专利名称：光学器件和熔融封接剂的制作方法
发明的领域一种光学器件，包括负的或接近零膨胀的基片和通过熔融封接剂封接于其上的光学元件。
发明的背景通常使用熔融封接作为连接元件的方法以形成复合制品。以前，熔融封接用于制造诸如电灯泡、阴极射线管和其它显示装置这类制品。
制造这类制品需考虑的主要问题是热膨胀系数(CTE)的匹配。要求最终封接剂的CTE与被封接的各部件的CTE合理地接近匹配。例如，在阴极射线管中，习惯上要求玻璃元件的CTE在95-105×10-7／℃的数量级。
本发明涉及光学制品或器件，如平面波导、波导光栅(gratings)、耦合器和滤波器。在这些制品中，将光纤与具有接近零或相对较大负值的CTE的基片连接。为了实现这一目的，熔融封接剂必须紧密地粘合在基片和光纤上。其粘结强度必须足以使应变传递穿过玻璃料封接剂(即在基片和光纤之间传递)。
紫外光会引起光纤(如氧化硅和氧化锗-氧化硅光纤)的折射率变化。如此变化的光纤适用于制造复杂的、窄波段光学元件，如滤波器和波道加入／脱离(add／drop)器件。这类器件可作为多波长通讯系统的重要组成部分。反射光栅(或Bragg光栅)是一种光敏器件，它在很窄的波段反射光线。通常这些器件具有以纳米计的波道间距。
采用Bragg效应选择波长进行滤波的不同结构的光学滤波器是已知的。制造滤波器的一种方法包括在光纤内芯中压印至少一种周期性光栅。使两束紫外光的干涉图形透过包层照射内芯。从而形成通常垂直于光纤轴取向的反射光栅。
在氧化硅和氧化锗-氧化硅光纤反射光栅中，折射率随温度的变化支配着中心波长的变化。由光纤光栅反射的光线频率随光栅区域温度的不同而异。因此，这种滤波器不适用于要求反射光频率与温度无关的场合。
显然需要开发一种对温度变化不敏感的体系。1996年1月16日提交的临时申请S．N．60／010，058描述了一种无热效应的(athermal)器件，其中具有正CTE的热敏元件被固定在具有负CTE的基片正表面的两个隔开的位置上。在这种器件中建议使用氧化锂-硅铝酸盐玻璃-陶瓷(β-锂霞石)作为基片。它还报导了可使用有机聚合物胶粘剂、无机玻璃料或金属将元件(如光纤)固定在基片上。
本发明的目的是提供一种光学器件，包括与具有接近零或负CTE的基片结合的具有正CTE的光学元件。本发明另一个目的是提供用熔融封接剂将所述元件固定在基片上的制品。本发明再一个目的是提供一种封接材料，它具有良好的封接性能、低的CTE并能在光学元件和基片之间形成粘合封接。本发明还有一个目的是提供使用熔融封接剂制造这种光学器件的方法。
本发明制品是一种光学器件，包括具有接近零或负CTE的基片和用熔融封接剂固定在基片上的光学元件，所述封接剂是具有正CTE的低熔点玻璃料和具有负CTE的玻璃-陶瓷研磨添加剂(mill addition)的熔融产物。
本发明还涉及制造这类光学器件的方法，该方法包括掺混具有正CTE的低熔点玻璃料与具有负CTE的玻璃-陶瓷研磨添加剂，用该掺混物形成封接浆料，将该浆料施加在基片表面，将光学元件置于封接浆料上，将浆料加热至一定温度并保持一定时间以在元件和基片之间形成封接。
附图的简要说明在附图中，
图1是实施本发明的典型光学器件的侧视图，图2表示封接中遇到的匹配不符的情况。
图3是实施本发明的器件的透视图。
图4是图3所示器件的顶视图。
图5是实施本发明的器件的透视图。
图6是实施本发明的器件的透视图。
图7是实施本发明的器件的侧视图。
图8是实施本发明的器件的透视图。
图9是实施本发明的器件的侧视图。
已有技术可能相关的文献描述于单独的文件中。
发明的描述本发明是在开发一种将光纤粘合固定在CTE比它低得多的基片上的有效方法的过程中作出的。因此，本发明将参照这种制品及其发展进行描述。但是，显然本发明不受此限制，本发明可普遍适用于光学器件中的熔融封接。
为了形成熔融型封接，必须将封接材料加热至一定温度，在该温度它柔软得足以湿润封接表面并形成粘合连接。从许多目的出发，要求封接温度尽可能低。因此，在温度低于500℃，最好为400-500℃形成封接的玻璃料常被称为低熔点或中温的封接用玻璃。
