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CN1373854A - 温度补偿构件及采用该构件的光通信器件 - Google Patents

温度补偿构件及采用该构件的光通信器件 Download PDF

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CN1373854A CN00812451A CN00812451A CN1373854A CN 1373854 A CN1373854 A CN 1373854A CN 00812451 A CN00812451 A CN 00812451A CN 00812451 A CN00812451 A CN 00812451A CN 1373854 A CN1373854 A CN 1373854A
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Abstract

由以β－石英固溶体或β－锂霞石固溶体为主结晶的多晶体形成的温度补偿构件,具有负的热膨胀系数,其X射线衍射测定中主峰提供晶面的晶面间距小于3.52A。

Description

温度补偿构件及采用该构件的光通信器件
技术领域
本发明涉及采用具有负膨胀系数的材料的温度补偿构件及采用该构件的光通信器件。
背景技术
随着光通信技术的发展，对使用光纤的网络的维修量也急剧增加。在网络中，一次传送多个波长的光的波长多重技术得到应用，波长滤波器、耦合器、波导管等正在成为重要的器件。
这种器件中，由于其特性随温度而变化、不便于室外使用，因此必须采用使这种器件的特性不依赖于温度变化而保持一定的技术，即温度补偿技术。
具有代表性的必须补偿温度的光通信器件如光纤布拉格光栅(以下称FBG)。FBG是光纤芯部中成格子状、具有折射率变化的部分，即形成光栅的器件，根据(1)式所示的关系，具有反射特定波长的光的特征。由此，可让不同波长的光信号通过一根光纤进行多重传送，在波长分割多重传送方式的光通信系统中作为一种重要的光学器件而广受重视。
λ＝2nΛ    (1)
这里，λ是反射波长、n是芯部的有效折射率，Λ表示成格子状设置具有折射率变化的部分的分格间距。
但是，这样的FBG有反射波长随周围温度的变化而变动的问题。反射波长的温度依赖性用对(1)式的温度T进行微分运算获得的下式(2)表示。
λ/T＝2{(n/T)Λ+n(Λ/T)}
       ＝2Λ{(n/T)+n(Λ/T)/Λ}    (2)
(2)式的右边第2项的(Λ/T)/Λ相对于光纤的热膨胀系数，其值大约为0.6×10-6/℃。另一方面，右边第一项为光纤芯部折射率的温度依赖性，其值大约为7.5×10-6/℃。即，反射波长的温度依赖性取决于芯部折射率的变化和热膨胀引起的分格间距的变化，而大部分是由折射率的温度变化引起的。
众所周知的防止这种反射波长变动的方法是，通过对FBG施加与温度变化对应的张力使分格间距发生变化，从而抵消由折射率变化引起的成分。
该方法的具体实施例提出了将FBG固定在如由热膨胀系数小的合金和石英玻璃等材料与热膨胀系数大的铝等金属组成的温度补偿构件上的方法。即，如图1所示，热膨胀系数小的因瓦合金(商标)棒1 0的两端分别安装热膨胀系数较大的铝制支架11a、11b，在这些支架11a、11b上利用夹头12a、12b将光纤13以规定的张力拉伸的状态固定。这时，光纤13的光栅部分13a位于两个夹头12a、12b之间。
