及长度从而使得光栅204的反射波长在预定温度范围内基本上不改变。更特别地，隔离物310的长度设定为抵消因温度改变以及箱体，波导和端盖的热膨胀引起的光栅波长变化。当温度升高时，隔离物长度比光波导长度膨胀得快，它改变光栅波长直到平衡随温度升高而改变的固有波长。
可调整端盖306支撑并对准光波导202的另一轴向端210。与固定端盖304相似，可调整端盖306的外径基本上与箱体302的内径(即，0.16英寸)相同。固定端盖304从箱体302的端面延伸，并包括用于容纳一个应变消除保护罩314的径向槽312。进一步地，固定端盖304包括一个孔，用于容纳应变消除部件314并使尾光纤部件214的光纤216穿过。可调整端盖306包括轴向放置的阶梯孔，用于容纳尾光纤穿过。可调整端盖的一端有一个圆锥截体形轴向预留孔，以提供用于容纳和放置光波导202的另一个轴端210和小块212的基座。小块212和尾光纤部件214的耦合端220容纳于孔内部，孔内部的直径大约与小块的外孔和耦合端相同。孔的阶梯部分容纳尾光纤部件214的光纤216，并且其直径大于可调整端盖306的内部。可调整端盖的较大直径防止当光纤发生松弛时在可调整端盖和光纤之间发生接触。配备圆锥截体形预留孔是出于对准的目的和/或为了减小裂纹的可能性或者其他原因。
可调整端盖306就被一个装置(未示出)轴向压缩以预加载光波导202并设置光栅204的反射波长，所述装置包括步进电机或者PZT。当监控从光栅反射回来的光时，可调整端盖306被调整为使光栅204达到选定波长。然后箱体302焊接到可调整端盖306。为了实现焊接步骤，箱体302包括一对狭缝，在箱体端部纵向延伸接近可调整端盖306。在焊接过程中，每个狭缝的内边缘被点焊于可调整端盖306上。
参考图18和图19，无热装置300包括安装于固定端盖和可调整端盖304，306内的应变消除部件320，它用于消除波导/尾光纤部件的交界面处由于箱体302，端盖304，306，隔离物310，补偿器座308以及光波导202的热膨胀和收缩引起的应变。这里输入/输出光纤216严格固定在箱体306上，应变消除部件防止拉力损坏光波导或者脱离/未对准尾光纤/波导的接合部分。如前文所述，应变消除部件320减小或者消除尾光纤部件由这些热失配引起的应变。
应变消除部件320包括由聚合物(例如，Hytrel)构成并环氧于膨胀金属套圈324的外部套管322，套圈由金属，金属合金或者聚合物构成，具有TCE高于光波导202的TCE的材料。金属套圈324有一个孔，其直径基本上与尾光纤部件214的光纤216外径相同。金属套管324包括一个预留孔，用于容纳具有“环状物”形状的环氧预制件326。应变消除部件320通过使光纤216穿过膨胀金属套圈324以及外部套管322而固定于无热装置300的相应端。金属套管的外端在328处用环氧或者其他适当的方式(即，焊接)连接到可调整端盖306。然后无热装置300在烤炉中预定温度下烤一段预定时间如环氧performs326的说明中所需要的，以便将金属套管的内端329连接到光纤216。金属套管324的长度由其材料以及为补偿无热装置300各部件的CTE失配而需要的热膨胀长度来确定，如下文详细描述的。
为了完成无热装置300的装配，宽度基本上等于箱体302端部与应变消除保护罩314间距的环330被放置在可调整端盖306上。然后由聚合物(例如，Santoprene)构成的应变消除保护罩314配合到端盖304，306的沟槽304，312中。
图20示出图18中无热装置300的简化实施方式400，以说明无热装置中每个部件在100℃的温度范围内的热膨胀和收缩。因此，简化实施方式400的参考数字与图18中相应部件的参考数字相同。