用于形成熔融封接的玻璃质材料通常是粉末状的，并称之为玻璃料。封接用玻璃料常混有一种有机载体(如乙酸戊酯)形成可流动或可挤出的浆料。随后将这种浆料混合物施加至封接表面上(在这种情况下是器件的基片上)。欲封接元件的CTE和封接玻璃料的CTE之间常存在着差异。可加入研磨添加剂以在玻璃料和元件之间形成膨胀匹配。
除了流动性和膨胀相容性以外，还要求封接用玻璃料具有许多其它有利的特性。这些特性包括对欲封接部件的良好湿润性和与有机载体的相容性。具体地说，玻璃料应与常用的硝化纤维素和乙酸戊酯等载体和粘合剂相容。
在很长时间内工业上使用结晶或非结晶的硼酸铅锌封接用玻璃形成熔融封接。一般来说，这类玻璃主要由68-82％PbO、8-16％ZnO、6-12％B2O3和任选的高达5％的SiO2、BaO和Al2O3组成。这种玻璃常用的封接温度在430-500℃的数量级。
近来，开发了一类无铅的磷酸锡锌封接用玻璃。这种玻璃详细描述在美国专利5，246，890(Aitken等)和5，281，560(Francis等)中。这些专利描述的玻璃是无铅的，并具有较低的、在400-450℃范围内的封接温度。
Aitken等的玻璃由于其氧化锡含量相对较低而在用于制备阴极射线管外壳中的封接剂中特别引人注目。除了无铅外，这类玻璃的组成含有25-50％(摩尔)P2O5和SnO与ZnO，后两者的含量使得SnO∶ZnO的摩尔比为1∶1-5∶1。在玻璃组合物中还可含有高达20％(摩尔)的改性氧化物，包括高达5％(摩尔)的SiO2、高达20％(摩尔)B2O3和高达5％(摩尔)的Al2O3。它们还可含有一种或多种选自1-5％(摩尔)锆石和／或氧化锆和1-15％(摩尔)R2O的结晶促进剂。另外，组合物中可包括选自高达5％(摩尔)WO3、高达5％(摩尔)MoO3、高达0．10％(摩尔)Ag金属及其混合物的封接助粘剂。
Francis等人的玻璃使用摩尔比大于5∶1的SnO和ZnO。在玻璃组合物中还包括至少一种选自高达25％R2O、高达20％B2O3、高达5％Al2O3、高达5％SiO2和高达5％WO3的使其稳定的氧化物。
为了实现本发明的目的，可如下制得封接用玻璃料熔融具有合适组成的玻璃坯料，冷却玻璃熔体，最好将其急冷形成破裂的碎片，随后磨碎形成玻璃粉(玻璃料)。接着按照本发明将玻璃料与研磨添加剂一起掺混。将掺混物与载体和粘合剂一起混合，形成粘度适合于施涂至封接表面的浆料。
用于封接阴极射线管的传统载体和粘合剂是硝化纤维素和乙酸戊酯的混合物。近来，开发了不使用挥发性有机化合物的载体。这种载体(纤维素聚合物的水溶液)披露在临时申请S．N．60／012，330中。该申请提交于1996年2月27日，转让给了与本发明相同的受让人，列于此引为参考。在本发明实践中，两种载体都可使用，也可使用任何其它合适的载体。
本发明被开发用于波导应用，如连接在接近零或负膨胀的基片上的光栅。接近零意味着在0-300℃温度范围内CTE值为0±10×10-7／℃。典型的材料是熔凝氧化硅。负的CTE是指膨胀具有负斜率。
基片可由β-锂霞石玻璃-陶瓷制成。在这种情况下，使用的研磨添加剂至少主要是焦磷酸盐。合适的焦磷酸盐具有通式2(Co，Mg)O·P2O5。在70-300℃温度范围内这种晶体经历了相转化(phase inversion)。相转化的确切温度取决于Co的含量。
如果没有相转化，在0-300℃温度范围内该材料本来会具有正的CTE。但是，相转化导致了体积变化。从而产生使体系的CTE降低变成负值的净效应。与β-锂霞石基片一起使用的具体材料含有28％(阳离子)CoO。
或者，基片可以是熔凝二氧化硅。在这种情况下，封接用玻璃掺混物可使用(作为玻璃陶瓷研磨添加剂)焦磷酸盐和具有很低的或负的膨胀系数的材料。所述材料可以是例如β-锂霞石、β-锂辉石和β-石英，它们在与基片的不匹配很小或等于零的封接剂中形成接近零的有效CTE。这种材料在通常添加剂的意义下降低有效CTE。β-锂霞石是较好的添加剂，应在混合物中起主要作用。它是通过将合适的玻璃在1250-1350℃的温度范围内陶瓷化(eeramming)4小时制成的。其测得的CTE在-50～-75×10-7／℃的范围内。