在此状态下，如周围温度上升，由于支架11a、11b伸展、两个夹头12a、12b之间的距离缩短，施加于光纤13的光栅部分13a的张力减小。另一方面，如周围温度下降，由于支架11a、11b收缩、两个夹头12a、12b之间的距离增加，施加于光纤13的光栅部分13a的张力增加。这样，通过温度变化使施加于FBG的张力发生变化，能够调节光栅部分的分格间距，从而能够抵消反射中心波长的温度依赖性。
但是这样的温度补偿器件存在结构复杂、安装困难的问题。
为了解决上述问题，特表2000-503415和特表2000-503967中说明了这样的控制方法，如图2所示，在对预先以板状形成的原玻璃体进行热处理并使其结晶获得的具有负温度系数的玻璃陶瓷基片14上，在由砝码15施加张力的状态下用粘接剂17将FBG 16固定，通过玻璃陶瓷基片14的膨胀收缩来调节其张力。为了抵消反射中心波长的温度依赖性，如上所述，温度上升时必须施加FBG收缩方向的应力，温度下降时必须施加FBG伸展方向的应力。如果基片材料具有负温度系数，这样的应力可以通过单一构件发生。特表2000-503415和特表2000-503967是基于该作用效果作出的发明。另外，图2中16a表示光栅部分。
特表2000-503415和特表2000-503967公开的方法，由于使用单一构件进行温度补偿，因而有结构简单、安装容易的优点，但是使用的玻璃陶瓷构件有热膨胀滞后过大的问题。热膨胀滞后是指由温度变化引起材料膨胀和收缩时，升温过程的膨胀行为与降温过程的行为不一致的现象。
另外，特表2000-503415和特表2000-503967中公开了为了降低玻璃陶瓷构件的滞后，进行400-800℃的热循环处理、使内部构造稳定化的方法。但是，由这种方法降低的滞后，对于温湿度的环境变化不稳定，难于维持初期的值。另外，由于制造工艺复杂，这种热处理有成本高的问题。
因而本发明的目的是提供热膨胀滞后小、环境稳定性高且制造成本低的温度补偿构件。
本发明的其他目的是提供采用该温度补偿构件的光通信器件。
发明的公开
本发明参与者进行了能够达成上述目的各种实验，结果发现，通过规定构成温度补偿构件的多晶体的晶体构造，能够获得可以降低热膨胀的滞后且环境稳定性佳的温度补偿构件，于是便有了本发明的提出。
根据本发明的一个实施例，可以获得以β-石英固溶体或β-锂霞石固溶体为主结晶的多晶体形成的温度补偿材料，该材料具有负的热膨胀系数，X射线衍射测定中提供主峰的晶面的晶面间距小于3.52。
所述多晶体也可以由粉末烧结形成。
所述温度补偿材料在-40～100℃的温度范围内的热膨胀系数也可以在-25～-120×10-7/℃内。
根据本发明的其他实施例，可以获得这样的光通信器件，其特征在于包括上述温度补偿构件和在所述温度补偿构件的一个面上固定的正热膨胀系数的光学元件。
所述温度补偿构件的另一个面上也有用低弹性粘接剂粘接的加固构件。
所述加固构件为具有通孔的柱体，所述温度补偿构件也可以配置在所述加固构件的通孔内。
所述光学元件通过粘接剂固定在温度补偿构件上，所述粘接剂也可以由有机聚合物形成，硬化前在25℃下粘接剂粘度为2500～100000mPa·s、且硬化收缩率在5％以下。
再有，所谓晶面间距是指构成多晶体的结晶中的各种晶面之间的间距，本发明以在X射线衍射中提供主峰的晶面为对象。
附图的简单说明
图1是表示传统的防止FBG的反射波长随温度变化而变动的器件的正视图。
图2是表示其表面固定了FBG的、有负热膨胀系数的玻璃陶瓷基片的透视图。
图3是表示多晶体的晶面的晶面间距与滞后的相互关系的图。
图4是本发明实施例1的光通信器件的透视图。
图5是本发明的实施例2的光通信器件的主要部件的透视图。
图6是表示实施例中的No.2试样的热膨胀曲线图。
图7是表示采用实施例中的No.2试样形成的温度补偿构件的FBG的反射中心波长的温度依赖性曲线图。