如前文所述，金属套管324的长度取决于其材料组成以及无热装置400中的每个部件在预定温度范围内的位移。特别地，为了确定应变消除部件320的金属套管324所需长度，必须考虑无热装置中每个部件的热位移和弹性位移，其中应变消除部件320用于消除光纤216的应变。因此，每个部件的最终位移用下面方程式确定δnet＝δt+δe (1)其中δt为部件的热位移，δe为部件的弹性位移。
每个部件的热位移(δt)由下面方程式确定δt＝γ*ΔT*L(2)其中γ代表部件的材料的C.T.E.；ΔT是温度(℃)δ；L是部件的长度(μm)。
例如，端盖304，306的长度为6350.0μm，由杨氏模量为1.65E+07，CTE为8.70E-06的钛构成，则其热位移为5.52μm。长度为3175.0μm的钛补偿器座310，其热位移为2.76μm。光波导202的每个轴端210，长度均为3002.3μm，由Young’s Modulus为1.05E+07，CTE为5.50E-07的硅构成，其热膨胀为0.17μm。波导202的中央部分208，长度为14010.6μm，其热膨胀为0.77μm。补偿隔离物308，长度为24130.0μm，由杨氏模量为1.00E+07，CTE为2.34E-05的铝构成，其热膨胀为0.17μm。钛箱体302，长度为60020.2μm，其热膨胀为52.22μm。
每个部件的弹性位移(δe)用下面方程式确定δe＝P*L/(A*E)(3)其中“P”(lbs)代表箱体302的最终负载；“L”代表部件的长度(μm)；“A”(μm2)代表部件的外部面积；“E”代表部件的杨氏模量。
每个部件的面积(A)由下面方程式确定A＝(D02-Di2)*π/4 (4)其中“D0”代表部件的外径；“Di”代表部件的内径。
最终负载(P)由下面方程式确定P＝δts+δtc+δta+δtp+δti+δybLs+Lc+La+Lp+Li+Lb(5)As*Es Ac*Ec Aa*Ea Ap*Ep Ai*Ei Ab*Eb其中下标“s”代表补偿器座308的参数；下标“c”代表补偿隔离物310的参数；下标“a”代表波导202轴端210的组合参数；下标“p”代表端盖304，306的组合参数；下标“i”代表波导202中央部分208的参数；下标“b”代表箱体302的参数。
例如，端盖304，306的外径为4013μm，内径为1575μm，则其弹性位移为-0.20μm。补偿器座310的外径为4013μm，内径为1575μm，则其弹性位移为-0.10μm。波导202每个轴端210的外径2007μm，则其弹性膨胀为-0.51μm。光波导202中央部分208的外径813μm，则其弹性膨胀为-14.74μm。补偿隔离物310的外径3429μm，内径1575μm，则其弹性膨胀为-1.84μm。
因此，根据方程式(1)，每个部件的最终位移(δ11)，由图20中标注的位置(ST0-ST7)确定，表示如下
Station0δnet＝0.00μmStation1δnet＝5.52μm+(-0.20μm)＝5.32μmStation2δnet＝0.17μm+(-0.51μm)＝-0.34μmStation3δnet＝0.77μm+(-14.74μm)＝-13.97μmStation4δnet＝0.17μm+(-0.51μm)＝-0.34μmStation5δnet＝2.76μm+(-0.10μm)＝2.66μmStation6δnet＝56.46μm+(-1.84μm)＝54.62μmStation7δnet＝5.52μm+(-0.20μm)＝5.32μm所有部件的总最终位移(即，ST0与ST7之间的位移)为53.28μm。