两种研磨添加剂都是玻璃-陶瓷类的。可用常规的玻璃熔融技术将它们如玻璃那样熔融，让其结晶，随后将其球磨成20-25微米的粉末。球磨后，可通过气流分选(air-classifying)或400目筛网过筛从每种填料中除去大颗粒。
为了实现本发明的目的，可使用硼酸铅锌或磷酸锡锌玻璃料或者其它具有低熔解温度的玻璃(如硼酸铅)。但是，在许多应用中需要激光束加热浆料进行封接。在这种情况下，含有无铅的磷酸锡锌玻璃料的掺混物的性能好得多，它是较好的玻璃料。
上述Aitken等人和Francis等人的专利描述了磷酸锡锌玻璃族。这些专利报导的整个内容都结合于本发明。为了实现本发明的目的，我们认为玻璃最好具有位于正磷酸盐和焦磷酸盐的化学计算量之间的组分，即25-33％(摩尔)P2O5、0-15％(摩尔)ZnO、0-5％(摩尔)包括SiO2、Al2O3、B2O3和WO3的任选的氧化物、余量是SnO，SnO∶ZnO的摩尔比较好为1-10∶1。
在我们的研制工作中，使用接近正磷酸盐组成的基质玻璃。这种玻璃组合物(按摩尔数计)主要由28．5％P2O5、1％B2O3、0．5％Al2O3以及摩尔比为10∶1的SnO和ZnO组成。在950℃熔融该玻璃，辊压冷却，随后进行球磨，形成平均粒径为20-25微米的粉末。
通过在辊磨机中干混称重过的粉末制得基质玻璃和填料的各种掺混物。将掺混物用粗筛网过筛进行进一步混合。如下评价流动性用手压制一个圆柱形的6克流动粒料，将该粒料置于显微镜的载玻片上并在要求的热循环中煅烧之。如下测定热膨胀用玻璃料掺混物和乙酸戊酯及硝化纤维素的浆料制备不匹配的试样，使用该浆料与两层熔凝氧化硅基片形成颠倒夹层的封接。干燥该不匹配的试样，随后在要求的热循环中煅烧之，用偏振计测定基片中的膨胀不匹配应变。
下表列出了几种玻璃料掺混物的数据。还列出了每种掺混物与熔凝氧化硅颠倒夹层封接所观察到的室温(RT)不匹配(拉伸或压缩)。所使用的热循环是425℃加热1小时。每个掺混物的组成以重量百分数计。玻璃料掺混物1和3在熔凝氧化硅夹层之间时，或者是处于中性状态或者是处于很轻微的拉伸状态。在用于试样的425℃封接温度下掺混物1和3具有很好的流动性。这些掺混物适用于封接熔凝氧化硅基片。
玻璃掺混物5和6在熔凝氧化硅夹层封接中处于很高压缩状态。这种掺混物适用于封接膨胀低得多的基片，β-锂霞石。
使用这些玻璃料制得了光栅器件。使用玻璃料6在450℃将一段光纤封接至β-锂霞石板上。在波导光纤上进行偏振读数。结果表明玻璃料6与β-锂霞石板连接得很好，足以将不匹配应变从负膨胀的基片传递至正膨胀的光纤。
表低膨胀、无铅玻璃料掺混物1 2 3456玻璃 75 70 75 72．570 70β-锂霞石 17．5 20 15 17．510 --Co-Mg焦磷酸盐 7．5 10 10 10 20 30流动性，mm24 18 23 21 22 25室温(RT)不匹配 轻微拉伸 中性 轻微拉伸 轻微拉伸 中度压缩 高度压缩附图中图1是本发明无热效应的光纤光栅器件20的示意图。器件20具有由一块负膨胀材料(如β-锂霞石)平板制成的基片22。在基片22的表面28上固定有光纤24，其中写入了至少一个UV引起的反射光栅26。光纤24固定在表面28两端的点30和32上。用一小块本发明封接用玻璃材料将光纤24固定在基片22的点30和32上。
在如图所示的光栅器件中，始终保持光纤24成直线并不遭受负膨胀导致的压缩是重要的。因此，光纤24常在拉伸状态进行固定。在固定前，如图所示通过使用重物34使光纤在受控制的张力下进行放置。适当选择张力，能确保光纤在所有预期的使用温度下都不会遭受压缩。
可使用本发明的另一种器件是光波光路。这种器件包括熔凝氧化硅基片和形成在基片上的多个光学功能块。每个功能块必须用与集成电路中所需的电连接很相似的方式与独立的外部光纤相连。每根连接的光纤必须用一滴本发明的封接用材料进行封接并保持其成一直线。表中的掺混物1或3可用于这种应用。