本发明的最佳实施例
本发明实施例的温度补偿材料，由以β-石英固溶体或β-锂霞石固溶体为主结晶的多晶体形成，具有负的热膨胀系数，X射线衍射测定中提供主峰的晶面的晶面间距小于3.52。
图3是表示多晶体的晶面的晶面间距与滞后的相互关系的示图。从该图可以看出晶面间距越小，滞后也越小。当晶面间距大于3.52时，温度补偿材料的滞后的降低效果不充分，同时，温度和湿度等环境重要因素会引起滞后的变化率变大，难于获得特性稳定的器件。
并且，多晶体的晶面的晶面间距越小，滞后也越小。但是，当晶面间距很小时，会析出异种晶体且热膨胀系数向正方向移动，从而使热膨胀的直线性恶化。因而，应该根据器件的用途和特性适当选择晶面间距。这里，晶面间距最好取3.491～3.519，取3.495～3.512尤佳。
如1997年信学总大C-3-46所示，即使这种基片采用具有负热膨胀系数的材料，但是随温度范围的不同其反射中心波长表现出强烈的温度依赖性，而无法获得充分温度补偿功能的情况还是存在。这是由于基片材料的热膨胀直线性变差引起的。
为此，理想的情况是：在实测曲线相对连接试样的热膨胀曲线两端的直线(假想直线)的偏差最大的温度处，假想直线与实测曲线的试样长度之差除以试验前的试样长度得到的值在60ppm以下。这样，由于热膨胀的直线性变好，在任何温度区域都可以获得充分的温度补偿功能。
有各种各样的方法可以改变多晶体的晶面的晶面间距，例如，调整多晶体的成分，或者在制作多晶体后采用离子交换处理法。
以重量百分比计算，适合使多晶体的晶面的晶面间距变小要求的组成范围为：SiO2 45～60％、Al2O3 20～45％、Li2O 7～12％、TiO2 0～4％、ZrO2 0～4％。该组成范围内，通过将各成分含量限制在要求值上，可使晶面间距小于3.52。并且，除了上述成分以外，可以在不超过10％重量的范围内添加如MgO、P2O5等其他成分。
通过在原料熔融后再加热冷却固化的玻璃，并使其结晶来制作多晶体的场合，为了良好地保持玻璃的熔融性和成形性，晶面间距的调整变得困难。与此形成对比，在通过使原料粉末烧结来制作多晶体的场合，不受玻璃的熔融性和成形性的制约，可以通过烧结前原料粉末的种类和比率进行调整。另外，不仅是板状，即使是复杂的形状也可以通过模压成形、铸造成形、挤压成形等方法容易且廉价地成形。因此，最好通过使原料粉末烧结来制作多晶体。再有，作为这种原料粉末，可以采用由非晶质玻璃粉末、结晶析出性玻璃粉末、部分晶化玻璃粉末通过溶胶-凝胶法制作的玻璃粉末，除此以外还可以再添加溶胶和凝胶。
并且，该温度补偿构件在-40～100℃的温度范围内的热膨胀系数最好为-25～-120×10-7/℃(-50～-90×10-7/℃尤佳)。
再有，在通过使原料粉末烧结来制作多晶体的场合，由于在成形的同时，容易在规定的部位形成沟槽与通孔，因而在制作光通信器件时有很大的优点。例如，采用粘接剂(例如玻璃料和环氧树脂)将FBG光纤粘接固定在温度补偿构件上，在温度补偿构件的规定处形成沟槽与通孔，在后续加工时，由于容易实现安装的自动化，因而降低了制造成本。另外，沟槽与通孔不一定限定于一处，可以在多处形成。
通过使上述的沟槽与通孔的直径接近器件的直径，可以用少量的粘接剂以薄的粘接剂层进行固定。如果薄的粘接剂层变薄，可以降低因粘接剂与器件以及温度补偿构件之间的热膨胀差引起的应力。从而，可以在沟槽与通孔的整个长度上粘接固定，而且，即使温度补偿构件由其固定长度收缩的情况下，也可以防止器件的弯曲。