图21图解说明了上述确定的最终轴向位移(μm)与无热装置400的轴向位置(μm)在100℃δ时的关系曲线。如图所示，应变消除金属套圈324必须补偿以防止尾光纤的压力和张力的位移约等于位置4和位置7之间的最终位移，约等于62.60μm。注意到光纤216在位置4和位置7之间的长度范围内具有-1.85μm的热位移，所述长度范围约为33,655μm。因此，光纤216的位移减少对于应变消除金属套圈所必须的位移量以扩大到大约61.38μm。根据方程式(2)，为了补偿61.38μm的位移，应变消除金属套圈324的长度约为12,400μm，其中金属套圈由CTE为4.95E-05的聚酰亚胺材料制成。
对图18实施方式一侧的附图和作出的计算说明，但是如图所示，这些能够应用于无热装置400的两端。在图20所示的实施方式中，光波导202和刚性尾光纤部件214于位置4(ST4)处的连接在100℃δ时相对于无热装置右端位置7(ST7)移动了大约61.38μm，并且在位置8(ST8)与金属套管324结合。当温度升高时，金属套管324向无热装置400的左端朝向位置0(ST0)膨胀，因此移动了光纤216自己的结合点。这导致在一个广泛的温度范围内，接近0应变减去尾光纤中光纤膨胀的较小量。光纤216的任何拉力沿轴向传送通过金属套管324，并且返回箱体302，因此，对于这种压缩负载，管必须设定为具有足够刚硬和刚性。
应变消除部件320装配到箱体302在高于最大工作温度(例如＞100℃)的温度处进行，以确保在波导/尾光纤交界面上具有最小的应变。进一步地，金属套管324的长度减小其计算而得长度的预定量(例如，大约20％)，以便在整个工作温度范围内提供光纤216的下垂常数，由此补偿部件中的任何公差。金属套管的长度减小使光纤214下垂时，下垂量不应该导致光纤与补偿隔离物310的壁接触，将产生对光纤的微小弯曲和/或弯曲应力。
端盖和补偿元件的基座，用于容纳波导的轴端，通常呈锥形或者圆锥截体形，应该认识到所述座可以是任何其他的形状和几何图形，如圆形，六角形以及平面。
前文所述无热装置具有补偿隔离物和端盖，应该认识和重视的是端盖的一个或两个也可以如补偿隔离物一样工作，这样去掉了独立的补偿隔离物。
例如，如图22所示，对本发明无热光学装置的另一个实施方式进行图解说明。波导202和尾光纤部件214与图15所示的相同，因此，标号相同。无热装置300说明如下实施例，该实施例有多个支撑杆502，一对补偿端盖504连接到支撑杆的端部，支撑杆支撑其中的光波导202。支撑杆的作用如前文所述的箱体。
支撑杆502可以由高强度金属或者金属合金材料制成，优选低CTE但又高于硅的材料，如400系列不锈钢，钛，镍—铁合金，如特级铁镍合金钢，镍铬合金钢，易切削钢(Carpenter工艺公司已注册的商标)，这些合金材料包含不同比例的碳，锰，硅，镍，钴和铁和硒，或者高强度，低CTE材料。同时支撑杆优选由具有低CTE的材料制成，也可以使用其他具有高CTE的材料，如铬镍铁合金的镍基合金，因科镍铬不锈钢以及镍铬钛合金(IncoAlloys国际有限公司的已注册商标)，这些材料包含不同比例的镍，碳，铬，铁，钼和钛(例如，625号铬镍铁合金)。当优选CTE相对低的材料时，也要重视和注意到任何具有更高CTE、高强度的材料也可以使用，但要注意装置(即，支撑杆)的尺寸取决于材料的CTE。
两个补偿端盖504都包括内部508和外部510，且其外径大于内部直径。补偿端盖504包括轴向放置的孔，该孔用于容纳尾光纤部件214穿过。端盖504的内端有一个圆锥截体的轴向预留孔，它为容纳和放置光波导202相应的轴端210和小块(未示出)提供基座。孔具有足够的直径以确保在无热装置500膨胀和收缩时端盖和光纤216之间不接触，如前文所述。
支撑杆502的端部被焊接到端盖510的外部。优选地，至少有三个沿径向平均分布的杆用于在端盖和支撑杆之间提供三个接触点，以使得端盖更易于中心对准。另外，支撑杆之间的空间距离可以在装配过程中实现端盖504和波导202的光学校验。