在这种光学器件中的熔融封接往往是相当小的。需要仔细地控制封接过程。因此，常需要使用可控制的热源(如激光)而不是常规燃烧器的火焰。因此，可将激光束散焦，即聚焦于距目标很短的距离处或聚焦于目标的前面，从而避免点聚焦常会发生的过热现象。
我们还发现在许多应用中需要使用非直接加热。例如，在将光纤固定在基片上时，可将一滴或多滴封接用浆料施加在基片的正面上。随后如图1实例所示安装光纤。
接着向基片的背面(即反面)施加热源(燃烧器火焰或激光束)。以这种方法，通过用基片传递热量而非直接加热使封接用浆料受热软化。这种方法能较好地控制封接过程，损坏器件的风险较小。在使用激光的情况下，可对其进行散焦以免损坏基片。
图2显示了当使用两种不同的掺混物与熔凝氧化硅形成夹层封接时所遇到的不匹配。温度被作为水平轴，基片的不匹配(以百万分之一(ppm)为单位)为垂直轴。玻璃料掺混物与基片具有相同的不匹配数值，但是符号由正变成了负。图2中的正值表示基片处于拉伸状态，而玻璃料掺混物处于压缩状态。
曲线A是在不同温度下测得的掺混物1和熔凝氧化硅之间的封接的不匹配值。曲线B是掺混物6和熔凝氧化硅之间(其中玻璃料处于高度压缩状态)测得的相当强烈的不匹配。掺混物6可用于热膨胀系数(CTE)比熔凝氧化硅低得多的基片。它可用于例如CTE约为-50×10-7／℃的β-锂霞石基片。
本发明还针对光学器件和制备所述光学器件的方法，这些器件可基本上克服由已有技术的局限和缺点造成的一个或多个问题。
本发明的其它特点和不足阐述于本说明书中，部分可以从说明书中显而易见，或者可以通过实施本发明得知。本发明的其它目的和其它优点通过所写说明书及其权利要求书和附图中具体指出的设备、器件、结构和方法得以实现。
为了实现这些和其它优点并根据本发明的目的，如举例和概述所述，本发明包括一种光学器件，它由包含光栅的波导光纤固定在基片上组成，以便控制包含光栅的光纤随温度变化的光学性能。该基片具有第一纵向沟道，它还包含第一横切凹槽，与第一纵向沟道形成第一凹部交点。含有光栅的波导光纤与第一纵向沟道成一直线，在第一凹部交点上固定于基片。
另一方面，本发明包括一种制备光学器件的方法，所述光学器件由波导光纤光栅和基片组成，所述基片控制着波导光纤光栅随温度变化的性能，该方法包括提供基片的步骤。另一个步骤是在基片中形成空隙(void)，基片限定所形成的空隙具有纵向区和至少一个横切区。另一个步骤是将波导光纤沿基片中空隙的纵向区放置。还有一个步骤是提供一种可流动的粘合剂(较好的是液态)，使其流入空隙的所述纵向区和横切区内，在这些区内可流动的粘合剂固化成固态粘合体，将已经放置就位的波导光纤在接近空隙的横切区和纵向区处固定于基片。
本发明的另一方面包括一种光学器件，它由通过玻璃料熔融封接剂(较好由低熔点封接用玻璃组成)固定于基片上的光波导组成。
本发明的另一方面包括一种光学器件，它包含波导光纤光栅，所述波导光纤光栅与基片连接，以使得基片在所述光纤上施加力，以控制波导光纤光栅随温度变化的性能，其中所述波导光纤光栅是用粘合剂与基片连接的，所述基片具有空隙以接受所述粘合剂。所述空隙具有中央区和由所述中央区延伸开去的指状区，其中流体状态的所述粘合剂流入所述中央区和指状区，于其中固化成固态粘合体，所述固态粘合体物理固定在所述空隙内。
本发明的另一方面包括一种光学器件，它包含波导光纤光栅，所述波导光纤光栅与基片连接，以使得基片在所述光纤上施加力，以控制波导光纤光栅随温度变化的性能，其中所述波导光纤光栅是用玻璃料熔融封接剂与基片连接的。
应该理解，以上概述和以下详细说明是举例性和解释性的，其目的是对权利要求书所述的本发明作进一步的解释。
附图是用来使读者进一步理解本发明的，它包含在本说明书内并构成说明书的一部分，说明本发明的实施方式并与说明书相结合来解释本发明的原理。