一般来说，FBG等光纤状器件固定在温度补偿构件上时，为了在温度补偿构件从固定时的长度收缩时使器件不发生挠曲，必须对器件预先施加张力。与此相比，本发明无须对器件预先施加张力，因而可以用更简便的工艺制造具有温度补偿功能的光学器件。特别是通过在温度补偿构件上形成精密的通孔，在其中插入器件的情况下，温度补偿构件不仅具有作为器件的定位构件的功能，还具有连接构件的功能，用于将光纤和其他部件与具有温度补偿功能的器件相连接。
以下，参考图4和图5说明本发明实施例的光通信器件。
上述的温度补偿构件主要包含有在热膨胀动作中具有各向异性的晶体，例如β-石英固溶体等。从而，热膨胀动作中具有各向异性的晶体的一个晶轴表现出非常大的负热膨胀系数，即最大为-120×10-7/℃的负热膨胀系数。由于晶体的热膨胀动作中的各向异性在晶界中产生微细的空隙，因而容易降低机械强度。从而，在光通信器件的安装和光通信器件的设置时，从外部施加大的应力时会产生问题。
图4的光通信器件包含负热膨胀系数的板状温度补偿构件18。温度补偿构件18的一面，如底面或侧面，用低弹性的粘接剂19粘接加固构件20。温度补偿构件18的另一面如上面，作为具有正热膨胀系数的光学构件的光纤21在其光栅部分21a的两侧由粘接材料22粘接。
该光通信器件的机械强度高，装配和设置时即使采用外部施加大的应力也不易发生问题。并且，也不妨碍温度补偿构件18随温度变化而伸缩。
这里采用低弹性的粘接剂19，从而即使采用热膨胀系数比温度补偿构件18大的加固构件20也不易妨碍温度补偿构件18的伸缩。最好采用包含有机硅树脂的粘结剂19，这样粘接剂19容易变成低弹性。
在-40～100℃的温度范围内，加固构件20的热膨胀系数最好在200×10-7/℃以下，这样不易妨碍温度补偿构件18随温度的变化而伸缩。对加固构件20没有特别限定，只要采用其机械强度比金属、玻璃、陶瓷等的温度补偿构件19大的材料便可。最好采用不锈钢、因瓦合金、晶化玻璃等材料，这样其化学耐久性佳、加固构件20的表面不会劣化、粘接剂19和加固构件20之间的界面不易剥落。再有，最好采用因瓦合金、晶化玻璃，这样，由于热膨胀系数小，更不易妨碍温度补偿构件18随温度变化的伸缩。
图5的光通信器件中，加固构件20被制成具有通孔20a的柱体，通过将固定有光纤21的温度补偿构件18插入通孔20a且通过粘接剂19粘接在通孔20a的内面。即，加固构件20构成具有水平轴线的、将温度补偿构件18及光纤21包围的圆筒形。这里所说的柱体其横截面的外周大体呈多边形和圆形。
凭借这样的光通信器件不仅提高了机械强度，而且加固构件20能够防止光纤21受到污染及外力的作用。
而且，在加固构件20偏上的部分，可以形成与通孔20a平行的缝隙。并且，将加固构件偏上的部分切掉一部分，被切下部分可用作开闭通孔20a的盖子。这时，由于不用部分地切断光纤21就可以在通孔打开的状态下将其固定在温度补偿构件18上，其操作性良好。
最好确定采用在加固构件20的通孔20a的两端用盖子(未图示)密封的结构，这样可以防止污染和水的浸入。
再有，图4和图5中，最好将光纤21的光栅部分21a和温度补偿构件18的粘接部分以外预先用覆盖材料(未图示)覆盖，这样在光通信器件安装时，温度补偿构件18和加固构件20的边缘部分不易损伤和折断光纤21。
并且，最好用有机聚合物形成粘接剂22，与金属和玻璃的粘接剂相比可在短时间内且在低温下完成粘接。
并且，如在25℃下粘接剂22硬化前的粘度为2500～100000mPa·s，粘接剂22对于温度补偿构件18的润湿性较为合适，粘接不会脱落和松动。如在25℃下粘接剂22硬化前的粘度低于2500mPa·s，对于温度补偿构件18的润湿性变得过分好，无法在光纤21的周围保持全部的粘接剂，光纤21和粘接剂22的粘接强度变低。如在25℃下粘接剂22硬化前的粘度大于100000mPa·s，对于温度补偿构件18的润湿性变差，粘接剂22和温度补偿构件18的粘接强度变低。