补偿端盖504由金属或者金属合金制成，例如钢，不锈钢，铝，高膨胀合金，高膨胀合金如高膨胀“19-2”，高膨胀“22-3”，高膨胀“72”，(Carpenter工艺公司的已注册商标)，其包含不同比例的碳，锰，硅，铬，镍，铁和铜，或者其他热膨胀系数高于支撑杆502的材料。光波导202和端盖504的CTE和长度这样选择，从而使光栅204的反射波长在预定温度(即，100℃)范围内基本上不发生变化。更特别地，端盖504的长度设定为抵消因温度和支撑杆502和波导的热膨胀引起的光栅波长变化，如前文所述。当温度升高时，每一个端盖的长度比光波导的长度膨胀得快，它改变光栅波长以平衡随温度升高而改变的固有波长。
无热装置500包括应变消除部件512，类似于前文所述的应变消除部件234，其安装于补偿端盖504内部，用于消除波导/尾光纤部件的交界面处由于支撑杆502，端盖以及光波导202的热膨胀和收缩引起的对尾光纤部件的应变。
另外，支撑杆502可以用圆柱箱体或外壳取代类似于前文所述。进一步地，圆柱箱体可以有多个沿径向分布的狭缝或者径向延长的开口，以光学校验端盖504和波导202的对准情况。
应该了解，除非这里声明的其他情况，否则这里描述的有关特定实施方式的任何特点，特性，替换或者修改可以被实施，使用，或者与这里任何其他实施方式结合。
尽管本发明已经描述和图解说明了关于其中典型的实施方式，但是可以进行对前述和各种各样其他的增加和删除，并且不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种温度补偿光学装置，包括光学元件，沿其纵向轴至少有一个光栅置于其中，所述光栅具有一个特性波长，随环境温度及作用于所述光学元件的轴向压力而变化，所述光学元件由具有元件热膨胀系数的元件材料构成；隔离物，接近所述光学元件的轴端放置，且由具有隔离物热膨胀系数的隔离物材料构成，所述隔离物的热膨胀系数大于元件的热膨胀系数；箱体，与所述隔离物和所述光学元件装配在一起，使得所述隔离物和所述光学元件的至少一个部分在工作温度范围内处于受压状态，所述箱体的箱体热膨胀系数小于所述隔离物的热膨胀系数；以及所述特性波长在所述工作范围内的改变小于预定量。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于所述箱体包括一个接近所述隔离物一个轴端放置的端盖。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于所述箱体包括外部壳体，其一轴端熔接到所述端盖，另一轴端熔接到所述元件的相对轴端。
4.根据权利要求1的装置，其特征在于所述光学元件的外径至少为0.3mm，并且所述光学元件的至少一部分具有这样的横截面，该横截面邻接并由基本上相同的材料制成。
5.根据权利要求1的装置，其特征在于所述光学元件包括光纤，所述光栅嵌入其中；一个管，具有所述光纤和所述光栅沿所述管的纵轴封装其中，所述管熔接到所述光纤的至少一部分。
6.根据权利要求1的装置，其特征在于所述光学元件包括大直径光波导，该光波导具有外部包层和置于其中的内芯。
7.根据权利要求1的装置，其特征在于所述光学元件包括一个管，沿所述管的纵轴熔接到至少一部分光纤；大直径波导，具有外部包层和置于其中的内芯；以及所述管和所述波导轴向熔接以及光学耦合在一起。
8.根据权利要求7的压力传感器，其特征在于所述光栅放置在所述光纤中，并沿所述管的所述纵轴封装在所述管中。
9.根据权利要求7的压力传感器，其特征在于所述光栅放置于所述光波导中。
10.根据权利要求1的装置，其特征在于所述元件材料包括玻璃材料。
11.根据权利要求5的装置，其特征在于所述管熔接到所述光纤，所述光栅定位于所述光纤。