本发明的光学器件包括一种具有光栅的波导光纤，所述波导光纤固定在基片上，以便控制该含光栅的波导光纤的随温度变化的光学性能。该器件包含基片，所述基片界定位于该基片中的第一纵向沟道和第一横切凹槽，第一横切凹槽与第一纵向沟道形成第一凹部交点。波导光纤与第一纵向沟道成一直线，并在第一凹部交点处固定在基片上。基片具有长、宽、高，和第一表面(即顶面)和第二表面(即底面)。较好的是，该基片是长形的，其长度成比例地大于宽度和高度。较好的是第一纵向沟道与基片伸长的长度是共线且成一直线的。较好的是第一纵向沟道位于基片的第一表面内。较好的是第一横切凹槽包含位于基片第一表面内的横切凹槽沟道，该沟道横切第一纵向沟道。
该光学器件还包含第二横切凹槽沟道，较好的是位于基片的第一表面内，第二横切凹槽与所述第一纵向沟道形成第二凹部交点，波导光纤于该第二凹部交点处进一步固定在基片上。该第二横切凹槽以及由它形成的交点宜具有与第一横切凹槽相同的较佳结构。
较好的是，基片中的数根横切凹槽沟道与第一纵向沟道基本垂直。较好的是界定第一纵向沟道的基片的第一表面进一步将所述第一横切凹槽界定为与第一纵向沟道基本垂直的第二沟道。
该光学器件还包含一种用来将所述波导光纤固定在所述结构上的粘合剂，所述用于固定的粘合剂较好的是由能固化的可流动粘合剂组成。更好的是该光学器件包含由低熔点封接用玻璃形成的玻璃料熔融封接剂，所述玻璃料封接剂基本填满所述第一凹部交点并延伸进入了所述第一横切凹槽，于此所述波导光纤通过所述玻璃料熔融封接剂固定在具有所述第一凹部交点的所述基片上。所述玻璃料熔融封接剂较好的是延伸开去进入第一纵向沟道。
较好的是，本发明的横切凹槽具有渐缩截面(tapered cross-section)，如燕尾槽结构或锥形(如用锥形扩孔器形成的锥形)。
基片较好的是由具有单一结构和组成的单一材料组成。该单一的基片材料宜具有天生即固有的负的热膨胀系数，如在具有微裂缝的氧化锂-硅铝酸盐β-锂霞石玻璃-陶瓷中所见。
基片还可以是由至少两种不同材料组成的复合基片。这两种不同的材料具有不同的热膨胀系数，结合在一起形成复合基片，该复合基片具有由两种材料的不同性及其结合导致的有效的负热膨胀系数。
第一纵向沟道较好的是由第一端和远离第一端的第二远端组成，在第一端和第二远端之内侧第一横切凹槽与第一纵向沟道形成第一凹部交点。此外，在第一端和第二远端之内侧第二横切凹槽与第一纵向沟道形成第二凹部交点，该第二凹部交点宜远离所述第一凹部交点。
参考本发明的较佳实施方案进行详细说明，实施方案的例子如附图所示。本发明光学器件的一个实例如图3和图4所示，整个光学器件用标记50表示。如图所示，光学器件50包括含有光栅54的波导光纤52，所述光栅宜包含折射率的周期性变化，较好的是Bragg光栅。波导光纤52固定在基片56上。第一横切凹槽60与第一纵向沟道58形成第一凹部交点62，波导光纤52与第一纵向沟道58成一直线，并于凹部交点62处固定在基片56上。第二横切凹槽64与第一纵向沟道58形成第二凹部交点66，光纤52固定于第二凹部交点66处。基片的第一表面68界定第一纵向沟道58和与其基本垂直的沟道状第一与第二横切凹槽60和64。用来将光波导52固定在基片56上的装置70宜为粘合剂，最好是玻璃料熔融封接剂72，它基本填满凹部交点62和66并延伸开去进入邻近所述交点的横切凹槽区74，也会延伸开去进入邻近所述交点的纵向沟道区76。
图5示出了目前较佳的本发明基片56，它由具有负热膨胀系数的单一材料组成。
图6示出了本发明的一个实例，在该实例中基片56中形成的横切凹槽60和64具有渐缩截面78。渐缩截面78(如燕尾形状)进一步确保了沉积在交点62和66中的粘合剂70被约束，不能相对于基片进行移动。此外，纵向沟道58可以具有渐缩截面，该渐缩截面形状能确保形成于交点62和66中的液态熔融封接剂保持与基片56连接。如图7所示，横切凹槽孔88具有由锥形扩孔器形成的渐缩截面78，因此截面为锥形。
如图5所示，第一纵向沟道58由第一端80和第二远端82组成，在第一端80和第二远端82内侧有第一横切凹槽60、第一凹部交点62、第二横切凹槽64和第二凹部交点66。