还有，粘接剂22的硬化收缩率最好在5％以下，这样，硬化时施加于光纤21光栅部分21a的张力几乎不增加。
而且，在25℃下粘接剂22硬化前的粘度可以通过聚合物的种类、分子量及浓度、填充物的种类与用量、溶剂的用量等进行调整。并且，可以通过增大硬化时的聚合物的聚合度，增加填充物及其用量、减少溶剂用量等来降低粘接剂22的硬化收缩率。特别是最好采用环氧树脂，其自身的硬化收缩率低，可显著降低粘接剂的硬化收缩率。
并且，温度补偿构件18的涂敷粘接剂22部分的表面粗糙度(Ra)最好在5μm以下，因为这会使粘接剂22对于温度补偿构件18的润湿性变好，粘接不易脱落和松动。
并且，粘接剂22对于温度补偿构件18的润湿性可以通过接触角评价，如接触角为20°～80°时，则粘接不会脱落和松动，不易引起温度补偿功能的丧失和恶化。
再有，粘接剂22最好为紫外线硬化树脂。紫外线硬化树脂易于在短时间和低温下粘接，紫外线硬化后，如以不使光学部件的特性恶化的温度进行热处理，虽然硬化时间稍微延长，但是增加了粘接强度。
并且，上述光通信器件，由于使用了热膨胀的滞后小且相对于环境变化滞后稳定性高的温度补偿构件，具备稳定的温度补偿特性且机械强度高。
再有，以上描述了使用作为光学部件的光纤的例子，但在使用其他光学部件的场合也同样可以实施。
以下，根据各个实施例及比较例详细说明本发明的温度补偿构件。
表1给出了本发明的实施例(试样No.1-6)及比较例(试样No.7)的有关数据。表1
试样No.                        实施例 比较例
    1      2      3      4      5      6      7
SiO2Al2O3Li2OTiO2ZrO2MgOP2O5     56.731.68.61.01.20.20.7     55.233.09.30.81.00.20.5     50.736.811.10.40.50.10.4     57.130.48.11.11.60.31.4     58.031.07.70.81.40.30.8     46.240.99.11.91.9--     44.543.012.5----
结晶的种类  β-Qs.s.  β-Qs.s.  β-Qs.s.  β-Qs.s.  β-Qs.s.  β-Es.s.  β-Es.s.
晶面间距()     3.498     3.501     3.519     3.496     3.493     3.515     3.534
热膨胀系数(×10-7/℃) -57 -78 -95 -34 -26 -64 -98
滞后初期高温高湿后(ppm) 1820 2326 5769 98 77 5568 78150
表1中，No.1～5及No.7等各试样以如下方法制作。首先，按照使烧结后的多晶体具有表中给出的组成(重量％)的要求调配原料。然后，将原料装入模具，以20Mpa的压力冲压成形，制出宽4mm、厚3mm、长40mm的棱柱状的成形体(压坯)。然后，在空气中1350℃下对这些成形体进行15小时的烧结，然后，冷却至常温，形成β-石英固溶体的多晶体。
并且，No.6试样按如下方法制作，按照使晶化后的多晶体具有表中给出的组成(重量％)的要求调配原料，然后在1500℃进行7小时的熔融，经急速冷却制成玻璃，然后通过在1350℃下进行15小时的加热并晶化，形成析出β-锂霞石固溶体的多晶体。
又，这些多晶体的原料可以适当选择各种矿物和化合物。并且，表中的β-Qs.s.表示β-石英固溶体，β-Es.s.表示β-锂霞石固溶体。