12.根据权利要求5的装置，其特征在于所述管熔接到所述光栅另一轴端的所述光纤上。
13.根据权利要求5的装置，其特征在于所述装置进一步包括多根封装于所述管中的光纤。
14.根据权利要求6的装置，其特征在于所述装置进一步包括多根置于所述波导内的所述芯。
15.根据权利要求1的装置，其特征在于所述可调整元件具有多个置于其中的光栅。
16.根据权利要求1的装置，其特征在于所述光学元件具有至少一对光栅置于其中，并且所述光学元件中至少在所述一对光栅中间的部分掺入稀土搀杂剂以形成激光器。
17.根据权利要求16的装置，其特征在于所述激光器在发射激光波长处发射激光，该波长随所述光学元件上作用力的改变而改变。
18.根据权利要求1的装置，其特征在于所述光学元件的至少一部分掺入稀土搀杂剂，所述光栅位于该掺杂部分，并进行配置以形成分布式反馈激光器。
19.根据权利要求18的装置，其特征在于所述分布式反馈激光器在发射激光波长处发射激光，该波长随作用于所述可调整元件上作用力的改变而改变。
20.根据权利要求1的装置，其特征在于所述元件材料包括硅。
21.根据权利要求1的装置，其特征在于所述可调整元件的至少一部分包括圆柱形。
22.根据权利要求1的装置，其特征在于所述可调整元件包括这样一种形状，所述形状对所述特性波长的改变提供预定的灵敏度，而这种特性波长的改变是由于所述可调整元件上作用力的改变而引起的。
23.根据权利要求22的装置，其特征在于所述元件的所述形状包括狗骨形。
24.根据权利要求1的装置，进一步包括激励器，其提供作用于所述光学元件的轴向作用力，以设置所述光栅的所述特性波长。
25.根据权利要求1的装置，其特征在于所述元件的压缩在所述工作温度范围内保持在线性弹簧区域内。
26.根据权利要求1的装置，其特征在于所述隔离物材料包括金属。
27.根据权利要求1的装置，其特征在于所述隔离物材料包括铝。
28.根据权利要求1的装置，其特征在于所述隔离物材料和所述光学元件由玻璃材料构成。
29.根据权利要求1的装置，其特征在于所述隔离物材料，所述光学元件，以及所述端盖熔接在一起作为整体装置。
全文摘要
一种温度补偿光学装置，包括可变压缩玻璃元件(10)，其中具有一个布拉格光栅、补偿材料隔离物(26)以及端盖(28)，这些部件均安装于外部壳体(30)内。元件(10)、端盖(28)以及壳体(30)均由热膨胀系数(CTE)低的材料制成，例如，硅石，石英等。隔离物(26)由较高CTE材料制成，例如，金属派热克斯玻璃，陶瓷等。隔离物(26)的材料和长度L5选择为抵消因温度引起的光栅波长变化。当温度升高时，隔离物(26)膨胀得比硅石结构快，导致压缩应变作用于元件(10)，它使光栅(12)的波长改变以平衡内在温度随变化的波长。因此，光栅(12)的波长在广泛的温度范围内基本上不改变。元件(10)包括光纤，所述光纤包含至少一个铭印其中的布拉格光栅(12)，封装及熔接到玻璃毛细管的至少一部分，或者带有光栅(12)的大直径波导(或杖)，它具有芯(11)和大包层，在承受大范围轴向压缩应变时不发生弯曲。元件可以具有“狗骨”形以增大光栅(12)上的压缩应变。装置(8)也可以放置于轴向可调整的系统中，该系统在保持无热时允许波长动态调整。除光栅外，装置可以是无热激光器，DFB激光器等。并且，整个装置(8)可以全部由整块玻璃材料构成。
文档编号G02B6/00GK1439106SQ01809092
公开日2003年8月27日 申请日期2001年2月22日 优先权日2000年3月16日
发明者J·M·沙利文, T·J·拜利, R·N·布鲁卡托, T·W·恩格尔, M·R·费纳尔德, R·T·琼斯, A·D·凯西, T·麦多加尔, M·B·米勒, M·A·普特纳姆, P·E·桑德斯, J·S·西尔基斯 申请人:塞德拉公司