本发明还包括一种制备光学器件的方法，所述光学器件由波导光纤光栅和基片组成，所述基片控制着波导光纤光栅随温度变化的性能，该方法包括以下步骤提供基片，在提供的基片中形成空隙以使其具有纵向区和至少一个横切区。该方法还包括以下步骤将波导光纤沿形成的空隙的纵向区放置，提供一种流体状态的粘合剂使其流入空隙的纵向区和横切区，并基本覆盖纵向区与横切区交点的底面。可流动状态的粘合剂固化成固态粘合体，将波导光纤在接近空隙的横切区与纵向区交点处固定于基片。较好的是提供粘合剂使其从交点延伸开去进入邻近交点的空隙区。
在制备由含光栅54的波导光纤52组成的光学器件50的方法中，提供基片56较好的是包括提供由单一材料组成的基片56。基片56宜具有接近零或负的热膨胀系数。该方法可以包括提供的基片56是复合基片，它具有至少两种不同的材料，它们的热膨胀系数不同。
在基片56中形成空隙84的步骤宜包括在基片中切割一道槽以形成空隙84的纵向区58。形成空隙84的步骤还包括在基片56中切割基本垂直于纵向区58的槽，形成横切区60和64。形成空隙84较好包括形成渐缩截面的空隙。
形成具有纵向区58和横切区60与64的空隙84的步骤可包括在基片56中钻孔(宜用锥形扩孔器)以得到渐缩截面78。
将波导光纤52沿空隙84的纵向区58放置的步骤宜包括将光纤52放入空隙84，还包括拉伸光纤52。
提供液态粘合剂使其流入空隙84的纵向区58和横切区60的步骤还包括将熔融／封接温度较好低于约500℃的玻璃料(较好由低熔点封接用玻璃组成)放入空隙84中接近波导光纤52处，将所述玻璃料熔融成液态，冷却所述液态玻璃料，在所述纵向区58和横切区60以及它们的交点处形成玻璃料熔融封接剂72，它将波导光纤52固定在基片56上。
本发明的另一个实施方案包括一种光学器件，它由通过玻璃料熔融封接剂固定在基片上的光波导组成。玻璃料熔融封接剂较好的是由低熔点封接用玻璃组成。较好的玻璃料熔融封接剂由磷酸锡锌组成。其它的较佳玻璃料熔融封接剂由硼酸铅锌组成。玻璃料熔融封接剂可以是玻璃质或者是经反玻璃化的。光学器件50由通过玻璃料熔融封接剂72固定在基片56上的光波导52组成，较好的是所述基片56控制光波导52随温度变化的光学性能。光波导52较好的是由波导光纤组成的。波导光纤较好包含光栅。较好的是光波导52用位于基片56中空隙84内的玻璃料熔融封接剂72固定在基片56上，所述空隙84具有交叉且横切的沟道58、60和64。较好的是基片56具有接近零或负的热膨胀系数，最好由单一材料组成。基片56可以包含复合基片，它具有至少两种不同的材料，它们的热膨胀系数不同。
本发明的另一个实施方案是光学器件50，它包含与基片56连接的光纤光栅52和54，以使得所述基片在所述光纤上施加力，以控制光纤光栅52和54随温度变化的性能，其中光纤光栅52和54是用粘合剂与基片56连接的，所述基片56具有空隙84以接受所述粘合剂。所述空隙84具有中央交叉区62和66以及由所述中央交叉区延伸开去的指状区74和76，其中粘合剂较好的是流入中央交叉区62和66以及指状区74和76，于其中固化成固态粘合体70，所述固态粘合体70物理固定在所述空隙内。物理固定在所述空隙内部可以通过渐缩截面78来实现，以使固态粘合体形成楔形体。
本发明的另一个实施方案是一种光学器件，它包含与基片连接的波导光纤光栅，以使得基片在所述光纤上施加力，以控制波导光纤光栅随温度变化的性能，其中所述波导光纤光栅是用玻璃料熔融封接剂与基片连接的。
图8示出了本发明的另一个实施方案，其中通过在基片56中钻与纵向沟道58相交并横切它的孔形成第一横切凹槽60和第二横切凹槽64。
图7和图9示出了本发明的实施方案，其中基片56包含一根纵向的管材86，它具有沿这根纵向管材86延伸并位于其内部的纵向空隙孔98。横切孔88穿过所述管材86延伸，横贯纵向空隙孔98，形成交点62和66，其中光纤52用粘合剂70固定在管材86纵向空隙孔98内部，所述粘合剂70基本填满交点62和66，并从交点62和66延伸开去进入横切孔88和纵向空隙孔98内。