从表1可以明显看出，No.1～6的各个试样由β-石英固溶体或β-锂霞石固溶体形成，具有-26～-95×10-7/℃的负热膨胀系数，晶面间距小于3.52，因而其初期滞后小，而且经高温高湿后的滞后变化小，适合作为温度补偿构件。并且各个试样的热膨胀直线性在60ppm以下。
另一方面，由于No.7试样的晶面间距大到3.534，其初期滞后和高温高湿后的滞后变化大，并且热膨胀的直线性大于60ppm，因而不适合用作温度补偿构件。
图6是No.2试样的热膨胀曲线图。图7是表示采用该No.2试样形成的温度补偿构件的FBG的反射中心波长的温度依赖性的曲线图。图6显示No.2试样具有良好的热膨胀直线性，图7显示具有温度补偿的FBG的反射中心波长的温度依赖性比无温度补偿时大大减小，而且在任何温度区域均保持恒定。
并且，采用在No.2试样(4×40×2mm)下面用有机硅树脂形成的粘接剂粘接不锈钢板(4×40×1mm)的光通信器件，其破坏载荷为9kgf，具有较高的机械强度，且其反射中心波长的温度依赖性也小。
与此相对，采用未用加固构件加固的No.2试样的光通信器件的破坏载荷为1.5kgf，其机械强度较低。
并且，使用25℃下粘度为4000mPa·s、硬化收缩率0.2％的环氧树脂形成的粘接剂，将FBG粘结在No.2试样形成的温度补偿构件上，如此构成光通信器件，由于可以低温粘接，不会损害FBG的特性，而且，对于温度补偿构件，粘接剂的润湿性良好，粘接不会脱落和松动。并且，由于硬化收缩率低，不会使施加于光纤的张力增加、温度补偿功能丧失和恶化。
另外，表1中的结晶的种类和提供主峰的晶面的晶面间距通过X射线衍射求出，热膨胀系数和滞后通过膨胀计测定。热膨胀系数在-40～100℃的温度范围内测定，在-40～100℃的温度范围内以1℃/分的速度反复加热和冷却试样时，测定30℃下加热时和冷却时的试样长度的差，并将其除以试验前的试样长度而求出滞后。另外，高温高湿试验后的滞后是在70℃、85％RH的环境下放置500小时后的值。破坏载荷根据基于JIS R 1601的方法测定。
粘接剂的粘度用HB型粘度计(Brookfield公司制造)在25℃、速度梯度4S-1下测定。硬化收缩率通过比重杯法测定。
以上形成的所有温度补偿构件，热膨胀滞后小，面临环境变化的滞后稳定性高，而且可以低成本制作，因而适合作为从FBG到耦合器、波导管等光通信器件的温度补偿构件。工业上利用的可能性
本发明的温度补偿构件适合作为从FBG到耦合器、波导管等光通信器件的温度补偿构件。

Claims (7)

1.一种温度补偿构件，其特征在于，由以β-石英固溶体和β-锂霞石固溶体中的一种为主结晶的多晶体形成，具有负的热膨胀系数，X射线衍射测定中提供主峰的晶面的晶面间距小于3.52。
2.如权利要求1所述的温度补偿构件，其特征在于所述多晶体由粉末烧结体形成。
3.如权利要求1或2所述的温度补偿构件，其特征在于，在-40～100℃的温度范围内的热膨胀系数为-25～-120×10-7/℃。
4.一种光通信器件，其特征在于包括权利要求1至3中任何一项所述的温度补偿构件和固定于所述温度补偿构件的一面上的具有正热膨胀系数的光学部件。
5.如权利要求4所述的光通信器件，其特征在于，包括用低弹性粘接剂粘接在所述温度补偿构件的另一面上的加固构件。
6.如权利要求5所述的光通信器件，其特征在于，所述加固构件为具有通孔的柱体，所述温度补偿构件设置在所述加固构件的通孔内。
7.如权利要求4所述的光通信器件，其特征在于，所述光学部件通过粘接剂固定在所述温度补偿构件上，所述粘接剂由有机聚合物形成，硬化前在25℃下粘接剂粘度为2500～100000mPa·s，硬化收缩率在5％以下。
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