光学器件50是使用单一材料基片56制得的，所述基片由热膨胀系数为负值的具有微裂缝的氧化锂-硅铝酸盐β-锂霞石玻璃-陶瓷组成。基片是长形的矩形厚片，它约52毫米长、约4毫米宽和约2毫米高(垂直厚度)。如图3和图4所示，用宽度为1／32英寸(．8毫米)的金刚石薄磨轮在厚基片56的第一表面68上切割深度约为0．040英寸(1毫米)的沟道58、60、64和中央横切沟道90。将具有Bragg光栅54的波导光纤52放在纵向沟道58稍高于沟道58底部基片表面的位置，并在约10Kpsi张力下进行放置。将电视管封接用玻璃料浆料CORNINGCode 7580(购自Corning Incorporated，Corning，New York)放于凹部交点62和66，并使其环绕并覆盖接近凹部交点62和66的光纤52。
使用CO2激光将封接用玻璃料熔融成可流动的状态，然后移去激光，使得可流动状态的粘合剂封接用玻璃料固化成固态粘合体玻璃料熔融封接剂。玻璃料熔融封接剂72以机械和物理方式与基片56连接，并将光纤52封接在基片56上。这一结构和制备方法得到与基片以机械和物理方式连接的波导光纤，其中玻璃料熔融封接剂物理上约束于基片和凹槽沟道内。对中央横切沟道90中的光纤和光栅的光学应力测量表明，光纤保持了14度的张力。当加工该光学器件50时，使用环氧化物92来提供三点连接应变消除，因为光纤／玻璃料熔融封接剂界面的清晰边缘在光纤52相对于玻璃料熔融封接剂72运动时会导致光纤发生应变和断裂。此外，在形成器件的过程中，将环氧化物接触区92内侧之间的那段光纤上的光纤52保护涂层剥除，以使得环氧化物92粘合在光纤52的保护涂层上，玻璃料熔融封接剂72粘合在光纤52的保护涂层剥除区。将保护凝胶(如Dow-Corning牌号为Q-36679型Gel介电氟凝胶)用来填充沟道58，包围光纤52并防止污染和其它伤害。该光学器件提供了特别坚固的结构，其中玻璃料熔融封接剂不能滑动和移动，以其本身的物理形状固定于适当位置。固态玻璃料熔融封接剂物理固定在基片上。横切和纵向沟道的交点限制了玻璃料熔融封接剂，防止它们沿波导光纤的长度方向移动和滑动。
本领域技术人员显然可以在不偏离本发明精神和范围的情况下对本发明作出各种改动和变化。因此，本发明覆盖了这些对本发明的改动和变化，只要这些改动和变化是在所附权利要求及其等价描述的范围内的。
权利要求
1．一种光学器件，包含含光栅的波导光纤，所述波导光纤固定在基片上，以便控制含光栅的波导光纤随温度变化的光学性能，所述器件包含基片，所述基片界定第一纵向沟道；在所述基片中的第一横切凹槽，它与所述第一纵向沟道形成第一凹部交点；其中所述波导光纤与所述第一纵向沟道成一直线，在所述第一凹部交点处固定于所述基片。
2．如权利要求1所述的光学器件，它包含第二横切凹槽，它与所述第一纵向沟道形成第二凹部交点，其中所述波导光纤在所述第二凹部交点处固定于所述基片。
3．如权利要求1所述的光学器件，其中所述基片包含界定所述第一纵向沟道的第一表面，而所述第一横切凹槽包含在所述基片第一表面中的第二沟道，它基本垂直于所述第一纵向沟道。
4．如权利要求1所述的光学器件，它还包含玻璃料熔融封接剂，所述玻璃料熔融封接剂基本填满所述第一凹部交点并延伸开去进入所述第一横切凹槽，所述波导光纤在所述第一凹部交点处用所述玻璃料熔融封接剂固定在所述基片上。
5．如权利要求1所述的光学器件，其中所述第一横切凹槽具有渐缩截面。
6．如权利要求1所述的光学器件，其中所述基片由单一的材料组成。
7．如权利要求1所述的光学器件，其中所述基片是由至少两种不同的材料组成的复合基片。
8．如权利要求1所述的光学器件，其中所述第一纵向沟道包含第一端和第二远端，在所述第一端和所述第二端之内侧所述第一横切凹槽与所述第一纵向沟道形成所述第一凹部交点。
9．如权利要求2所述的光学器件，所述第一纵向沟道包含第一端和第二远端，在所述第一端和所述第二端之内侧存在所述第一和第二凹部交点。
10．一种制备光学器件的方法，所述光学器件由波导光纤光栅和基片组成，其中所述基片控制所述波导光纤光栅随温度变化的性能，所述方法包括提供基片；在所述基片中形成空隙，所述空隙具有纵向区和至少一个横向区；将波导光纤沿所述空隙的所述纵向区放置；提供一种粘合剂，使其流入空隙的所述纵向和横切区，其中所述粘合剂固化成固体，将所述波导光纤在接近所述空隙的所述横切区和所述纵向区处固定于所述基片。
11．如权利要求10所述的方法，其中提供基片的步骤还包括提供由单一材料组成的基片。
12．如权利要求11所述的方法，其中提供由单一材料组成的基片的步骤还包括提供具有接近零或负的热膨胀系数的单一材料的基片。
13．如权利要求10所述的方法，其中提供基片的步骤还包括提供复合基片，它由至少两种材料组成，它们具有不同的热膨胀系数。
14．如权利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成具有纵向区和至少一个横切区的空隙的步骤还包括在所述基片中切割槽以形成所述空隙的所述纵向区。
15．如权利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成空隙的步骤还包括形成具有渐缩截面的空隙。
16．如权利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成具有纵向区和至少一个横切区的空隙的步骤还包括在所述基片中切割基本垂直于所述纵向区的槽以形成所述横切区。
17．如权利要求10所述的方法，其中在所述基片中形成空隙的步骤还包括对所述基片钻孔。
18．如权利要求17所述的方法，其中对所述基片钻孔的步骤包括用锥形扩孔器进行钻孔。
19．如权利要求10所述的方法，其中沿所述空隙的所述纵向区放置波导光纤的步骤还包括将所述光纤放置在所述空隙内。
20．如权利要求10所述的方法，它还包括拉伸所述波导光纤的步骤。
21．如权利要求10所述的方法，其中提供粘合剂使其流入空隙的所述纵向和横切区的步骤还包括将玻璃料放入所述空隙中接近所述波导光纤处，熔融所述玻璃料，冷却所述被熔融的玻璃料，在所述纵向区和所述横切区形成玻璃料熔融封接剂，它将所述波导光纤机械固定在所述基片上。
22．一种光学器件，它包含通过玻璃料熔融封接剂固定在基片上的光波导。
23．如权利要求22所述的光学器件，其中所述玻璃料熔融封接剂是由低熔点封接用玻璃组成的。
24．如权利要求22所述的光学器件，其中所述基片控制着光波导随温度变化的光学性能。
25．如权利要求22所述的光学器件，其中所述光波导用形成于基片中空隙内的玻璃料熔融封接剂固定在基片上，所述空隙由交叉的沟道组成。
26．如权利要求22所述的光学器件，其中所述玻璃料熔融封接剂是由磷酸锌锡组成的。
27．如权利要求22所述的光学器件，其中所述玻璃料熔融封接剂是由硼酸铅锌组成的。
28．如权利要求22所述的光学器件，其中所述玻璃料熔融封接剂是玻璃质的。
29．如权利要求22所述的光学器件，其中所述玻璃料熔融封接剂是经反玻璃化的。
30．如权利要求22所述的光学器件，其中所述光波导是由波导光纤组成的。
31．如权利要求30所述的光学器件，其中所述波导光纤包含光栅。
32．如权利要求22所述的光学器件，其中所述基片具有接近零或负的热膨胀系数。
33．如权利要求32所述的光学器件，其中所述基片是由单一材料组成的。
34．如权利要求32所述的光学器件，其中所述基片是复合基片，它由至少两种不同的材料组成，它们具有不同的热膨胀系数。
全文摘要
揭示了一种光学器件(20)和制备该器件(20)的方法。所述器件(20)包含基片(22)和光波导(24)元件,所述光波导元件通过形成并固定在基片中凹空隙内的玻璃料熔融封接剂(34)固定在基片上。所述玻璃料熔融封接剂是低熔点玻璃料的熔融产物。基片中的凹空隙包括接受光波导元件(24)的区域和固定玻璃料熔融封接剂(34)的交叉区域。光波导元件(24)固定在基片上,以控制该元件随温度变化的光学性能。
文档编号G02B6/02GK1283277SQ98807676
公开日2001年2月7日 申请日期1998年7月28日 优先权日1997年7月31日
发明者D·布克班德, J·卡伯里, S·德马雷蒂诺, G·弗朗西斯, S·格莱泽曼, R·莫伦娜, B·韦丁 申请人:康宁股份有限公司